單一環境應力條件下短空氣間隙放電特性實驗研究

李 靜，劉玉芝，楊軼軒，陽 晉

(1．石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050000； 2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073)

我國國土面積大，地形、氣候復雜多變。隨著電力系統的迅猛發展，尤其在南方高濕度地區和青藏、川藏等高海拔地區的不斷建設，不僅加重了環境因素對防雷保護裝置的影響，也給防雷保護裝置的安全可靠運行增添了許多不確定因素。

國內外的關于氣體放電的研究主要集中在長空氣間隙放電方面，如文獻[1]主要進行了氣壓p、濕度h對100 mm、200 mm、300 mm三種不同距離間隙放電電壓影響的研究。文獻[2]研究了0.5、1.0、1.5 m 和2.0 m棒-板空氣間隙的雷電沖擊放電特性。在正常情況下，棒-板間隙對地是絕緣的，并且絕緣強度低于所保護線路的絕緣水平，因此，當線路遭到雷擊時，棒-板間隙首先因過電壓而被擊穿，將大量雷電流泄入大地，使過電壓大幅度下降，從而起到保護線路和電氣設備的作用。目前對于短間隙棒-板放電電壓U50受氣壓、濕度及溫度等環境影響的研究較少，但青藏高原等高海拔地區的低氣壓和南方地區的高濕度都會對棒-板間隙的放電電壓產生一定的影響，甚至影響相關系統的正常工作，解決此問題意義重大，因此本文研究了不同氣壓、濕度及溫度等環境因素對其放電電壓的影響。

1 試驗裝置、試品及實驗方法

1.1 試驗裝置

本文試驗是在長*寬*高為2 500 mm*1 500 mm*2 800 mm的步入式高海拔環境試驗箱(設備型號：TP/W710，如圖1(a)所示)和2 000 mm*2 000 mm*3 000 Hmm的三綜合試驗箱(設備型號：DH-8000/THV712C，如圖1(b)所示)內進行的。步入式高海拔環境試驗箱用于模擬高原環境，進行產品海拔高度環境條件的試驗；三綜合試驗箱可以進行溫度和濕度的調節，溫度范圍：-70 ℃～+150 ℃，溫度偏差為±2 ℃，溫度波動度≤1 ℃，溫度均勻度≤2 ℃，濕度范圍:20%～98%。試驗采用GIV沖擊電壓發生器(如圖1(c)所示)產生雷電發生電壓，注入1.2/50 μs的開路電壓波進行雷電沖擊，利用GAS3沖擊測量分析系統(如圖1(d)所示)對放電電壓進行采集。

1.2 試品

實驗選取作為防雷保護裝置的棒-板間隙，間隙距離約2 mm，電極直徑為3 mm，棒-板間隙的實體圖如圖2所示。

1.3 試驗方法

將棒-板間隙放置于環境試驗箱內，施加各種條件的同時，對其進行雷電沖擊：

1)試品預處理：在試驗前對各電極進行擦拭，保持其表面一定的潔凈度與干燥度，以免在試驗過程中發生濕閃或污閃，影響試驗結果的準確度。

2)間隙布置：將一根金屬棒電極與高電位線相連，另一個電極板與大地相連。

3)氣壓模擬：本試驗研究模擬的海拔高度分別為1 m、4 200 m、11 000 m，其對應的大氣壓值分別為100 kPa、60 kPa、20 kPa，設置實驗溫度為25 ℃，濕度為常濕，調整壓強保持30 min后，重復測試電壓波形及峰值的內容并記錄；設備至常壓狀態，恢復2 h后，重復步驟(3)。

4)溫濕度模擬：本實驗研究模擬的濕度為20%、60%、98%，實驗溫度為25 ℃，氣壓為常壓狀態；模擬的溫度為-55 ℃、25 ℃、95 ℃，實驗設置為常濕常壓，保持30分鐘后，重復測試電壓波形及峰值的內容并記錄；設備至常壓狀態，恢復2 h后，重復步驟(4)。

5)施加電壓：依據《GB/T 16927.1—2011—高電壓試驗技術第1部分：一般定義及試驗要求》，試驗中采用恒壓升降法。每級沖擊次數n=1，有效沖擊次數m≥20。兩次試驗之間應間隔3～5 min。雷電沖擊50%放電電壓U50可由下式獲得：

U50=∑(kiUi)/m

其中ki為電壓Ui下施加電壓的組數(每組施加n次電壓)；m為總的有效組數。為避免明顯的誤差，所考慮的最低電壓與U50的差不大于2ΔU。

相對標準偏差率為

式中：U50是50%雷電放電電壓，kV；Ui是第i次施加的電壓值，kV；N是總有效次數。

2 試驗結果及分析

短間隙棒-板在不同氣壓、溫度、濕度條件下放電試驗的數據和結果如表1所示，并進一步做出了間隙放電電壓與溫度、濕度和氣壓的關系圖，分別如圖3、圖4和圖5所示。

表1 雷電沖擊試驗結果

由于正極性雷電沖擊放電電壓低于負極性雷電沖擊放電電壓，因此本文對正極性雷電放電電壓進行研究。試驗所得數據的標準偏差σ都小于5%。表明試驗數據有較小的誤差，因此所得的雷電沖擊 50%放電電壓U50有效。

由圖3可以看出隨著海拔升高氣壓降低，棒-板間隙放電電壓U50隨氣壓的降低有非常明顯的下降。當大氣壓強p從100 kPa下降到60 kPa(海拔高度從1 m上升到4 200 m)時，間隙放電電壓U50從5.450 kV下降到4.130 kV，下降了約24.2%；當大氣壓強p從60 kPa 下降到20 kPa(海拔高度從4 200 m上升到11 000 m)時，間隙放電電壓U50從4.130 kV下降到2.050 kV,下降了約50.4%。微觀分析氣體放電可知，當海拔升高大氣壓強降低時，空氣密度也隨之降低，從而導致空氣中的帶電質點的自由行程增加，帶電質點在自由行程內從外電場獲得動能，以至于在和分子碰撞時能使分子分裂出自由電子，從而引起電子增加導致氣體間隙擊穿。

由圖4可以看出隨著濕度的增大，棒-板間隙放電電壓U50的變化不大。濕度從20%上升到60%時，對放電電壓U50幾乎無影響，變化約0.2%；濕度從60%上升為98%時，放電電壓U50從5.517 kV下降到5.452 kV，下降了約1.2%。由此可見濕度對于短間隙的擊穿電壓影響不大。文獻[3-4]分析了當棒-板間隙長時間處于高濕度環境下，電極上附有凝露時會造成電極周圍電場發生嚴重畸變，使間隙最大場強大幅增加，從而使間隙放電電壓大幅降低。

由圖5可以看出：隨著溫度的升高，棒-板間隙放電電壓U50隨之下降，下降幅度不大。溫度從-55 ℃ 上升到25 ℃時，間隙放電電壓U50下降約10.9%；溫度從25 ℃上升到95 ℃，間隙放電電壓U50下降約1.4%。可見溫度對氣體間隙放電電壓影響不大，放電電壓會隨溫度的升高有稍許降低。因為溫度升高會使空氣密度有略微的下降，從而使空氣中帶電質點的自由行程增大，使放電電壓隨之減小。

選取棒-板間隙在不同濕度條件下放電電壓數據為參考，分別對棒-板間隙在不同溫度及不同氣壓下的放電電壓數據與其進行對比，對比圖如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可知，溫度在第一階段(-55 ℃至25 ℃)和第二階段(25 ℃至95 ℃)棒-板間隙放電電壓的變化分別為10.9%、1.4%；氣壓在第一階段(20 kP至60 kP)和第二階段(60 kP至100 kP)棒-板間隙放電電壓的變化分別為24.2%、50.4%；濕度在第一階段(20%至60%)和第二階段(60%至98%)棒-板間隙放電電壓的變化分別為0.2%、1.2%。可看出溫度條件下棒-板間隙放電電壓的最小變化量要比濕度條件下棒-板間隙放電電壓的最大變化量多0.2%，而氣壓條件下棒-板間隙放電電壓的最小變化量比溫度條件下棒-板間隙放電電壓的最大變化量多13.3%。由此可得，短間隙棒-板的放電電壓U50對受濕度的影響不敏感，且影響棒-板間隙放電電壓的主要因素是氣壓。因此在配置防雷保護裝置棒-板間隙時，要重點考慮不同氣壓環境對棒-板間隙放電電壓U50的影響[1-2]。

圖8和圖9分別為不同情況下棒-板間隙的放電波形圖，圖8為棒-板間隙未發生擊穿現象的放電波形圖，此時棒-板間隙未起到對設備的雷擊保護的作用，會導致電氣設備會受到過電壓的破壞。從圖9可以看出棒-板間隙僅需要大約1.3 μs就可以擊穿，可以看出間隙發生放電后，把一部分過電壓的電荷引入大地，從而避免了被保護設備上的電壓升高，起到了對設備雷擊保護的作用。

3 結論

1)氣壓對間隙放電電壓的影響最為嚴重，隨著海拔的升高氣壓降低，使得放電電壓U50以千伏的幅度下降。2)溫度和濕度對間隙放電電壓的影響比較小，但當棒-板間隙長期處于高濕環境下時要定期對其進行擦拭，防止間隙表面形成水膜或水滴從而使間隙放電電壓U50減小。3)經過溫濕度和氣壓環境下棒-板間隙放電電壓的對比可知，影響棒-板間隙放電電壓U50的主要因素是氣壓，在配置多特征軌道電路縱向防雷棒-板間隙時，要著重考慮氣壓對棒-板間隙放電電壓所帶來的影響。