水膜对球-球及棒-棒电极短空气间隙工频放电特性的影响

邓捷，陈宝辉，方针，邹佳斌，徐凯

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114； 2.国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心(电网防灾减灾全国重点实验室)， 湖南 长沙 410129)

0 引言

雾霾会引起外绝缘破坏事故，导致大范围停电事件，给电网的安全稳定运行带来严重的影响。如1996年的大雾导致华东地区线路跳闸135次；2001年辽宁电网出现大雾天气，引起线路跳闸322次；2005年珠三角的雾霾天气导致500 kV输电线路跳闸7次[1]。

在雾霾环境中，由于湿度增大，电力设备表面首先形成凝露，然后扩展成水膜，随着湿度的进一步提高，水膜形成水滴。2014年，董冰冰等发现在雾水浓度为1～3 g/m3时，棒电极表面形成的水滴导致电极周围的电场畸变，缩短间隙距离，降低了放电电压[2]。蒋兴良等发现导线表面的水滴畸变空间电场导致电离系数增大，加快了电子崩的发展，加速了电晕形成[3]。张耿斌等发现球电极表面的水滴由端部往边缘移动时，水滴对电场的影响逐渐减弱[4]。林浩然等发现高湿条件下，球电极表面的凝露使电极周围电场产生严重畸变，大幅降低了球-球间隙的放电电压[5]。刘洋等在模拟雾霾试验中发现当雾水浓度超过18 g/m3时，由于棒电极端部小水滴的影响，棒-板短空气间隙的击穿电压随雾水浓度的增加而减小[6]。

以上研究皆关注水滴和凝露对短空气间隙放电特性的影响，但均未研究电极覆水膜后对短空气间隙放电特性的影响，更没有研究不同电极类型、水的电导率等对短空气间隙放电特性的影响[2-8]。在雾霾等高湿环境下，电极表面快速形成水膜，可能会对短空气间隙的放电产生影响。因此，研究并排除电极覆水膜后对短空气间隙放电特性的影响，是科学地研究雾霾环境下短空气间隙放电机理的前提。

本文以球-球和棒-棒短空气间隙为研究对象，研究不同类型电极覆水膜后对短空气间隙工频击穿电压的影响，研究电源端电极覆水膜、接地端电极覆水膜、双端电极同时覆水膜对短空气间隙工频击穿电压的影响，研究不同电导率的水膜对短空气间隙工频击穿电压的影响。试验结果为雾霾环境下短空气间隙的放电机理研究提供理论指导。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

试验在大型人工气候室(22 m×22 m×27 m)中进行，试验装置如图1所示。试验装置由球/棒电极、试验电源、高速摄像机、录波仪、分压器构成。试验电源由250 kV/50 kV·A工频试验变压器提供，高速摄像机型号为Photron AX200，录波仪型号为Yokogawa 850E。球电极直径为25 cm；棒电极直径为1.25 cm，端部为半球形，直径也为1.25 cm。人工气候室的温度为7.2～7.8℃，气压为1 013 kPa，相对湿度为70%～75%。

图1 试验装置

1.2 试验方法

试验的电气接线如图2所示，一球/棒电极可靠接地，另一球/棒电极与电源相连，电极采用水平放置方式。试验时首先调节球/棒电极之间的距离，然后对球/棒电极覆水膜。

图2 试验电气接线图

本文采用自来水(电导率136.7 μS/cm)、去离子水(电导率3.93 μS/cm)及污秽水(电导率1 465 μS/cm)对电极进行覆水膜。污秽水利用在自来水中加入一定量的氯化钠(NaCl)的方法配置而成。覆水膜之前，选取砂纸打磨球/棒电极，并使用酒精和清洁剂清洗球/棒电极，避免电极表面的均匀度和污渍影响水膜在电极表面的均匀性。水膜的产生方式为：使用喷水壶将水缓慢地倾倒在球-球/棒-棒电极上，当水完全覆盖电极时，停止倒水。由于受水膜自身重力的影响，球/棒电极上半部的水膜会略薄，下半部的水膜略厚，但水膜的厚度较电极的直径小很多，所以不考虑因重力产生的水膜厚度不均匀性对电极放电造成的影响。当水膜自身的重力、表面张力，以及电极对水膜的支持力达到平衡时，水膜达到稳态。将球/棒电极下端无水滴滴落时视为水膜稳定和开展试验的条件。

覆水膜的方式有3种，分别为电源端电极覆水膜、接地端电极覆水膜、双端电极同时覆水膜。电极覆水膜的图片如图3示。

(a)干燥球-球电极(b)双端覆水膜球-球电极

试验采用升压法进行测试，在前3/4升压阶段升压速度较快，在后1/4升压阶段以每秒2%击穿电压的速度进行升压。每次试验后用吹风机吹拂间隙，以便空间电荷充分扩散，然后重新对电极进行覆水膜操作，并待水膜稳定后再进行试验。放电过程采用高速摄像机进行拍摄，电压波形选用录波仪记录。选取有效偏差在5%以内的试验数据，有效试验次数大于等于10次。平均击穿电压(Ub)和标准偏差百分数(δ)的计算式为：

(1)

(2)

式中：Ui为第i次有效击穿电压值；N为有效试验次数，N≥10。

2 试验结果

2.1 水膜对球-球短间隙击穿电压的影响

2.1.1单端电极覆水膜的影响

单端电极覆水膜分别为电源端电极覆水膜和接地端电极覆水膜(自来水)，击穿电压随空气间隙距离的变化规律如图4所示。由图可看出，随着空气间隙的增大，电源端电极与接地端电极覆水膜后的击穿电压均与干燥电极的击穿电压几乎一致。当球-球间隙从1 cm上升至6 cm，间隙的击穿电压从21.58 kV增加至111.06 kV，间隙的平均击穿场强从21.58 kV/cm降至18.51 kV/cm。这是因为随着球隙的增大，电场的不均匀度随之上升，击穿场强降低[9]。从图中可知，在1～6 cm的空气间隙下，单端电极覆水膜对球-球间隙的击穿电压影响很小。

图4 干燥电极与单端电极覆水膜击穿电压

2.1.2双端电极覆水膜的影响

双端电极覆水膜(自来水)后击穿电压的变化如图5所示。由图可知，当球隙从1 cm增大到6 cm时，双端电极覆水膜的击穿电压始终高于干燥电极的击穿电压。在1～6 cm的间隙内，双端覆水膜的击穿电压比干燥电极的击穿电压分别高了27.42%、17.49%、11.07%、7.02%、8.88%和4.42%。由此可知，在1～6 cm的空气间隙内，随着间隙的增大，双端电极覆水膜后击穿电压的提高幅度呈下降趋势。

图5 干燥电极与双端电极覆水膜击穿电压

2.1.3电导率对击穿电压的影响

以双端电极覆水膜(自来水、去离子水、污秽水)为例，击穿电压随电导率的变化如图6所示。从图中可看出，随着电导率的增加，击穿电压未发现明显变化。因此，在本试验范围内，双端电极覆水膜时，电导率的变化对间隙的击穿电压基本没有影响。

图6 不同电导率水覆水膜击穿电压

2.1.4放电过程

放电过程如图7所示，采用自来水对电极覆水膜，图中的放电过程分别为流注阶段、电弧阶段、熄弧阶段的放电图像。由于放电图片之间的间隔为25 μs，因此分别以-25 μs、0 μs、25 μs表示。图像左边为电源端，右边为接地端。流注阶段为流注头部发展示意图，这是因为相比流注头部，流注通道的发光强度较弱，因此，在曝光时间内，只会留下流注头部运动轨迹[10]。

(a)干燥电极

(b)电源端电极覆水膜

(c)接地端电极覆水膜

(d)双端电极覆水膜

由放电理论可知[11]，当流注靠近另一电极时，流注头部与电极之间的场强可达极大值，引起电离。因此，文献[11]认为，流注头部场强较大的一端为流注的发展方向。由文献[12]可知，场强的大小可由放电的颜色进行定性分析，具体为：紫色光的场强>蓝色光的场强>无放电区的场强。从图7中可看出，干燥电极、接地端电极覆水膜、双端电极覆水膜在靠近接地端电极处流注头部周围放电的颜色为蓝色(在黄色虚线圈内)，而其他位置流注头部的周围为无放电区，这表明靠近接地端的流注场强较大。相比之下，电源端电极覆水膜为靠近电源端电极流注的周围为蓝色，该试验现象表明靠近电极端的流注头部的场强较大。因此可知，干燥电极、接地端电极覆水膜、双端电极覆水膜的流注是由电源端发展至接地端，电源端电极覆水膜的流注是由接地端发展至电源端。此外，从电弧阶段的放电图(0 μs)可看出，在流注的发展方向上，电弧半径是由小增大的，这也与文献[13]所观察到的现象一致。

2.1.5击穿电压波形

干燥电极与接地端电极覆水膜，以及双端电极覆水膜的击穿电压信号波形相同。因此，以下仅对比干燥电极与电源端电极覆水膜(自来水)的击穿电压波形，如图8所示。从图中可知，干燥电极在电压信号负半周发生击穿，而电源端电极覆水膜在电压信号的正半周发生击穿。

(a)干燥电极

(b)电源端电极覆水膜

2.2 水膜对棒-棒短间隙击穿电压的影响

水膜(自来水)对棒-棒间隙击穿电压的影响如图9示。在棒-棒间隙为4～5 cm时，击穿电压变化缓慢，原因在于棒电极的端部为球形，而球的直径为1.25 cm，在较短电极间隙下可看为球电极，球电极在该区域下，球隙的击穿电压出现了饱和现象[11]。当棒-棒间隙增大到5～10 cm时，击穿电压随间隙的增大而快速增大，此时电极体现为棒-棒电极，饱和效应消失。当间隙为10～20 cm时，棒-棒间隙的击穿电压重新出现饱和效应。但对比三种不同的覆膜方式，可发现覆水膜对棒-棒间隙的击穿电压几乎没有影响。

图9 棒-棒电极覆水膜击穿电压

3 试验结果分析与讨论

3.1 水膜对球-球短间隙放电特性的影响

本文采用的球电极直径为25 cm，在1～6 cm的间隙范围内属于均匀场。在均匀场下，不能形成稳定的电晕放电，电晕电压即击穿电压。由于非自持放电形成的空间电荷的影响，负极性的电晕电压更低[11]。电晕的起始电压与光电子、电场分布有关。因此，须同时研究水膜对光电子和电场分布的影响。

3.1.1水膜对光电子的影响

空气短间隙的击穿过程分为电子崩、流注、主放电3个阶段。结合图7、图8可知，球隙中的流注均为负流注，这就意味着初始电子崩从阴极附近产生。在大气环境中，初始电子崩的起始电子来源于空气中的自由电子，二次电子崩发展的起始电子主要来源于阴极的光电效应、正离子碰撞阴极、亚稳态发射，以及强制发射[14]。其中，电极表面强制发射所需场强为500 kV/cm[15]。而在本试验范围内，场强最大为21.58 kV/cm，远达不到场致发射的场强。正离子碰撞阴极与亚稳态发射所生成的电子数几乎一致，但两者在生成电子的数量上较阴极的光电效应产生的电子数量低两个数量级[16]。因此可知，阴极的光电效应是二次电子崩起始电子的主要来源，由光电效应产生的电子称为光电子。水膜的存在影响光电子的发射能量，进而影响光电子的发射。图10为水膜初始电子崩发展示意图，对于球电极，电极端部的场强最大，电子崩由端部开始发展。图10中L为空间某一点与水膜端部O的距离，LP与Li分别代表电子崩崩头、电离区边界与水膜端部的距离。

图10 电极覆水膜时电子崩发展示意图

研究表明，在紫外线照射下，金属与其他介质的放电机理一致，区别只在于光电子发射系数γph不一致[17]。当水膜附近的电子碰撞电离系数α大于附着系数η时，若水膜附近存在自由电子，在电场力的作用下形成初始电子崩。崩头的电荷密度较大，使空间电场发生强烈畸变，一方面使空气分子的电离概率剧增，产生大量光子；另一方面，电场畸变可使分子和离子处于激励状态，当分子、离子回复到正常状态将辐射大量光子。其中有一部分光子被水膜吸收，若水膜能产生1个及以上的光电子，放电将达到自持，如式(3)所示。

g(L)exp(-μL)dL≥1

(3)

式中：Neph为光电子数；γph为水膜表面光电子发射系数；g为水膜表面光子吸收系数；g(L)exp(-μL)为到达水膜表面的光子数占L处产生光子总数的比例；μ为空气分子的光子吸收系数。

水膜光电离所需的能量为6.1 eV[18-19]；相比水膜，铜电极的表面逸出功为3.9 eV[11]，光电效应更易在铜电极表面产生光电子。当温度、压力和湿度不变时，对于不同的材料和表面状态，γph的取值不同。水膜覆盖电极后，虽然光电子可由铜电极的光电效应产生，但由于水膜覆盖在电极表面，且表面场强远达不到场致发射的数量级，铜电极产生的光电子难以发射。相比铜电极，水膜的逸出功更大，使得水膜的γph更小[20]。因此，当光电子由水膜产生时，电子浓度会较铜表面产生的低；研究表明，负流注的发展受电子浓度影响较大，这是因为电子的漂移率大，虽然负流注头部的电子为流注的发展提供了起始电子，但是电子的漂移同时也削弱了负流注头部的场强[21]。最终，若水膜产生光电子，间隙的击穿电压也随之升高。

由图8可知，电源端电极覆水膜时，击穿电压为正半周。该试验现象说明：当电源端电压为负半周时，光电子从水膜表面发射所需能量更多，电子崩发展受阻。再结合图4可知，单端电极覆水膜击穿电压与干燥电极击穿电压几乎一致，这说明光电子从干燥电极发射，形成负流注，而水膜有一定导电能力，对流注注入的阻碍较小，因此击穿电压几乎不变。相比较，由图5可知，双端电极覆水膜的击穿电压较干燥电极的击穿电压明显提升，原因在于：无论二次电子崩从哪端电极产生，水膜产生光电子所需的能量均较干燥电极更多，因此击穿电压更高。

3.1.2水膜对球-球间隙电场分布的影响

液体介质在电场中由于电场力的作用会发生极化。研究表明，水膜极化后会产生束缚电荷，所产生的附加电场与外电场之和构成水膜表面电场E。极化强度P与总电场成正比，与自由电荷及极化电荷呈正相关，表达式为[3]：

式中：r为测量点距参考点距离；r′为场源点距参考点距离；ρf为极化电荷密度；ρp为自由电荷密度；v′为场源区域。

1)水膜电导率对电场分布影响

利用参考文献[22]的方法测量水膜的厚度，测得水膜的厚度为40 μm。虽然从理论上分析，不同电导率的水覆膜，随着电导率的增加，离子密度会增加[3]。但由于水膜的厚度很薄，离子含量增加甚微。因此，自由电荷密度可以不考虑水中自带的离子含量[23]。

水膜在电场极化后，极化电荷会吸附空间电荷，空间电荷在水膜的表面积累，会削弱空气间隙中场强[24]。利用不同电导率的水对电极进行覆膜，随着电导率的升高，阴极的水膜与阳极之间的压降增大，水膜附近的电场增强，电子和离子对水膜的碰撞更为激烈，空间电荷吸附量必然下降。但从图6的试验结果可知，间隙的击穿电压却几乎没有变化。该试验现象表明，由于水膜极化的影响，电极附近的电场增强，空间电荷在水膜表面难以积累；随着电导率的升高，水膜表面空间电荷的吸附量变化很小。因此可以认为，水膜的电导率在本试验研究范围内变化时，对电场的分布基本不产生影响。

2)水膜对电离区域的影响

由式(3)可知，达到自持放电的条件为光电子数Neph≥1，与光电子发射系数γph、电离系数α、吸附系数η及电离区域有关。α与η为场强的函数，场强单位为kV/cm，表达式为[25]：

α=3631.736exp(-167.96/E)，19≤E≤45

(5)

η=9.8648-0.541E+0.0114474E2

(6)

电离区域是指有效电离系数α-η>0时的空间区域。当间隙由1 cm增至6 cm时，α-η在球-球间隙的取值如图11示，电场场强E取间隙场强的最小值，场强分布由COMSOL仿真得出。

图11 α-η随球隙间距的变化

从图11可看出，α-η取值皆大于0，这表明电离区域覆盖了整个球隙。虽然α与α-η随着场强的减弱而降低，但电离区域却一直在增大。从图4的试验结果可知，双端电极覆水膜击穿电压的增幅随间隙距离的增大而减少，原因在于随着间隙的增大，电离区域也随之增大。

由图7、图8可知，电源端电极覆水膜在电弧阶段时，流注从接地端发展至电源端。通常，当有一电极直接接地时，流注一般由电源端发展至接地端，一方面是由于大地离子的影响，若流注从接地端产生，流注中的等离子体会与大地离子中和，流注发展受阻；另一方面是由于大地的影响，电源端电极附近的场强更大，将加快初始电子崩的生成。因此，该试验结果说明，电源端电极覆水膜时，由于γph的值较小，水膜的存在在一定程度上不利于流注的发展。

3.2 水膜对棒-棒短间隙放电特性的影响

由图9可知，随着棒-棒间隙的增大，不同电极覆水膜的击穿电压几乎一致。工频电压下，棒-棒间隙在正半周发生击穿，这表明电晕是在正半周发生。由文献[26]可知，正电晕二次电子崩的光电子来源于空气分子的光电离，负电晕二次电子崩的光电子来源于阴极的光电离。正电晕达到自持放电的条件为二次电子崩产生的正离子数N2大于等于初始电子崩产生的正离子数N1，表达式为[27]：

(7)

(8)

式中：ri为电离区边界；r0为主电子崩头部球心位置；r为主电子崩头部半径；f1为一次碰撞电离(空气分子)同时辐射的光子数；f2为空气分子发生光电离的概率；h(l)与电极的几何结构相关。

由式(7)和式(8)可知，水膜只可能对电离系数α产生影响，且正比于场强，场强分布如图12和图13所示。

(a)干燥电极

(b)双端电极覆水膜

图13 场强随间隙变化

场强分布由COMSOL仿真得出，其中间隙电压为100 kV，水膜的介电常数为81，空气和铜电极的介电常数为1。空气域的厚度为1 m，其选择是根据空气域的厚度对电场分布的影响；空气边界条件设为接地；网格剖分选择物理场控制网格，由于水膜的厚度较薄，网格的单元大小选择极细化。图12中的电场不对称是由于大地对电源端棒电极的影响。由图13可知，干燥电极与覆水膜电极的电场分布基本相同。因此，水膜对棒-棒间隙的电晕放电基本没有影响。

由放电理论可知，电晕放电形成的空间电荷使空间电场发生了畸变。当间隙的电压提高，电场增大，强电场中电离剧烈，并辐射光子，产生大量电子崩，电晕向流注发展。根据以上分析，由于水膜不影响棒-棒间隙的电晕放电和畸变空间电场，因而棒-棒间隙流注的发展也不受水膜的影响，最终棒-棒间隙的击穿电压也基本不受水膜的影响。

4 结论

本文对比研究水膜对球-球及棒-棒短空气间隙工频放电特性的影响，主要结论如下：

1)水膜的存在对球-球短空气间隙单端电极覆水膜基本没有影响，原因在于球隙的流注均为负流注，单端电极覆水膜时，流注可从干燥电极端产生，而水膜有一定电导率，对流注的注入没有影响，因此单端电极覆水膜对击穿电压基本没有影响。

2)球-球电极双端覆水膜时，击穿电压明显提高，这是水膜的逸出功较铜高、二次电子崩的起始光电子所需能量增多、电子浓度降低的缘故。当间隙由1 cm增大至6 cm时，击穿电压的增幅由27.32%下降至4.42%，原因在于随着间隙的增大，电离区域增大。因此当间隙增大时，击穿电压的增大幅度有所下降。

3)水膜的电导率对球-球短空气间隙击穿电压影响较小，原因在于电导率对电场分布影响小。一方面是由于水膜的厚度较薄，只有40 μm，离子含量变化小，自由电荷的含量基本不变；另一方面是由于水膜表面积累的空间电荷较少，对电场的削弱作用小。

4)水膜对棒-棒短空气间隙的击穿电压影响较小，当间隙由4 cm增大至20 cm时，覆水膜电极的击穿电压与干燥电极的击穿电压几乎一致。结果说明，一方面在棒-棒间隙下，二次电子崩的起始光电子由空气分子的光电离产生，而非电极表面；另一方面水膜对电场畸变的影响小。

试验结果对雾霾等高湿环境下的短空气间隙工频放电特性研究提供指导：当电极上形成水膜，若间隙为棒-棒短空气间隙，可以不考虑水膜对短空气间隙放电特性的影响；若间隙为球-球短空气间隙，研究者必须考虑水膜所带来的影响。研究结果也可为低电压等级电网的外绝缘设计提供参考。