低气压长间隙工频放电通道特性研究

杨亚奇，李卫国，夏 喻，袁创业，陈 艳

(华北电力大学 电气与电子工程学院 北京 102206)



低气压长间隙工频放电通道特性研究

杨亚奇，李卫国，夏 喻，袁创业，陈 艳

(华北电力大学 电气与电子工程学院 北京 102206)

为研究低气压下长间隙工频放电通道特性，利用低气压放电试验平台对600 mm棒-板间隙在5 kPa、15 kPa、25 kPa、35 kPa、45 kPa、55 kPa气压值下的工频放电通道特性进行了试验研究，得到了低气压条件对放电通道外形、通道偏移角度以及通道起始前预放电过程的作用特点。研究结果表明：随气压升高空间电荷密度增大，在电子自由行程和碰撞几率的共同作用下放电通道逐渐收细、变亮，曲折和分叉特征逐渐明显；通道偏移角度逐渐减小；预放电过程由电晕变为刷状流注放电且预放电角逐渐减小。研究结果对研究低气压下长空气间隙放电特性提供参考。

低气压；长间隙；放电通道；偏移角；预放电

0 引 言

随着我国高原地区电压等级的逐渐提高以及高空电气设备的广泛使用，研究低气压条件下长间隙放电特性成为必然。国内外许多研究机构如清华大学、中国电力科学研究院、CRSI EHV、Les Nenardierers Group、Florida’s Lightning Research Center的研究结果均表明低气压条件对放电特性影响显著,并获得了大量外部特征[1-8]。然而，目前针对低气压条件对长间隙放电特性影响的研究主要集中于60 kPa以上气压范围[9-18]，而针对60 kPa以下气压范围研究相对较少，且鲜有主要针对放电通道外形特征的研究。

本文利用低气压放电试验平台对600 mm棒-板间隙在5 kPa、15 kPa、25 kPa、35 kPa、45 kPa、55 kPa六个气压值下的工频放电通道特性进行了试验研究，对放电通道外形、通道偏移角以及放电通道发展前的预放电过程随气压的变化规律进行分析。研究成果对探索低气压下长间隙工频放电特性提供试验参考，同时对极高海拔下电气设备应用提供依据。

1 试验设备及测量方法

1.1 试验设备及参数

试验在华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室内进行，试验电路连接如图1所示。试验腔体主体材质为聚丙烯共聚物，可以模拟0.1～100 kPa气压环境，内部净试验尺寸为直径1 200 mm、高1 600 mm。腔体内部垂直布置棒-板电极系统，最大放电间隙1 000 mm，锥尖头不锈钢棒电极直径15 mm(锥尖头角度为30°，曲率半径0.5 mm)，不锈钢板电极直径1 000 mm。电源控制部分采用YDQ-400 V/200 kV充气式工频试验变压器和HZTC-101工频耐压控制台。气压控制部分采用西门子RVP-6旋片式真空泵和DL-10 A型石英真空计，真空计量程5×10-1～105Pa。高速摄像机采用WP-U1400高速工业摄像机，95帧/s时分辨率1 024×768，主要针对棒电极前方600 mm×150 mm和300 mm×100 mm两个空间范围分别录制放电通道和预放电发展过程。通过放置于腔体内部的JWS-A2型指针式温湿度计测量放电时腔体内部温湿度。

A-380 V/20 kVA控制台；B-200 kV/20 kVA变压器；C-电容分压器；D-真空泵；E-真空计；F-高速摄像机；G-电脑；H-示波器；I-放电腔体；R-保护电阻(500 kΩ)图1 试验电路连接Fig.1 Experimental circuit connection

1.2 测量方法及步骤

本研究针对600 mm 棒-板间隙在不同气压值下进行放电实验，实验气体为空气。试验过程中实验室内部环境温度及相对湿度分别恒定23 ℃和38%，放电腔体内温湿度通过安装在腔体内部的温湿度计测量。在试验气压值下采用均匀升压法测试间隙击穿电压，升压速度为1 kV/s，同时人工触发高速摄像机录制自电晕起始至击穿全过程，并在该电压等级下重复20次放电试验。由于工频电压下击穿电压分散性较小，若20次试验击穿电压值标准差σ<3%则认为试验有效，并随机抽取5次放电作为该气压值下放电通道研究对象。为避免放电产生的电荷对下次放电产生影响，相邻两次放电间隔5 min。

图2 不同气压值下放电通道Fig.2 Discharge channels under different pressure values

2 试验结果及分析

对于工频电压下棒-板极不均匀场而言，击穿总是发生在棒电极为正、电压达到峰值时[19-21]，因此研究对象为完整的正极性下行放电通道。试验测得的600 mm棒-板间隙在5 kPa、15 kPa、25 kPa、35 kPa、45 kPa、55 kPa六个气压值下的放电通道外形如下图2(a)～(f)所示，各图均包含随机抽取的5次放电的放电通道。不同气压下放电特征参数如表1所示。定义放电通道自棒电极发展到板电极时偏离电极中心线的角α为通道平均偏移角，其变化规律如图3所示。

表1 600 mm棒-板间隙不同气压下放电特征参数

Tab.1 Parameters of 600 mm rod-plane gap discharges under different pressure values

气压P/kPa温度T/℃相对湿度h/%击穿电压U/kV击穿电压标准差σ5232627650971523295841041252330657111135233469921174523347900715523389314116

图3 平均偏移角变化规律Fig.3 Variation of mean deviation angle

由图2、3可见随气压升高，放电通道变化特征为：(1)5 kPa、15 kPa、25 kPa三个气压值下放电通道整体较粗，其结构为电晕壳包裹中央芯柱，且随气压升高中央芯柱逐渐明显，电晕壳沿中央芯柱径向飘散趋势受到抑制；35 kPa、45 kPa、55 kPa三个气压值下放电通道逐渐变粗、变亮。(2)随气压升高，通道曲折和分叉特征逐渐明显且数量逐渐增加。(3)随气压升高通道平均偏移角α逐渐减小。

产生上述现象的原因分别为：

(1)放电通道为自由电子碰撞电离产生的高电荷密度等离子体通道，其内部带电质点密度远高于周围空间，因此会发生带电质点的扩散。由于多数情况下气体放电过程中带电质点浓度ρ<1012/cm3，相当于带电质点间的平均距离>10-4cm，在该距离下静电作用力很小[22]。因此本研究所涉及的放电通道内部带电质点和气体分子的扩散均主要由热运动造成，且气压越低扩散作用越强烈。当气压较低(5～25 kPa)时通道内带电质点扩散作用显著，导致通道外形较粗。由于放电通道轴向场强远大于径向，通道贯穿电极后由于电子运动造成的电流主要集中在通道中央，因而形成中央电流芯柱，同时通道径向场强使芯柱周围很小范围可以发展碰撞电离并形成电晕层，且气压越低电晕层沿芯柱轴向扩散现象越明显。当气压较高(35～55 kPa)时空间电荷密度较大，电子自由行程缩短，因此产生有效碰撞电离所需场强增加，且由于通道内部电荷密度增高使轴向场强明显增强，因而对径向场强发展碰撞电离产生抑制作用，通道电流芯柱周围电晕层十分微弱。由于随气压升高放电通道内电荷密度增加，异号带电质点复合、激励状态的分子和离子以及多重电离的分子跃迁回正常状态等作用发射出的光子增加，因此通道逐渐变亮。

(2)当自由电子与气体分子发生弹性碰撞而未引发碰撞电离时，由于自由电子相对空气分子而言质量可以忽略，因此空气分子可看做静止，而弹性碰撞偏移角为气体宏观速度为零时自由电子的真实偏移角。由于自由电子与中性气体分子之间的碰撞主要由“近碰撞”引起，因此每次碰撞中的偏移角都相当大[23]。随气压升高，自由电子与气体分子发生弹性碰撞而偏离轴向距离的几率增加，因此偏移后的自由电子产生非弹性碰撞电离极有可能导致电子崩以及放电通道发展方向的改变，通道曲折现象逐渐明显。随气压升高击穿所需轴向场强增加，当放电通道由棒向板电极发展时单位轴向距离内碰撞电离增强，由于通道头部前方二次电子崩的形成和发展具有统计性，随通道伸长可能同时向不同方向发展多条分叉。

(3)随气压升高，虽然自由电子碰撞次数增加且碰撞偏移角对放电通道发展方向产生影响，但在较长距离下碰撞偏移角对放电通道发展方向的整体修正作用开始显现。由于碰撞偏移角具有混乱的方向并趋于相互抵消，因此就放电通道整体偏移轴线的程度而言随气体密度的增加通道平均偏移角α趋于减小[24]。平均偏移角逐渐减小的原因还需从放电通道起始前的预放电过程解释。不同气压下预放电特征如图4所示。各气压值下20次放电中随机抽取的5次预放电扇形区域角β平均值变化如图5所示。

图4 不同气压下预放电特征Fig.4 Characteristics of pre-discharge under different pressure values

图5 预放电扇形区域角变化规律Fig.5 Variation of sector area angle of pre-discharge

工频电压下均匀升压时，放电通道起始前棒电极前方以电晕或刷状放电为主[25，26]，定义工频电压下放电起始前棒电极前方持续存在的扇形区域角β为预放电角。由图4可见当气压P=5 kPa时，棒电极前方预放电区域内放电呈弥散状，当P=15 kPa时β减小但向下伸长，当P=25 kPa时预放电呈刷状放电，且随气压进一步升高刷状放电长度减小。

对于β而言，随气压升高β逐渐减小。造成该现象的原因为：随气压升高预放电时轴向碰撞电离程度增强，轴向刷状放电的流注通道内部强轴向场强对径向碰撞电离产生明显抑制，且随气压升高带电质点扩散作用减弱，因此β逐渐减小。β减小导致放电通道起始时刻的偏移角较小且偏离轴向的可能性降低。因此气压升高对放电通道偏移角的修正作用从预放电阶段已开始显现。

3 结 论

本文利用低气压放电试验平台对600 mm棒-板间隙在5 kPa、15 kPa、25 kPa、35 kPa、45 kPa、55 kPa六个气压值下的放电通道特性进行了试验研究，并对放电通道外形、通道偏移角度以及放电通道发展前的预放电过程随气压的变化规律进行分析，得出以下结论：

(1)低气压条件对600 mm棒-板长间隙放电通道外形影响显著，5～55 kPa气压范围内随气压升高放电通道首先逐渐收细而后逐渐增粗，通道亮度逐渐增加，曲折和分叉特征逐渐明显，通道平均偏移角逐渐减小。

(2)工频电压均匀升压阶段棒电极前端稳定存在扇形预放电区域，随气压升高预放电由电晕转变为刷状放电，在电晕阶段电晕随气压升高逐渐伸长，在刷状放电阶段流注长度随气压升高逐渐减小。随气压升高预放电扇形区域角逐渐减小。

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Research on Characteristics of Long Gap AC Discharge Channel Under Low Pressure

YANG Yaqi, LI Weiguo, XIA Yu, YUAN Chuangye, CHEN Yan

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To find out the characteristics of long gap AC discharge channel under low pressure, experimental study is done to study the characteristics of the 600 mm rod-plane gap’s AC discharge channels under different pressure values of 5 kPa, 15 kPa, 25 kPa, 35 kPa, 45 kPa and 55 kPa by using the discharge test platform with low pressure. And the effects of low pressure condition on the discharge channel’s shape, deviation angel and pre-discharge process are obtained. The results show that, with the increase of pressure and space charge density, the discharge channels gradually become thin and bright, and the phenomenon of zigzagging and branching become clear under the combined action of the free path and collision possibility of electrons; the deviation angel of discharge channel gradually gets smaller; the process of pre-discharge changes from corona to brush-streamer discharge and pre-discharge angle decreases. These results provide a reliable reference for the study of characteristics of long gap discharge under low pressure.

low pressure; long gap; discharge channel; deviation angel; pre-discharge

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.03.07

2017-07-15.

国家自然科学基金资助项目(51277063).

TM852

A

1007-2691(2017)03-0045-05

杨亚奇(1989-)，男，博士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术；李卫国(1954-)，男，博士生导师，教授，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、高电压与绝缘技术。