风对针板电极间隙放电的影响

魏 隆， 景所立， 潘贵翔， 唐昕宇， 康永强， 郭裕钧

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266031； 2.西南交通大学电气工程学院，成都 611756)

0 引言

高速铁路是新型基础设施建设的重要板块，同时也是国民经济的主战场，他的安全运行与高速发展能提升国家综合实力[1-2]。由于车顶外绝缘设备裸露于车体外部，需要承受高速气流、冲击过电压、复杂行车环境等多因素的共同作用，因此，车顶外绝缘系统运行环境复杂，对列车的安全运行具有重大威胁。大量高速列车现场运行事故表明，高速列车车顶绝缘子的闪络放电不仅仅是表面积污、受潮造成的污闪，还可能存在着其他影响因素[3]。因此，探明高速列车外绝缘系统闪络放电的原因及其发展机理是确保高速铁路安全运行的关键问题。

1900年汤生提出了气体击穿的基本理论[4]，为解决气体放电问题提供了理论支持；1940年米克考虑空间电荷提出了流柱击穿理论，认为阳极和阴极定向流注是快速传播的等离子体，基于气相光电离和增强的电离对空间电荷畸变电场中的离子漂移进行了解释[5]。国内外学者基于对极不均匀电场中的放电特性的研究发现绝缘子所处的风环境中风速越大，其闪络电压会随之增加，且增大的越来越缓和；同时当对金属网分别施加交流电压、直流电压时，绝缘子的闪络电压受带电沙尘的影响具有差异性[6]。国内重庆大学司马文霞等进行了沙尘环境中棒-棒以及棒-板电极间隙工频击穿电压试验，根据研究结果可知：在风速为4～10 m/s时，风对间隙击穿电压影响明显[7-8]。西安交通大学贺博等人对空气间隙进行低风速环境(小于15 m/s)击穿试验时发现：空气间隙的击穿电压随着风速的提升而不断增加[9]。并且不同学者对雾霾、湿热等环境下绝缘子的积污和闪络特性进行了分析，并提出了相应的检测和预警方法[10-13]。

以上对风环境下空气间隙击穿特性的研究均是在自然风或低风速(风速≤25 m/s)下进行的，实际高速列车在运行时不仅仅是空气间隙发生击穿，在高速列车运行区间，存在大量直径从nm到um不等的粉尘[14]，行驶于沙漠地区的高速列车的车顶绝缘子表面还可能包含大风沙引起的带电沙尘等[15]。当高速列车以200～350 km/h(近100 m/s)运行时，这些粉尘由于重量轻，会随高速气流运动，导致灰尘与灰尘之间以及灰尘与绝缘表面间发生摩擦、碰撞带电等行为。

目前，基于高风速环境下绝缘介质的间隙击穿以及沿面放电特性研究较少，若参考上述低风速或自然风条件下的研究结果则具有一定的偏差甚至产生错误，因此亟需进一步研究绝缘介质在风环境下的间隙击穿特性。本研究以针-板电极为研究对象，在风环境下进行了大量空气间隙与沿面放电试验，并通过试验分析了风速对放电的影响规律。以上研究对高速列车绝缘设备设计与防护具有重要意义。

1 试验平台与试验方法

1.1 试验风洞

实验室搭建高速模拟风洞试验平台见图1。三相异步电机驱动高速离心风机进行工作，转速能够达到1 470 r/min。位于出风口的风速测量段处提供的最高风速可以达到80 m/s，位于系统中部的试验段处提供的最高风速能够超过100 m/s，整个过程的风速由转速控制器及逆行调节。风速仪型号为FC-002/002 A，风速的测量范围为0～100 m/s，试验时风速仪安装于风速测量段。

图1 风洞试验系统Fig.1 Wind tunnel test system

1.2 试验电源

电源由直流高压发生器组成，其型号为ZGF-120 kV/5 mA，输出电压0～120 kV，额定电流为5 mA，额定功率为60 W，电压测量精度可达到0.1 kV，电流测量精度可达到0.1 μA。电阻分压器(AC/DC100 kV，阻抗400 MΩ，DC精度±1%)测量试样两端电压。

1.3 试品

1.3.1 空气间隙针-板电极

为了观察气流场中的电晕放电现象以分析气流对放电过程的影响机理，在观察电晕放电现象时搭建了针板介质阻挡放电模型，试验时针板间隙的间距为10 mm，硅橡胶绝缘介质片厚度为1 mm，见图2；在进行针板间隙击穿试验时，去除绝缘片，这是因为空气针板间隙击穿电压较低，若不增加绝缘片在观察电晕放电时容易直接发生击穿。

图2 空气间隙针-板电极模型Fig.2 Plate-plate electrodes model

1.3.2 沿面针-板电极

由于复合绝缘子性能较好，现广泛应用在输电线路以及高速列车上，因此本文试验样品选取为硅橡胶绝缘片，尺寸为5 cm×5 cm×0.5 cm，针板电极紧贴绝缘片表面。本研究设计的针板电极如图3空白部分所示，其中针电极由铜箔经裁剪制成，底边宽1 cm，高3 cm；板电极也由铜箔剪裁制成，底边宽5 cm，长1 cm，针板电极之间距离1 cm。具体参数见图3。

图3 沿面针-板电极模型Fig.3 Surface needle-plate electrode model

1.4 电路设计

实验电路设计如图4，电路中串联的保护电阻(50 MΩ)用来保护人员和设备的安全。试样两端电压由电阻分压器(AC/DC 100 kV，阻抗400 MΩ，DC精度±1%)测量；高压探头(Tektronix p6015 A，最大电压40 kV，带宽75 MHz,输入阻抗为100 MΩ‖3 pF)并联在试样两端的电阻上以测量电压，其信号输出到型号为MDO3000 Tektronix的示波器上以便于查看与分析，试验过程中示波器的模拟带宽选择为100 MHz，采样率为2.5 GS/s，记录长度为10 M点。放电图像由单反相机(EOS Canon)捕获。

图4 试验电路Fig.4 Test circuit

2 风对针-板间隙放电的影响

2.1 风环境下的针-板电极击穿电压特性

对沿面针板电极与空气间隙针板电极两种情况分别进行试验，其结果见图5。

图5 放电电压与风速的关系Fig.5 Relationship between discharge voltage and wind speed

由图5我们可以发现一些有趣的现象。1)当试验样品处于风环境下，其沿面针板电极的闪络电压一直远高于空气间隙针板电极的闪络电压。2)图5上部曲线所示，沿面针板电极的闪络电压随风速提升而不断增加。风速为0 m/s时，闪络电压为24.1 kV，风速增大到100 m/s时，闪络电压为48.0 kV。当风速从0 m/s到100 m/s样品的闪络电压增加了99.1%。3)图5中下部曲线所示，空气间隙针板电极的击穿电压随着风速的提升其闪络电压增加的较为平缓，且呈现出先增大后减小的趋势，击穿电压的最大值出现在风速为80 m/s，达到14.4 kV，风速低于80 m/s，闪络电压随风速增加缓慢增加，当风速超过80 m/s后随着风速的增大闪络电压又开始减小。

绝缘子处于风环境下，沿面针板电极与空气间隙两种情况下的击穿特性具有差异，可能是由于不同的绝缘介质引起，同时风的引入也使得击穿特性发生了一些改变，后文将会深入探头出现上述结果的原因。

2.2 风速对针-板电极放电路径的影响

由图6(a)所示，由气体放电[16]理论可知，无风情况下电晕放电由碰撞电离产生。而图6(b)在有风的情况下放电路径产生偏离。

图6 风速对空气间隙针-板电极电晕放电的影响Fig.6 Effect of wind speed on corona discharge of air gap needle-plate electrode

通过图6可以看出在无风的情况下电晕放电的光区分布比较对称，而在有风的情况下电晕放电的光区沿着风的来流方向发生偏移见图6(b)；同样地，对沿面针板电极的电晕放电光区进行记录，也发现了相同于空气间隙针板电极的电晕放电光区分布，见图7。

图7 风速对沿面针-板电极电晕放电的影响Fig.7 Effect of wind speed on corona discharge of surface needle-plate electrode

为进一步探明风对放电路径的影响，对击穿路径也进行了记录；无风情况下放电通常沿着最容易击穿的路径发生，对于针板电极这样的极不均匀场，放电一般发生在针电极的正下方。而当有风的情况下，不论是空气间隙针板电极还是沿面针板电极。放电路径都沿着风的方向发生了偏转，见图8。

图8 风对放电路径的影响Fig.8 Effect of wind on discharge path

3 结果分析

通过上面的讨论，发现了在有风的情况下，不论击穿电压还是击穿路径相较于无风条件都发生了改变，前文也已经提到，两种针板电极所处的介质不同，一种是气体介质，一种是沿面固体介质，正是因为所处介质的差异性导致了放电的差异性。

3.1 空气间隙针-板电极放电机理

对于气体介质而言，风的引入改变了气体的密度；由流体力学理论可知道，气体密度与气流速度可以下表达式求得[17]：

(1)

(2)

其中，e表示电子荷电量，λi表示电场方向的自由程，沿电场方向，单位长度上的碰撞数是nE，则有：

(3)

在电场不变的情况下，认为λi与λE是不变化的，因此在分子自由程变大的情况下，碰撞电离系数α将变大，即随着气流速度的增大，电离过程将增强，有助于放电的发生，即放电随着风速的增加而减小，但是这与图6的试验结果是想矛盾的，因此这可以判断风环境下的放电气体密度只是其中一个影响因素，同时受到其他因素的影响，且这个因素会导致放电电压的上升，即阻碍放电的发生，这一部分由于与沿面针板电极具有相同的特性，因此将一并讨论。

3.2 沿面针-板电极放电机理

沿面闪络的发生与固体介质对表面电荷的积聚能力有较大相关性，当表面电荷积聚越多，则闪络越容易发生，从图5的试验结果可以看出，随着风速的提升闪络电压也随之变大，因此可以认为风环境下使得表面积聚电荷的能力变弱了，即风环境使得大量放电离子被吹走了，使得放电不容易发生。

为了验证这一猜想，在距离针板电极式样50 mm处安置一金属网，通过计算发现这一距离足以保证金属网附近的电场为0，在试验中，外加电压10 kV，间隙距离10 mm，金属网大小100 mm×60 mm，目数为100，见图9，在风环境下放电发生时，若金属网上能收集到电荷则证明，放电离子被风吹离了绝缘介质表面。

图9 金属网安置示意图Fig.9 Schematic diagram of metal mesh placement

通过连接在金属网与地之间的一个10 kΩ无感电阻测量脉冲电流。当有电荷撞击金属网，会产生出电流，收集的电荷电流脉冲测量结果见图10(风速为0 m/s，40 m/s，80 m/s)。结果表明在风速为0 m/s时，表面收集的电荷最少，随着风速不断升高收集的电荷也随之变多，在风速为80 m/s时收集的电荷最多。这证明了电荷会被风吹走。

图10 不同风速下金属网感应电流Fig.10 Metal grid induced current at different wind speeds

从上面的测试结果可以看出，放电离子被风吹走，使参与到放电发展中的离子减少，是导致沿面针板电极闪络电压上升的主要原因。而对于空气间隙针板电极而言，气流密度减小使得击穿电压下降，放电离子被吹走使得击穿电压上升，这两种直接存在竞争，综合作用使得击穿电压的变化较为平缓，在风速为80 m/s以前击穿电压上升这是因为放电离子被吹走占主要原因，而80 m/s以后击穿电压下降则是空气密度的下降占主要原因。同样的，风环境下放电路径的偏移与弯曲正是由于风将放电离子吹走，使得积聚区域放生偏移。

4 结 论

1)风环境下针板电极放电路径沿着风的来流方向发生偏移与弯曲。同时，沿面针板电极的击穿电压随着风速的提升而不断增大；空气间隙针板电极击穿电压随着风速的提升会先增加在风速80 m/s时达到最大，而后随着风速提升而减小。

2)针板电极放电电压上升的原因是因为风环境使得放电离子被吹走，远离放电区域参与到放电中的离子减少，抑制了放电的发生。

3)对于空气间隙，增大的风速会使得空气密度下降，增大分子平均自由程使得电离更容易发生，增强了放电。气体密度下降与放电离子被吹走之间相互竞争，促进放电和阻碍放电共同作用，使得放电的变化趋于平缓，在风速低于80 m/s时风将放电离子吹走，风速高于80 m/s时风影响气体密度使得间隙间气体密度减小。