水膜對(duì)球-球及棒-棒電極短空氣間隙工頻放電特性的影響

鄧捷，陳寶輝，方針，鄒佳斌，徐凱

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心(電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 湖南 長(zhǎng)沙 410129)

0 引言

霧霾會(huì)引起外絕緣破壞事故，導(dǎo)致大范圍停電事件，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。如1996年的大霧導(dǎo)致華東地區(qū)線路跳閘135次；2001年遼寧電網(wǎng)出現(xiàn)大霧天氣，引起線路跳閘322次；2005年珠三角的霧霾天氣導(dǎo)致500 kV輸電線路跳閘7次[1]。

在霧霾環(huán)境中，由于濕度增大，電力設(shè)備表面首先形成凝露，然后擴(kuò)展成水膜，隨著濕度的進(jìn)一步提高，水膜形成水滴。2014年，董冰冰等發(fā)現(xiàn)在霧水濃度為1～3 g/m3時(shí)，棒電極表面形成的水滴導(dǎo)致電極周圍的電場(chǎng)畸變，縮短間隙距離，降低了放電電壓[2]。蔣興良等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線表面的水滴畸變空間電場(chǎng)導(dǎo)致電離系數(shù)增大，加快了電子崩的發(fā)展，加速了電暈形成[3]。張耿斌等發(fā)現(xiàn)球電極表面的水滴由端部往邊緣移動(dòng)時(shí)，水滴對(duì)電場(chǎng)的影響逐漸減弱[4]。林浩然等發(fā)現(xiàn)高濕條件下，球電極表面的凝露使電極周圍電場(chǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，大幅降低了球-球間隙的放電電壓[5]。劉洋等在模擬霧霾試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)霧水濃度超過18 g/m3時(shí)，由于棒電極端部小水滴的影響，棒-板短空氣間隙的擊穿電壓隨霧水濃度的增加而減小[6]。

以上研究皆關(guān)注水滴和凝露對(duì)短空氣間隙放電特性的影響，但均未研究電極覆水膜后對(duì)短空氣間隙放電特性的影響，更沒有研究不同電極類型、水的電導(dǎo)率等對(duì)短空氣間隙放電特性的影響[2-8]。在霧霾等高濕環(huán)境下，電極表面快速形成水膜，可能會(huì)對(duì)短空氣間隙的放電產(chǎn)生影響。因此，研究并排除電極覆水膜后對(duì)短空氣間隙放電特性的影響，是科學(xué)地研究霧霾環(huán)境下短空氣間隙放電機(jī)理的前提。

本文以球-球和棒-棒短空氣間隙為研究對(duì)象，研究不同類型電極覆水膜后對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響，研究電源端電極覆水膜、接地端電極覆水膜、雙端電極同時(shí)覆水膜對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響，研究不同電導(dǎo)率的水膜對(duì)短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響。試驗(yàn)結(jié)果為霧霾環(huán)境下短空氣間隙的放電機(jī)理研究提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在大型人工氣候室(22 m×22 m×27 m)中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置由球/棒電極、試驗(yàn)電源、高速攝像機(jī)、錄波儀、分壓器構(gòu)成。試驗(yàn)電源由250 kV/50 kV·A工頻試驗(yàn)變壓器提供，高速攝像機(jī)型號(hào)為Photron AX200，錄波儀型號(hào)為Yokogawa 850E。球電極直徑為25 cm；棒電極直徑為1.25 cm，端部為半球形，直徑也為1.25 cm。人工氣候室的溫度為7.2～7.8℃，氣壓為1 013 kPa，相對(duì)濕度為70%～75%。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的電氣接線如圖2所示，一球/棒電極可靠接地，另一球/棒電極與電源相連，電極采用水平放置方式。試驗(yàn)時(shí)首先調(diào)節(jié)球/棒電極之間的距離，然后對(duì)球/棒電極覆水膜。

圖2 試驗(yàn)電氣接線圖

本文采用自來水(電導(dǎo)率136.7 μS/cm)、去離子水(電導(dǎo)率3.93 μS/cm)及污穢水(電導(dǎo)率1 465 μS/cm)對(duì)電極進(jìn)行覆水膜。污穢水利用在自來水中加入一定量的氯化鈉(NaCl)的方法配置而成。覆水膜之前，選取砂紙打磨球/棒電極，并使用酒精和清潔劑清洗球/棒電極，避免電極表面的均勻度和污漬影響水膜在電極表面的均勻性。水膜的產(chǎn)生方式為：使用噴水壺將水緩慢地傾倒在球-球/棒-棒電極上，當(dāng)水完全覆蓋電極時(shí)，停止倒水。由于受水膜自身重力的影響，球/棒電極上半部的水膜會(huì)略薄，下半部的水膜略厚，但水膜的厚度較電極的直徑小很多，所以不考慮因重力產(chǎn)生的水膜厚度不均勻性對(duì)電極放電造成的影響。當(dāng)水膜自身的重力、表面張力，以及電極對(duì)水膜的支持力達(dá)到平衡時(shí)，水膜達(dá)到穩(wěn)態(tài)。將球/棒電極下端無水滴滴落時(shí)視為水膜穩(wěn)定和開展試驗(yàn)的條件。

覆水膜的方式有3種，分別為電源端電極覆水膜、接地端電極覆水膜、雙端電極同時(shí)覆水膜。電極覆水膜的圖片如圖3示。

(a)干燥球-球電極(b)雙端覆水膜球-球電極

試驗(yàn)采用升壓法進(jìn)行測(cè)試，在前3/4升壓階段升壓速度較快，在后1/4升壓階段以每秒2%擊穿電壓的速度進(jìn)行升壓。每次試驗(yàn)后用吹風(fēng)機(jī)吹拂間隙，以便空間電荷充分?jǐn)U散，然后重新對(duì)電極進(jìn)行覆水膜操作，并待水膜穩(wěn)定后再進(jìn)行試驗(yàn)。放電過程采用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，電壓波形選用錄波儀記錄。選取有效偏差在5%以內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效試驗(yàn)次數(shù)大于等于10次。平均擊穿電壓(Ub)和標(biāo)準(zhǔn)偏差百分?jǐn)?shù)(δ)的計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：Ui為第i次有效擊穿電壓值；N為有效試驗(yàn)次數(shù)，N≥10。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水膜對(duì)球-球短間隙擊穿電壓的影響

2.1.1單端電極覆水膜的影響

單端電極覆水膜分別為電源端電極覆水膜和接地端電極覆水膜(自來水)，擊穿電壓隨空氣間隙距離的變化規(guī)律如圖4所示。由圖可看出，隨著空氣間隙的增大，電源端電極與接地端電極覆水膜后的擊穿電壓均與干燥電極的擊穿電壓幾乎一致。當(dāng)球-球間隙從1 cm上升至6 cm，間隙的擊穿電壓從21.58 kV增加至111.06 kV，間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)從21.58 kV/cm降至18.51 kV/cm。這是因?yàn)殡S著球隙的增大，電場(chǎng)的不均勻度隨之上升，擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低[9]。從圖中可知，在1～6 cm的空氣間隙下，單端電極覆水膜對(duì)球-球間隙的擊穿電壓影響很小。

圖4 干燥電極與單端電極覆水膜擊穿電壓

2.1.2雙端電極覆水膜的影響

雙端電極覆水膜(自來水)后擊穿電壓的變化如圖5所示。由圖可知，當(dāng)球隙從1 cm增大到6 cm時(shí)，雙端電極覆水膜的擊穿電壓始終高于干燥電極的擊穿電壓。在1～6 cm的間隙內(nèi)，雙端覆水膜的擊穿電壓比干燥電極的擊穿電壓分別高了27.42%、17.49%、11.07%、7.02%、8.88%和4.42%。由此可知，在1～6 cm的空氣間隙內(nèi)，隨著間隙的增大，雙端電極覆水膜后擊穿電壓的提高幅度呈下降趨勢(shì)。

圖5 干燥電極與雙端電極覆水膜擊穿電壓

2.1.3電導(dǎo)率對(duì)擊穿電壓的影響

以雙端電極覆水膜(自來水、去離子水、污穢水)為例，擊穿電壓隨電導(dǎo)率的變化如圖6所示。從圖中可看出，隨著電導(dǎo)率的增加，擊穿電壓未發(fā)現(xiàn)明顯變化。因此，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，雙端電極覆水膜時(shí)，電導(dǎo)率的變化對(duì)間隙的擊穿電壓基本沒有影響。

圖6 不同電導(dǎo)率水覆水膜擊穿電壓

2.1.4放電過程

放電過程如圖7所示，采用自來水對(duì)電極覆水膜，圖中的放電過程分別為流注階段、電弧階段、熄弧階段的放電圖像。由于放電圖片之間的間隔為25 μs，因此分別以-25 μs、0 μs、25 μs表示。圖像左邊為電源端，右邊為接地端。流注階段為流注頭部發(fā)展示意圖，這是因?yàn)橄啾攘髯㈩^部，流注通道的發(fā)光強(qiáng)度較弱，因此，在曝光時(shí)間內(nèi)，只會(huì)留下流注頭部運(yùn)動(dòng)軌跡[10]。

(a)干燥電極

(b)電源端電極覆水膜

(c)接地端電極覆水膜

(d)雙端電極覆水膜

由放電理論可知[11]，當(dāng)流注靠近另一電極時(shí)，流注頭部與電極之間的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)極大值，引起電離。因此，文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，流注頭部場(chǎng)強(qiáng)較大的一端為流注的發(fā)展方向。由文獻(xiàn)[12]可知，場(chǎng)強(qiáng)的大小可由放電的顏色進(jìn)行定性分析，具體為：紫色光的場(chǎng)強(qiáng)>藍(lán)色光的場(chǎng)強(qiáng)>無放電區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)。從圖7中可看出，干燥電極、接地端電極覆水膜、雙端電極覆水膜在靠近接地端電極處流注頭部周圍放電的顏色為藍(lán)色(在黃色虛線圈內(nèi))，而其他位置流注頭部的周圍為無放電區(qū)，這表明靠近接地端的流注場(chǎng)強(qiáng)較大。相比之下，電源端電極覆水膜為靠近電源端電極流注的周圍為藍(lán)色，該試驗(yàn)現(xiàn)象表明靠近電極端的流注頭部的場(chǎng)強(qiáng)較大。因此可知，干燥電極、接地端電極覆水膜、雙端電極覆水膜的流注是由電源端發(fā)展至接地端，電源端電極覆水膜的流注是由接地端發(fā)展至電源端。此外，從電弧階段的放電圖(0 μs)可看出，在流注的發(fā)展方向上，電弧半徑是由小增大的，這也與文獻(xiàn)[13]所觀察到的現(xiàn)象一致。

2.1.5擊穿電壓波形

干燥電極與接地端電極覆水膜，以及雙端電極覆水膜的擊穿電壓信號(hào)波形相同。因此，以下僅對(duì)比干燥電極與電源端電極覆水膜(自來水)的擊穿電壓波形，如圖8所示。從圖中可知，干燥電極在電壓信號(hào)負(fù)半周發(fā)生擊穿，而電源端電極覆水膜在電壓信號(hào)的正半周發(fā)生擊穿。

(a)干燥電極

(b)電源端電極覆水膜

2.2 水膜對(duì)棒-棒短間隙擊穿電壓的影響

水膜(自來水)對(duì)棒-棒間隙擊穿電壓的影響如圖9示。在棒-棒間隙為4～5 cm時(shí)，擊穿電壓變化緩慢，原因在于棒電極的端部為球形，而球的直徑為1.25 cm，在較短電極間隙下可看為球電極，球電極在該區(qū)域下，球隙的擊穿電壓出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象[11]。當(dāng)棒-棒間隙增大到5～10 cm時(shí)，擊穿電壓隨間隙的增大而快速增大，此時(shí)電極體現(xiàn)為棒-棒電極，飽和效應(yīng)消失。當(dāng)間隙為10～20 cm時(shí)，棒-棒間隙的擊穿電壓重新出現(xiàn)飽和效應(yīng)。但對(duì)比三種不同的覆膜方式，可發(fā)現(xiàn)覆水膜對(duì)棒-棒間隙的擊穿電壓幾乎沒有影響。

圖9 棒-棒電極覆水膜擊穿電壓

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 水膜對(duì)球-球短間隙放電特性的影響

本文采用的球電極直徑為25 cm，在1～6 cm的間隙范圍內(nèi)屬于均勻場(chǎng)。在均勻場(chǎng)下，不能形成穩(wěn)定的電暈放電，電暈電壓即擊穿電壓。由于非自持放電形成的空間電荷的影響，負(fù)極性的電暈電壓更低[11]。電暈的起始電壓與光電子、電場(chǎng)分布有關(guān)。因此，須同時(shí)研究水膜對(duì)光電子和電場(chǎng)分布的影響。

3.1.1水膜對(duì)光電子的影響

空氣短間隙的擊穿過程分為電子崩、流注、主放電3個(gè)階段。結(jié)合圖7、圖8可知，球隙中的流注均為負(fù)流注，這就意味著初始電子崩從陰極附近產(chǎn)生。在大氣環(huán)境中，初始電子崩的起始電子來源于空氣中的自由電子，二次電子崩發(fā)展的起始電子主要來源于陰極的光電效應(yīng)、正離子碰撞陰極、亞穩(wěn)態(tài)發(fā)射，以及強(qiáng)制發(fā)射[14]。其中，電極表面強(qiáng)制發(fā)射所需場(chǎng)強(qiáng)為500 kV/cm[15]。而在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)最大為21.58 kV/cm，遠(yuǎn)達(dá)不到場(chǎng)致發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)。正離子碰撞陰極與亞穩(wěn)態(tài)發(fā)射所生成的電子數(shù)幾乎一致，但兩者在生成電子的數(shù)量上較陰極的光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子數(shù)量低兩個(gè)數(shù)量級(jí)[16]。因此可知，陰極的光電效應(yīng)是二次電子崩起始電子的主要來源，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子稱為光電子。水膜的存在影響光電子的發(fā)射能量，進(jìn)而影響光電子的發(fā)射。圖10為水膜初始電子崩發(fā)展示意圖，對(duì)于球電極，電極端部的場(chǎng)強(qiáng)最大，電子崩由端部開始發(fā)展。圖10中L為空間某一點(diǎn)與水膜端部O的距離，LP與Li分別代表電子崩崩頭、電離區(qū)邊界與水膜端部的距離。

圖10 電極覆水膜時(shí)電子崩發(fā)展示意圖

研究表明，在紫外線照射下，金屬與其他介質(zhì)的放電機(jī)理一致，區(qū)別只在于光電子發(fā)射系數(shù)γph不一致[17]。當(dāng)水膜附近的電子碰撞電離系數(shù)α大于附著系數(shù)η時(shí)，若水膜附近存在自由電子，在電場(chǎng)力的作用下形成初始電子崩。崩頭的電荷密度較大，使空間電場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈畸變，一方面使空氣分子的電離概率劇增，產(chǎn)生大量光子；另一方面，電場(chǎng)畸變可使分子和離子處于激勵(lì)狀態(tài)，當(dāng)分子、離子回復(fù)到正常狀態(tài)將輻射大量光子。其中有一部分光子被水膜吸收，若水膜能產(chǎn)生1個(gè)及以上的光電子，放電將達(dá)到自持，如式(3)所示。

g(L)exp(-μL)dL≥1

(3)

式中：Neph為光電子數(shù)；γph為水膜表面光電子發(fā)射系數(shù)；g為水膜表面光子吸收系數(shù)；g(L)exp(-μL)為到達(dá)水膜表面的光子數(shù)占L處產(chǎn)生光子總數(shù)的比例；μ為空氣分子的光子吸收系數(shù)。

水膜光電離所需的能量為6.1 eV[18-19]；相比水膜，銅電極的表面逸出功為3.9 eV[11]，光電效應(yīng)更易在銅電極表面產(chǎn)生光電子。當(dāng)溫度、壓力和濕度不變時(shí)，對(duì)于不同的材料和表面狀態(tài)，γph的取值不同。水膜覆蓋電極后，雖然光電子可由銅電極的光電效應(yīng)產(chǎn)生，但由于水膜覆蓋在電極表面，且表面場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)達(dá)不到場(chǎng)致發(fā)射的數(shù)量級(jí)，銅電極產(chǎn)生的光電子難以發(fā)射。相比銅電極，水膜的逸出功更大，使得水膜的γph更小[20]。因此，當(dāng)光電子由水膜產(chǎn)生時(shí)，電子濃度會(huì)較銅表面產(chǎn)生的低；研究表明，負(fù)流注的發(fā)展受電子濃度影響較大，這是因?yàn)殡娮拥钠坡蚀?，雖然負(fù)流注頭部的電子為流注的發(fā)展提供了起始電子，但是電子的漂移同時(shí)也削弱了負(fù)流注頭部的場(chǎng)強(qiáng)[21]。最終，若水膜產(chǎn)生光電子，間隙的擊穿電壓也隨之升高。

由圖8可知，電源端電極覆水膜時(shí)，擊穿電壓為正半周。該試驗(yàn)現(xiàn)象說明：當(dāng)電源端電壓為負(fù)半周時(shí)，光電子從水膜表面發(fā)射所需能量更多，電子崩發(fā)展受阻。再結(jié)合圖4可知，單端電極覆水膜擊穿電壓與干燥電極擊穿電壓幾乎一致，這說明光電子從干燥電極發(fā)射，形成負(fù)流注，而水膜有一定導(dǎo)電能力，對(duì)流注注入的阻礙較小，因此擊穿電壓幾乎不變。相比較，由圖5可知，雙端電極覆水膜的擊穿電壓較干燥電極的擊穿電壓明顯提升，原因在于：無論二次電子崩從哪端電極產(chǎn)生，水膜產(chǎn)生光電子所需的能量均較干燥電極更多，因此擊穿電壓更高。

3.1.2水膜對(duì)球-球間隙電場(chǎng)分布的影響

液體介質(zhì)在電場(chǎng)中由于電場(chǎng)力的作用會(huì)發(fā)生極化。研究表明，水膜極化后會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，所產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與外電場(chǎng)之和構(gòu)成水膜表面電場(chǎng)E。極化強(qiáng)度P與總電場(chǎng)成正比，與自由電荷及極化電荷呈正相關(guān)，表達(dá)式為[3]：

式中：r為測(cè)量點(diǎn)距參考點(diǎn)距離；r′為場(chǎng)源點(diǎn)距參考點(diǎn)距離；ρf為極化電荷密度；ρp為自由電荷密度；v′為場(chǎng)源區(qū)域。

1)水膜電導(dǎo)率對(duì)電場(chǎng)分布影響

利用參考文獻(xiàn)[22]的方法測(cè)量水膜的厚度，測(cè)得水膜的厚度為40 μm。雖然從理論上分析，不同電導(dǎo)率的水覆膜，隨著電導(dǎo)率的增加，離子密度會(huì)增加[3]。但由于水膜的厚度很薄，離子含量增加甚微。因此，自由電荷密度可以不考慮水中自帶的離子含量[23]。

水膜在電場(chǎng)極化后，極化電荷會(huì)吸附空間電荷，空間電荷在水膜的表面積累，會(huì)削弱空氣間隙中場(chǎng)強(qiáng)[24]。利用不同電導(dǎo)率的水對(duì)電極進(jìn)行覆膜，隨著電導(dǎo)率的升高，陰極的水膜與陽極之間的壓降增大，水膜附近的電場(chǎng)增強(qiáng)，電子和離子對(duì)水膜的碰撞更為激烈，空間電荷吸附量必然下降。但從圖6的試驗(yàn)結(jié)果可知，間隙的擊穿電壓卻幾乎沒有變化。該試驗(yàn)現(xiàn)象表明，由于水膜極化的影響，電極附近的電場(chǎng)增強(qiáng)，空間電荷在水膜表面難以積累；隨著電導(dǎo)率的升高，水膜表面空間電荷的吸附量變化很小。因此可以認(rèn)為，水膜的電導(dǎo)率在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)電場(chǎng)的分布基本不產(chǎn)生影響。

2)水膜對(duì)電離區(qū)域的影響

由式(3)可知，達(dá)到自持放電的條件為光電子數(shù)Neph≥1，與光電子發(fā)射系數(shù)γph、電離系數(shù)α、吸附系數(shù)η及電離區(qū)域有關(guān)。α與η為場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)，場(chǎng)強(qiáng)單位為kV/cm，表達(dá)式為[25]：

α=3631.736exp(-167.96/E)，19≤E≤45

(5)

η=9.8648-0.541E+0.0114474E2

(6)

電離區(qū)域是指有效電離系數(shù)α-η>0時(shí)的空間區(qū)域。當(dāng)間隙由1 cm增至6 cm時(shí)，α-η在球-球間隙的取值如圖11示，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E取間隙場(chǎng)強(qiáng)的最小值，場(chǎng)強(qiáng)分布由COMSOL仿真得出。

圖11 α-η隨球隙間距的變化

從圖11可看出，α-η取值皆大于0，這表明電離區(qū)域覆蓋了整個(gè)球隙。雖然α與α-η隨著場(chǎng)強(qiáng)的減弱而降低，但電離區(qū)域卻一直在增大。從圖4的試驗(yàn)結(jié)果可知，雙端電極覆水膜擊穿電壓的增幅隨間隙距離的增大而減少，原因在于隨著間隙的增大，電離區(qū)域也隨之增大。

由圖7、圖8可知，電源端電極覆水膜在電弧階段時(shí)，流注從接地端發(fā)展至電源端。通常，當(dāng)有一電極直接接地時(shí)，流注一般由電源端發(fā)展至接地端，一方面是由于大地離子的影響，若流注從接地端產(chǎn)生，流注中的等離子體會(huì)與大地離子中和，流注發(fā)展受阻；另一方面是由于大地的影響，電源端電極附近的場(chǎng)強(qiáng)更大，將加快初始電子崩的生成。因此，該試驗(yàn)結(jié)果說明，電源端電極覆水膜時(shí)，由于γph的值較小，水膜的存在在一定程度上不利于流注的發(fā)展。

3.2 水膜對(duì)棒-棒短間隙放電特性的影響

由圖9可知，隨著棒-棒間隙的增大，不同電極覆水膜的擊穿電壓幾乎一致。工頻電壓下，棒-棒間隙在正半周發(fā)生擊穿，這表明電暈是在正半周發(fā)生。由文獻(xiàn)[26]可知，正電暈二次電子崩的光電子來源于空氣分子的光電離，負(fù)電暈二次電子崩的光電子來源于陰極的光電離。正電暈達(dá)到自持放電的條件為二次電子崩產(chǎn)生的正離子數(shù)N2大于等于初始電子崩產(chǎn)生的正離子數(shù)N1，表達(dá)式為[27]：

(7)

(8)

式中：ri為電離區(qū)邊界；r0為主電子崩頭部球心位置；r為主電子崩頭部半徑；f1為一次碰撞電離(空氣分子)同時(shí)輻射的光子數(shù)；f2為空氣分子發(fā)生光電離的概率；h(l)與電極的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)。

由式(7)和式(8)可知，水膜只可能對(duì)電離系數(shù)α產(chǎn)生影響，且正比于場(chǎng)強(qiáng)，場(chǎng)強(qiáng)分布如圖12和圖13所示。

(a)干燥電極

(b)雙端電極覆水膜

圖13 場(chǎng)強(qiáng)隨間隙變化

場(chǎng)強(qiáng)分布由COMSOL仿真得出，其中間隙電壓為100 kV，水膜的介電常數(shù)為81，空氣和銅電極的介電常數(shù)為1?？諝庥虻暮穸葹? m，其選擇是根據(jù)空氣域的厚度對(duì)電場(chǎng)分布的影響；空氣邊界條件設(shè)為接地；網(wǎng)格剖分選擇物理場(chǎng)控制網(wǎng)格，由于水膜的厚度較薄，網(wǎng)格的單元大小選擇極細(xì)化。圖12中的電場(chǎng)不對(duì)稱是由于大地對(duì)電源端棒電極的影響。由圖13可知，干燥電極與覆水膜電極的電場(chǎng)分布基本相同。因此，水膜對(duì)棒-棒間隙的電暈放電基本沒有影響。

由放電理論可知，電暈放電形成的空間電荷使空間電場(chǎng)發(fā)生了畸變。當(dāng)間隙的電壓提高，電場(chǎng)增大，強(qiáng)電場(chǎng)中電離劇烈，并輻射光子，產(chǎn)生大量電子崩，電暈向流注發(fā)展。根據(jù)以上分析，由于水膜不影響棒-棒間隙的電暈放電和畸變空間電場(chǎng)，因而棒-棒間隙流注的發(fā)展也不受水膜的影響，最終棒-棒間隙的擊穿電壓也基本不受水膜的影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)比研究水膜對(duì)球-球及棒-棒短空氣間隙工頻放電特性的影響，主要結(jié)論如下：

1)水膜的存在對(duì)球-球短空氣間隙單端電極覆水膜基本沒有影響，原因在于球隙的流注均為負(fù)流注，單端電極覆水膜時(shí)，流注可從干燥電極端產(chǎn)生，而水膜有一定電導(dǎo)率，對(duì)流注的注入沒有影響，因此單端電極覆水膜對(duì)擊穿電壓基本沒有影響。

2)球-球電極雙端覆水膜時(shí)，擊穿電壓明顯提高，這是水膜的逸出功較銅高、二次電子崩的起始光電子所需能量增多、電子濃度降低的緣故。當(dāng)間隙由1 cm增大至6 cm時(shí)，擊穿電壓的增幅由27.32%下降至4.42%，原因在于隨著間隙的增大，電離區(qū)域增大。因此當(dāng)間隙增大時(shí)，擊穿電壓的增大幅度有所下降。

3)水膜的電導(dǎo)率對(duì)球-球短空氣間隙擊穿電壓影響較小，原因在于電導(dǎo)率對(duì)電場(chǎng)分布影響小。一方面是由于水膜的厚度較薄，只有40 μm，離子含量變化小，自由電荷的含量基本不變；另一方面是由于水膜表面積累的空間電荷較少，對(duì)電場(chǎng)的削弱作用小。

4)水膜對(duì)棒-棒短空氣間隙的擊穿電壓影響較小，當(dāng)間隙由4 cm增大至20 cm時(shí)，覆水膜電極的擊穿電壓與干燥電極的擊穿電壓幾乎一致。結(jié)果說明，一方面在棒-棒間隙下，二次電子崩的起始光電子由空氣分子的光電離產(chǎn)生，而非電極表面；另一方面水膜對(duì)電場(chǎng)畸變的影響小。

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)霧霾等高濕環(huán)境下的短空氣間隙工頻放電特性研究提供指導(dǎo)：當(dāng)電極上形成水膜，若間隙為棒-棒短空氣間隙，可以不考慮水膜對(duì)短空氣間隙放電特性的影響；若間隙為球-球短空氣間隙，研究者必須考慮水膜所帶來的影響。研究結(jié)果也可為低電壓等級(jí)電網(wǎng)的外絕緣設(shè)計(jì)提供參考。