濕度對電氣設備氣隙擊穿電壓的影響規律

單玫

（濟南大學自動化與電氣工程學院，山東濟南250022）

濕度對電氣設備氣隙擊穿電壓的影響規律

單玫

（濟南大學自動化與電氣工程學院，山東濟南250022）

霧霾對我國電力設備的安全、穩定運行造成了一定的危害。霧霾的影響主要體現在濕度及污穢方面。模擬試驗主要依靠人工氣候室、超聲波霧發生器進行，并使用超聲波霧發生器及人工烘干手段實現對人工氣候室的濕度控制。在不同濕度下，對0.5 cm、0.8 cm極間距針-板電極和平板電極分別進行加壓試驗，從而得出濕度、電極類型及極間距對擊穿電壓的影響規律。結果表明，極間距對擊穿電壓影響非常明顯。

擊穿電壓；濕度；人工氣候室；氣隙

0 前言

我國幅員遼闊，地理環境復雜，霧霾、冰雹、雷雨等都會對電力設備造成一定危害[1]；電力系統中輸電線路、變電設配、配電設備等大多電氣設備都是以空氣作為絕緣介質的，而眾多大氣參數的變化會對放電起始電壓造成一定的影響，如濕度、溫度、氣壓等[2-3]。霧霾對電力設備的損害可分成以下兩部分：一是霧的影響，即濕度的影響，濕度的增加會使電力設備的外絕緣受潮，絕緣性能變化，從而引起擊穿電壓的變化；二是霾的影響，霾是指大氣中懸浮的污穢，污穢的增加會改變絕緣表面的污穢等級，造成污閃[3]。上述因素直接關系到電氣間隙的絕緣耐受強度[4]。20世紀90年代以來，我國多次發生大面積霧閃停電事故，嚴重威脅電力系統安全、穩定的運行，并造成了大量經濟損失[3-4]。

本研究以濕度作為影響因素，通過模擬試驗，改變電極形狀、探究空氣濕度對電氣絕緣間隙的影響規律。

1 試驗設計與方案

試驗采用工頻交流電，通過YDJ-5/50變壓器及調壓器實現高壓，接觸式調壓器實現低壓端的電壓調節，再通過變壓器升壓后連接在電極兩側。變壓器額定容量為5 kVA；調壓器額定容量為10kVA。線路采用的保護電阻為水電阻70 kΩ。通過高壓探頭采集高壓側電壓，同時用萬用表采集低壓側電壓，以便折算后與高壓側電壓值進行校對。試驗電路原理如圖1所示。

圖1 試驗電路原理

由圖1可知，220 V交流電源通過接觸式調壓器實現電壓的變化；接觸式調壓器的輸出端接入變壓器，通過變壓器可實現高壓輸出；此外，整個回路中采用70 kΩ水電阻同高壓電阻串聯實現限電流保護。

試驗所用的人工氣候室為自行搭建，長、寬、高均為1.2 m，所有空氣間隙擊穿試驗均在該人工氣候室內進行，如圖2所示。試驗電極為平板電極和針-板電極，極間距均可調節；平板電極為兩塊金屬圓盤，半徑約為2.5 cm；針-板電極為銅針和圓形銅板，銅板半徑約為6 cm。

圖2 人工氣候室

試驗中將電極試樣放入人工氣候室，首先通過超聲波霧發生器對人工氣候進行加濕，使氣候室內空氣相對濕度達到99%；待溫度、濕度穩定后立刻進行加壓試驗，并記錄濕度、擊穿電壓及環境溫度。完成該濕度條件下的擊穿試驗后，采取人工烘干手段適當除濕，并保持溫度不變，再次進行擊穿試驗并記錄，直到相對濕度下降到60%。在擊穿試驗過程中，同一濕度條件下一共進行3次擊穿試驗，流程如圖3所示。

圖3 試驗流程

2 濕度影響氣隙放電因素分析

從不同的角度探討空氣中水分從三個方面影響氣隙擊穿。

（1）從碰撞電離的角度來看，在濕度相對較大的氣隙中，除了空氣中的氮分子、氧分子之外，還有尺寸比較大的水滴以及大量的氣態水分子。在上述分子、物體之中，水分子的直徑相對較大，達到4.60，氧氣分子的直徑為3.61，氮氣分子的直徑為3.75；直徑較大的相對來說更容易發生碰撞，因此水分子碰撞概率較大；從激勵能的角度來看，水分子的激勵能和氧分子的激勵能分別為：7.6 eV、7.9 eV，水分子的激勵能稍小；從電離能的角度來看，水分子的電離能和氧氣分子的電離能差距不大，但小于氮氣分子的電離能[3]。綜上所述，電子和水分子之間更容易發生碰撞電離。

（2）《電力設備預防性試驗規程》規定電力設備預防性試驗應在空氣相對濕度80%以下進行。當相對濕度較大時，主要有兩方面影響：一是水膜的影響；二是電場畸變的影響[4-6]。當空氣相對濕度較大時，絕緣物表面將出現凝露或附著一層水膜，導致表面絕緣電阻大為降低。另外，凝露和水膜還可能導致導體和絕緣物表面電場發生畸變。以上兩種現象都會促進氣隙放電，降低擊穿電壓。

（3）吸附過程同時也是濕度影響氣隙擊穿的重要過程。對于氣隙的放電過程，負離子的形成和消失有著十分重要的作用。

有效附著系數η是考慮了吸附和分離兩個因素共同作用的系數，國外學者Morrow和Lowke明確提出，附著系數可采用如下公式進行計算[3，8]

式中 η2為兩體附著系數；η3三體附著系數。有效附著系數的計算公式為

從上面的計算公式可知，吸附系數和場強有一定的聯系。根據Pauling標度，水分子有著較強的電負性（7.64），捕獲自由電子的能力較強，容易形成如A-·(H2O)n-H2O形式的復合離子團；該離子團較穩定，有效附著系數會增加，削弱電子崩的發展[8]。同時，由于空氣中存在大量水分子和水滴，也可能對電子崩和流注通道的發展造成一定的阻礙，從而不利于放電的發展，因此在不均勻電場中，吸附系數明顯增加，放電受到抑制[3]。但是在均勻電場和稍不均勻電場中，電場本身處處都很強，再加上上述離子團的產生，空間局部場強會因此而加強，使電子在運動過程中獲得更大的能量，大幅提高電子運動速度，從而使得電子難以被水分子捕獲，濕度對其擊穿電壓影響可以忽略。

3 試驗結果和分析

擊穿瞬間如圖4所示。在完成該種電極試樣在固定極間距下不同濕度等級的擊穿后，改變平板電極極間距，重復試驗；完成平板電極試驗后，更換針-板電極繼續試驗。試驗結果如圖5、圖6所示，圖中的四條曲線分別代表三次擊穿電壓變化及平均擊穿電壓變化。

對比圖5和圖6可知，與平板電極等均勻電場電極相比，針-板電極等不均勻電場電極在相同條件下更容易擊穿，擊穿電壓值相對小很多。

此外，比較圖5a和圖5b數據：對于平板電極，當極間距為0.8 cm時，不同濕度下的擊穿電壓比極間距為0.5 cm時大；兩種極間距下擊穿電壓在不同濕度的條件下變化趨勢大體相似：當相對濕度從60%增加到80%（85%）時，擊穿電壓變化幅度不大；當相對濕度達到80%或85%時，平板電極的擊穿電壓開始逐漸下降，且下降趨勢十分明顯。當相對濕度達到99%時，擊穿電壓最低。

圖4 電極氣隙擊穿

圖5 平板電極擊穿電壓變化

圖6 平板電極擊穿電壓變化

該試驗結果符合濕度對空氣間隙擊穿電壓的影響規律：當相對濕度在一定范圍內時（小于80%或85%），由于平板電極是均勻電場，每一處的場強E都很強，再加上離子團的產生，空間局部場強會更強，使電子在運動過程中獲得更大的能量，電子的運動速度極快，雖然水分子具有電負性，能俘獲自由電子形成離子，但由于電子在均勻電場中的運動速度較快，水分子很難俘獲高速運動中的電子，對放電的抑制作用不明顯，所以濕度在一定范圍內對平板電極擊穿電壓的影響很小[5-6]；然而，當濕度較大時（大于80%或85%），電極表面就很容易發生凝露現象，導致表面絕緣電阻大為降低；同時，凝露還可能導致導體和絕緣物表面電場發生畸變。以上兩種現象的共同作用促進了氣隙放電的發展，使擊穿電壓大幅下降從而造成平板電極之間氣隙的擊穿電壓大幅度下降，降低了電極之間氣隙絕緣水平[6-7]。

比較圖6a和圖6b的數據，對于針-電極，兩種極間距下，濕度都對針-板電極的擊穿電壓有很大影響。極間距為0.8 cm時，擊穿電壓比極間距為0.5cm時大得多，不同極間距下擊穿電壓受濕度影響的變化規律相似。但相比平板電極，相同極間距下針-板電極的擊穿電壓明顯低得多。當相對濕度從60%增加到80%時，針-板電極的擊穿電壓有明顯上升的趨勢，且在相對濕度為80%左右時擊穿電壓達到最大；當空氣相對濕度超過80%時，隨濕度的繼續增加，擊穿電壓有明顯的下降趨勢，當相對濕度達到99%時，擊穿電壓最低。

試驗結果較為符合濕度對于空氣間隙擊穿電壓的影響規律：當濕度小于80%或85%時候，極不均勻電場中的水分子具有較強的電負性（7.64），俘獲自由電子的能力較強，水分子很容易俘獲電極之間空氣間隙中的自由電子，很容易形成A-·(H2O)n-H2O形式的復合離子團；該離子團較穩定，于是有效附著系數便會增加，削弱電子崩的發展；由于空氣中存在大量水分子和水滴，也可能對電子崩和流注通道的發展造成一定的阻礙，從而不利于放電的發展，減少了空間中自由電子的數目，在一定程度上抑制了放電的發展，所以濕度的增加能一定程度地提高氣隙的擊穿電壓[5-6]；然而，和平板電極相似的是，在相對濕度較大時，針-板電極表面極易形成凝露，水分子附著，使原本就不均勻的電場發生嚴重畸變，從而大幅度降低擊穿電壓和絕緣水平[6-8]。

3 結論

（1）極間距對擊穿電壓影響非常明顯，且極間距越大擊穿電壓越大。

（2）對于平板電極等均勻電場電極，當濕度小于80%或85%時，濕度對擊穿電壓的變化影響不大，此時是由于水分子難以俘獲高速運動狀態下的電子，使得濕度的影響作用變得很小；當濕度大于80%或85%時，擊穿電壓隨濕度增加而急劇下降，是由于高濕度條件的凝露現象造成電場畸變，使得擊穿電壓急劇下降。

（3）對于針-板電極等不均勻電場電極，當濕度小于80%時，擊穿電壓隨濕度增加而增加，是由于水分子對于電子的俘獲作用，增加了有效附著率，空間中自由電子減少，從而阻礙放電，使擊穿電壓上升；當濕度大于80%時，與平板電極相似，凝露作用占主導作用，從而使得擊穿電壓隨濕度增加而顯著下降。

（4）對于不同類型的電極，濕度對于氣隙擊穿的作用機理不同，且主導因素也不同，所以導致了在不同類型的電極下擊穿電壓隨濕度變化規律的不同。

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Research on the influence of humidity on the breakdown voltage of air gap for electrical equipments

SHAN Mei
（School of Automation and Electrical Engineering，Ji'nan University，Ji'nan 250022，China）

Fog and haze will endanger the safety and operation of electricity equipment simultaneously and the impact of haze and fog is mainly reflected in the humidity and dirt.The simulation tests are mainly relied on the artificial climate chamber and the ultrasound fog generator.Through the fog generator，can easily control the air humidity in the artificial climate chamber.In different humidity，0.5 cm and 0.8 cm needle-plane air gaps discharge tests are studied，as well as the 0.5 cm and 0.8 cm plane-plane air gaps.Through the tests，we can get the relationship among breakdown voltage，humidity，electrode type，and electrode space.The result of the simulation tests show that the effect of relative humidity on the breakdown voltage is obvious.

the breakdown voltage；humidity；the artificial climate chamber；the air gap

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0040-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.09

2015-07-06

單 玫（1983—），女，山東青島人，學士，主要從事自動化與電氣工程方面的研究工作。