周微微 張京業(yè) 戴少濤 施 飛 趙連岐 朱志芹滕玉平 王邦柱 許 熙

(1中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

(2江蘇中天科技股份有限公司 南通 226463)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力容量及供電質(zhì)量的需求不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性等問題也越來越突出。針對國民經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)的巨大需求，包括超導(dǎo)電纜、變壓器、限流器等高溫超導(dǎo)電力技術(shù)近年來獲得了長足發(fā)展［1-4］。超導(dǎo)電力裝置的電壓等級也不斷提高，先后經(jīng)歷了380 V實驗室原理樣機(jī)，10 kV和35 kV配電網(wǎng)的并網(wǎng)示范樣機(jī)，到目前的220 kV甚至500 kV輸電網(wǎng)的示范樣機(jī)［5-7］。

高溫超導(dǎo)電力裝置的核心部件——超導(dǎo)繞組、電纜導(dǎo)體等大都采用廉價的液氮浸泡以獲得運行所必需的低溫環(huán)境，同時還用作低溫高電壓絕緣介質(zhì)［7］。因此，世界范圍內(nèi)多個研究團(tuán)隊，針對超導(dǎo)高壓電力裝備應(yīng)用，分別對液氮環(huán)境下玻璃鋼表面的閃絡(luò)電壓特性［8］、深冷液氮的雷電沖擊耐壓特性［9］以及深冷液氮的高壓擊穿特性等進(jìn)行了研究［10］。

本文從低溫高電壓實驗裝置、多組電極的研制入手，通過實驗系統(tǒng)研究了液氮的絕緣與擊穿特性，特別是電極形狀、電極間距和液體壓力對液氮擊穿特性的影響規(guī)律。

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 實驗裝置及電極設(shè)計

如圖1所示，實驗裝置的容器采用非金屬材質(zhì)，筒體具有保溫功能;不同形狀的電極可以固定在上下電極桿上;下電極桿固定不動，上電極桿可以上下移動，通過容器上方的標(biāo)尺和聯(lián)動桿可以精確地調(diào)節(jié)電極距離;容器上蓋板上有增壓閥、泄壓閥、安全閥和壓力表，在確保安全的前提下可以調(diào)整容器內(nèi)氣體的壓力，壓力調(diào)節(jié)范圍(1ˉ5)×105Pa。

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所研制的電極如圖2所示，包括4對紫銅球電極，分別為 Φ50 mm、Φ100 mm、Φ125 mm和 Φ150 mm;不銹鋼柱-柱電極1對，Ф75 mm-R3修圓和Ф25 mm-R3修圓;不銹鋼針-板電極1對，針電極18度圓錐、板電極Ф300 mm-R5修圓。

2.2 實驗方法

實驗過程中嚴(yán)格按照高電壓實驗規(guī)范和步驟進(jìn)行。有關(guān)氮氣的絕緣特性實驗按以下方法進(jìn)行:(1)首先選用合適的電極，并把電極固定在上下電極桿上;(2)裝配并密封容器;(3)容器液氮注入;(4)接線:下電極與高壓發(fā)生器的輸出端連接，上電極接地;(5)調(diào)節(jié)并固定電極間距和液體壓力;(6)通過高壓測試系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，高壓恒定并持續(xù)1分鐘，每個電壓值重復(fù)測試3次，取平均值。

圖1 氣體絕緣特性實驗裝置Fig.1 Experimental device for insulation characteristics testing of gas

圖2 實驗用電極照片及參數(shù)Fig.2 Electrode photos and parameters by experiment

3 實驗結(jié)果及分析

利用實驗室的200 kV高壓試驗系統(tǒng)及以上實驗裝置，系統(tǒng)的研究了電極間距、氣體壓力、電極形狀等對液氮絕緣特性進(jìn)了系統(tǒng)的實驗研究，主要結(jié)果如下:

3.1 電極間距對氮氣擊穿特性的影響規(guī)律

首先利用上述柱-柱電極一對并固定電極間距為1 mm，測試1分鐘工頻耐壓，3次擊穿電壓的平均值為16.7 kV。然后逐漸增大電極間距，重復(fù)測試，獲得實驗結(jié)果如圖3所示。可見，隨著電極間隙的增加，擊穿電壓不斷提高;但是由于電極間隙的不斷增大，電場均勻性逐漸變差，液氮的氮氣擊穿電壓并非線性增加，而是單位擊穿電壓逐漸變小。實驗結(jié)果說明，電極間距的大小對室溫常壓氮氣的擊穿電壓影響顯著，距離越大擊穿電壓越高。

圖3 常壓液氮在Ф75 mm-R3修圓和Ф25 mm-R3修圓的柱-柱電極下的擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律Fig.3 Breakdown voltage of liquid nitrogen under atmospheric pressure underФ75 mm-R3 rounded column-Ф25 mm-R3 rounded column electrode changes with electrode spacing

3.2 壓力對氮氣擊穿性能的影響規(guī)律

Φ50 mm的球電極的間距固定位2 mm，逐漸增加液氮的壓力，液氮的擊穿強度隨壓力的變化規(guī)律如圖4所示。可見，在電極距離固定不變的情況下，隨著液體壓力的增加，液氮的擊穿強度呈近似線性增加。

圖4 在Φ50 mm紫銅球電極距離固定為2 mm情況下，室溫氮氣擊穿電壓隨氣體壓力的變化規(guī)律Fig.4 Breakdown voltage of room temperature nitrogen varies with gas pressure，when Φ50 mm copper ball electrode distance is fixed at 2 mm

圖5給出了Φ150 mm紫銅球電極的間距固定位2 mm情況下，液氮擊穿電壓隨液體壓力的變化情況。其結(jié)果及隨液體壓力的變化規(guī)律與Φ50 mm球電極的類似。

圖5 室溫氮氣在Φ150 mm紫銅球電極情況下，擊穿電壓隨電極間距及氣體壓力的變化規(guī)律Fig.5 Breakdown voltage changes with electrode spacing and gas pressure，when room temperature nitrogen inΦ150 mm copper ball electrode

以上實驗結(jié)果說明，氣體壓力對室溫氮氣的擊穿電壓影響明顯，擊穿電壓隨氣體壓力線性增加。

3.3 電極形狀對氮氣擊穿性能的影響規(guī)律

圖6給出了柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電壓隨電極間隙的實驗變化曲線。由圖可以看出:在電極間隙相同的情況下，柱-柱電極的擊穿電壓較針-板電極高很多;柱-柱電極的擊穿電壓隨電極間隙的增大近似直線變高;針-板電極的擊穿電壓在電極間隙增加到一定值后，提高的非常緩慢。

圖6 柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電壓隨電極間隙的變化曲線Fig.6 Breakdown voltage of liquid nitrogen at atmospheric pressure changes with electrode gap in column-column electrode and needle-plate electrode case

圖7給出了柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電場強度(kV/mm)隨電極間隙的實驗變化曲線。由圖可以等到如下結(jié)論:在電極間隙長度相同的情況下，柱-柱電極的擊穿電場強度比針-板電極高很多;柱-柱電極的擊穿電場強度隨電極間隙的增大近似直線降低;針-板電極的擊穿電場強度在電極間隙增加到一定值后，下降得非常緩慢。

圖7 柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電場強度(kV/mm)隨電極間隙的變化曲線Fig.7 Breakdown field of liquid nitrogen at atmospheric pressure changes with electrode gap in column-column electrode and needle-plate electrode case

圖8給出了液氮在Φ50 mm球電極和針-板電極情況下，擊穿電場強度隨液體壓力的變化規(guī)律。通過實驗結(jié)果可以看出:在液體壓力同的前提下，不同電極形狀的擊穿電場強度電壓差別很大，針-板電極較Φ50 mm球電極的小很多;隨液體壓力的增大，兩種電極的擊穿電場強度都有不同程度的提高。

圖8 液氮在Φ50 mm球電極和針-板電極情況下，擊穿電場強度隨液體壓力的變化規(guī)律Fig.8 Breakdown field of liquid nitrogen changes with liquid pressure in 50 mm diameter ball electrode and needle-plate electrode case

以上實驗結(jié)果說明:電極形狀對室液氮的擊穿電壓影響顯著，電極間隙的電場越均勻，擊穿電壓越高;電極距離的增大引發(fā)電極間隙電場均勻性變差的，單位長度的耐壓強度隨長度的增加而降低;液體壓力的增高，不同電極的耐壓能力都有不同程度的改善。

4 結(jié)論

液氮廣泛用作超導(dǎo)電力裝置制冷劑的同時，還肩負(fù)著高電壓絕緣介質(zhì)的作用。本文通過實驗系統(tǒng)研究了液氮的高電壓擊穿特性及影響因素，給出了液體擊穿電壓隨電極間隙長度的變化規(guī)律;液體壓力對氮氣擊穿特性的影響及變化規(guī)律;電極形狀以及電場均勻性對氮氣擊穿電壓的影響規(guī)律等。

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