濕度對棒-板間隙電暈特性的影響規律

謝梁，花廣如，崔云驤，羅紅健，劉云鵬，黃世龍

(1. 中國電力科學研究院有限公司電網環境保護國家重點實驗室，武漢430074；2.河北省電力機械裝備健康維護與失效預防重點實驗室，河北 保定071003；3. 華北電力大學電力工程系，河北 保定071003)

0 引言

金具作為輸電線路的關鍵部件，在輸送電能的過程中扮演著不可或缺的角色。但由于其結構復雜、表面電場分布不均，極易出現電暈放電現象。加之運行過程中氣象環境的變化也會對其電場的分布有一定影響，可能會促進電暈的產生。因此有必要對復雜環境下輸電線路金具的運行情況進行研究。

各種大氣參數對金具的起暈電壓都有著顯著的影響[1]。濕度是大氣環境中的一個重要因素，對金具起暈有明顯的影響。環境濕度改變，擊穿電壓、放電電流也會隨之改變[2 - 4]。文獻[5 - 7]通過人工氣候罐內的直流電暈放電試驗和針對電暈起始放電模型的計算分析，指出起暈電壓隨絕對濕度的增加緩慢下降，正極性與負極性電壓下具有相似的規律。P.A.Calva[8]等人在研究低氣壓(δ= 0.77)直流棒板間隙正極性電暈時,發現當濕度每減小1 g/m3,直流棒板間隙的平均離子遷移率將減小1.4%。對空氣靜電放電的研究中，不同空氣濕度下的靜電放電電流峰值之間存在著明顯的差別，濕度越低，放電電流峰值越大，高濕度時的電暈損失要比低濕度時的電暈損失大[9]。在對流注特性研究中，流注的長短、幅值隨氣壓與濕度的升高而減小，流注傳播的“起始電場”和“穩態電場”隨著氣壓和濕度升高而增大[10 - 11]。Allen等人在研究不同濕度條件下棒-板空氣間隙的正極性直流放電時發現，絕對濕度每增加1 g/m3，電暈電流也隨之增加1.4%，在小間隙(間隙距離小于50 cm)、低濕度(絕對濕度小于10 g/m3)的條件下，平均閃絡電壓隨濕度的增加而減?。坏敐穸却笥?0 g/m3時，平均閃絡電壓隨濕度的增加而增加[12]。隨著相對濕度的增大，正直流-交流復合電壓下電極的起暈電壓基本不變；負直流-交流復合電壓下電極的起暈電壓逐漸減小，但是起暈電壓減小的幅度逐漸減弱；單一電壓下電極的起暈電壓均逐漸減小[13]。在相對濕度較大時，工頻電場隨環境相對濕度的變化較大，隨相對濕度的增大呈指數級增加[14]。

本文采用電場仿真與物理實驗相結合的方法對不同濕度狀態下棒-板間隙電暈特性的變化進行分析研究。首先從電場仿真結果中找出濕度的變化對電場分布的影響規律，為結果提供理論依據，然后結合實驗驗證其變化的規律。

1 棒-板電極電場仿真

1.1 模型參數設定

棒-板間隙是一種常用的典型電極結構，是常用極不均勻場的電極模型，已被國內外學者廣泛用于研究極不均勻場的電暈放電特性?；诎?板電極二維模型的電場仿真，選取棒-板氣隙間距h為100 mm、棒電極半徑R為2 mm。幾何模型如圖1所示。在棒電極處的電壓邊界為50 kV的鉗制電位，板電極處為0電位。

圖1 模型簡圖Fig.1 Sketch map of the model

1.2 模型計算結果

1.2.1 均勻介質模型

空氣中主要成分是氮氣和氧氣，通常認為純凈的干空氣的相對介電常數為1。根據文獻[15]，水蒸氣的第一電離電位小于氮氣，當水蒸氣占比增大時會改變空氣的介電常數。水的相對介電常數為78.5，遠高于干空氣的相對介電常數，當空氣介質中水蒸氣增加，空氣介質的等效介電常數會相應增加。文章依據這種推斷，計算了介質等效介電常數為1、1.005、1.01、1.1四種狀況下間隙電場強度的變化。計算結果見表1，間隙介質的相對介電常數的改變對電場強度無明顯改變，符合靜電場原理。

表1 均勻介質模型計算結果Tab.1 Calculation results of homogeneous medium model

1.2.2 非均勻介質

空氣中懸浮物在電場極化下，會相互吸附，在濕度較高時，懸浮物吸附水分子形成微粒[16 - 18]。文章依此將空氣中水蒸氣簡化為微粒模型，微粒的間距與相對濕度關系由式(1)—(6)給出。

M=RH×M0

(1)

(2)

m=ρV

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：M0為單位體積內飽和水蒸氣質量，RH為相對濕度，M為相對濕度下單位體積內所含水蒸氣質量，V為微粒體積，r為微粒半徑，m為微粒質量，ρ為水的密度，u為單位體積內所含微粒數，ux、uy、uz為x、y、z方向上單位體積的邊長內微粒數，L為微粒間距，L0為單位體積的邊長。

根據文獻[19]，相對濕度的增加會提高PM2.5的濃度。文章對微粒設置為半徑0.001 mm，對模型進行電場分析。棒電極頭部周圍電場較大，因此以棒電極頭部周圍的微粒為例進行分析，所得電場分布與棒-微粒方位關系如圖2所示。

圖2 電場分布與棒-微粒方位關系Fig.2 Electric field distribution and Rod-particle orientation diagram

圖2(a)中，在微粒所在位置，電場等值線明顯被扭曲。為了清晰地觀察微粒周圍電場的變化，在棒電極軸線上取1個微粒進行觀察，結果如圖2(b)所示。對于位于軸線上的微粒，發現在其上、下兩側電場強度明顯升高，在左、右兩側電場強度降低；在其他位置任取1個微粒進行觀察，結果如圖2(c)所示。對于在棒末端左下角方向任取的微粒，電場強度在其左下、右上方向上升高，左上、右下方向上降低。綜上所述，可見電場升高的方向和微粒與棒電極末端連線的方向一致，而在微粒與棒電極連線的垂直方向上電場降低，此方向的電場值低于周圍區域。觀察圖2中不同位置的微粒，根據其周圍電場線的扭曲程度，可以發現微粒的存在主要影響其4倍半徑范圍內的電場分布。

假設微粒的直徑不變，可以通過調整微粒間距來表示濕度的變化。在高濕條件下或者因環境造成的局部濕度較大，微粒間距十分小，對其進行電場仿真，結果如圖3所示。其中圖3(a)中微粒連線方向在棒電極頭部半徑射線方向上，此時，微粒之間會形成高場強通道；圖3(b)中微粒連線方向與棒電極頭部半徑射線方向垂直，微粒之間會形成較低的場強通道。流注頭部的發展有隨機性，當流注頭部沿高場強通道蔓延，畸變的電場將促進流注的發展；當流注頭部沿低場強通道方向蔓延，畸變的電場將抑制流注的發展。

圖3 電場分布與棒-微粒方位關系Fig.3 Electric field distribution and rod-particle orientation diagram

2 不同濕度對電極電暈特性試驗

2.1 試驗平臺

試驗過程中采用自行設計的濕度可調試驗裝置來實現對濕度環境的模擬調節，試驗裝置采用正方體設計的方式，該裝置的長、寬、高均為1.2 m。相對濕度的可調節范圍為20%～100%。為觀測試驗裝置內部具體情況采用透光性能較好的有機玻璃作為主體材料，同時為保證電暈放電紫外光子數統計的準確性，在實驗裝置側壁設置石英玻璃視窗。裝置如圖4所示。

圖4 棒-板電極試驗平臺Fig.4 Rod-plate electrode test platform

2.2 試驗方法

試驗所使用的高壓電源為250 kV交流高壓電源，電暈放電產生的紫外光子采用Super B型號的紫外成像儀觀測和統計。試驗棒-板氣隙間距d為100 mm、棒電極半徑為2 mm。試驗時溫度為29.5±0.5 ℃、氣壓為100.09±0.1 kPa，符合國標高電壓實驗技術(GB/T 16927.1—2011)要求標準。濕度的改變通過加濕器和干空氣來實現，加濕器提高濕度，干空氣降低濕度。實測的濕度范圍為30%～85%，每個濕度等級進行了多次實驗，結果取平均值作為該濕度等級下的有效參數。

2.3 試驗結果及分析

相對濕度為30%時，緩慢升高施加在棒上的電壓，電壓在0～39 kV時，紫外儀中的成像如圖5(a)所示，此時畫面上沒有起暈點、光子計數率非常小，一般在0～300的范圍內，推測可能是極少量的周圍空氣中的粉塵在高壓下放電引起的火光；當電壓加至40 kV時，棒電極出現明顯電暈現象(如圖5(b))，且光子數在1 000左右波動；目前光子數達到多少算起暈尚無統一標準，考慮到需要去除背景光子的干擾[20 - 22]，文章選取光子數超過1 000作為起暈起始的依據。當電壓繼續增大時，紫外儀上的光子數逐漸增大，電暈光斑也越來越顯著；當電壓增大至45 kV時，如圖5(c)所示，光子數增大至2 450左右，電暈光斑也更明顯；繼續增大電壓，光子數急劇增大，在數萬至數萬的量級上跳動，電暈光斑也由小向大變換，圖5(d)所示為電壓達到50 kV時紫外儀中的成像。因為施加的是交流電壓，存在正半周和負半周。在負電壓下的起暈電壓低于正電壓下的起暈電壓[23]。所以，推測40～45 kV范圍內，棒電極只有在負半周時起暈，產生可觀察到的光子計數，而電壓正半周時不產生光子計數。當電壓增大到50 kV時，達到了正電壓下的起暈電壓，光子數驟增。

圖5 紫外光子成像圖Fig.5 Ultraviolet photon imaging

相對濕度為40%、55%、60%、70%、85%時，進行相同的試驗過程；此外更換曲率半徑1 mm棒電極重復實驗，得到不同濕度條件下的棒-板間隙電暈放電情況。通過前文中所述，得到不同相對濕度與起暈電壓的關系，如圖6所示，在相對濕度30%～ 60%范圍內，起暈電壓隨相對濕度的增大而減小，在相對濕度60%～85%范圍內，起暈電壓隨相對濕度的增大而增大，但增大的幅值較小。對于不同的電極，起暈電壓與相對濕度的關系表現出相同的趨勢。

圖6 起暈電壓與相對濕度關系Fig.6 Relationship between corona initiation voltage and relative humidity

對比仿真與實驗結果，在濕度從低到高接近60%時，空間中存在的微粒聚集量增大，電場的不均勻度更大，起暈電壓降低，更易產生光子。在濕度大于60%后，實驗結果發現起暈電壓升高，即高濕度抑制了起暈，與仿真的高濕情況下抑制與促進并存的結果不盡相同。分析其原因，應是實驗中水分子團捕獲空氣中的自由電子，抑制放電過程[8]，從而起暈電壓增大。濕度的改變使高場強區域內碰撞電離能力發生變化，繼而改變了起暈電壓。

3 結論

通過對棒-板電極場強的仿真分析，以及在不同濕度環境下進行棒-板間隙放電試驗，得出仿真計算結果與實驗結果，將兩者進行對比分析，得到以下結論。

1)當間隙中有微粒存在時，會導致電場畸變，并且在微粒與棒電極末端連線方向上電場顯著增加，而在其連線的垂直方向上電場是降低的。當濕度變化時，仿真分析通過調節微粒的間距大小來模擬濕度的變化。仿真結果顯示，高濕度時，當微粒連線方向與棒電極頭部射線方向同向時，微粒的存在會促進流柱的發展，當微粒連線方向與棒電極頭部射線方向垂直時，其會抑制流柱的發展。

2)試驗發現，在相對濕度30%～60%范圍內，起暈電壓隨相對濕度的增大而減小，在相對濕度60%～85%范圍內，起暈電壓隨相對濕度的增大而增大，但增大的幅值較小。對于不同的電極，起暈電壓與相對濕度的關系表現出相同的趨勢。