电晕放电辐射场实验研究

孙永卫,刘浩,原青云,李宇明

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003;2.石家庄职工大学教务处,河北石家庄 050041)

电晕放电辐射场实验研究

孙永卫1,刘浩2,原青云1,李宇明1

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003;2.石家庄职工大学教务处,河北石家庄 050041)

针对带高压物体的电晕放电辐射信号的时域、频域特征开展研究,对静电电晕放电电流、辐射场进行了理论分析,设计完成了静电电晕放电电流及辐射信号实验.研究发现,不同极性电晕放电的辐射场波形测试有明显差别:实验条件为负极性时,先发生电晕放电,但正极性放电发生时,脉冲幅值比负极性时大;负电晕电流脉冲波形的上升时间小于正电晕电流.实验结构不同,电晕放电辐射场的特征不同:利用电晕放电针与直流高压源直接相连的实验结构得到的放电波形的上升时间为十几个ns,频率分布集中在20～100 M Hz;利用孤立导体电晕放电实验结构得到的放电波形的上升时间为几个ns,频率分布集中在200～600 M Hz.结论对于研究带高压物体的电晕放电辐射信号特征具有很好的参考价值.

电晕放电;脉冲电流;辐射场

架空高压输电线具有输送能力强、损耗小、稳定性好等突出优点,我国正广泛发展高压、特高压输电线路.高电压导致强电场,当输电线路局部电场强度超过气体的电离强度时,气体会发生电离和激励,有时还可以看见导体周围发出的蓝紫色光晕,听到轻微的放电声,嗅到臭氧的气味,这种现象就是电晕放电.空间独立带电导体尖端处的电场强度超过空气的击穿场强时,也会发生电晕放电.电晕放电危害主要表现为如下几方面:1)高压输电线上的电晕放电会导致传输功率损耗,造成不必要的电力浪费.2)电晕放电将产生光、声、热等效应,并使周围空气发生化学反应,生成臭氧及氧化氮等产物,腐蚀输电线路.3)电晕放电会产生周期性的高频脉冲电流(也称为特里切尔电流)[1],其中还包含许多高次谐波,这些频率正好位于射频段,对无线电、电视信号传输和高频通讯造成干扰[2].从目前的参考文献来看,研究工作主要停留在阐述电晕产生的机理、危害性、影响因素及防范措施[3]方面,对电晕所产生的电磁辐射缺乏深入的理论研究.因此,研究电晕电流及其辐射场的特征对于控制、利用和抑制电晕放电都具有非常重要的意义.

1 电晕放电电流及其脉冲特性

1.1 空气中的电晕电流

带电体电极与外界极间场强均未超过空气的击穿场强,但是由于宇宙射线和自然界中其他放射性射线在空气中产生的电子、离子对作用,在两极间有一定的电流通过,并随着电压的升高达到一饱和值,饱和电流的量级为10-14A.这一电流是在空气中电子电流密度,通过解1个电子在由带负电的电晕针和接地面板所构成的极不均匀电场中的汤生方程来计算的[4].电压继续升高到带电体电极与外界极间场强超过空气的击穿场强,在电晕针附近的空气中产生电子和离子对,导致电子雪崩,发生电晕放电.电流起初是由电子的移动决定的,然后由大量积聚的正负离子决定.同时,从电晕包中释放出的光子会进一步造成空气的电离,由于光电效应会从导体中释放出新的电子[5].在放电过程中,在电子阶段电流具有非常快的上升沿,而在离子阶段则呈指数衰减.由于电子电流对于大部分辐射脉冲的高频段都有作用,因此这里只研究了电子电流部分.

结果由下面的方程给出:

式中,J(x′,t′)为t′时刻x′点的电流密度,q为电子电荷(1.602×10-19C),n0为初始电子数密度(电子数/cm3),δ(t′-τ)为t′时刻单位点电荷的密度,A为常量(14.6);p为大气压(1.013×105Pa),C1为常量(160);a为电晕针的半径(0.01 cm).参数τ可由下式给出:

式中,b为电子迁移率(500 cm2/(V·s)),B为常量(365).

1.2 导体上的电晕电流[3]

电晕放电时导体上的电流脉冲可由下式给出:

式中,i(t′)是导体上的电流脉冲,J1(x′,t′)由式(1)给出.电场分布

式中,l为针-板间距,U为导体上的电压.把式(4)带入式(3)得

1.3 电晕电流的脉冲特性

参考相关文献[3],得出在放电周期中产生的随时间变化的电晕电流脉冲本质上成双指数分布,并且可由下式表示:

式中,I0为电流脉冲的峰值,α,β分别取值为3.3×107和9.4×109.

正负电晕电流脉冲的时域特征如图1所示.

图1 电晕电流脉冲时域特征Fig.1 Time-domain represen tation of the corona curren t pulse

2 电晕放电辐射场实验

2.1 电晕电流的实验

实验利用自制电晕放电针和带有球形电极的双极性高压源进行了电晕电流实验研究.实验环境温度23℃,相对湿度为65%.

首先将电流探头CT1(5 m V/1 m A)连接在电晕放电针上,并和数字存储示波器Teck 7404B(4 GHz, 20 Gs/S)相连.通过逐渐升高带有球形电极的高压直流源的电压,在一定距离上使电晕针对直流电压源的球形电极发生电晕放电,电晕针上流过电晕放电产生的电晕电流.此时,电流探头感应到电晕电流并传输到数字存储示波器Teck 7404B测量流过电晕针的电晕电流和记录电流波形.放电过程中,能听到空气击穿的“咝咝”声,并能闻到臭氧气味儿.图2是正电晕电流脉冲波形.图3是负电晕电流脉冲波形.

通过实验得出,正、负电晕电流脉冲波形都具有陡峭的前沿,并且在缓变的脉冲电流波形上都有数个波动.与正极性电晕放电相比,负极性首先发生电晕放电,根据电流探头参数,从图中参数换算得出正、负电晕电流峰值,正电晕电流脉冲幅值大于负电晕.表1为电晕放电电流脉冲波形参数.

另外,通过实验还发现,随着直流电压源电压的升高,流经电晕放电针的脉冲电流频率随之变大.在相同的电压下,负电晕脉冲频率小于正电晕脉冲频率,这与“特里切尔”脉冲频率特性相一致[6].

表1 电晕放电电流脉冲波形参数Tab.1 Parameter of waveform for corona current

2.2 电晕放电辐射场特征的实验

实验还对电晕放电辐射场特征进行了研究.实验环境温度为20℃,相对湿度为50%.

为区别比较不同实验条件下电晕放电的特性,分别对2种不同的实验结构进行了电晕放电实验.一种是电晕放电针与直流高压源直接相连的实验结构,电晕放电针通过高压线由直流高压源直接供电对周围空气发生电晕放电;一种是孤立导体电晕放电实验结构,首先利用直流电压源对孤立金属圆盘充电,再通过带电的孤立金属圆盘上的电晕放电针对周围空气发生电晕放电.2种实验结构中的电晕放电针几何尺寸完全一致,但后一种电晕放电形式在每次放电后必须重新使用直流电源对其进行加电.图4、图5是利用电晕放电针与直流高压源直接相连的实验结构得到的信号波形及其相应的频谱;图6、图7是利用孤立导体电晕放电实验结构得到的信号波形及其相应的频谱,实验所加电压为+80 kV.

从图4,6中可以看出,电晕放电辐射场的时域波形特征表现为一系列脉冲,即形成脉冲群,其中单个脉冲的波形特征类似于衰减振荡,触发后主峰快速衰减,之后出现次峰.根据不同数据两峰时间差相近的性质以及相关分析,次相应可能是反射信号.从两图中还可以得出,利用电晕放电针与直流高压源直接相连的实验结构得到的电晕放电时域波形存在的时间约为300 ns,上升时间为十几个ns;利用孤立导体电晕放电实验结构得到的电晕放电时域波形持续时间约为70 ns,上升时间为几个ns,这说明电晕放电频率分布范围很宽.从图5信号频谱分析可以看出,利用电晕放电针与直流高压源直接相连的实验结构得到的电晕放电的信号频率范围主要集中在20～100 M Hz;从图7可以看出利用孤立导体电晕放电实验结构得到的电晕放电信号频率范围主要集中在200～600 M Hz,这说明实验结构不同,得到的电晕放电频率分布特点不同.

3 结论

通过理论分析及实验研究,概括总结电晕放电具有以下特点:

1)与正极性电晕放电相比,负极性首先发生电晕放电,电晕放电过程中将会产生具有脉冲特性的电晕电流,正电晕脉冲电流上升沿、幅值大于负电晕.

2)电晕放电的脉冲电流重复频率随着电压的升高变大,在相同的电压下,负电晕脉冲频率小于正电晕脉冲频率重复频率.

3)电晕放电辐射场的时域波形特征为一系列的放电脉冲,即形成脉冲群,其中单个脉冲的波形特征类似于衰减振荡,且信号波形上升沿为几个ns到十几个ns,通过频谱分析表明放电频率分布范围很宽.

4)电晕放电辐射场的频率与实验结构相关,电晕放电针由直流高压源直接供电发生电晕放电时的信号频率范围主要集中在20～100 M Hz;通过孤立导体进行电晕放电时信号频率范围主要集中在200～600 M Hz.

[1]刘尚合,魏光辉,刘直承,等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社,1999.

[2]张海锋,庞其昌,陈秀春.高压电晕放电特征及其检测[J].电测与仪表,2006,43(482):6-8.

[3]FRED PV.Electromagnetic radiation from co rona discharge[R].Denver:University of Denver,1977.

[4]RAETHER H.Electron avalanches and breakdow n in gases[M].London:Butterwo rths,1964.

[5]梁曦东.高电压工程[M].北京:清华大学出版社,2003.

[6]TRICHEL GW.Themechanism of negative point to p lane co rona onset[J].Physical Review,1938,54:1038.

Research on Radiated Field of Corona Discharge

SUN Yong-w ei1,LIU Hao2,YUAN Qing-yun1,LIYu-ming1
(1.Electrostatic and Electromagnetic Protection Institute,O rdnance Engineering Co llege, Shijiazhuang 050003,China;2.Department of Teaching Affairs,Shijiazhaung Staff and Wo rker’s University,Shijiazhuang 050041,China)

The characteristicsof signal radiated of time domain and f requency domain from co rona discharge.The theo ries of co rona cu rrent and its radiation field w ere analyzed.The experim en ts show ed that the polarity effect of the waveform of co rona current pulse was distinct,1)negative corona discharge occured firstly and the pulse amp litude was sho rter than that of positive co rona;2)the rising time of pulse w avefo rm of negative co rona cu rrent w as sm aller than that of positive co rona current.The characteristics of radiation field from co rona discharge was different w hen the experimental structure was different,the rising time of discharge wavefo rm wasabout 10ns,and the f requency range was from 20 to 100 M Hz w hen the experimental structure conjunction the source were used;the rising time of discharge waveform was several ns,and the f requency range w as f rom 200 to 600 M Hz w hen isolated conducto r experim ental structure were used.The resultswere important to research on the characteristicsof signal radiated from corona discharge that happed on the charged object.

corona discharge;pulse current;radiation field

O 441

A

1000-1565(2010)05-0494-05

2010-04-20

国家自然科学基金资助项目(60971042;60871066)

孙永卫(1968—),男,山东海阳人,军械工程学院副教授,博士后,主要从事静电防护与理论方向研究.

(责任编辑:孟素兰)