高海拔條件下沙塵暴天氣對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響試驗(yàn)研究

劉炯，王勁，梁明，劉云鵬，黃志成，李星辰，耿江海，劉繼興

（1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000；2.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引言

沙塵天氣是常見于西北、華北和東北西部地區(qū)的一種災(zāi)害性天氣，多發(fā)生于春季。沙塵天氣對(duì)電網(wǎng)安全的影響不可忽視，2014年4月23日，新疆吐魯番和哈密等地區(qū)發(fā)生特強(qiáng)沙塵暴天氣，造成750 kV吐魯番-哈密一線多次故障跳閘。2006年3月28日，河南鄭州因沙塵暴天氣發(fā)生30多起線路跳閘事故。2019年2月24日青海地區(qū)330 kV柴林Ⅰ線也因沙塵暴天氣發(fā)生跳閘事故。國(guó)外也曾出現(xiàn)過類似的事故，2021年3月蒙古國(guó)在特強(qiáng)沙塵暴的影響下出現(xiàn)大面積停電。沙特電網(wǎng)近幾十年來亦一直受到沙塵天氣的困擾。鑒于沙塵天氣對(duì)輸電線路外絕緣的影響，很有必要對(duì)沙塵環(huán)境下空氣間隙的放電特性進(jìn)行研究[1-2]。

目前，學(xué)者們對(duì)沙塵環(huán)境中空氣間隙放電特性的研究已經(jīng)取得了一些成果。司馬文霞等[3-4]設(shè)計(jì)了一套沙塵暴環(huán)境模擬裝置，并利用該裝置進(jìn)行模擬沙塵環(huán)境下短空氣間隙的工頻放電特性試驗(yàn)。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)的風(fēng)沙流對(duì)棒-棒空氣間隙工頻擊穿電壓的影響較小，且無明顯規(guī)律，而陰極表面沉積的沙粒會(huì)導(dǎo)致棒-棒間隙工頻擊穿電壓降低，同時(shí)沙塵帶電量對(duì)間隙擊穿電壓沒有明顯影響。然而，該試驗(yàn)中模擬的沙塵帶電量?jī)H在150 nC/kg以下，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)外學(xué)者在野外和風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)量到的沙塵荷質(zhì)比[5-11]。同時(shí)，該研究?jī)H探究了沙塵條件對(duì)5 cm以下短間隙工頻放電電壓的影響。鄧鶴鳴[12]采用正、負(fù)雷電沖擊電壓對(duì)間隙距離為20～45 cm的線-板電極進(jìn)行擊穿特性試驗(yàn)，研究了沙塵顆粒粒徑對(duì)沙塵環(huán)境中空氣間隙擊穿電壓的影響。結(jié)果表明，粒徑較大的沙塵（大于0.1 mm）有利于放電的發(fā)展，但當(dāng)沙塵粒徑超過2 mm時(shí)，這種影響減弱。A A AL-ARAINY等[13]在雷電和操作沖擊電壓作用下對(duì)沙塵環(huán)境中空氣間隙進(jìn)行擊穿特性試驗(yàn)。結(jié)果表明，沙塵對(duì)空氣間隙雷電放電特性有影響，影響程度與所施加電壓的波形、電壓極性、電極形狀（方形和半球形）、空氣間隙距離均有關(guān)；當(dāng)空氣間隙的長(zhǎng)度超過40 cm后，沙塵對(duì)空氣間隙擊穿電壓的影響可以忽略不計(jì)。然而，文獻(xiàn)[12-13]的研究均在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行，僅探討了彌散沙塵對(duì)間隙雷電和操作沖擊放電電壓的影響，未開展風(fēng)速與沙塵帶電模擬，模擬沙塵暴條件不完全。

針對(duì)上述研究的不足，本研究根據(jù)西藏、青海、新疆等地沙塵暴天氣頻發(fā)，參考輸電線路走廊地區(qū)沙塵參數(shù)的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合沙塵暴天氣的氣候特征，最終確定了模擬沙塵暴環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，搭建一套模擬風(fēng)沙試驗(yàn)裝置以模擬西北高海拔地區(qū)沙塵暴的風(fēng)速、濃度、粒徑、荷電量?；谠撗b置，在昆明高海拔地區(qū)開展模擬沙塵環(huán)境對(duì)0.15～2.00 m線-板空氣間隙工頻擊穿特性影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過改變沙塵粒徑和濃度等參數(shù)，獲得對(duì)空氣間隙工頻放電最不利的模擬沙塵條件。在此基礎(chǔ)上，探究沙塵對(duì)間隙放電特性影響的機(jī)理，希望能為線路外絕緣工程建設(shè)提供參考。

1 模擬風(fēng)沙試驗(yàn)參數(shù)的確定

1.1 沙塵顆粒度的確定

本課題組曾調(diào)研了西藏、青海、新疆等地區(qū)輸電線路走廊附近沿線3600 km的沙塵參數(shù)[14-15]，調(diào)研得到的沙塵粒徑一般在0～500 μm。考慮粗沙難以輸運(yùn)至輸電線路高度，本研究選擇0～125 μm，125～250 μm兩種粒徑。

1.2 模擬沙塵濃度

目前，GB/T 20480—2017《沙塵天氣等級(jí)》[16]中依照能見度將沙塵天氣分為5個(gè)等級(jí)，分別為浮塵（＜10000 m）、揚(yáng)沙（＜1000 m）、沙塵暴（＜500 m）、強(qiáng)沙塵暴（＜100米）、特強(qiáng)沙塵暴（＜50 m）。本研究模擬的沙塵環(huán)境是根據(jù)沙塵濃度進(jìn)行標(biāo)定，參考L J HAGEN等[17]總結(jié)的能見度和沙塵濃度的關(guān)系x=58.1/γ（其中γ是沙塵的濃度，單位為mg/cm3；x是能見度），強(qiáng)沙塵暴與特強(qiáng)沙塵暴所對(duì)應(yīng)的沙塵濃度分別為580 mg/m3和1160 mg/m3。同時(shí)，文獻(xiàn)[18-21]表明，當(dāng)發(fā)生特強(qiáng)沙塵暴時(shí)，地面空氣中的物質(zhì)濃度可以達(dá)到1017 mg/m3。據(jù)我國(guó)環(huán)境部門記錄[22]，1993年5月5日發(fā)生的特強(qiáng)沙塵暴，甘肅省金昌市的室外空氣的總懸浮顆粒物（TSP）濃度達(dá)到1016 mg/m3。綜合考慮上述研究成果，本研究選取沙塵濃度為500 mg/m3和1000 mg/m3分別作為強(qiáng)沙塵暴和特強(qiáng)沙塵暴的濃度等級(jí)。

1.3 模擬沙塵荷質(zhì)比

如引言所述，沙塵暴發(fā)生時(shí)，由于氣流與沙粒、沙粒與沙粒、沙粒與地面的直接摩擦作用，沙塵暴顆粒會(huì)帶上電荷。帶電沙粒隨風(fēng)沙懸浮于空氣中并出現(xiàn)在輸電線路附近時(shí)便會(huì)影響周圍的電場(chǎng)分布，從而可能影響其外絕緣特性。因此，模擬沙塵環(huán)境有必要對(duì)沙塵的帶電量進(jìn)行模擬。表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沙塵暴發(fā)生地實(shí)測(cè)得到的沙粒荷質(zhì)比。

達(dá)到輸電線路高度的沙塵多為細(xì)沙，細(xì)沙由于不對(duì)稱摩擦作用通常帶負(fù)電。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的沙粒帶電量的測(cè)量結(jié)果，考慮較為極端環(huán)境，最終確定模擬沙塵環(huán)境中的沙粒荷質(zhì)比為-100 μC/kg和-200 μC/kg。

表1 國(guó)內(nèi)外沙塵荷質(zhì)比實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.1 The measured results of dust charge-mass ratio

1.4 模擬沙塵暴風(fēng)速

一般情況下，風(fēng)速達(dá)到6～9 m/s的風(fēng)就可以將地面上的沙塵吹到空氣中，此時(shí)為浮塵和揚(yáng)沙天氣。當(dāng)風(fēng)速介于六級(jí)和八級(jí)之間，為中等強(qiáng)度沙塵暴；當(dāng)風(fēng)速高于九級(jí)時(shí)，沙塵暴等級(jí)上升為強(qiáng)沙塵暴。同時(shí)，沙塵暴瞬時(shí)風(fēng)速亦可能達(dá)到25 m/s，該情況為特強(qiáng)沙塵暴。本研究選取風(fēng)速10 m/s對(duì)應(yīng)浮沉揚(yáng)沙天氣、18 m/s對(duì)應(yīng)中等沙塵暴天氣、25 m/s對(duì)應(yīng)特強(qiáng)沙塵暴天氣。

1.5 模擬參數(shù)總結(jié)

本研究選取模擬沙塵環(huán)境風(fēng)速分別為10、18、25 m/s，沙塵試驗(yàn)濃度為500 mg/m3和1000 mg/m3。將試驗(yàn)沙塵粒徑（d）分為d＜125 μm和125 μm＜d＜250 μm。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沙塵暴發(fā)生時(shí)得到的沙塵荷質(zhì)比測(cè)量結(jié)果，選擇沙粒荷質(zhì)比分別為0、-100、-200 μC/kg。

2 沙塵模擬系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)了一套沙塵暴模擬試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面則逐一敘述模擬沙塵環(huán)境中各參量的控制方法。

圖1 沙塵環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of sand environment simulation testing apparatus

2.1 沙塵暴風(fēng)速控制及沙塵擴(kuò)散面積的保障

風(fēng)機(jī)由55 kW的變頻調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，風(fēng)機(jī)出口處最大風(fēng)速可以達(dá)到35 m/s，在試品安裝處（距離風(fēng)機(jī)出口7 m位置）最大風(fēng)速可達(dá)25 m/s。風(fēng)機(jī)出口安裝24片倒流葉片。導(dǎo)流葉片增大了沙塵的彌散范圍，使得試品區(qū)域沙塵彌散面積超過3 m×3 m。沙塵擴(kuò)散效果如圖2所示，裝置滿足了風(fēng)速及沙塵擴(kuò)散面積的要求（風(fēng)機(jī)出口直徑為1.5 m）。

圖2 風(fēng)沙擴(kuò)散現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.2 Picture of sandstorm spreading scene

2.2 沙塵濃度與粒徑控制

本研究選擇的沙塵粒徑為125～250 μm以及0～125 μm兩種。試驗(yàn)選用新疆本地沙源，采用篩沙機(jī)分別配合60目與120目篩網(wǎng)獲得上述兩種沙粒。模擬沙塵濃度控制則采用螺旋喂料器，試驗(yàn)中通過改變給喂料器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)沙速度，進(jìn)而控制沙塵濃度。

2.3 沙塵荷質(zhì)量比的標(biāo)定與控制

本試驗(yàn)采用場(chǎng)致荷電對(duì)沙塵顆粒進(jìn)行荷電[23]。顆粒的場(chǎng)致荷電理論公式如式（1）所示。

式（1）中：qs為顆粒帶電量；m為顆粒質(zhì)量；ρ為顆粒密度；d為顆粒直徑；εr為顆粒相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；τ為顆粒的荷電時(shí)間常數(shù)，τ=4ε0E0/i；E0為顆粒所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度；t為顆粒的荷電時(shí)間；i為離子流密度，單位是A/m2。

由式（1）可知，沙粒的充分荷電需要3個(gè)條件，分別是電場(chǎng)、一定的荷電時(shí)間以及充足的空氣離子。因?yàn)槟M沙塵暴的風(fēng)速較高，沙塵通過荷電區(qū)域的時(shí)間較短，所以需要增大荷電區(qū)域的長(zhǎng)度。但是，荷電區(qū)域的加長(zhǎng)必然要求更高的電勢(shì)以提供較大的電場(chǎng)，保持電暈網(wǎng)起暈。這兩者本身存在矛盾。為了解決這一矛盾，本研究采用多層荷電網(wǎng)的形式，滿足了沙塵荷電的需求。多層荷電網(wǎng)由起暈網(wǎng)與接地網(wǎng)交替排列組成，如圖3所示。沙粒荷電量的測(cè)量標(biāo)定方式如圖4所示。

圖3 多層起暈網(wǎng)Fig.3 Multilayer corona network

圖4 沙粒荷電標(biāo)定系統(tǒng)Fig.4 Sand charge calibration system

荷電標(biāo)定時(shí)，隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)的帶電沙粒穿越平行平板和屏蔽板進(jìn)而被純銅開口沙粒收集箱收集[22]，其尺寸為20 cm×10 cm×20 cm，開口大小為15 cm×2 cm，其背面為1000目銅網(wǎng)，風(fēng)沙流通過時(shí)沙粒會(huì)被收集箱收集。沙粒收集箱通過雙層屏蔽線與吉時(shí)利6517B型靜電計(jì)（靈敏度為1 pA）相連，帶電沙粒將電荷轉(zhuǎn)遞給銅質(zhì)的沙粒收集箱形成電流，由靜電計(jì)測(cè)量并被采集卡采集傳輸給電腦，通過式（2）即可計(jì)算得到沙粒的帶電量。

式（2）中：m1為試驗(yàn)前沙粒收集筒的質(zhì)量；m2為試驗(yàn)后沙粒和沙粒收集桶的總質(zhì)量；I為采集卡采集的電流讀數(shù)；t為測(cè)量時(shí)間。

平行平板的作用主要是濾除由電暈網(wǎng)產(chǎn)生的隨空氣一起流動(dòng)的空氣離子，避免空氣離子對(duì)沙粒荷電量測(cè)量以及間隙放電的影響。屏蔽板的作用則僅用于荷電測(cè)量，防止電暈網(wǎng)及平行平板的電場(chǎng)作用下沙粒收集箱產(chǎn)生感應(yīng)電，引起荷電測(cè)量誤差。多次測(cè)量后，沙粒荷電標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 沙塵荷質(zhì)比標(biāo)定Tab.2 Dust charge-mass ratio calibration

3 模擬沙塵天氣下線-板間隙工頻放電試驗(yàn)

3.1 試品布置及試驗(yàn)方法

工頻試驗(yàn)設(shè)備為2250 kV工頻試驗(yàn)變壓器，電源容量為4500 kVA，結(jié)構(gòu)型式為戶外、單相、敞開式，其照片如圖5所示。試驗(yàn)過程中記錄溫度和濕度，便于后續(xù)對(duì)放電電壓進(jìn)行溫濕度校正。

圖5 工頻試驗(yàn)變壓器Fig.5 AC test transformer

工頻試驗(yàn)中試品布置方式如圖6所示，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)桿塔的結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)采用棒電極與板電極平行布置的方式。棒電極長(zhǎng)度為2 m，直徑為10 cm，兩端半球直徑為10 cm，焊接點(diǎn)打磨后光滑無毛刺；板電極為多塊不銹鋼板鋪設(shè)而成，邊長(zhǎng)為7 m，均接地。工頻試驗(yàn)變壓器的高壓引線經(jīng)水電阻與棒電極相連。試驗(yàn)中，由于模擬環(huán)境風(fēng)速較大，使用8根絕緣繩加固絕緣子和棒電極，保證棒電極在25 m/s風(fēng)速下無位移和抖動(dòng)。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.6 Layout of the test site

試驗(yàn)方法采用GB/T 16927-1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》[24]規(guī)定的破壞性放電電壓試驗(yàn)方法，具體為調(diào)整間隙距離后，逐漸升高電壓，直到放電為止。當(dāng)施加的電壓在75%預(yù)期放電電壓以下時(shí)，升壓速度可稍快，當(dāng)電壓升至75%預(yù)期放電電壓時(shí)，緩慢升壓，從75%～100%放電電壓的升壓時(shí)間約為1 min直到間隙擊穿，此時(shí)記錄擊穿放電瞬間的工頻試驗(yàn)電壓有效值和氣象條件。放電后電壓退至零位，再次升壓，充分考慮放電的分散性，每個(gè)間隙距離施加電壓的次數(shù)為10次。

3.2 無風(fēng)沙條件下風(fēng)速對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響

不同風(fēng)速條件下（無沙塵），線-板間隙分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m的工頻電壓擊穿試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，風(fēng)速基本不會(huì)影響4種線-板空氣間隙的工頻擊穿電壓，工頻擊穿電壓測(cè)量結(jié)果的偏差均在3%以內(nèi)。同時(shí)，從圖7還可以看出，隨著風(fēng)速增大，不同長(zhǎng)度線-板間隙的工頻擊穿電壓呈現(xiàn)先略微降低后略微升高的趨勢(shì)。對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，可用伯努利方程描述流場(chǎng)的能量守恒，如式（3）所示。

圖7 線-板間隙工頻擊穿電壓隨風(fēng)速變化特性曲線Fig.7 Line-plate clearance power frequency breakdown voltage with wind speed variation curves

式（3）中：P為氣壓；ρa(bǔ)為空氣密度；g為重力加速度；z為高度；C為常量。P ρa(bǔ)可以理解為氣流的壓力勢(shì)能；gz為氣流的重力勢(shì)能；V22為氣流的動(dòng)能，隨著氣流速度的提高，必然導(dǎo)致空氣的氣壓有所減小，進(jìn)而降低擊穿電壓。但是，由于氣流流速較小，氣流的動(dòng)能遠(yuǎn)小于其壓力勢(shì)能，這種影響可以說非常微弱。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大，氣流的吹弧效應(yīng)會(huì)造成間隙擊穿電壓的升高，但由于間隙流注的發(fā)展過程非常迅速，這種效應(yīng)對(duì)擊穿電壓的影響仍然有限。

3.3 不同風(fēng)速下有沙條件對(duì)間隙工頻擊穿電壓的影響

沙塵粒徑分別選擇0～125 μm和125～250 μm，荷電量選擇-200 μC/kg，不同風(fēng)速下有無沙塵環(huán)境對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響如圖8所示。從圖8可以看出，有無沙粒條件對(duì)空氣間隙擊穿電壓影響很小，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，沙塵粒徑對(duì)棒板-間隙工頻擊穿電壓影響不明顯，兩種粒徑風(fēng)沙條件下的擊穿電壓差別小于1%，細(xì)沙條件下棒板-間隙擊穿電壓略低于粗沙條件，這可能是由于粗砂的粒徑較大，在間隙放電空間中會(huì)吸附放電過程中產(chǎn)生的電子和離子，對(duì)放電起到一定的阻礙作用。

圖8 有風(fēng)沙條件對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓影響Fig.8 Influence of wind-sand condition on power frequency breakdown voltage of line-plate gap

3.4 沙塵濃度對(duì)間隙工頻擊穿電壓的影響

進(jìn)一步研究沙塵濃度對(duì)線-板空氣間隙工頻擊穿電壓的影響，在沙塵粒徑為0～125 μm、風(fēng)速為18 m/s、荷電量為-200 μC/kg的環(huán)境下，獲得不同沙塵濃度對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響如圖9所示。

圖9 沙塵濃度對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響Fig.9 Influence of dust concentration on power frequency breakdown voltage of line-plate clearance

從圖9可以看出，沙塵濃度對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響較小。沙塵濃度對(duì)間隙擊穿電壓的影響有兩個(gè)方面，首先，沙粒的存在會(huì)畸變空間電場(chǎng)，促進(jìn)電暈及流注起始的發(fā)展。其次，隨著沙塵濃度的增大，空間中的沙塵可能阻礙放電的發(fā)展。通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沙粒濃度對(duì)于間隙擊穿過程的影響仍較微弱。

3.5 沙塵荷質(zhì)比對(duì)間隙工頻擊穿電壓的影響

進(jìn)一步研究沙塵帶電量對(duì)間隙工頻擊穿電壓的影響，在沙塵粒徑為0～125 μm、風(fēng)速為18 m/s、濃度為1000 mg/m3的環(huán)境下，獲得不同沙塵帶電量對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓影響如圖10所示。

圖10 沙塵荷質(zhì)比對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓影響Fig.10 Influence of charge to mass ratio on power frequency breakdown voltage of line-plate clearance

從圖10可以看出，沙塵荷質(zhì)比對(duì)空氣間隙擊穿電壓的影響亦較小，這是因?yàn)樯硥m的帶電量相較于擊穿過程中空氣電離的電荷量來說微乎其微，基本不會(huì)影響間隙的擊穿電壓。但是，帶電沙塵會(huì)造成其周圍的電場(chǎng)畸變更為嚴(yán)重，對(duì)線-板間隙電暈及流注的起始發(fā)展過程可能有促進(jìn)作用。

3.6 高海拔長(zhǎng)間隙試驗(yàn)總結(jié)及最低放電電壓組合

通過圖8(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各種沙塵條件對(duì)于空氣間隙工頻擊穿電壓的影響很小，除0.5 m間隙條件下，影響均小于3%。線路外絕緣設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮沙塵暴對(duì)線路空氣外絕緣的影響。仔細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速為18 m/s、沙粒濃度為1000 mg/m2、荷質(zhì)比為-200 μC/m2、粒徑為0～125 μm時(shí)，間隙的擊穿電壓最低。但該條件對(duì)于1.0 m以上間隙放電電壓的影響仍可忽略。

3.7 最低放電組合條件下有無風(fēng)沙條件的影響

由前文得知，沙塵對(duì)0.5m間隙擊穿電壓的影響略大于其他間隙，因此進(jìn)一步探究沙塵對(duì)短間隙擊穿電壓的影響，補(bǔ)充了組合沙塵條件下，間隙距離分別為0.15、0.20、0.30、0.40、0.80 m的試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 最低放電組合沙塵條件對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓影響Fig.11 The influence of the lowest discharge combined sand and dust condition on the power frequency breakdown voltage of the line-plate gap

從圖11可以看出，當(dāng)間隙距離大于0.2 m時(shí)，沙塵對(duì)間隙工頻擊穿電壓的影響均小于5%，而當(dāng)間隙距離為0.15 m時(shí)，沙塵條件可以使其工頻擊穿電壓降低10%。因此，可以認(rèn)為沙塵條件對(duì)短間隙的工頻放電電壓有影響。但當(dāng)間隙距離大于0.2 m時(shí)，其影響可以忽略不計(jì)。

4 沙塵對(duì)間隙放電影響原因分析

如前文所述，沙塵會(huì)畸變空間電場(chǎng)，這可能促進(jìn)間隙起暈及起始流注的發(fā)展。但當(dāng)間隙距離超過0.2 m時(shí)，沙塵對(duì)間隙擊穿電壓的影響可以忽略不計(jì)。

使用COMSOL仿真軟件對(duì)存在沙塵顆粒的0.15 m的線-板間隙進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真分析。仿真中沙粒的直徑設(shè)置為250 μm。進(jìn)一步研究沙塵顆粒對(duì)線-板間隙靜電場(chǎng)的影響，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 沙粒在線板間隙的靜電場(chǎng)仿真Fig.12 Electrostatic field simulation of sand particles in line-plate gap

從圖12可以看出，沙塵顆粒會(huì)引起線電極端部電場(chǎng)發(fā)生畸變，在線電極與板電極的垂線方向上，沙塵顆粒表面電場(chǎng)增強(qiáng)，而在線電極的平行線方向上，沙塵顆粒的表面電場(chǎng)下降。距離棒電極越近的沙塵顆粒表面電場(chǎng)的畸變程度越大，在線電極附近沙塵顆粒的表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大了約1倍。在放電發(fā)展的起始階段，沙粒周圍的電場(chǎng)畸變能夠加速線電極周圍電子崩和流注的發(fā)展[25]，進(jìn)而降低短間隙的擊穿電壓。同時(shí)，沙粒平行方向的弱電場(chǎng)區(qū)域有利于正、負(fù)離子的復(fù)合，進(jìn)而釋放光子，促進(jìn)流注發(fā)展，如圖13所示。

圖13 沙粒對(duì)間隙放電的促進(jìn)作用Fig.13 Promoting effect of sand particles on gap discharge

沙粒對(duì)空氣間隙放電發(fā)展同樣存在抑制作用，如圖14所示。

圖14 沙粒對(duì)間隙放電的抑制作用Fig.14 Promoting effect of sand particles on gap discharge

沙塵顆粒在空間電場(chǎng)中可以吸附自由電子和光子，影響電子崩的發(fā)展，特別是當(dāng)空氣中沙塵濃度增大時(shí)，沙塵顆粒對(duì)光子和自由電子的吸附作用增強(qiáng)，進(jìn)而提高間隙擊穿電壓。文獻(xiàn)[26]表明，當(dāng)粒徑超過80 μm的沙粒位于流注前端時(shí)，沙塵顆粒可能阻礙放電的發(fā)展，此時(shí)沙粒會(huì)引起放電呈樹枝狀發(fā)展。對(duì)于長(zhǎng)空氣間隙來說，間隙擊穿前已經(jīng)形成了發(fā)展較為充分的流注。流注頭部對(duì)間隙電場(chǎng)的畸變作用、熱游離作用遠(yuǎn)大于沙粒。造成沙粒對(duì)長(zhǎng)間隙放電的影響不明顯。

5 結(jié)論

（1）本文通過調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)沙塵顆粒參數(shù)及沙塵暴天氣的相關(guān)研究資料確定了模擬沙塵暴天氣的關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，搭建了一套沙塵模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了高海拔沙塵暴天氣的合理模擬。

（2）沙塵顆粒對(duì)線-板間隙工頻擊穿電壓的影響與間隙距離有關(guān)，當(dāng)間隙距離超過0.2 m后，沙塵天氣對(duì)間隙放電特性無明顯影響。

（3）沙塵濃度、沙塵荷質(zhì)比、沙塵顆粒粒徑對(duì)線-板長(zhǎng)空氣間隙工頻擊穿電壓無明顯影響。