谢利娟

（乌兰察布职业学院，内蒙古 乌兰察布012000）

不同雾霾条件下棒板间隙击穿特性研究

谢利娟

（乌兰察布职业学院，内蒙古 乌兰察布012000）

雾霾天气对电力系统的外绝缘也带来了严峻的考验。搭建了交流电压作用下间隙距离为5 cm的棒-板空气间隙电场模型，通过改变雾霾颗粒浓度、雾霾颗粒粒径、雾霾成分等，研究了不同雾霾环境下棒板间隙工频击穿特性。根据试验结果得出了如下结论：当通入霾浓度小于一定程度时，随着霾浓度的增加，击穿电压升高，而当浓度大于一定程度时，击穿电压随霾浓度增加而降低，同时，霾成分也是影响间隙击穿特性的重要因素，其取决于霾成分的电导率；另一方面研磨后的霾颗粒作用下的击穿电压明显高于未研磨的霾颗粒作用下的击穿电压。研究结果可以在一定程度上对复杂环境下外绝缘配置的选择提供参考。

空气间隙；棒板模型；雾霾；击穿电压

0 引言

雾霾天气中的颗粒物主要是矿物气溶胶（沙尘、粉尘），硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机碳气溶胶。是雾霾中最主要的水溶性无机盐，且多以 CaSO4，NH4NO3，（NH4）2SO4的形式结合[1-3]。 雾霾天气的发生将直接对输电线路和电力设备的外绝缘带来巨大的考验[4-5]。

在我国，雾霾天气引起的外绝缘事故频发，且事故的波及面广，造成的停电时间久，给国民经济的正常运行带来了恶劣的影响[6]。与此同时，我国电力需求日益增大，电力系统输电线路电压等级不断提高，电网规模不断扩大，交、直流联网不断增多，输电线路外绝缘在这种雾霾天气下面临着严峻的考验。

电气设备的外绝缘水平在一定程度上能够决定电网运行的可靠性，文献[7]指出，电力系统的外绝缘设计必须满足以下两个基本原则：一是电力设备必须有足够的绝缘强度来耐受系统运行中可能出现的各种过电压，即耐受过电压水平；二是，对于各个不同电压等级的输变电系统，在满足其绝缘强度的同时还应尽可能的降低其经济成本。

随着流注先导放电理论的发展，研究人员对空间电荷的放电过程进行了重点研究，并将其作为气体击穿放电中的两个主要影响因素。国内外大量研究表明大气参数是影响电气设备外绝缘的重要因素，电力线路和变电所的绝缘设计就必须考虑到大气中的污秽物并留有一定的裕度。且近年来，雾霾天气在我国发生的次数越来越多，其给电力系统的安全运行带来了巨大的挑战[8-9]。

笔者以雾霾环境下棒－板短间隙的工频击穿特性为研究目的，结合已有研究成果，通过建立雾霾环境下棒-板短空气间隙电场模型，来分析雾霾环境下影响空气短间隙工频放电电压的因素，为高压外绝缘的设计提供理论标准，这可保证对超高压外绝缘设计的合理性与经济性，提高超特高压输变电设备运行的安全，从而更进一步保证电力系统供电的可靠性、优质性、经济性。

1 试验介绍

1.1 试品

试验采用棒-板竖直布置结构，其中棒极结构是长为40 cm，直径为2 cm的圆柱，其尖端为半球体；板电极采用边长为50 cm的正方形金属板，其厚度为0.4 cm。棒板电极均为铝合金材料。棒电极的结构如图1所示。

图1 棒电极结构图Fig.1 Structure of the rod electrode

1.2 试验装置及布置

雾霾环境棒板短间隙的工频击穿特性试验主要设备及接线示意图如图2所示。

雾霾试验罐内右侧有水雾、粉尘两个通道，可以方便水雾和霾的通入。罐底放有一小型风扇，可以加快罐内空气的循环，以免霾颗粒沉降影响试验效果。

1.3试验布置及方法

1.3.1 构建棒板空气间隙

“棒-板”间隙采用竖直布置方式，棒电极为带有半球体型尖端的圆柱体，板电极为一方形铁板。其中棒电极接高压端，板电极接地。

图2 试验原理接线图Fig.2 Diagram of the test circuit

1.3.2 模拟自然雾霾环境

雾霾天气中的颗粒物主要是矿物气溶胶（沙尘、

1.3.3 施加电压进行试验（交流）

所有试验均采用均匀升压法进行加压，均匀升压法虽不是国家标准和IEC标准首选的推荐方法，但是科学研究中常用的方法。均匀升压法是将施加电压以一定的速度均匀升高，直至试品放电击穿。这种试验方法虽然与实际运行状况不同，但它节省时间。

1.3.4 测量设备

试验电压经分压器或电压互感器直接并联在试品两端，用峰值电压表进行测量。

2 试验结果分析

笔者选取无水CaSO4、硫酸铵、硅藻土来模拟霾颗粒进行不同雾霾环境下棒板间隙的击穿试验，通过改变霾成分、霾颗粒浓度、霾颗粒粒径、相对湿度三个因素分析其对放电特性的影响。

2.1 霾浓度对间隙放电的影响

霾浓度的变化将对棒-板间隙的击穿特性带来较为明显的影响，笔者分别采用了无水CaSO4、硅藻土及 （NH4）2SO4等霾成分通入试验罐内进行了棒-板间隙的击穿试验，对试验结果进行分析发现上述三种物质的浓度对击穿电压值的影响具有相同的规律，因此以无水CaSO4为例进行列举说明，其试验结果分别如表1及图3所示，其中以C1表示无水Ca-SO4的浓度，其单位为g/m3。

表1 不同无水CaSO4浓度下的击穿电压值Table 1 Breakdown voltage under different concentration of CaSO4

图3 无水CaSO4浓度与击穿电压的关系Fig.3 Relationship between breakdown voltage and the concentration of CaSO4

其中通入无水CaSO4浓度为0时所对应的击穿电压值即代表纯空气间隙下的棒板短间隙击穿电压值，由图3可知，随着通入无水CaSO4浓度的增大击穿电压值先增大后减小，当无水CaSO4的浓度为2.24 g/m3时，击穿电压增大值为8.4 kV，与纯空气间隙下的击穿电压相比，升高比率为34.15%，但当通入g/m3的浓度为3.36 g/m3时，击穿电压值又减小到31.0 kV，其升高率降低到26.02%。对于这一现象，其原因可分析如下：

1）随着小型雾室里面的无水CaSO4浓度的增加，间隙中将会布满越来越多的霾颗粒，间隙中霾颗粒的存在将会捕获自由电子，这将不利于间隙放电的发展，击穿电压将会增高，另一方面，高能光子在电离区域也会被雾霾颗粒所吸收，也会导致击穿电压的升高。

2）随着小型雾室里无水CaSO4浓度的进一步增大，此时间隙中存在的霾颗粒也将大幅度增加，霾颗粒的存在使得间隙电场畸变更为严重，且霾颗粒越多，间隙中的电场畸变点也会更多，整个间隙电场畸变也将更加严重，电场的畸变有利于击穿的发生，击穿电压随之降低。

根据以上阐述可知，击穿电压的变化取决于上述两种讨论，在无水CaSO4浓度增加的初期间隙中霾颗粒相对较少，此时（1）占据主导地位，击穿电压增大，而当无水CaSO4浓度越来越大时，间隙中霾颗粒的分布越来越多，此时（2）将占据主导地位，击穿电压值也将会减小。

2.2 不同霾成分对间隙放电的影响

棒-板间隙在其他条件均一致的情况下，不同的霾成分下的击穿电压值各不相同，且各自之间的差距较为明显，本文对比了三种不同霾成分在不同浓度下的击穿电压来研究霾成分对于棒板工频击穿特性的影响，其中每种霾成分各自通入0、1.12、2.24、3.36 g/m3四种浓度进行试验，霾成分浓度以C表示。试验结果如表2及图4所示。

表2 不同霾成分在各个浓度下的击穿电压Table 2 Breakdown voltage under different haze compositions and concentration

图4 不同霾成分的浓度与击穿电压的关系Fig.4 Breakdown voltage under different haze compositions and concentration

由图4可知在通入相同浓度的霾成分时，硅藻土所对应的的击穿电压明显高于无水CaSO4所对应的击穿电压值，而（NH4）2SO4所对应的击穿电压值最低。这是因为（NH4）2SO4极易溶解于空气中的水分，增加了间隙的电导率，有利于放电的发生，故同等条件下其所对应的击穿电压值最低，而硅藻土的导电率十分低，近乎于不导电，故整个间隙的介电常数相对较低，其对应的击穿电压值也将最高，无水CaSO4的导电性能在两者之间，故其所对应的击穿电压也介于两者之间。

2.3 霾粒径对间隙放电的影响

研究霾颗粒的粒径对棒板工频击穿特性的影响，试验采用全方位变频行星式球磨机对硅藻土和硫酸铵两种物质进行了长达半个小时的研磨，然后分两组将研磨后及未研磨的硫酸铵进行对照组，开展击穿试验。通过激光粒度仪测试了研磨前后的颗粒物粒径分布，其中对于未研磨的颗粒物，其粒径主要分布在0.5～1 mm之间，近似呈正态分布，即在1 mm处的累积频率达99%，而在0.7 mm处的频率最大，为55%；对于研磨后的颗粒物，其粒径主要分布在 20～50 μm 之间，也近似呈正态分布，且在 50 μm处的累积频率为99%，而在36 μm处的频率最大，达到50%。以C1表示通入的未研磨（NH4）2SO4的浓度，以 C2表示通入的研磨（NH4）2SO4的浓度。试验结果分别如图5及表3、4所示。

图5 不同粒径的（NH4）2SO4的浓度与击穿电压的关系Fig.5 Relationships of the breakdown voltage with different concentration of different size （NH4）2SO4particles

表3 不同浓度的未研磨 （NH4）2SO4对应的击穿电压值Table 3 Breakdown voltage of large size （NH4）2SO4 particles under different haze concentration

表4 不同浓度的研磨后 （NH4）2SO4对应的击穿电压值Table 4 Breakdown voltage of large size （NH4）2SO4 particles under different haze concentration

其中通入硫酸铵浓度为0时所对应的击穿电压即为该间隙下所对应的纯空气电压击穿值。由表4及图5可知随着通入（NH4）2SO4浓度的增加，研磨后的硫酸铵及未研磨的硫酸铵的击穿电压和无水CaSO4一样，均是先增加后减小。另外，从上图可以清晰的观察到研磨后的硫酸铵的击穿电压值在每个浓度下均高于未研磨的硫酸铵，其主要原因是在相同浓度下，研磨后的硫酸铵具有的颗粒数远大于未研磨的硫酸铵，这就使得研磨后的硫酸铵将俘获更多流注前端的自由电子，使得放电不利于进行，从而击穿电压值更高，而另一方面，较之于未研磨的硫酸铵，研磨后的硫酸铵使得间隙中自由电子的存在时间下降，这也使得放电不利于进行，击穿电压值进一步增加。继续对研磨的硅藻土和未研磨的硅藻土开展相同的对照试验，且得到了一致的趋势，试验结果如表5、6和图6所示，其中分别以C3、C4表示研磨和未研磨两种硅藻土的浓度。

表5 不同浓度的未研磨硅藻土对应的击穿电压值Table 5 Breakdown voltage with different concentration of large size kieselguhr

表6 不同浓度的研磨后硅藻土对应的击穿电压值Table 6 Breakdown voltage with different concentration of large size kieselguhr

图6 不同粒径的硅藻土的浓度与击穿电压的关系Fig.6 Relationships of the breakdown voltage with different concentration of different size kieselguhr

2.4 雾霾共同作用对间隙击穿的影响

在实际环境中，雾和霾往往是同时作用于电力系统的，因此，有必要将雾和霾同时通入小型试验罐内来研究其对于棒板短间隙的工频击穿特性。本文采用研磨后的（NH4）2SO4颗粒作为霾成分，与超声水雾一起通入试验罐内来研究两者同时作用下对棒-板工频击穿特性的影响。试验共分为两组，第一组固定通入（NH4）2SO4的浓度为 2.24 g/m3，通过改变通入水雾的时间来改变相对湿度；第二组固定通入水雾的时间为1分钟，改变通入（NH4）2SO4的浓度。

第一组试验中，在（NH4）2SO4浓度为 2.24 g/m3时，不同相对湿度下的试验结果如下表6所示。其中实验组为在通入水雾的同时，同时使试验罐内（NH4）2SO4浓度为 2.24 g/m3时棒板的击穿电压，对照组为只通入纯水雾时的击穿电压，其中t表示通入水雾的时间，试验结果如下表7所示。

第二组，控制纯水雾通入时间为1 min钟来保持稳定的相对湿度，改变试验罐内（NH4）2SO4的浓度，其中 （NH4）2SO4的浓度分别为 1.12 g/m3、2.24 g/m3、3.36 g/m3，试验结果如下表8所示。

表7 （NH4）2SO4浓度固定时不同湿度下的击穿电压Table 7 Breakdown voltage under different relative humidity when （NH4）2SO4concentration is stable

表8 相同湿度下不同浓度的 （NH4）2SO4所对应的击穿值Table 8 Breakdown voltage under different concentration of （NH4）2SO4when RH%is stable

由表7可知，实验组的击穿电压值相较于对照组均有所上升，但上升的并不明显，甚至可以忽略；不同湿度下棒板间隙的击穿电压有一定的差异，击穿电压均先随着湿度的增加而有所提高，当湿度继续增大后击穿电压的变化不明显。这可能是因为湿度增加，空气中水分子含量增多，水分子的电负性作用会吸附电子、阻碍间隙放电，使击穿电压升高；而当湿度达到一定程度后，雾水会在电极端凝露并使间隙的电场畸变，从而阻碍击穿电压的升高。

由表8可知，在通入水雾时间一定时，即环境的相对湿度基本为定值时，通入（NH4）2SO4的浓度的变化对间隙击穿电压的影响并不明显，甚至可以忽略，这说明在雾和霾同时作用时，雾对放电的影响更为明显，几乎掩盖了霾的作用，即雾霾环境下雾霾对于棒板间隙的影响主要表现为雾的影响。

3 结论

1）霾的浓度对棒板间隙击穿特性有影响，体现在：当霾的浓度小于一定程度时，随着霾浓度的增加击穿电压随着增加，当霾的浓度大于一定程度时，随着霾浓度的增加击穿电压随之降低。

2）霾的成分对棒板间隙击穿特性有影响，体现在：相同的霾质量浓度下，硅藻土所对应的的击穿电压明显高于无水CaSO4所对应的击穿电压值，其中（NH4）2SO4所对应的击穿电压值最低。

3）霾颗粒的直径对棒板间隙击穿电压的影响也比较明显，体现在：对于相同的霾质量浓度和相同的霾成分，研磨过的粒径较小的霾颗粒对应的击穿电压明显高于未研磨过的霾颗粒。

4）不同湿度下棒板间隙的击穿电压有一定的差异，击穿电压均先随着环境湿度的增加而有所提高，当湿度继续增大后击穿电压的变化不明显。这可能与水分子的电负性以及电极末端凝露导致的电场畸变有关。

5）雾和霾同时作用时，雾对棒板间隙击穿电压的影响更为明显，几乎掩盖了霾的作用。在分析雾霾下外绝缘配置的选择时，应该优先考虑大气环境中雾的影响。

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Study on the Breakdown Performance of Rod-Plane Air Gap under Different Fog-Haze Conditions

XIE Lijuan
（Wulanchabu Vocational College，Wulanchabu 012000，China）

The flashover accidents caused by haze seriously threat the safety operation of power grid.The electric field of 5 cm rod-plane air gap model was firstly established under a.c.voltage，and through changing the concentration，particle size，composition of the haze，the breakdown performance of rod-plane air gap model under different fog-haze conditions was studied.After artificial tests and analysis，the conclusions can be made as follows.When the haze concentration is lower than one certain degree，with the increase of haze concentration，breakdown voltage increases.But when the concentration is higher than one certain degree，the situation is the composite.Haze composition is also an important fact that affects the breakdown performance of air gap，which is decided by the haze conductivity.On the other hand，the breakdown voltage of haze particles with small size after grinding is higher than that of larger size without grinding.Research results is of some reference for the external insulation selection in complex environment.

air gap；rod-plane model；fog-haze；breakdown voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.030

2015-11-25

谢利娟 （1982—），女，讲师，硕士，主要研究方向：电力系统自动化。