气压对直流正极性下冰柱_冰板间隙电晕放电的影响

第 28卷 第 7期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.7 Mar.5, 2008 116 2008年 3月 5日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2008) 07-0116-05 中图分类号：TM 852 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40 气压对直流正极性下冰柱–冰板间隙电晕放电的影响 舒立春 1，赖向平 2，余德芬 3，蒋兴良 1，胡 琴 1，张建辉 3，M. Farzaneh3 (1．输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400044； 2．重庆市电力公司杨家坪供电局，重庆市 九龙坡区 400050； 3．加拿大魁北克大学大气覆冰与电网工程研究所，加拿大 魁北克 G7H2B1) Influence of Atmospheric Pressure on DC Positive Corona Discharge in Icicle to Iced Plate Electrode System SHU Li-chun1, LAI Xiang-ping2, YU De-fen3, JIANG Xing-liang1, HU Qin1, ZHANG Jian-hui3, M. Farzaneh3 (1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400044, China; 2. Yangjiaping Power Supply Bureau of Chongqing Electric Power Corporation, Jiulongpo District, Chongqing 400050, China; 3. Quebec University Industrial Chair on Atmospheric Icing of Power Network Equipment, Quebec G7H2B1, Canada) ABSTRACT: In order to reveal the damage in icing processes and potential danger to insulator at low atmospheric pressure, using icicle to ice-covered plane model and measured by means of ultraviolet imaging instrument, data acquisition card and authors designed sensors, the corona discharge characteristics of icicle to ice-covered plane model was researched in artificial climate chamber at low atmospheric pressure. The influence of atmospheric pressure on corona inception voltage, mean discharge amplitude and discharge area in icicle to ice-covered plane model was analyzed. The results indicate that the corona inception voltage is lower under lower atmospheric pressure; the mean discharge amplitude and discharge area in icicle top are lower under lower atmospheric pressure. Meanwhile, inception discharge is easier to form glow discharge and the measure of discharge is more difficult at lower pressure. KEY WORDS: icicle/iced-plate model; air gap; atmospheric pressure; corona discharge; direct current; icing 摘要：为进一步了解低气压下覆冰对绝缘子的危害，该文选 择冰柱–冰板间隙模型，借助数据采集卡、紫外线成像仪和 自行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的电流传感器等设备，在人工气候室内研究低气压 下冰柱–冰板模型的电晕放电特性。文章分析了气压对冰柱– 冰板间隙的起晕电压、平均放电量和冰柱尖端处的放电区域 等方面的影响。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：起晕电压随着气压的降低而降低， 平均放电量和冰柱尖端处的放电区域均随着气压的降低而 基金项目：国家自然科学基金项目(90210026)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC)(90210026). 减小，同时，在较低气压下，起始放电更容易形成辉光放电， 放电测量也更困难。 关键词：冰柱–冰板模型；空气间隙；气压；电晕放电；直 流；覆冰 0 引言 我国西部大部分地区都是处于高海拔、高寒地 区，当输电线路穿越这些地区时不可避免的要遭受 覆冰等恶劣的气候条件。杆塔、导线和绝缘子上的 覆冰对输电线路运行的安全性和稳定性有较大的 影响[1-3]，尤其是在高海拔地区，这种影响更明显 [4-5]。高海拔地区覆冰的危害已引起国内外学者的高 度重视，他们对低气压下覆冰绝缘子进行了大量研 究[6-8]。研究表明：在带电的情况下，覆冰绝缘子表 面的冰凌并不完全桥接，在覆冰绝缘子串两端的伞 裙之间存在一定的空气间隙[6-7]。迄今为止，已有学 者研究了常压下空气间隙的存在对冰柱闪络特性 的影响和对覆冰绝缘子表面电压分布的影响[6-7]，但 低气压下空气间隙中的放电活动研究较少。 基于上述实际情况，本文选择冰柱–冰板间隙 模型，借助于紫外线成像仪、数据采集卡和自行设 计的电流传感器等设备，在人工气候室内研究了低 气压下冰柱–冰板模型的电晕放电特性。文章分析 了气压对间隙的起晕电压、放电量等方面的影响， 为进一步深入理解放电开始阶段的基本物理过程 和覆冰绝缘子空气间隙中空间电荷对放电发展的 第 7期 舒立春等： 气压对直流正极性下冰柱–冰板间隙电晕放电的影响 117 影响奠定了一定的基础。 1 试验设备及方法 此次试验根据污秽绝缘子 IEC 507标准和高压 测试技术 IEC 60-2标准进行，试验在低温低气压人 工气候室内完成[9]。主要的试验设备有人工气候室、 冰柱–冰板模型、传感器、数据采集卡、紫外线成像 仪和计算机等。其中，冰柱–冰板模型如图 1所示。 冰柱的形状是一个长为 35 mm，尖端半径为 2.5 mm， 锥度为 18°的锥体。冰板半径取为 200 mm，间隙长 度 d分别取 3、5、7和 9 cm。 高压电极 冰柱 空气间 隙长度 R=20 cm 冰板电极 图 1 试验模型 Fig. 1 Test model 冰在−12℃的环境下冰冻 2 h 后置于人工气候 室中进行试验。根据文献[10]的研究结果，应分别 采用−12和 0 ℃来模拟干冰和湿冰的环境温度，但 受紫外线成像仪操作环境要求所限，分别以−5和 0 ℃来模拟干冰和湿冰的环境温度。 具体的试验接线图及试验方法见参考文献[11]。 2 试验结果及分析 2.1 气压对起晕电压的影响 文章通过对冰柱–冰板间隙模型的起晕电压、 平均放电量和尖端处的放电区域等参数的测量，分 析了气压对冰柱–冰板间隙模型电晕放电的影响。 对于棒板间隙，起晕电压是一个非常重要的参 数，它与间隙的击穿电压有着密切的关系。当覆冰 电导率σ20为 450 µS/cm、环境温度为 0 ℃时气压对 起晕电压的影响结果如图 2所示。 由图 2可知：起晕电压随着气压的降低而降低。 例如，当 d为 3 cm时，气压为 100、90、80和 70 kPa 时，起晕电压分别为 18.92、17.12、15.64和 14.26 kV， 这与金属棒板电极情况下的结果是一致的[12]。 由于绝缘子的闪络电压和间隙的击穿电压与 气压的关系均可以通过公式表示[13-14]，文章也假设 3cm 5cm 7cm 9cm 26 24 22 20 18 16 14 60 70 80 90 100 110 P/kPa U c/k V 图 2 气压与起晕电压的关系 Fig. 2 Relation of air pressure and corona inception voltage 间隙模型的起晕电压与气压的关系为 c 0 0( / ) nU U P P= (1) 式中：Uc和 U0分别表示气压为 P 和标准参考大气 条件下(取 101.3 kPa)的起晕电压，kV；n是气压对 Uc影响的特征指数。 Uc/U0与 P/P0的关系如图 3所示。根据图 3的关 系，采用拟合曲线法，可以得到 n值，如表 1所示。 由表 1可知，特征指数 n值随着间隙距离 d的 增大呈减小的趋势。这 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ，气压对冰柱起晕电压 的影响与间隙距离的大小有很大关系，在短间隙距 离下气压的影响较大。这可能是因为在短间隙距离 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 P/P0 U c/U 0 3cm 5cm 7cm 9cm 1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 图 3 Uc/U0与 P/P0的关系 Fig. 3 Relation of Uc/U0 and P/P0 表 1 待定系数 n值 Tab. 1 Value of Coefficient n d/cm n d/cm n 3 0.847 4 7 0.689 3 5 0.779 4 9 0.631 2 118 中 国 电 机 工 程 学 报 第 28卷 下，当气压发生较小变化时间隙空间中的带电质点 发生明显的变化，即形成电子崩的起始电子数变化 较明显，从而影响到冰柱的起晕电压。同时，前次 放电产生的正离子和负离子等空间电荷向外流散的 程度与间隙距离有关，间隙距离越小，其流散的程 度受气压的影响越小，对下一次放电的影响越大。 2.2 气压对平均放电量的影响 气压对绝缘子的起晕电压和闪络电压有重要 影响。研究表明，覆冰绝缘子的起晕电压和闪络电 压随着气压的降低而降低。许多学者研究了金属电 极中的放电活动[15-16]，而在覆冰绝缘子表面冰凌– 冰板间隙中气压对放电量的影响研究较少。本文研 究了间隙距离 d为 9 cm时，覆冰水电导率σ20为 110 µS/cm，环境温度 t为 0℃时不同气压下密度函数与 平均放电量的关系，结果如图 4所示。 100 200 300 400 Q/pC Φ 0.03 0.02 0.01 0.00 100 kPa 90 kPa 80 kPa 24.0 kV 23.5 kV 24.6 kV 24.0 kV 24.5 kV 图 4 不同气压下密度函数(Φ)与平均放电量的关系 Fig. 4 Relation of density function and average discharge amplitude under different air pressure 从图中可以看出，平均放电量随着气压的降低 而减小，但降低的趋势在不同的气压范围内则有一 定差异。当气压从 100 kPa降低到 90 kPa的过程中， 平均放电量减少最明显，减少量接近 70 pC，说明 这一阶段平均放电量对气压的变化最敏感。当气压 从 90 kPa降低到 80 kPa的过程中，平均放电量减少 得较为平缓，减少量约为 30 pC。这主要是因为在 常压下，空气密度大，空气中所含带电质点密度也 大。气压稍有变化，空气中所含带电质点的数目就 有较大的变化，这样，间隙中有效带电质点数量也 会发生较大的变化，进而使得电子崩的形成受到相 应的影响。当气压较低时，空气密度相对较小，相 对来说，气压要变化更大的范围才能使空气密度以 及空气中所含的有效带电质点密度与气压较高时 有相同的变化。 2.3 气压对放电区域的影响 在湿冰状态下，覆冰水电导率σ20为 450 µS/cm， 间隙距离 d为 3cm时的起始放电图片如图 5所示。 从图中可以看出，发生起始放电的区域随气压的降 低明显变小。当气压为 100 kPa时，发生起始放电 的区域最大，放电最明显，呈不规则椭圆形；当气 压为 70 kPa时，发生起始放电的区域变得很小，并 且放电区域周围变得比较光滑。从图中还可以看 出，当气压从 100降到 90 kPa的过程中，发生起始 放电的区域减小得最明显。这清楚的说明：气压不 同，放电活动的强弱也不同。放电活动的强弱随着 气压的降低呈明显减小的趋势。值得注意的是，当 气压为 90和 100 kPa时，测得的起始放电为突发的 电晕放电，放电区域随着施加电压的增大有所减 小；而当气压为 70和 80 kPa时，起始放电在多数 情况下变得较稳定，更容易形成辉光放电，并且放 电区域多为一个点域，随施加电压的增大没有明显 的变化。相对于 100 kPa下的情况，低气压下放电 的测量较为困难。 (a)P=100 kPa (b)P=90 kPa (c)P=80 kPa (d)P=70 kPa 图 5 不同气压下的起始电晕图片 Fig. 5 Pictures of inception corona 2.4 试验结果的分析 由以上试验数据可知，气压对冰柱–冰板间隙的 起晕电压、平均放电量和放电区域的影响非常明显。 当气压降低时，空气中的气体分子密度变小，电子 碰撞气体分子的几率降低，也即形成电子崩的概率 较低；同时，由于空气中气体分子数的减少，使得 电子的平均自由程λ增加，每次碰撞前积累的动能更 大，碰撞电离系数α增大。两者比较而言，碰撞电离 系数α的增大大于形成电子崩概率的降低。因此，形 成自持放电即电晕放电的可能性较大，电晕的起始 电压就比较低。在相同条件下，这与金属棒板电极 情况下的结果是一致的[10]。同时，由于低气压下空 第 7期 舒立春等： 气压对直流正极性下冰柱–冰板间隙电晕放电的影响 119 气密度的降低，使得其中的自由电子数相应减少， 在发生起始放电时，低气压下冰板–冰柱间隙中放电 活动的激烈程度会明显降低，通过紫外线成像仪观 察到的冰柱尖端处的放电区域就会明显变小。 试验过程表明，当气压为 70、80 kPa时，放电 的测量相对常压下变得较为困难，并且起始放电更 容易发展成辉光放电。这主要是由于间隙中存在一 定的水分子，而水分子具有一定的吸附性，因此， 它能够较容易地吸附电子形成负离子。此外，由于 空气中的氧原子最外层缺少两个电子，它具有较强 的电负性，它同样能够吸附电子形成负离子。从负 离子中碰撞出电子需要一定的能量。而在气体分 子密度和温度较低的情况下，碰撞和能量交换频 率都较低，因此，在低气压下负离子的存在时间 比常压下长，而辉光的形成是以大量负离子的存 在为前提[17]。因此，在低气压下冰柱–冰板电极间 隙中更容易形成辉光放电。 试验结果同样表明：电极表面材料对间隙中的 放电活动有明显影响。这主要是由于一些电极材 料对电晕的产生比其他电极材料有更大的阻碍作 用[18-20]。因此，有必要考虑不同电极材料的固有 属性。 目前，冰表面的物理属性已成为众多学者的研 究目标。根据冰晶相关的基础知识可知， 以 + 3 2H .H O− 形式存在的冰晶结构比简单的水分子 结构要复杂得多，冰晶中原子间的距离比水分子小。 在冰的形成过程中，其他分子在液体和固体分界面 上会受到排斥。因此，当 NaCl溶液冷却时，纯水首 先冻结成冰晶，其中的离子则扩散到液体中使得其 离子浓度变高，进而增强了表面层的电导率。 如图 6所示，不同状态水的微观结构也有差异。 (a)冰 (b)水 (c)NaCI 溶液 图 6 冰、水和 NaCl溶液的分子结构 Fig. 6 Schematic illustration of molecular structure for ice, water and NaCl solution 冰通过氢键连接，形成一种有序的环状结构，而液 态水的这种环状结构更随机。在 NaCl 水溶液中， 分子结构被进一步改变，1个钠离子吸附 7个水分 子，1个氯离子吸附 10个水分子，这种链式结构相 对较松，且在原子和分子之间可以更随机地结合。 而不锈钢和金属晶格结构具有较好的导电性，电子 相对较容易克服晶格势能发射出来作为形成电子 崩的起始电子。可见，干冰要发射一个电子需要较 高的能量，湿冰次之，金属电极更容易发射出电子。 因此，同一气压下不同电极材料间隙中放电活动是 不一样的。 3 结论 （1）起晕电压随着气压的降低而降低。气压 特征指数 n随着间隙距离 d的增加而减小，说明在 较小距离下气压对冰柱起晕电压的影响较大。 （2）平均放电量随着气压的降低呈下降的趋 势，但降低的趋势在不同的气压范围内则有一定差 异。当气压从 100 kPa降低到 90 kPa的过程中，平 均放电量减少得最明显，当气压从 90 kPa 降低到 80 kPa的过程中，平均放电量减少得较为平缓。 （3）尖端处的放电区域随着气压的降低而明 显降低。气压从 100 kPa降低到 90 kPa的过程中， 放电区域减少得最明显。在较低气压下，起始放电 比较稳定，放电区域为一个点域，并且放电的测量 变得较困难。 参考文献 [1] 舒立春，蒋兴良，田玉春，等．海拔 4000m以上地区 4种合成绝 缘子覆冰交流闪络特性及电压校正[J]．中国电机工程学报，2004， 24(1)：97-101． Shu Lichun，Jiang Xingliang，Tian Yuchun，et al．AC flashover performance and voltage correction of four types of iced composite insulator at 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术、输电线路覆冰与防护研究工作，lcshu@cqu.edu.cn； 赖向平(1980—)，男，硕士研究生，从事高电压与外绝缘技术研究 工作，lxp229@163.com。 (编辑 郭联哲)