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(wǎng)環(huán)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(guān)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(jié)構(gòu)復雜、表面電場分布不均，極易出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。加之運行過程中氣象環(huán)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(chǎn)生。因此有必要對復雜環(huán)境下輸電線路金具的運行情況進行研究。

各種大氣參數(shù)對金具的起暈電壓都有著顯著的影響[1]。濕度是大氣環(huán)境中的一個重要因素，對金具起暈有明顯的影響。環(huán)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(nèi)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(guī)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(fā)現(xiàn)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(wěn)態(tài)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(fā)現(xiàn)，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??；但當濕度大于10 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(huán)境相對濕度的變化較大，隨相對濕度的增大呈指數(shù)級增加[14]。

本文采用電場仿真與物理實驗相結(jié)合的方法對不同濕度狀態(tài)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(jié)果中找出濕度的變化對電場分布的影響規(guī)律，為結(jié)果提供理論依據(jù)，然后結(jié)合實驗驗證其變化的規(guī)律。

1 棒-板電極電場仿真

1.1 模型參數(shù)設定

棒-板間隙是一種常用的典型電極結(jié)構(gòu)，是常用極不均勻場的電極模型，已被國內(nèi)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(jié)果

1.2.1 均勻介質(zhì)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(shù)為1。根據(jù)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(shù)。水的相對介電常數(shù)為78.5，遠高于干空氣的相對介電常數(shù)，當空氣介質(zhì)中水蒸氣增加，空氣介質(zhì)的等效介電常數(shù)會相應增加。文章依據(jù)這種推斷，計算了介質(zhì)等效介電常數(shù)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(jié)果見表1，間隙介質(zhì)的相對介電常數(shù)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(zhì)模型計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of homogeneous medium model

1.2.2 非均勻介質(zhì)

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

根據(jù)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(guān)系如圖2所示。

圖2 電場分布與棒-微粒方位關(guān)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(jié)果如圖2(b)所示。對于位于軸線上的微粒，發(fā)現(xiàn)在其上、下兩側(cè)電場強度明顯升高，在左、右兩側(cè)電場強度降低；在其他位置任取1個微粒進行觀察，結(jié)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(qū)域。觀察圖2中不同位置的微粒，根據(jù)其周圍電場線的扭曲程度，可以發(fā)現(xiàn)微粒的存在主要影響其4倍半徑范圍內(nèi)的電場分布。

假設微粒的直徑不變，可以通過調(diào)整微粒間距來表示濕度的變化。在高濕條件下或者因環(huán)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(jié)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(fā)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(fā)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(fā)展。

圖3 電場分布與棒-微粒方位關(guān)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(diào)試驗裝置來實現(xiàn)對濕度環(huán)境的模擬調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)范圍為20%～100%。為觀測試驗裝置內(nèi)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(shù)統(tǒng)計的準確性，在實驗裝置側(cè)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(chǎn)生的紫外光子采用Super B型號的紫外成像儀觀測和統(tǒng)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(shù)(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(xiàn)，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(jié)果取平均值作為該濕度等級下的有效參數(shù)。

2.3 試驗結(jié)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(shù)率非常小，一般在0～300的范圍內(nèi)，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(xiàn)明顯電暈現(xiàn)象(如圖5(b))，且光子數(shù)在1 000左右波動；目前光子數(shù)達到多少算起暈尚無統(tǒng)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(shù)超過1 000作為起暈起始的依據(jù)。當電壓繼續(xù)增大時，紫外儀上的光子數(shù)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(shù)增大至2 450左右，電暈光斑也更明顯；繼續(xù)增大電壓，光子數(shù)急劇增大，在數(shù)萬至數(shù)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(nèi)，棒電極只有在負半周時起暈，產(chǎn)生可觀察到的光子計數(shù)，而電壓正半周時不產(chǎn)生光子計數(shù)。當電壓增大到50 kV時，達到了正電壓下的起暈電壓，光子數(shù)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(guān)系，如圖6所示，在相對濕度30%～ 60%范圍內(nèi)，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(nèi)，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(guān)系表現(xiàn)出相同的趨勢。

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

對比仿真與實驗結(jié)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(chǎn)生光子。在濕度大于60%后，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jié)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(qū)域內(nèi)碰撞電離能力發(fā)生變化，繼而改變了起暈電壓。

3 結(jié)論

通過對棒-板電極場強的仿真分析，以及在不同濕度環(huán)境下進行棒-板間隙放電試驗，得出仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果，將兩者進行對比分析，得到以下結(jié)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(diào)節(jié)微粒的間距大小來模擬濕度的變化。仿真結(jié)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(fā)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(fā)展。

2)試驗發(fā)現(xiàn)，在相對濕度30%～60%范圍內(nèi)，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(nèi)，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(guān)系表現(xiàn)出相同的趨勢。