陳寶輝 鄧 捷 孫易成 劉 毓

電場均勻性對細(xì)水霧短空氣間隙工頻放電特性的影響

陳寶輝1鄧 捷2孫易成1劉 毓1

（1. 電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司防災(zāi)減災(zāi)中心） 長沙 410007 2. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410114）

細(xì)水霧是一種絕緣性能較高的消防技術(shù)。利用球-球間隙模擬稍不均勻電場，利用棒-板間隙模擬不均勻電場，開展細(xì)水霧在球-球和棒-板短間隙下的工頻放電特性及仿真分析研究。研究發(fā)現(xiàn)，球-球間隙下，細(xì)水霧霧滴產(chǎn)生的電場畸變影響大于細(xì)水霧霧滴在電場荷電的影響，細(xì)水霧球隙擊穿電壓總小于空氣球隙擊穿電壓。當(dāng)間隙距離為2～8cm時，細(xì)水霧擊穿電壓較同條件的空氣擊穿電壓降低37.6%～38.2%。棒-板間隙下，隨著電極間隙的增長，細(xì)水霧霧滴產(chǎn)生的電場畸變影響程度降低。間隙為3.5～8cm時，電場畸變的影響高于電場荷電的影響，細(xì)水霧間隙擊穿電壓低于空氣間隙擊穿電壓6.0%～8.5%；間隙為12cm時，細(xì)水霧霧滴在電場荷電的作用超過了細(xì)水霧霧滴對電場畸變的影響，細(xì)水霧間隙的擊穿電壓甚至高于空氣間隙擊穿電壓3.6%～4.4%。研究結(jié)果對細(xì)水霧在電力設(shè)備火災(zāi)防治中的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

細(xì)水霧 球-球 棒-板 空氣間隙 工頻 擊穿電壓

0 引言

近年來，高電壓電力設(shè)備火災(zāi)頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。架空輸電線路下方山火和變壓器火災(zāi)是危害電網(wǎng)安全的兩大火災(zāi)[1-6]。山火使架空輸電線路間隙絕緣強度下降，引發(fā)線路擊穿跳閘，造成大面積停電。如2013年3～5月，架空輸電線路下方山火先后導(dǎo)致國家電網(wǎng)公司特高壓錦蘇線極Ⅱ、極Ⅰ閉鎖[3]，以及云廣線和長南Ⅰ線故障跳閘。變壓器火災(zāi)燒毀變壓器，造成大規(guī)模停電，例如，2005年5月，俄羅斯莫斯科市因變壓器起火造成莫斯科市約一半地區(qū)停電[7]；2018～2019年，我國發(fā)生多起特高壓變壓器嚴(yán)重火災(zāi)事故，造成巨大經(jīng)濟損失。因此，高電壓電力設(shè)備火災(zāi)的防治迫在眉睫。

電氣防治一直是火災(zāi)防治的難題。架空輸電線路帶電運行，下方山火火勢迅猛，無法做到停電滅火，而人員在線路下方利用傳統(tǒng)的大流量射流水滅火存在觸電風(fēng)險，需要帶電滅火。目前大量的變電站為無人值守變電站，滅火系統(tǒng)必須投入自動化才能起到火災(zāi)保護作用，發(fā)生火災(zāi)后，滅火系統(tǒng)自動啟動，撲滅火災(zāi)。但變壓器滅火系統(tǒng)在長時間自動運行下存在因人為或者系統(tǒng)故障發(fā)生滅火介質(zhì)誤噴的風(fēng)險。因此變壓器滅火系統(tǒng)要求滅火介質(zhì)帶電絕緣性能較高，即使系統(tǒng)誤動作、滅火介質(zhì)誤噴到變壓器上也不破壞變壓器的絕緣、造成變壓器短路跳閘，確保變壓器運行安全[4-5]。

現(xiàn)實應(yīng)用的電極間隙結(jié)構(gòu)多種多樣，其中，在一定間距范圍內(nèi)的球-球間隙代表稍不均勻電場，間隙擊穿電壓較高；棒-板間隙代表不均勻電場，間隙擊穿電壓最低；其他類型電極間隙的放電電壓通常介于球-球與棒-板間隙之間。為了研究細(xì)水霧在工頻電壓下的放電特性，本文開展了細(xì)水霧在球-球和棒-板電極間隙下的空氣間隙擊穿試驗，分析了不同電場均勻程度下細(xì)水霧空氣間隙工頻放電特性及其影響機理。研究結(jié)果為細(xì)水霧在電力設(shè)備火災(zāi)的防治應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗裝置與方法

1.1 細(xì)水霧的發(fā)生及其霧滴直徑測量

細(xì)水霧發(fā)生裝置參見文獻[10]。試驗采用的細(xì)水霧噴頭及其霧滴直徑分布如圖1所示，該噴頭的型號為XSW1.5/2.5。利用壓力表測試細(xì)水霧產(chǎn)生壓力，采用RF-25型液體渦輪流量計測量噴頭流量。噴頭工作壓力為3.5MPa。經(jīng)測試，此時噴頭的流量為25L/min。噴頭的霧滴直徑采用HELOS/RODOS激光粒度儀測量獲得。霧滴直徑采用99%霧滴累計體積分布粒徑D0.99（mm）表示。測得該噴頭的霧滴直徑D0.99=320mm。

圖1 試驗噴頭示意圖及其霧滴直徑分布

1.2 試驗場地布置和試驗方法

圖2 細(xì)水霧短間隙工頻擊穿電壓試驗

試驗過程如下：首先在電極放電區(qū)域施放水霧（水電導(dǎo)率為211mS/cm），水霧穩(wěn)定噴霧約30s后開始試驗。通過工頻試驗變壓器在一電極端施加單相高電壓，采用均勻升壓法測試[10-14]。為保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每種工況進行10次以上的重復(fù)試驗，忽略10次測量數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)偏差大于5%的試驗數(shù) 據(jù)[14]。連續(xù)兩次施加電壓的時間間隔約2min，以便空間離子充分?jǐn)U散，在允許的誤差范圍內(nèi)，本文將試驗測量數(shù)據(jù)的平均值作為間隙擊穿電壓值。利用錄波儀監(jiān)測放電電壓波形，當(dāng)電壓出現(xiàn)首次電壓跌落時，該時刻作為高速攝像儀的觸發(fā)點，并同步觀測放電電壓波形和放電圖像。拍攝球-球間隙放電時，拍攝速度為40 000幀/s；拍攝棒-板間隙放電時，拍攝速度為64 000幀/s。人工氣候室環(huán)境溫度為12～14℃，氣壓為1 013kPa，環(huán)境濕度為70%～75%。由于細(xì)水霧噴霧過程中，電極間空氣濕度可驟增至約100%，因此開展空氣擊穿對比試驗前，首先通過人工噴水霧加濕的方式將細(xì)水霧噴向電極間隙間，使電極試驗區(qū)域的濕度調(diào)節(jié)為近100%，然后再開展間隙擊穿試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 球-球和棒-板間隙工頻擊穿電壓

圖3為空氣和細(xì)水霧下球-球電極間隙工頻擊穿電壓對比。對于直徑為25cm的球-球電極間隙，2～8cm電極間隙間的電場屬于典型稍不均勻電場。從圖中可以看出，當(dāng)球隙距離為2～8cm時，細(xì)水霧擊穿場強較同條件空氣擊穿場強降低37.6%～38.2%。并且空氣和細(xì)水霧的擊穿場強隨球隙距離的增大在一定程度上下降。當(dāng)球隙距離從2cm增大至8cm時，空氣擊穿場強從19.01kV/cm降低至17.49kV/cm，細(xì)水霧擊穿場強從13.04kV/cm降低至9.17kV/cm。這是由于間隙距離增大，空間電場均勻程度降低[10]。

圖3 空氣與細(xì)水霧下球-球間隙工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系

圖4為棒-板電極間隙下空氣工頻擊穿電壓和細(xì)水霧擊穿電壓的對比，棒-板間隙間的電場為不均勻電場。當(dāng)棒-板間隙距離從3.5cm增大至24cm時，空氣的擊穿場強從7.08kV/cm降低至3.61kV/cm，細(xì)水霧擊穿場強從7.31kV/cm降低至3.74kV/cm。這說明在3.5～24cm電極間距下，棒-板間隙間電場的均勻程度隨間隙距離的增長而增大。從圖中還可以看出，當(dāng)棒-板間距小于12cm時，細(xì)水霧擊穿場強較空氣擊穿場強低6.0%～8.5%；當(dāng)間隙距離大于12cm時，細(xì)水霧擊穿場強較空氣擊穿場強高3.6%～4.4%。

2.2 間隙工頻放電電壓波形和電弧燃弧過程觀測

本文在電壓首次出現(xiàn)電壓跌落的時間點觸發(fā)高速攝影儀，并將此時定義為0ms，同步觀測間隙工頻放電電壓波形和放電電弧燃弧物理過程。

圖4 空氣與細(xì)水霧下棒-板間隙工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系

2.2.1 球-球間隙工頻放電電壓波形和電弧燃弧過程觀測

空氣下球-球間隙工頻放電擊穿電壓波形和電弧燃弧過程如圖5和圖6所示。

圖5 空氣下8cm球-球間隙工頻放電擊穿電壓波形

圖6 空氣下8cm球-球間隙工頻放電電弧燃弧過程

由圖5可知，空氣間隙下，電極在電壓信號的正半周發(fā)生擊穿，并且有明顯的振蕩，這是由于間隙擊穿前空間電荷的強烈中和產(chǎn)生了脈沖電壓[15]；同時，空氣球隙放電的電弧重燃電壓較低，這是由于空氣介質(zhì)的絕緣恢復(fù)速度較慢，在熄弧后空氣間隙中仍存在大量空間電荷。由圖6可以看出，電弧燃弧通道發(fā)生在兩個球電極的連線處，0μs時的電弧直徑最大、亮度最強，后續(xù)燃弧的直徑較小、亮度較弱，這說明隨著時間的延長，空間電荷的游離和燃弧的熱輻射增多，燃弧電流減小。

細(xì)水霧的球-球間隙工頻放電擊穿電壓波形和電弧燃弧過程如圖7和圖8所示。

圖7 細(xì)水霧下8cm球-球間隙工頻放電擊穿電壓波形

圖8 細(xì)水霧下8cm球-球間隙工頻放電電弧燃弧過程

與空氣下的球-球間隙擊穿電壓波形相比，細(xì)水霧的球隙擊穿電壓波形在擊穿前的振蕩次數(shù)更多，這是由于噴霧過程中，細(xì)水霧噴射到球電極表面，產(chǎn)生了微小水滴。微小水滴表面的電暈放電產(chǎn)生了大量的空間電荷，空間電荷的增多導(dǎo)致了電壓波形的振蕩加強。從圖中還可以看出，細(xì)水霧球隙電弧熄滅后的重燃電壓較空氣間隙的重燃電壓更高，這可能是由于細(xì)水霧的噴射帶動了周圍空氣流動，增強了弧隙溫度和離子的擴散，使強烈游離的氣體快速混合，加速了去游離過程[16-17]。此外，由圖8可知，與空氣球隙放電過程相比，細(xì)水霧球隙的燃弧路徑更加曲折。

2.2.2 棒-板間隙工頻放電電壓波形與電弧燃弧過程觀測

空氣下棒-板間隙工頻放電擊穿電壓波形和電弧燃弧過程如圖9和圖10所示。空氣環(huán)境下，電極在電壓信號正半周發(fā)生擊穿且明顯振蕩，其振蕩原因為棒-板間隙擊穿前棒電極附近形成電暈，空間電荷增多。相比球-球空氣間隙擊穿電壓波形，棒-板間隙擊穿的電弧復(fù)燃起弧電壓更高，這是由于棒-板空氣間隙電弧的直徑更小，電流密度較低，空間電荷密度更小。

圖9 空氣下8cm棒-板間隙工頻放電擊穿電壓波形

圖10 空氣下8cm棒-板間隙工頻放電電弧燃弧過程

細(xì)水霧下棒-板間隙工頻放電擊穿電壓波形和放電電弧燃弧如圖11和圖12所示。細(xì)水霧下電極在電壓信號的正半周擊穿，并發(fā)生與棒-板空氣間隙擊穿一樣的振蕩。但與空氣下的棒-板間隙擊穿相比，細(xì)水霧 棒-板放電燃弧的光強度更弱，燃弧通道變細(xì)，且明顯變暗。

圖11 細(xì)水霧下8cm棒-板間隙工頻放電擊穿電壓波形

圖12 細(xì)水霧下8cm棒-板間隙工頻放電電弧燃弧過程

3 結(jié)果與討論

3.1 細(xì)水霧對球-球和棒-板間隙電場分布的影響

本文利用COMSOL有限元軟件仿真研究霧滴對球-球間隙與棒-板間隙電場畸變的影響。仿真采

用電極間隙=8cm的球-球間隙和棒-板間隙，細(xì)水霧采用直徑為320mm的圓形球體，相鄰兩個霧滴中心距離為800mm。采用二維仿真，假設(shè)霧滴呈直線分布在電極間隙之間，計算時考慮與電極連線相垂直平面上的三排霧滴，其中第二排霧滴與電極連線的中心軸線重合。以球-球間隙為例，仿真模型如圖13所示。

圖13 球-球間隙模型

電場強度的取值為球-球電極（棒-板電極）最短連線上的電場強度。霧粒的相對介電常數(shù)取80，空氣為1。根據(jù)圖3和圖4試驗數(shù)據(jù)，分別施加電壓于電極上，其中球-球間隙施加電壓為78kV，棒-棒間隙施加電壓為32.9kV。對比細(xì)水霧周圍電場和空氣條件下的同一位置處的電場，空氣和水霧在球-球間隙和棒-板間隙下的電場強度分布如圖14和圖15所示。從圖中可以看出，霧滴內(nèi)部電場強度最小，霧滴間隙間的電場強度小于霧滴表面電場強度，且在霧滴表面處電場強度達到最大。這說明細(xì)水霧間隙放電一般會發(fā)生在空氣中，而不會在液滴內(nèi)部擊穿[11]。對比圖14和圖15可知，細(xì)水霧對兩種電極間隙的電場畸變程度影響不同。球-球間隙下，細(xì)水霧對電場的畸變程度影響較為均勻；而在棒-板間隙下，靠近棒電極的電場畸變程度較大，靠近板電極的電場畸變程度較低。當(dāng)細(xì)水霧進入電極間隙時，一方面，由放電理論可知，細(xì)水霧顆粒引起的電場畸變使電離系數(shù)增大，提高電子動能，降低負(fù)離子產(chǎn)生的概率，加快正離子和電子復(fù)合所生成光子的頻率，促進放電的形成[18]；另一方面，水霧滴表面的場致發(fā)射和光電離所需的電離能僅為6.1eV，該值小于空氣分子的電離能[19]。因此，細(xì)水霧霧滴還可以作為重要的電子源，通過其表面的場致發(fā)射和光電離，產(chǎn)生電子，促進放電的發(fā)展。

已知電子崩發(fā)展的必要條件為電離系數(shù)大于附著系數(shù)，即＞0；＞0的空間區(qū)域稱為電離區(qū)域。本文的試驗在高濕環(huán)境下進行，因此需要考慮濕度對兩種系數(shù)的影響。各系數(shù)的取值采用M. Abdel-Salam提出的空氣中含有水蒸氣的取值方法[20]，其表達式為

圖14 8cm細(xì)水霧球-球間隙與空氣間隙電場強度分布

圖15 8cm細(xì)水霧棒-板間隙與空氣間隙電場強度分布

式中，d、w分別為空氣和水蒸氣中的電離系數(shù)；d、w分別為空氣和水蒸氣中的附著系數(shù)；d為空氣中的壓強；w為水蒸氣的壓強；為總壓強。w的數(shù)值可經(jīng)查詢水的飽和蒸汽壓表獲得，在本試驗范圍內(nèi)，w的取值為1.6kPa。由文獻[21]可知，電離系數(shù)與附著系數(shù)的表達式分別為

式中，=2.687 6′1025/m3；為電場強度（V/m）。當(dāng)＞3′106V/m時，＞0。

同樣利用COMSOL軟件仿真計算球-球間隙和棒-板間隙下不同間隙距離時的電場強度。球-球間隙距離為2～8cm，棒-板間隙距離為3.5～24cm。不同間距下施加的電壓與圖3和圖4中的試驗數(shù)據(jù)一致，霧滴直徑、霧滴間的距離等其他仿真條件與上文相同。仿真結(jié)果表明，在球隙為2～8cm時，球隙最短連線上的最大電場強度均滿足電子崩發(fā)展的必要條件；而在棒-板間隙下，不同距離的電極間隙滿足電子崩發(fā)展的區(qū)間長度不同，棒-板間隙＞0的取值范圍見表1。表中，l為＞0的區(qū)間長度。

表1 棒-板間隙＞0的取值范圍

Tab.1 Range of values of a-h＞0 under rod-plate gap

1/為滿足電子崩發(fā)展的區(qū)間長度占總間隙長度的比值。本文利用1/來評價細(xì)水霧對棒-板電極下空間電場畸變的影響程度。從表1中可以看出，對于棒-板電極間隙，1/隨間隙的增長而降低。當(dāng)間隙=3.5cm時，1/=0.86；當(dāng)間隙=24cm時，1/降至0.36。這說明對于棒-板間隙，隨著間隙長度的增長，滿足電子崩發(fā)展的區(qū)間長度比例減少，因此電場畸變造成的影響程度降低。

3.2 電場荷電對間隙放電的影響

在電場中，對于直徑大于0.5mm的粒子，電場荷電是粒子荷電的主要方式[22]。電場荷電定義為電場中的電荷依附在粒子上，使粒子荷電。由圖7和圖11可知，細(xì)水霧間隙均在電壓信號正半周發(fā)生擊穿，流注為正流注。當(dāng)細(xì)水霧間隙中正流注發(fā)展時，頭部為正離子。細(xì)水霧通過電場荷電捕獲電子，減少電子崩形成的初始電子和流注發(fā)展過程中的電子，阻礙流注的發(fā)展[17, 23-26]。

3.3 細(xì)水霧對球-球和棒-板間隙擊穿電壓的影響

研究表明[17, 23]，細(xì)水霧霧滴引起的電場畸變及其表面產(chǎn)生的光電離促進了流注的發(fā)展，而霧滴荷電阻礙了流注的發(fā)展。

3.1節(jié)的靜電場仿真分析結(jié)果表明，2～8cm的細(xì)水霧球-球間隙的整個間隙區(qū)間均滿足電子崩發(fā)展的必要條件，因此，在該球-球間隙下，與細(xì)水霧霧滴的電場荷電相比，電場畸變產(chǎn)生的影響更大。因此，從圖3中可以看出，當(dāng)球隙為2～8cm時，空氣球隙的擊穿電壓始終高于細(xì)水霧球隙的擊穿電壓。

由圖14可知，棒電極周圍電場的電場畸變劇烈。雖然從放電理論可知，電場畸變促進流注的發(fā)展，但是，由表1可知，隨著棒-板間隙距離的增加，電離區(qū)間長度占間隙距離的比例不斷縮小，這意味著電場強畸變造成的電離區(qū)域占放電區(qū)域的百分比不斷縮小。從圖4中可以看出，當(dāng)間隙在3.5～8cm時，細(xì)水霧間隙的擊穿電壓低于空氣間隙的擊穿電壓，其原因為：當(dāng)間隙較短時，棒電極尖端電場強度畸變產(chǎn)生的電離區(qū)域占放電區(qū)域的百分比較大，因此電場畸變的影響高于電場荷電的影響，使得細(xì)水霧的間隙擊穿電壓低于空氣間隙的擊穿電壓。而當(dāng)間隙超過12cm時，棒電極尖端電場強度畸變產(chǎn)生的電離區(qū)域占放電區(qū)域的百分比隨間隙距離的增長而減小，此時細(xì)水霧霧滴的電場荷電作用超過了電極對電場強度畸變的影響，因此細(xì)水霧間隙的擊穿電壓超過了空氣間隙的擊穿電壓。

4 結(jié)論

1）細(xì)水霧霧滴引入至空氣間隙后，從兩方面影響間隙放電：①細(xì)水霧顆粒對電場產(chǎn)生畸變，促進間隙放電的發(fā)展；②細(xì)水霧霧滴通過電場荷電捕獲電子，減少電子崩形成的初始電子和流注發(fā)展過程中的電荷，阻礙放電流注的形成和發(fā)展。

2）對于稍不均勻電場的球-球間隙，細(xì)水霧對電場的畸變程度影響較為均勻，且畸變電場強度均滿足電子崩發(fā)展的必要條件；因此，細(xì)水霧造成的電場畸變影響大于細(xì)水霧霧滴電場荷電的影響，細(xì)水霧的擊穿電壓總是小于空氣的擊穿電壓。

3）對于不均勻電場的棒-板間隙，隨著間隙長度的增長，電場畸變造成的影響降低；當(dāng)間隙在3.5～8cm時，電場畸變的影響高于電場荷電的影響，因此細(xì)水霧的間隙擊穿電壓低于空氣間隙的擊穿電壓；而當(dāng)間隙距離大于12cm時，細(xì)水霧霧滴的電場荷電作用超過了細(xì)水霧對電場畸變的影響，因此細(xì)水霧間隙的擊穿電壓超過了空氣間隙的擊穿電壓。研究結(jié)果可為細(xì)水霧在電力設(shè)備火災(zāi)的防治應(yīng)用提供參考。

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Influence of Electric Field Uniformity on Power Frequency Discharge Characteristics of Short Air Gap in Water Mist Condition

1211

（1. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Reduction for Power Grid Transmission and Distribution Equipment Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center Changsha 410007 China 2. College of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science & Technology Changsha 410114 China）

Water mist is a fire fighting technology with high insulation ability. The discharge characteristics of water mist under ball-ball gap and rod-plate gap were studied. For the ball-ball gap, the electrostatic field distortion caused by water mist droplets has greater influence than the charging of water mist particles in electrostatic field, and thus the breakdown voltage of water mist is always significantly lower than that of air gap. When the gap length is 2cm to 8cm, the breakdown voltage of water mist is 37.6% to 38.2% lower than that of air gap under ball-ball electrodes. For the rod-plate gap, the influence of electrostatic field distortion decreases with the increase of gap length. When the gap length is 3.5cm to 8cm, the effect of electrostatic field distortion is higher than that of charging of water mist particles in electrostatic field. Moreover, the breakdown voltage of water mist under rod-plate electrodes is 6.0% to 8.5% lower than that of air gap. When the gap length is longer than 12cm, the effect of charging of water mist particles in electrostatic field exceeds the effect of electrostatic field distortion caused by water mist, and the breakdown voltage of water mist under rod-plate electrodes is higher than the breakdown voltage of air gap by 3.6% to 4.4%. The results can provide guidance for the application of water mist in fire prevention of high voltage power equipment.

Water mist, ball-ball, rod-plate, air gap, power frequency, breakdown voltage

TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200101

湖南省重點研發(fā)計劃項目（2017SK2371）、湖南省自然科學(xué)基金項目（2018JJ3004）和國家電網(wǎng)公司重大項目（5216A0180006，5216A019000M）資助。

2020-02-04

2020-05-07

陳寶輝 男，1987年生，博士，研究方向為電力火災(zāi)帶電防治和先進電網(wǎng)防災(zāi)材料。E-mail: bymountains@gmail.com（通信作者）

鄧 捷 男，1993年生，博士研究生，研究方向為高電壓火災(zāi)帶電防治。E-mail: 626530126@qq.com

（編輯 陳 誠）