谢 梁，徐 涛，钟 正，周松松，刘云鹏，耿江海

（1.中国电力科学研究院，武汉 430074；2.华北电力大学 （保定），河北 保定 071003）

盐雾对短空气间隙工频击穿电压的影响

谢 梁1，徐 涛1，钟 正2，周松松2，刘云鹏2，耿江海2

（1.中国电力科学研究院，武汉 430074；2.华北电力大学 （保定），河北 保定 071003）

目前国内尤其是华北地区各大城市均持续出现雾霾天气，雾霾对输电线路外绝缘的影响不容忽视，因此通过盐雾模拟雾霾天气，研究盐雾对短空气间隙工频击穿电压的影响具有重要实际意义。以击穿电压最低的棒－板空气间隙为模型，分别对5 cm、10 cm、15 cm空气间隙在不同雾水含量和不同雾水电导率下进行工频电压击穿试验。结果表明：短空气间隙工频击穿电压受雾水电导率和雾水含量的影响，并且在不同雾水含量下，雾水电导率对击穿电压的影响程度不同，并通过粒子群算法 （particle swarm optimization，PSO）对实验据进行拟合，得到了相应工频击穿电压的计算公式。

盐雾；棒-板间隙；击穿电压；电导率；雾水含量

0 引言

随着我国经济的快速发展，工业化进程的不断加快，大量工业废弃物对环境造成了不可估量的破坏。化石燃料燃烧排放出的废气对大气的污染尤为明显，使近年来雾霾的情况愈加严重。京津冀、长三角和珠三角均出现持续的雾霾天气，尤其是保定、石家庄、邯郸等华北城市出现PM2.5严重超标的现象。据统计[1]，在1973至2007年期间，北京、上海、广州等地能见度小于10 km的天数均有大幅增加。雾是大量微小直径（10 μm左右）的小水滴使能见度小于1 km的天气现象，雾的相对湿度一般在90%以上；霾是由氮氧化物和大量可吸入颗粒物等组成的使能见度＜10 km的天气现象，其相对湿度一般小于80%。雾与霾可相互转化，两者相互伴随发生，形成雾霾天气[2－3]。雾霾对输电线路及电气设备外绝缘的影响过程较为复杂。雾中的微小水滴以霾中的固体微粒为凝结核，通过相互碰撞的方式使直径增大，并与污染物长期共存，从而使空间电场畸变并对周围带电粒子数目产生影响，同时雾霾也会在绝缘子表面形成湿沉降，在绝缘子表面快速积污并使污秽湿润，从而使空气间隙闪络和绝缘子污闪现象发生的概率大大增加[4－6]。

近几年，由雾霾引起的电网雾闪停电事故已严重威胁到电力系统安全运行和人民的生活。据统计，1990年，山东、山西、河南、河北部分电网发生大面积污闪。1996年，华东电网发生多次闪络事故。2005年，珠三角地区增莞甲、乙线发生多次闪络事故，造成重大经济损失[7－9]。由此可见，研究雾霾环境下输电线路的外绝缘特性及其影响因素具有重大意义。

影响输变电设备外绝缘特性的主要原因是绝缘表面污秽物中的可溶盐离子含量，而雾霾中离子含量与其电导率大致成比例变化。因此，在外绝缘研究领域，以盐雾的雾水电导率来表征雾霾的污秽程度较为适宜。

目前，国内外关于盐雾对间隙放电影响的研究还比较少。1990年，印度中央电力研究所的Vasudev N[10]等人分别在干、湿和盐雾条件下进行了棒－板空气间隙（20 cm～50 cm）的交流与直流电压击穿实验。同年，云南省电力试验研究所的梅忠恕[11]研究了多种大气污染因素对棒－板空气间隙放电电压的影响，通过实验分析得出：雾对空气间隙放电电压的影响是雾粒与湿度综合作用的结果。1995年，加拿大的Hui Den等人[12]运用气－水喷雾装置，采用NaCl溶液，在人工雾室内分别进行了不同电导率下棒－棒短空气间隙的击穿实验，实验结果表明：棒－棒短空气间隙的击穿随着雾电导率的增加呈减小的趋势。2013年，重庆大学的黄俊[13]在国内外研究现状的基础上，通过模拟和现场试验对自然雾中典型棒－板短空气间隙交（直）流放电机理与放电特性进行了研究，实验结果表明：雾的水含量的变化对间隙放电电压影响作用明显。以往研究以棒－板短空气间隙为模型的较少，而且对不同雾水电导率、不同雾水浓度下短空气间隙工频击穿电压的对比分析不足，并且大部分研究者都主要研究高电导率雾与干燥环境下间隙击穿电压的变化，对不同雾水电导率下间隙击穿电压之间的对比研究较少。

笔者通过盐雾环境模拟自然条件下的雾霾环境，盐雾环境通过华北电力大学高压实验室中的人工气候室来模拟。根据实际情况下多为极不均匀电场放电，选择放电电压最低的经典极不均匀电场模型，即棒－板空气间隙模型，进行工频电压下短空气间隙击穿试验。试验数据及结果分析对如何加强雾霾环境下的输电线路及电气设备外绝缘强度具有指导意义和重要参考价值。

1 空气间隙模型、试验布置及方法

1.1 人工气候室

试验用人工气候室外形尺寸为8 m×6 m×3 m，室内温度调节范围为－20℃～40℃，相对湿度调节范围为30%～98%，最大允许电压为180 kV。如图1所示，人工气候室结构材料采用偏心钩式拼装冷库板，并采用硬质聚氨酯泡沫作为保温材料。在气候室的内部处理上，按照 《洁净室施工及验收规范》（GB 50591—2010）[14]设计施工，采用的圆弧、球面角、阳角柱、阳角弧等洁净室专用的新型型材过渡结构保证室内的易清洁与防止产生污染源。人工气候室的外观和内部构造见图2。

图1 维护结构——保温材料Fig.1Maintain structure——Insulation Materials

图2 人工气候室外观及内部构造Fig.2 Phytotron appearance and internal structure

试验通过高压喷雾的方式进行加湿，高压喷雾加湿器（见图3）将自来水经增压后，通过特制的喷头喷出，并在空气中雾化，被喷出的水雾粒子与流动的空气进行热湿交换，吸收空气中的热量，汽化蒸发，使空气湿度增加，实现对空气的加湿处理。高压喷头采用特制陶瓷喷头，耐磨损、耐腐蚀，雾化颗粒细（直径 20～40 μm）。

图3 高压喷雾加湿器Fig.3 High－pressure spray humidifier

工频试验电压由YDJ－350工频试验变压器提供，额定电流为4 A，短路电流大于10 A，完全能满足高湿度情况下外绝缘试验的要求。图4为工频电压试验平台原理图，图中：T为调压器，G为隔离变压器，L为滤波器，B为变压器，R1、R2为保护电阻，C1、C2为电容分压器，G为保护球隙，K为人工气候室，S为试品绝缘子或空气间隙，F为电容分压器，M为取样的无感电阻，Rm、Rn为匹配电阻，TVS为瞬态电压抑制器。

图4 工频电压试验平台原理图Fig.4 AC voltage test platform Schematic

1.2 NaCl盐雾

对于自然雾（霾）的模拟，目前主要有全模拟雾法、主成分雾法、NaCl盐雾法、自来水雾法和清洁（蒸馏水）雾法5种方式。

本文中的高电导率雾采用NaCl盐雾，在软化水中加入适量的NaCl，其中所加NaCl试剂纯度超过99.5%，通过改变NaCl含量来调整雾水电导率，NaCl盐雾中主要离子为Na+和Cl－。由于本文雾水采用软化水，所以清洁雾的雾水电导率为18 μs/cm。

1.3 短空气间隙模型及试验方法

本文的棒－板短空气间隙模型采用竖直布置。见图5。

图5 棒电极结构示意图Fig.5 Stick electrode structure diagram

棒电极采用直径2 cm的半球头铝棒，长度为59 cm，板电极为厚度1.2 mm，边长1.8 m的正方形铁板，棒－板短空气间隙模型实际布置见图6。笔者在不同电导率雾下选取5 cm、10 cm、15 cm 3个不同长度的短空气间隙进行工频电压击穿试验，雾水电导率值选定为 18 μs/cm、2 300 μs/cm 和 4 500 μs/cm，雾水含量（单位体积的空气中所含雾滴的质量）分别为 3 g/m3和5 g/m3。

试验方法采用均匀升压法，试验前喷雾15 min左右，使气候室内雾浓度达到平衡。雾水含量通过改变液体流量与压力进行调整。在每个电导率下至少进行10组试验，所有数据取平均值（Uav）后计算其标准偏差百分数（δ%），标准偏差＜5%为有效数据。

图6 棒－板短空气间隙模型布置图Fig.6 Rod－plane short air gap model layout

2 实验结果及分析

2.1 试验结果

为了尽量减少大气等其他因素对试验结果的影响，人工气候室内的温度恒定为25℃，气压恒定为102.6 kPa，湿度为100%（加压之前即应达到100%），并根据标准GB/T 16927.1—1997[15]中的大气校正因数Kt，将实验数据校正至标准大气条件下。

对5 cm、10 cm和15 cm棒－板空气间隙在每组给定雾水含量和雾水电导率的情况下进行10次试验，并对10次实验数据求平均值和标准差百分数，结果见表1、表2和表3，每组试验数据标准差百分数均小于5%，分散性不大，试验数据有效。

表1 5 cm棒-板空气间隙击穿电压实验数据Table 1 5 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

2.2 雾水电导率对短空气间隙工频击穿电压的影响

通过对比表1、表2和表3三个空气间隙下不同雾水电导率的击穿电压，结果表明：雾水电导率在18 ～4 500 μs/cm 内时，5 cm、10 cm、15 cm 棒－板空气间隙击穿电压均随雾水电导率的增大而减小。人工气候室内雾水含量qw为3 g/m3时，雾水电导率由18 μs/cm 增大到 4 500 μs/cm，5 cm、10 cm、15 cm棒-板空气间隙击穿电压依次降低5.77%、5.04%、1.84%；人工气候室内雾水含量qw为5 g/m3时，雾水电导率由 18 μs/cm 增大到 4 500 μs/cm，5 cm、10 cm、15 cm棒-板空气间隙击穿电压依次降低9.05%、9.12%、4.15%，因此雾水含量为5 g/m3时较之雾水含量为3 g/m3时，间隙击穿电压下降幅度较大。分析其原因得出，盐雾中含有大量的带电粒子，为放电的发展提供了大量自由电荷，并且随雾水含量的增大，缩短了自由电荷之间以及棒-板电极之间的距离，使放电发展更加快速、剧烈。因此，间隙工频击穿电压随雾水电导率的增大而降低，并且随着雾水含量增加，增大雾水电导率对降低间隙击穿电压的作用得到加强。如图7所示，为3个空气间隙下不同雾水电导率的击穿电压折线图。

表2 10 cm棒-板空气间隙击穿电压实验数据Table 2 10 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

表3 15 cm棒-板空气间隙击穿电压实验数据Table 3 15 cm Rod-plane air gap breakdown voltage test data

图7 不同雾水含量下击穿电压随雾水电导率变化折线图Fig.7 Under different fog content breakdown voltage varies with the fog conductivity line chart

2.3 雾水含量对短空气间隙工频击穿电压的影响

数据表明，在5 cm、10 cm、15 cm空气间隙下，雾水含量从3 g/m3升高为5 g/m3后，间隙击穿电压均有小幅降低，其变化趋势见图8折线图。分析其原因，雾水含量的升高使空气中的雾滴数增加，棒-板间隙之间的击穿变成了气液多相体中的放电，降低了间隙放电通道的介电常数，并且随着雾水含量的升高，雾滴之间的距离缩短，甚至缩短棒-板间隙之间的距离，同时雾滴在棒极端部生成凝露，使周围电场发生畸变，增强了初始电子的发射特性，因此随雾水含量升高，间隙击穿电压随之降低。

图8 不同雾水电导率下击穿电压随雾水含量变化折线图Fig.8 Under different fog conductivity breakdownvoltage varies with fog content line chart

2.4 短间隙工频击穿电压的拟合计算公式

不同参数下的击穿电压见表4。

表4 不同间隙、雾水电导率、雾水含量下的间隙击穿电压Table 4 Under different gap length，fog conductivity and fog contents breakdown voltage

由表4看出，棒-板短空气间隙击穿电压Ub与间隙距离d，雾水电导率σ，雾水含量qw有关。由于人工雾室中的温度，大气压强，湿度都为恒定值，因此可以忽略其对试验结果的影响。本文利用粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）并结合经验公式[16]对表4中的数据进行拟合，得出盐雾条件下棒－板短空气间隙的工频击穿电压计算式：

式（1）拟合得到的相关系数R2为0.989 0，并且计算结果与试验结果的误差在允许范围内。

3 结论

1）棒－板短空气间隙的工频击穿电压受雾水电导率的影响，并随雾水电导率的升高而降低。当雾水含量在3～5 g/m3间变化时，雾水电导率对降低间隙击穿电压的作用得到加强。

2）棒－板短空气间隙的工频击穿电压也与雾水含量有关，在5 cm、10 cm、15 cm空气间隙下，雾水含量从3 g/m3升高到5 g/m3，间隙击穿电压均有小幅降低。

3）由试验数据结合经验公式，利用粒子群算法（particle swarm optimization，PSO） 对实验数据进行拟合，得出短空气间隙下的工频击穿电压计算公式。

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Influence of Salt Spray on Power Frequency Breakdown Voltage of Short Air Gap

XIE Liang1， XU Tao1， ZHONG Zheng2， ZHOU Songsong2， LIU Yunpeng2， GENG Jianghai2
（1.Wuhan Branch of China Electric Power Research Institute， Wuhan 430074， China； 2.North China Electric Power University （Baoding）， Baoding 071003， China）

At present， haze weather has appeared continually in the major cities in China，especially in North China.The influence of fog and haze on the insulation of transmission line cannot be ignored.Therefore，the study of the influence of salt spray on AC breakdown voltage of air gap by salt spray simulating fog and haze weather is very important.The rod-plane air gap model with the lowest breakdown voltage in 5 cm，10cm and 15 cm respectively on the air gap is adopted to conduct the voltage breakdown test under different fog conductivity and different water content.The results show that the short air gap breakdown voltage is affected by the fog conductivity and water content，and in different water content fog conductivity has shown different degrees of influence on breakdown voltage，the test data is fitted through the particle swarm optimization （PSO）， the calculation formula of the AC breakdown voltage is obtained.

salt spray； rod-plane gap； breakdown voltage； conductivity； water content

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.024

2016-11-17

谢梁 （1981—），男，博士，高级工程师，主要从事超高压、特高压输变电外绝缘技术，高压试验技术及金具电晕特性研究方面的教学和研究工作。

国家电网公司科技项目资助 （编号：gy71-14-033）。