濕度對(duì)棒-板間隙電暈特性的影響規(guī)律

謝梁，花廣如，崔云驤，羅紅健，劉云鵬，黃世龍

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074；2.河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071003；3. 華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定071003)

0 引言

金具作為輸電線路的關(guān)鍵部件，在輸送電能的過(guò)程中扮演著不可或缺的角色。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面電場(chǎng)分布不均，極易出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。加之運(yùn)行過(guò)程中氣象環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)其電場(chǎng)的分布有一定影響，可能會(huì)促進(jìn)電暈的產(chǎn)生。因此有必要對(duì)復(fù)雜環(huán)境下輸電線路金具的運(yùn)行情況進(jìn)行研究。

各種大氣參數(shù)對(duì)金具的起暈電壓都有著顯著的影響[1]。濕度是大氣環(huán)境中的一個(gè)重要因素，對(duì)金具起暈有明顯的影響。環(huán)境濕度改變，擊穿電壓、放電電流也會(huì)隨之改變[2 - 4]。文獻(xiàn)[5 - 7]通過(guò)人工氣候罐內(nèi)的直流電暈放電試驗(yàn)和針對(duì)電暈起始放電模型的計(jì)算分析，指出起暈電壓隨絕對(duì)濕度的增加緩慢下降，正極性與負(fù)極性電壓下具有相似的規(guī)律。P.A.Calva[8]等人在研究低氣壓(δ= 0.77)直流棒板間隙正極性電暈時(shí),發(fā)現(xiàn)當(dāng)濕度每減小1 g/m3,直流棒板間隙的平均離子遷移率將減小1.4%。對(duì)空氣靜電放電的研究中，不同空氣濕度下的靜電放電電流峰值之間存在著明顯的差別，濕度越低，放電電流峰值越大，高濕度時(shí)的電暈損失要比低濕度時(shí)的電暈損失大[9]。在對(duì)流注特性研究中，流注的長(zhǎng)短、幅值隨氣壓與濕度的升高而減小，流注傳播的“起始電場(chǎng)”和“穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)”隨著氣壓和濕度升高而增大[10 - 11]。Allen等人在研究不同濕度條件下棒-板空氣間隙的正極性直流放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)濕度每增加1 g/m3，電暈電流也隨之增加1.4%，在小間隙(間隙距離小于50 cm)、低濕度(絕對(duì)濕度小于10 g/m3)的條件下，平均閃絡(luò)電壓隨濕度的增加而減??；但當(dāng)濕度大于10 g/m3時(shí)，平均閃絡(luò)電壓隨濕度的增加而增加[12]。隨著相對(duì)濕度的增大，正直流-交流復(fù)合電壓下電極的起暈電壓基本不變；負(fù)直流-交流復(fù)合電壓下電極的起暈電壓逐漸減小，但是起暈電壓減小的幅度逐漸減弱；單一電壓下電極的起暈電壓均逐漸減小[13]。在相對(duì)濕度較大時(shí)，工頻電場(chǎng)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化較大，隨相對(duì)濕度的增大呈指數(shù)級(jí)增加[14]。

本文采用電場(chǎng)仿真與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)不同濕度狀態(tài)下棒-板間隙電暈特性的變化進(jìn)行分析研究。首先從電場(chǎng)仿真結(jié)果中找出濕度的變化對(duì)電場(chǎng)分布的影響規(guī)律，為結(jié)果提供理論依據(jù)，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其變化的規(guī)律。

1 棒-板電極電場(chǎng)仿真

1.1 模型參數(shù)設(shè)定

棒-板間隙是一種常用的典型電極結(jié)構(gòu)，是常用極不均勻場(chǎng)的電極模型，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用于研究極不均勻場(chǎng)的電暈放電特性?；诎?板電極二維模型的電場(chǎng)仿真，選取棒-板氣隙間距h為100 mm、棒電極半徑R為2 mm。幾何模型如圖1所示。在棒電極處的電壓邊界為50 kV的鉗制電位，板電極處為0電位。

圖1 模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch map of the model

1.2 模型計(jì)算結(jié)果

1.2.1 均勻介質(zhì)模型

空氣中主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，通常認(rèn)為純凈的干空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，水蒸氣的第一電離電位小于氮?dú)?，?dāng)水蒸氣占比增大時(shí)會(huì)改變空氣的介電常數(shù)。水的相對(duì)介電常數(shù)為78.5，遠(yuǎn)高于干空氣的相對(duì)介電常數(shù)，當(dāng)空氣介質(zhì)中水蒸氣增加，空氣介質(zhì)的等效介電常數(shù)會(huì)相應(yīng)增加。文章依據(jù)這種推斷，計(jì)算了介質(zhì)等效介電常數(shù)為1、1.005、1.01、1.1四種狀況下間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，間隙介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的改變對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)明顯改變，符合靜電場(chǎng)原理。

表1 均勻介質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of homogeneous medium model

1.2.2 非均勻介質(zhì)

空氣中懸浮物在電場(chǎng)極化下，會(huì)相互吸附，在濕度較高時(shí)，懸浮物吸附水分子形成微粒[16 - 18]。文章依此將空氣中水蒸氣簡(jiǎn)化為微粒模型，微粒的間距與相對(duì)濕度關(guān)系由式(1)—(6)給出。

M=RH×M0

(1)

(2)

m=ρV

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：M0為單位體積內(nèi)飽和水蒸氣質(zhì)量，RH為相對(duì)濕度，M為相對(duì)濕度下單位體積內(nèi)所含水蒸氣質(zhì)量，V為微粒體積，r為微粒半徑，m為微粒質(zhì)量，ρ為水的密度，u為單位體積內(nèi)所含微粒數(shù)，ux、uy、uz為x、y、z方向上單位體積的邊長(zhǎng)內(nèi)微粒數(shù)，L為微粒間距，L0為單位體積的邊長(zhǎng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，相對(duì)濕度的增加會(huì)提高PM2.5的濃度。文章對(duì)微粒設(shè)置為半徑0.001 mm，對(duì)模型進(jìn)行電場(chǎng)分析。棒電極頭部周?chē)妶?chǎng)較大，因此以棒電極頭部周?chē)奈⒘槔M(jìn)行分析，所得電場(chǎng)分布與棒-微粒方位關(guān)系如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)分布與棒-微粒方位關(guān)系Fig.2 Electric field distribution and Rod-particle orientation diagram

圖2(a)中，在微粒所在位置，電場(chǎng)等值線明顯被扭曲。為了清晰地觀察微粒周?chē)妶?chǎng)的變化，在棒電極軸線上取1個(gè)微粒進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2(b)所示。對(duì)于位于軸線上的微粒，發(fā)現(xiàn)在其上、下兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度明顯升高，在左、右兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度降低；在其他位置任取1個(gè)微粒進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2(c)所示。對(duì)于在棒末端左下角方向任取的微粒，電場(chǎng)強(qiáng)度在其左下、右上方向上升高，左上、右下方向上降低。綜上所述，可見(jiàn)電場(chǎng)升高的方向和微粒與棒電極末端連線的方向一致，而在微粒與棒電極連線的垂直方向上電場(chǎng)降低，此方向的電場(chǎng)值低于周?chē)鷧^(qū)域。觀察圖2中不同位置的微粒，根據(jù)其周?chē)妶?chǎng)線的扭曲程度，可以發(fā)現(xiàn)微粒的存在主要影響其4倍半徑范圍內(nèi)的電場(chǎng)分布。

假設(shè)微粒的直徑不變，可以通過(guò)調(diào)整微粒間距來(lái)表示濕度的變化。在高濕條件下或者因環(huán)境造成的局部濕度較大，微粒間距十分小，對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖3所示。其中圖3(a)中微粒連線方向在棒電極頭部半徑射線方向上，此時(shí)，微粒之間會(huì)形成高場(chǎng)強(qiáng)通道；圖3(b)中微粒連線方向與棒電極頭部半徑射線方向垂直，微粒之間會(huì)形成較低的場(chǎng)強(qiáng)通道。流注頭部的發(fā)展有隨機(jī)性，當(dāng)流注頭部沿高場(chǎng)強(qiáng)通道蔓延，畸變的電場(chǎng)將促進(jìn)流注的發(fā)展；當(dāng)流注頭部沿低場(chǎng)強(qiáng)通道方向蔓延，畸變的電場(chǎng)將抑制流注的發(fā)展。

圖3 電場(chǎng)分布與棒-微粒方位關(guān)系Fig.3 Electric field distribution and rod-particle orientation diagram

2 不同濕度對(duì)電極電暈特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)過(guò)程中采用自行設(shè)計(jì)的濕度可調(diào)試驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度環(huán)境的模擬調(diào)節(jié)，試驗(yàn)裝置采用正方體設(shè)計(jì)的方式，該裝置的長(zhǎng)、寬、高均為1.2 m。相對(duì)濕度的可調(diào)節(jié)范圍為20%～100%。為觀測(cè)試驗(yàn)裝置內(nèi)部具體情況采用透光性能較好的有機(jī)玻璃作為主體材料，同時(shí)為保證電暈放電紫外光子數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)壁設(shè)置石英玻璃視窗。裝置如圖4所示。

圖4 棒-板電極試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Rod-plate electrode test platform

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所使用的高壓電源為250 kV交流高壓電源，電暈放電產(chǎn)生的紫外光子采用Super B型號(hào)的紫外成像儀觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)棒-板氣隙間距d為100 mm、棒電極半徑為2 mm。試驗(yàn)時(shí)溫度為29.5±0.5 ℃、氣壓為100.09±0.1 kPa，符合國(guó)標(biāo)高電壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)(GB/T 16927.1—2011)要求標(biāo)準(zhǔn)。濕度的改變通過(guò)加濕器和干空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，加濕器提高濕度，干空氣降低濕度。實(shí)測(cè)的濕度范圍為30%～85%，每個(gè)濕度等級(jí)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值作為該濕度等級(jí)下的有效參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

相對(duì)濕度為30%時(shí)，緩慢升高施加在棒上的電壓，電壓在0～39 kV時(shí)，紫外儀中的成像如圖5(a)所示，此時(shí)畫(huà)面上沒(méi)有起暈點(diǎn)、光子計(jì)數(shù)率非常小，一般在0～300的范圍內(nèi)，推測(cè)可能是極少量的周?chē)諝庵械姆蹓m在高壓下放電引起的火光；當(dāng)電壓加至40 kV時(shí)，棒電極出現(xiàn)明顯電暈現(xiàn)象(如圖5(b))，且光子數(shù)在1 000左右波動(dòng)；目前光子數(shù)達(dá)到多少算起暈尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，考慮到需要去除背景光子的干擾[20 - 22]，文章選取光子數(shù)超過(guò)1 000作為起暈起始的依據(jù)。當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，紫外儀上的光子數(shù)逐漸增大，電暈光斑也越來(lái)越顯著；當(dāng)電壓增大至45 kV時(shí)，如圖5(c)所示，光子數(shù)增大至2 450左右，電暈光斑也更明顯；繼續(xù)增大電壓，光子數(shù)急劇增大，在數(shù)萬(wàn)至數(shù)萬(wàn)的量級(jí)上跳動(dòng)，電暈光斑也由小向大變換，圖5(d)所示為電壓達(dá)到50 kV時(shí)紫外儀中的成像。因?yàn)槭┘拥氖墙涣麟妷?，存在正半周和?fù)半周。在負(fù)電壓下的起暈電壓低于正電壓下的起暈電壓[23]。所以，推測(cè)40～45 kV范圍內(nèi)，棒電極只有在負(fù)半周時(shí)起暈，產(chǎn)生可觀察到的光子計(jì)數(shù)，而電壓正半周時(shí)不產(chǎn)生光子計(jì)數(shù)。當(dāng)電壓增大到50 kV時(shí)，達(dá)到了正電壓下的起暈電壓，光子數(shù)驟增。

圖5 紫外光子成像圖Fig.5 Ultraviolet photon imaging

相對(duì)濕度為40%、55%、60%、70%、85%時(shí)，進(jìn)行相同的試驗(yàn)過(guò)程；此外更換曲率半徑1 mm棒電極重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到不同濕度條件下的棒-板間隙電暈放電情況。通過(guò)前文中所述，得到不同相對(duì)濕度與起暈電壓的關(guān)系，如圖6所示，在相對(duì)濕度30%～ 60%范圍內(nèi)，起暈電壓隨相對(duì)濕度的增大而減小，在相對(duì)濕度60%～85%范圍內(nèi)，起暈電壓隨相對(duì)濕度的增大而增大，但增大的幅值較小。對(duì)于不同的電極，起暈電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

圖6 起暈電壓與相對(duì)濕度關(guān)系Fig.6 Relationship between corona initiation voltage and relative humidity

對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在濕度從低到高接近60%時(shí)，空間中存在的微粒聚集量增大，電場(chǎng)的不均勻度更大，起暈電壓降低，更易產(chǎn)生光子。在濕度大于60%后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)起暈電壓升高，即高濕度抑制了起暈，與仿真的高濕情況下抑制與促進(jìn)并存的結(jié)果不盡相同。分析其原因，應(yīng)是實(shí)驗(yàn)中水分子團(tuán)捕獲空氣中的自由電子，抑制放電過(guò)程[8]，從而起暈電壓增大。濕度的改變使高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)碰撞電離能力發(fā)生變化，繼而改變了起暈電壓。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)棒-板電極場(chǎng)強(qiáng)的仿真分析，以及在不同濕度環(huán)境下進(jìn)行棒-板間隙放電試驗(yàn)，得出仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將兩者進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

1)當(dāng)間隙中有微粒存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，并且在微粒與棒電極末端連線方向上電場(chǎng)顯著增加，而在其連線的垂直方向上電場(chǎng)是降低的。當(dāng)濕度變化時(shí)，仿真分析通過(guò)調(diào)節(jié)微粒的間距大小來(lái)模擬濕度的變化。仿真結(jié)果顯示，高濕度時(shí)，當(dāng)微粒連線方向與棒電極頭部射線方向同向時(shí)，微粒的存在會(huì)促進(jìn)流柱的發(fā)展，當(dāng)微粒連線方向與棒電極頭部射線方向垂直時(shí)，其會(huì)抑制流柱的發(fā)展。

2)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)濕度30%～60%范圍內(nèi)，起暈電壓隨相對(duì)濕度的增大而減小，在相對(duì)濕度60%～85%范圍內(nèi)，起暈電壓隨相對(duì)濕度的增大而增大，但增大的幅值較小。對(duì)于不同的電極，起暈電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。