氣固兩相體放電對電力系統外絕緣的影響

姚文俊，何正浩，鄧鶴鳴

(1中南民族大學電子信息工程學院，武漢430074;2華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢430074)

氣固兩相體放電是指在大量固體顆粒物懸浮于氣體中的放電現象［1，2］.許多研究領域涉及到氣固兩相體放電，如沙塵暴起電現象、靜電除塵、流化床等離子體反應器、電流體放電和多種惡劣天氣(如雨、雪、霧或沙塵暴)下電力系統外絕緣等的研究.其中沙塵暴發生時，由于氣流運動中沙塵顆粒間及沙塵顆粒與地床間的電荷交換使沙粒帶上電荷，這些帶電沙粒形成的空間電荷區對輸電線路相間和導線對桿塔的空氣間隙及絕緣子串表面放電特性產生影響.我國曾發生過由于沙塵天氣而導致電力系統停電事故［3］.

沙塵天氣下輸電外絕緣問題一直影響著沙塵環境地區輸電的發展，它是一個典型的氣固兩相體放電問題，研究其放電問題對于電力系統的安全運行和地區經濟的發展有重大意義.美國的 J.R.Laghari等［4］總結了沙塵污染的絕緣系統時，他們的研究認為沙塵的成分和粒徑均對擊穿有不同的影響，而導體顆粒極大地降低了擊穿電壓;沙特阿拉伯的 M.I.Qureshi等［5，6］試驗研究了沖擊電壓下沙塵存在棒棒間隙的擊穿特性和擊穿時延，采用的間隙為5～125 cm;A.A.Al-Arainy等［7-9］研究了沙塵污染對沖擊電壓下多種電極結構中不均勻間隙擊穿的影響特性，他們試圖從沙塵的成分及極性效應尋找原因;國內有關沙塵對輸電線路外絕緣電氣特性影響的研究很少，重慶大學的司馬文霞等［10］為了解沙塵對電力系統運行造成的影響，分析了沙塵對空氣間隙和絕緣子放電特性的影響，同時在沙塵模擬實驗室進行了風沙對間隙擊穿電壓影響的實驗研究.這些研究都注意到了沙塵或沙塵的成分對輸電外絕緣的影響，但沙塵顆粒粒徑和所處電場的極性對輸電外絕緣失效時放電的影響及相關機制則未闡明.

本文以氣固兩相體為研究對象，以雷電沖擊電壓下的兩相體放電為例，研究不同物質、不同的介電常數和顆粒粒徑的50%的擊穿電壓U50，及與單純空氣中U50的關系，同時給出了有無兩相體存在下的伏秒特性和放電發展通道的直觀比較，得到U50隨物質、介電常數和顆粒粒徑的變化關系，并給出理論解釋，這對沙塵天氣下輸電外絕緣和電力系統的維護有一定的參考作用.

1 實驗裝置和實驗方法

兩相體擊穿放電實驗裝置依據不同放電形式，可分為噴霧式氣水兩相體放電、篩撒式氣固兩相體放電、流化床式氣固兩相體放電和靜態氣固兩相體放電等幾方面.本文以篩撒式氣固兩相體沖擊放電來研究兩相體放電效應.圖1為建立的篩撒式氣固兩相體放電實驗裝置實物照片.其主要由高170 cm，內徑37 cm的圓柱形有機玻璃筒、提升機、往復篩和電極等組成.固體顆粒物料通過提升機進行物料循環，然后通過振動篩在筒中均勻下落.放電電極為黃銅尖-板電極，錐形尖電極的尖端半徑為0.5 mm，錐端長1 cm，錐形電極后部棒長31 cm，棒直徑1 cm;板電極直徑為30 cm，厚度3.4 mm;尖-板電極的間隙距離可在15 cm左右調節.震動篩的篩孔大小可根據固體顆粒的粒徑調整.往復篩上面裝有兩層固定篩，使固體顆粒經兩次初始均分下落，最后由往復篩篩撒，使固體顆粒較均勻的下落經過放電電極區間.

圖1 篩撒式放電室實物Fig.1 Photo of the sprinking discharge chamber

實驗中分別以菜籽、小米、綠豆、聚丙烯粉、聚丙烯顆粒為固相物通過篩撒方式形成氣固兩相體，進行雷沖擊擊穿放電實驗.這些顆粒物的屬性參數見表1所示.氣固兩相體雷電沖擊的50%擊穿電壓實驗方法采用升降法，試驗次數選為40次，通過置信水平為0.95的χ2擬合檢驗，擊穿電壓樣本值服從正態分布，實驗分散性即相對標準偏差σ小于3%(理論上雷電沖擊電壓的最大分散值).

表1 實驗用兩相體顆粒材料主要參數Tab.1 Parameters of the experimentalmaterials

2 實驗結果

2.1 不同物質的50%擊穿放電電壓U50

谷物、塑料、沙子等不同顆粒物兩相體雷電沖擊50%擊穿電壓U50實驗結果如圖2所示.從圖a-f中6種物質U50的變化可見，不論哪種固相物，其氣固兩相體雷電沖擊50%擊穿電壓U50均具有非常明顯的極性效應，即正極性下氣固兩相體U50與單純空氣相比，沒有明顯的變化，或略有下降，或略有上升;但負極性下氣固兩相體U50與單純空氣相比，有顯著的變化，即出現不同程度的降低.其中，珍珠巖兩相體擊穿電壓降低最多，降低幅度達40%;谷物兩相體擊穿電壓降低幅度達30%;聚丙烯兩相體電壓降低幅度最小，甚至沒有變化.

圖2 不同物質的50%的擊穿電壓U50隨極性的變化Fig.2 Effect of the voltage polarity on the U50 of differentmaterials

2.2 不同介電常數對U50的影響

根據固體顆粒的介電特性，可將固體顆粒分成糧食、塑料和珍珠巖3組，珍珠巖的介電系數最大，塑料的最小，糧食居中.按此分組的實驗結果如圖3.從圖中可以看出，負極性沖擊條件下，介電系數大的固相物使U50下降顯著，如珍珠巖;介電系數小的固相物使U50下降不明顯，如塑料;糧食的介電系數較大，則使U50下降明顯.這種介電系數的大小使U50下降的特點主要體現在正極性沖擊電壓，而負極性時的U50下降幅度則不那么顯著.

圖3 不同介電常數的50%的擊穿電壓U50隨極性的變化Fig.3 Relationship between the U50 of dielectric constants and the voltage polarity

2.3 不同顆粒粒徑下對U50的影響

以兩種不同粒徑河沙(0.2 mm左右粗沙和1 mm左右細沙)進行了粒徑影響對比實驗，實驗結果如圖4所示.由圖中可以看出，在體積分數等條件相同情況下，粗沙兩相體與細沙兩相體的50%擊穿電壓U50差異顯著，這種差異即粗沙兩相體比細沙兩相體的U50低.正極性時，粗沙兩相體比細沙兩相體的U50低達近10%.負極性時，粗沙兩相體比細沙兩相體的U50更是低達近20%.

圖4 不同河沙粒徑的擊穿電壓U50隨極性的變化(左:正極性，右:負極性)Fig.4 Relationship between the U50 of sizes and the voltage polarity(left:positive polarity，right:negative polarity)

2.4 不同極性下放電的伏秒特性

雷沖擊電壓持續時間短，兩相體的存在對放電發展過程的影響最終會體現到擊穿放電的時延.因此，研究兩相體擊穿放電伏秒特性對于研究兩相體放電發展規律很有必要.聚丙烯兩相體擊穿伏秒特性如圖5所示，從圖5可以看出，在正極性條件下，顆粒的加入對放電時延的影響較小，氣固兩相體的放電時延與空氣的放電時延相差不大，在±2%左右變化.但是在負極性條件下，氣固兩相體的放電時延比空氣的放電時延顯著減小，尤其當電壓較高時，氣固兩相體的放電時延比空氣的放電時延減小達15%.另外，固體顆粒越多，放電時延也越短.

圖5 不同極性下兩相體的伏秒特性圖(左:正極性，右:負極性)Fig.5 Graph of the volt-time characteristic under different voltage polarity

2.5 不同極性下放電發展通道的積分圖像

圖6為正、負雷沖擊電壓下擊穿時單一空氣、粗沙兩相體、細沙兩相體的放電圖像.圖中，在正雷沖擊下，給空氣和沙塵兩相體所加電壓均為120 kV;負雷沖擊下所加電壓均為240 kV.從圖中可以看見很明顯的放電通道，空氣和兩相體在正雷沖擊電壓下擊穿電壓較低，放電通道較細;負雷沖擊電壓下擊穿電壓較高，放電通道亮度比正極性下亮，寬度也比正極性下大.單獨比較正極性條件下的擊穿圖片，發現沙塵兩相體的放電通道比單純空氣的要寬一點，而粗沙兩相體的放電通道又比細沙兩相體的寬一點.

3 實驗結果討論

通過不同的氣固兩相體在不同極性下的介電常數和粒徑大小的雷沖擊50%擊穿電壓U50與單純的空氣的U50比較分析，及伏秒特性和放電發展通道直觀比較，發現在兩相體放電中U50比單純空氣中的要低，并在不同的極性下，U50的改變是有區別的，其根本原因是顆粒物的存在加劇電場畸變，使固體兩旁的空氣隙場強大于平均場強，更易超過火花電壓引起局部放電，從而使得間隙更易擊穿并降低擊穿電壓;另外一個因素是顆粒的荷電，雖然實驗是在雷電沖擊電壓下進行，放電時間很短，在幾微秒內電壓幅值就降到一半，空間電荷的積累和漂移可以忽略不計，但分析不同極性的擊穿還是要考慮進去［11-13］.

圖6 不同極性雷沖擊電壓下擊穿時空氣、粗沙兩相體和細沙兩相體放電通道照片Fig.6 Photo of the TPM discharge path under the lightning impulse voltage of different polarity

對負極性的擊穿特性做如下假設分析:尖電極為負時，電壓達到電暈起始電壓后，緊貼棒極的強電場產生大量的電子崩，在外電場作用下，正離子向尖電極運動而消失于尖極，由于其運動速度較慢，所以在尖電極附近總是存在著比較集中的正空間電荷.這樣尖電極附近的顆粒可能容易荷正電，此時正空間電荷形成的電場加強了尖電極附近電場，在尖極附近更容易形成電子崩.由于外電場特點，流注等離子體頭部具有負電荷，所以離尖電極較遠處是比較分散的負空間電荷，離板極較近的固體顆粒有可能荷負電，這就加強了前方電場，使流注更易于向前發展.此外，顆粒物的存在畸變了電場，使得顆粒兩旁間隙中的場強遠大于平均場強，容易引起局部放電，從而使得間隙更易擊穿降低擊穿電壓.

但在正極性下，當尖電極為正極性時，在電壓足夠高的條件下尖電極附近形成流注，由于外電場的特點，電子立即進入陽極(正尖端)，流注等離子體頭部具有正電荷.受到陰極吸引，沿外電場方向運動的正電荷向固體顆粒集中，使其荷電.顆粒上的正空間電荷所形成的電場和外電場相反，這樣就削弱了前方電場強度，減弱了流注頭部電場，不易形成新的電子崩，同時由于正離子的運動速度較小，在緩慢的向極板方向運動的過程中受到固體顆粒物的阻擋，從而阻礙了流注通道的向前發展，使兩相體擊穿電壓升高.

研究介電常數的影響時，介電常數的大小反映了不同的荷電能力，介電常數大的荷電能力強，而介電常數小的荷電能力弱.考慮到顆粒的荷電性對以上介電常數的不同極性的擊穿電壓實驗現象，做以下假設分析:當尖電極為正極性時，在電壓足夠高的條件下尖電極附近形成流注，由于外電場的特點，電子立即進入陽極(正尖端)，流注等離子體頭部具有正電荷.受到陰極吸引，沿外電場方向運動的正電荷向固體顆粒集中，使其荷電.顆粒上的正空間電荷所形成的電場和外電場相反，這樣就削弱了前方電場強度，減弱了流注頭部電場，不易形成新的電子崩，同時由于正離子的運動速度較小，在緩慢的向極板方向運動的過程中受到固體顆粒物的阻擋，從而阻礙了流注通道的向前發展，使兩相體擊穿電壓升高.顆粒物的介電常數越大，擊穿電壓改變越大.

不同極性下單一空氣、粗沙兩相體、細沙兩相體出現不同的放電通道，原因可能是由于沙塵顆粒的存在，對電場有畸變作用，使電場分布更加不均勻導致的.同時由于粗沙兩相體的粒徑分布比細沙兩相體的大，也沒細沙兩相體的均勻，顆粒之間的電離相應的來說要強于細沙兩相體的.負極性條件下這種現象更為明顯，沙塵兩相體的放電區域比空氣大很多，亮度也要強一些.

4 結論

(1)實驗研究的各種兩相體表明，氣固兩相體50%雷沖擊擊穿電壓U50比單純空氣的低，尤其負極性時兩相體U50會比單純空氣的低的多，如珍珠巖兩相體負沖擊U50比單純空氣的低達40%.正極性時兩相體U50比單純空氣的低的不多，甚至沒有區別.

(2)氣固兩相體50%雷沖擊擊穿電壓U50大小與固相物介電系數大小成反比，即介電系數越大，其U50越小.同樣，正極性時，這一現象不如負極性顯著.

(3)氣固兩相體50%雷沖擊擊穿電壓U50大小與固相物粒徑大小成反比.正極性時，粗沙兩相體比細沙兩相體的U50低達近10%.負極性時，粗沙兩相體比細沙兩相體的U50低達20%.

(4)氣固兩相體50%雷沖擊擊穿放電時延比單純空氣的小，這主要體現在負極性時，尤其當電壓較高時，氣固兩相體的放電時延比空氣的放電時延可減小達15%.另外，固體顆粒越多，放電時延也越短.這說明在相同的電壓下，間隙擊穿的先后順序依次為大體積分數的沙塵兩相體、小體積分數沙塵的兩相體、空氣.

(5)不同氣固兩相體雷沖擊放電發展通道比單純空氣的有不同程度的擴展、彌撒、開叉、多分支等現象.

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