魏 隆， 景所立， 潘貴翔， 唐昕宇， 康永強(qiáng)， 郭裕鈞

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266031； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756)

0 引言

高速鐵路是新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要板塊，同時(shí)也是國民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，他的安全運(yùn)行與高速發(fā)展能提升國家綜合實(shí)力[1-2]。由于車頂外絕緣設(shè)備裸露于車體外部，需要承受高速氣流、沖擊過電壓、復(fù)雜行車環(huán)境等多因素的共同作用，因此，車頂外絕緣系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)列車的安全運(yùn)行具有重大威脅。大量高速列車現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行事故表明，高速列車車頂絕緣子的閃絡(luò)放電不僅僅是表面積污、受潮造成的污閃，還可能存在著其他影響因素[3]。因此，探明高速列車外絕緣系統(tǒng)閃絡(luò)放電的原因及其發(fā)展機(jī)理是確保高速鐵路安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題。

1900年湯生提出了氣體擊穿的基本理論[4]，為解決氣體放電問題提供了理論支持；1940年米克考慮空間電荷提出了流柱擊穿理論，認(rèn)為陽極和陰極定向流注是快速傳播的等離子體，基于氣相光電離和增強(qiáng)的電離對(duì)空間電荷畸變電場(chǎng)中的離子漂移進(jìn)行了解釋[5]。國內(nèi)外學(xué)者基于對(duì)極不均勻電場(chǎng)中的放電特性的研究發(fā)現(xiàn)絕緣子所處的風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速越大，其閃絡(luò)電壓會(huì)隨之增加，且增大的越來越緩和；同時(shí)當(dāng)對(duì)金屬網(wǎng)分別施加交流電壓、直流電壓時(shí)，絕緣子的閃絡(luò)電壓受帶電沙塵的影響具有差異性[6]。國內(nèi)重慶大學(xué)司馬文霞等進(jìn)行了沙塵環(huán)境中棒-棒以及棒-板電極間隙工頻擊穿電壓試驗(yàn)，根據(jù)研究結(jié)果可知：在風(fēng)速為4～10 m/s時(shí)，風(fēng)對(duì)間隙擊穿電壓影響明顯[7-8]。西安交通大學(xué)賀博等人對(duì)空氣間隙進(jìn)行低風(fēng)速環(huán)境(小于15 m/s)擊穿試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：空氣間隙的擊穿電壓隨著風(fēng)速的提升而不斷增加[9]。并且不同學(xué)者對(duì)霧霾、濕熱等環(huán)境下絕緣子的積污和閃絡(luò)特性進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的檢測(cè)和預(yù)警方法[10-13]。

以上對(duì)風(fēng)環(huán)境下空氣間隙擊穿特性的研究均是在自然風(fēng)或低風(fēng)速(風(fēng)速≤25 m/s)下進(jìn)行的，實(shí)際高速列車在運(yùn)行時(shí)不僅僅是空氣間隙發(fā)生擊穿，在高速列車運(yùn)行區(qū)間，存在大量直徑從nm到um不等的粉塵[14]，行駛于沙漠地區(qū)的高速列車的車頂絕緣子表面還可能包含大風(fēng)沙引起的帶電沙塵等[15]。當(dāng)高速列車以200～350 km/h(近100 m/s)運(yùn)行時(shí)，這些粉塵由于重量輕，會(huì)隨高速氣流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致灰塵與灰塵之間以及灰塵與絕緣表面間發(fā)生摩擦、碰撞帶電等行為。

目前，基于高風(fēng)速環(huán)境下絕緣介質(zhì)的間隙擊穿以及沿面放電特性研究較少，若參考上述低風(fēng)速或自然風(fēng)條件下的研究結(jié)果則具有一定的偏差甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此亟需進(jìn)一步研究絕緣介質(zhì)在風(fēng)環(huán)境下的間隙擊穿特性。本研究以針-板電極為研究對(duì)象，在風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行了大量空氣間隙與沿面放電試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)分析了風(fēng)速對(duì)放電的影響規(guī)律。以上研究對(duì)高速列車絕緣設(shè)備設(shè)計(jì)與防護(hù)具有重要意義。

1 試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)室搭建高速模擬風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)見圖1。三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行工作，轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到1 470 r/min。位于出風(fēng)口的風(fēng)速測(cè)量段處提供的最高風(fēng)速可以達(dá)到80 m/s，位于系統(tǒng)中部的試驗(yàn)段處提供的最高風(fēng)速能夠超過100 m/s，整個(gè)過程的風(fēng)速由轉(zhuǎn)速控制器及逆行調(diào)節(jié)。風(fēng)速儀型號(hào)為FC-002/002 A，風(fēng)速的測(cè)量范圍為0～100 m/s，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速儀安裝于風(fēng)速測(cè)量段。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Wind tunnel test system

1.2 試驗(yàn)電源

電源由直流高壓發(fā)生器組成，其型號(hào)為ZGF-120 kV/5 mA，輸出電壓0～120 kV，額定電流為5 mA，額定功率為60 W，電壓測(cè)量精度可達(dá)到0.1 kV，電流測(cè)量精度可達(dá)到0.1 μA。電阻分壓器(AC/DC100 kV，阻抗400 MΩ，DC精度±1%)測(cè)量試樣兩端電壓。

1.3 試品

1.3.1 空氣間隙針-板電極

為了觀察氣流場(chǎng)中的電暈放電現(xiàn)象以分析氣流對(duì)放電過程的影響機(jī)理，在觀察電暈放電現(xiàn)象時(shí)搭建了針板介質(zhì)阻擋放電模型，試驗(yàn)時(shí)針板間隙的間距為10 mm，硅橡膠絕緣介質(zhì)片厚度為1 mm，見圖2；在進(jìn)行針板間隙擊穿試驗(yàn)時(shí)，去除絕緣片，這是因?yàn)榭諝忉槹彘g隙擊穿電壓較低，若不增加絕緣片在觀察電暈放電時(shí)容易直接發(fā)生擊穿。

圖2 空氣間隙針-板電極模型Fig.2 Plate-plate electrodes model

1.3.2 沿面針-板電極

由于復(fù)合絕緣子性能較好，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在輸電線路以及高速列車上，因此本文試驗(yàn)樣品選取為硅橡膠絕緣片，尺寸為5 cm×5 cm×0.5 cm，針板電極緊貼絕緣片表面。本研究設(shè)計(jì)的針板電極如圖3空白部分所示，其中針電極由銅箔經(jīng)裁剪制成，底邊寬1 cm，高3 cm；板電極也由銅箔剪裁制成，底邊寬5 cm，長(zhǎng)1 cm，針板電極之間距離1 cm。具體參數(shù)見圖3。

圖3 沿面針-板電極模型Fig.3 Surface needle-plate electrode model

1.4 電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)如圖4，電路中串聯(lián)的保護(hù)電阻(50 MΩ)用來保護(hù)人員和設(shè)備的安全。試樣兩端電壓由電阻分壓器(AC/DC 100 kV，阻抗400 MΩ，DC精度±1%)測(cè)量；高壓探頭(Tektronix p6015 A，最大電壓40 kV，帶寬75 MHz,輸入阻抗為100 MΩ‖3 pF)并聯(lián)在試樣兩端的電阻上以測(cè)量電壓，其信號(hào)輸出到型號(hào)為MDO3000 Tektronix的示波器上以便于查看與分析，試驗(yàn)過程中示波器的模擬帶寬選擇為100 MHz，采樣率為2.5 GS/s，記錄長(zhǎng)度為10 M點(diǎn)。放電圖像由單反相機(jī)(EOS Canon)捕獲。

圖4 試驗(yàn)電路Fig.4 Test circuit

2 風(fēng)對(duì)針-板間隙放電的影響

2.1 風(fēng)環(huán)境下的針-板電極擊穿電壓特性

對(duì)沿面針板電極與空氣間隙針板電極兩種情況分別進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果見圖5。

圖5 放電電壓與風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between discharge voltage and wind speed

由圖5我們可以發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象。1)當(dāng)試驗(yàn)樣品處于風(fēng)環(huán)境下，其沿面針板電極的閃絡(luò)電壓一直遠(yuǎn)高于空氣間隙針板電極的閃絡(luò)電壓。2)圖5上部曲線所示，沿面針板電極的閃絡(luò)電壓隨風(fēng)速提升而不斷增加。風(fēng)速為0 m/s時(shí)，閃絡(luò)電壓為24.1 kV，風(fēng)速增大到100 m/s時(shí)，閃絡(luò)電壓為48.0 kV。當(dāng)風(fēng)速從0 m/s到100 m/s樣品的閃絡(luò)電壓增加了99.1%。3)圖5中下部曲線所示，空氣間隙針板電極的擊穿電壓隨著風(fēng)速的提升其閃絡(luò)電壓增加的較為平緩，且呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，擊穿電壓的最大值出現(xiàn)在風(fēng)速為80 m/s，達(dá)到14.4 kV，風(fēng)速低于80 m/s，閃絡(luò)電壓隨風(fēng)速增加緩慢增加，當(dāng)風(fēng)速超過80 m/s后隨著風(fēng)速的增大閃絡(luò)電壓又開始減小。

絕緣子處于風(fēng)環(huán)境下，沿面針板電極與空氣間隙兩種情況下的擊穿特性具有差異，可能是由于不同的絕緣介質(zhì)引起，同時(shí)風(fēng)的引入也使得擊穿特性發(fā)生了一些改變，后文將會(huì)深入探頭出現(xiàn)上述結(jié)果的原因。

2.2 風(fēng)速對(duì)針-板電極放電路徑的影響

由圖6(a)所示，由氣體放電[16]理論可知，無風(fēng)情況下電暈放電由碰撞電離產(chǎn)生。而圖6(b)在有風(fēng)的情況下放電路徑產(chǎn)生偏離。

圖6 風(fēng)速對(duì)空氣間隙針-板電極電暈放電的影響Fig.6 Effect of wind speed on corona discharge of air gap needle-plate electrode

通過圖6可以看出在無風(fēng)的情況下電暈放電的光區(qū)分布比較對(duì)稱，而在有風(fēng)的情況下電暈放電的光區(qū)沿著風(fēng)的來流方向發(fā)生偏移見圖6(b)；同樣地，對(duì)沿面針板電極的電暈放電光區(qū)進(jìn)行記錄，也發(fā)現(xiàn)了相同于空氣間隙針板電極的電暈放電光區(qū)分布，見圖7。

圖7 風(fēng)速對(duì)沿面針-板電極電暈放電的影響Fig.7 Effect of wind speed on corona discharge of surface needle-plate electrode

為進(jìn)一步探明風(fēng)對(duì)放電路徑的影響，對(duì)擊穿路徑也進(jìn)行了記錄；無風(fēng)情況下放電通常沿著最容易擊穿的路徑發(fā)生，對(duì)于針板電極這樣的極不均勻場(chǎng)，放電一般發(fā)生在針電極的正下方。而當(dāng)有風(fēng)的情況下，不論是空氣間隙針板電極還是沿面針板電極。放電路徑都沿著風(fēng)的方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，見圖8。

圖8 風(fēng)對(duì)放電路徑的影響Fig.8 Effect of wind on discharge path

3 結(jié)果分析

通過上面的討論，發(fā)現(xiàn)了在有風(fēng)的情況下，不論擊穿電壓還是擊穿路徑相較于無風(fēng)條件都發(fā)生了改變，前文也已經(jīng)提到，兩種針板電極所處的介質(zhì)不同，一種是氣體介質(zhì)，一種是沿面固體介質(zhì)，正是因?yàn)樗幗橘|(zhì)的差異性導(dǎo)致了放電的差異性。

3.1 空氣間隙針-板電極放電機(jī)理

對(duì)于氣體介質(zhì)而言，風(fēng)的引入改變了氣體的密度；由流體力學(xué)理論可知道，氣體密度與氣流速度可以下表達(dá)式求得[17]：

(1)

(2)

其中，e表示電子荷電量，λi表示電場(chǎng)方向的自由程，沿電場(chǎng)方向，單位長(zhǎng)度上的碰撞數(shù)是nE，則有：

(3)

在電場(chǎng)不變的情況下，認(rèn)為λi與λE是不變化的，因此在分子自由程變大的情況下，碰撞電離系數(shù)α將變大，即隨著氣流速度的增大，電離過程將增強(qiáng)，有助于放電的發(fā)生，即放電隨著風(fēng)速的增加而減小，但是這與圖6的試驗(yàn)結(jié)果是想矛盾的，因此這可以判斷風(fēng)環(huán)境下的放電氣體密度只是其中一個(gè)影響因素，同時(shí)受到其他因素的影響，且這個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致放電電壓的上升，即阻礙放電的發(fā)生，這一部分由于與沿面針板電極具有相同的特性，因此將一并討論。

3.2 沿面針-板電極放電機(jī)理

沿面閃絡(luò)的發(fā)生與固體介質(zhì)對(duì)表面電荷的積聚能力有較大相關(guān)性，當(dāng)表面電荷積聚越多，則閃絡(luò)越容易發(fā)生，從圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著風(fēng)速的提升閃絡(luò)電壓也隨之變大，因此可以認(rèn)為風(fēng)環(huán)境下使得表面積聚電荷的能力變?nèi)趿?，即風(fēng)環(huán)境使得大量放電離子被吹走了，使得放電不容易發(fā)生。

為了驗(yàn)證這一猜想，在距離針板電極式樣50 mm處安置一金屬網(wǎng)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)這一距離足以保證金屬網(wǎng)附近的電場(chǎng)為0，在試驗(yàn)中，外加電壓10 kV，間隙距離10 mm，金屬網(wǎng)大小100 mm×60 mm，目數(shù)為100，見圖9，在風(fēng)環(huán)境下放電發(fā)生時(shí)，若金屬網(wǎng)上能收集到電荷則證明，放電離子被風(fēng)吹離了絕緣介質(zhì)表面。

圖9 金屬網(wǎng)安置示意圖Fig.9 Schematic diagram of metal mesh placement

通過連接在金屬網(wǎng)與地之間的一個(gè)10 kΩ無感電阻測(cè)量脈沖電流。當(dāng)有電荷撞擊金屬網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生出電流，收集的電荷電流脈沖測(cè)量結(jié)果見圖10(風(fēng)速為0 m/s，40 m/s，80 m/s)。結(jié)果表明在風(fēng)速為0 m/s時(shí)，表面收集的電荷最少，隨著風(fēng)速不斷升高收集的電荷也隨之變多，在風(fēng)速為80 m/s時(shí)收集的電荷最多。這證明了電荷會(huì)被風(fēng)吹走。

圖10 不同風(fēng)速下金屬網(wǎng)感應(yīng)電流Fig.10 Metal grid induced current at different wind speeds

從上面的測(cè)試結(jié)果可以看出，放電離子被風(fēng)吹走，使參與到放電發(fā)展中的離子減少，是導(dǎo)致沿面針板電極閃絡(luò)電壓上升的主要原因。而對(duì)于空氣間隙針板電極而言，氣流密度減小使得擊穿電壓下降，放電離子被吹走使得擊穿電壓上升，這兩種直接存在競(jìng)爭(zhēng)，綜合作用使得擊穿電壓的變化較為平緩，在風(fēng)速為80 m/s以前擊穿電壓上升這是因?yàn)榉烹婋x子被吹走占主要原因，而80 m/s以后擊穿電壓下降則是空氣密度的下降占主要原因。同樣的，風(fēng)環(huán)境下放電路徑的偏移與彎曲正是由于風(fēng)將放電離子吹走，使得積聚區(qū)域放生偏移。

4 結(jié) 論

1)風(fēng)環(huán)境下針板電極放電路徑沿著風(fēng)的來流方向發(fā)生偏移與彎曲。同時(shí)，沿面針板電極的擊穿電壓隨著風(fēng)速的提升而不斷增大；空氣間隙針板電極擊穿電壓隨著風(fēng)速的提升會(huì)先增加在風(fēng)速80 m/s時(shí)達(dá)到最大，而后隨著風(fēng)速提升而減小。

2)針板電極放電電壓上升的原因是因?yàn)轱L(fēng)環(huán)境使得放電離子被吹走，遠(yuǎn)離放電區(qū)域參與到放電中的離子減少，抑制了放電的發(fā)生。

3)對(duì)于空氣間隙，增大的風(fēng)速會(huì)使得空氣密度下降，增大分子平均自由程使得電離更容易發(fā)生，增強(qiáng)了放電。氣體密度下降與放電離子被吹走之間相互競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)放電和阻礙放電共同作用，使得放電的變化趨于平緩，在風(fēng)速低于80 m/s時(shí)風(fēng)將放電離子吹走，風(fēng)速高于80 m/s時(shí)風(fēng)影響氣體密度使得間隙間氣體密度減小。