浮尘浓度对短空气间隙交流击穿电压的影响

高世刚，李江涛，姜 梅，张忠元，李 涛，张 鹏，郭光焰

（1.国网甘肃省电力科学研究院，兰州730050.2.西安交通大学电气工程学院，西安710049，3.国网甘肃省电力公司，兰州730030）

浮尘浓度对短空气间隙交流击穿电压的影响

高世刚1，李江涛2，姜 梅1，张忠元3，李 涛2，张 鹏1，郭光焰1

（1.国网甘肃省电力科学研究院，兰州730050.2.西安交通大学电气工程学院，西安710049，3.国网甘肃省电力公司，兰州730030）

由于沙尘暴、浮尘天气造成的电力设备闪络、击穿事故频发，对沙尘暴环境下绝缘子放电特性研究较多，但对浮尘条件下间隙放电特性及机理研究较少，因此有必要对浮尘天气下间隙放电特性进行研究。通过搭建小型人工气候试验箱体，浮尘浓度控制在200-800μg/m3之间，改变电极种类及间隙距离，研究棒-棒、棒-板间隙交流击穿电压与浮尘浓度的关系。研究发现浮尘浓度增加时，棒-棒、棒-板短空气间隙交流击穿电压降低，且间隙交流击穿电压随着浮尘浓度的增加近似呈线性降低。浮尘颗粒会俘获电子、光子，阻碍间隙放电，也会和电子产生碰撞电离和表面发生光电效应，颗粒会畸变电场，利于放电。

浮尘浓度；棒板间隙；棒棒间隙；交流击穿电压

0 引言

随着近几年空气质量的急剧下降，在我国西北地区乃至华北地区经常出现浮尘等恶劣天气[1-3]，一般可以悬浮在空气中的颗粒物直径小于100 μm[4]，而雾霾主要是粒径小于10 μm的颗粒[5]。沙尘天气分为沙尘暴、扬沙、浮尘三个等级，每年我国由于沙尘暴、浮尘天气造成的高压设备安全事故多大数起[6-8]，2006年4月10日，内蒙古地区发生强沙尘暴，引起了电网15条（次）线路闪络事故，事故原因主要是大气中的浮尘导致空气间隙失效。2009年4月23日，新疆、内蒙古、甘肃等地区出现大范围沙尘天气，造成线路大范围跳闸停电。2014年5月9日甘肃龙川变主变压器由于持续沙尘天气，在浮尘环境下突然降雨导致变电站发生跳闸事故。因此有必要对浮尘条件下典型间隙的击穿电压进行研究，为沙尘天气频发地区电力设备外绝缘的设计提供理论依据。

目前国内外学者对沙尘天气下电力设备外绝缘放电特性的研究较多，研究发现：沙尘环境下沙尘颗粒粒径、沙尘浓度、风沙速度、沙尘沉积量等因素都会影响放电特性，沙尘环境下沿面工频闪络电压高于无沙尘时的工频闪络电压，间隙击穿电压随沙尘浓度的增大而降低[9]；粒径较大的沙粒对间隙放电的发展具有促进作用，当粒径超过一定范围，这种促进作用不明显，沿面闪络电压随着沙粒粒径的增大而先降低后增大[10]；电极表面的沙尘沉降量对空气间隙的工频击穿电压影响较大，而间隙中沙粒对击穿电压影响较小，随着表面沙尘沉积量的增加，闪络电压会出现极小值[11]；在沙尘环境下，间隙击穿电压和沿面闪络电压都会随着风速的增加而增加[11-12]；沙尘颗粒的荷电量在一定范围内变化时，沿面闪络电压和间隙击穿电压都没有显著变化[13-14]。以上研究工作主要模拟沙尘暴或扬沙条件下，沙尘条件对于间隙击穿电压和闪络电压的影响，但没有考虑到浮尘条件下颗粒对间隙击穿电压的影响。

笔者通过搭建模拟浮尘条件试验平台，研究不同浮尘浓度下间隙的交流击穿电压的变化规律，并结合仿真，分析浮尘条件对于间隙放电特性的影响。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

考虑到浮尘天气是相对稳定状态，模拟浮尘天气并不需要伸缩段稳定气流，因此设计搭建了小型气候试验箱体（1m×1m×1.4m），用于模拟浮尘条件。试验箱体结构示意图如图1所示。箱体内通过风机可在其内制造循环气流，充分使沙尘均匀散布在箱体内，符合浮尘条件。激光粉尘仪探头位于空气间隙中间位置，因此可实时精确测量间隙之间浮尘浓度，箱体内配有温湿度表、气压表，在试验之前，记录温度、湿度、大气压强，用于试验数据的修正。电极支架有支柱绝缘子支持固定，在电极支架上可更换、调整间隙种类和间隙长度。所选用间隙类型为棒板间隙和棒棒间隙，棒电极长250 mm，头部半球半径8 mm。板电极厚度15 mm，直径120 mm，板后连接棒长200 mm。为充分且较快模拟浮尘天气，试验选用样品为粒径小于100 μm沙尘颗粒[1]。

图1 小型气候试验箱体结构示意图Fig.1 Structure diagram of small climate chamber

电源系统为FCB-20kVA型调压器和FVT-J-50 kV/20 kVA型工频试验变压器，调压器输入为380 V，输出电压为0-400V，变压器之后配有80 kΩ保护电阻R，测量系统为电容分压器，分压比为20 608：1。试验电路接线示意图如图2所示。

图2 试验电路示意图Fig.2 Test circuit schematic diagram

1.2 试验方法

浮尘是沙尘暴或扬沙过后产生的沙尘颗粒悬浮在空中[1]，因此在试验中先模拟沙尘暴，静置一段时间后即为浮尘条件，浮尘的主要成分是尘沙细粒，因此选用石英砂和硅藻土等体积混合来模拟浮尘天气。进行浮尘条件下间隙击穿电压的测量步骤如下：

1）调整电极种类及间隙距离，记录箱体中的温度、湿度、气压及初始浮尘浓度，利用均匀升压法测量间隙击穿电压，为减小试验测得数据的分散性，击穿电压测量3-5次，取平均值；

2）从加沙口加入10 g沙尘；以保证每次试验浮尘浓度都可以由高浓度开始下降；

3）启动风机使转速达到13m/s，模拟中等沙尘暴强度，使得每次所产生的浮尘情况与实际情况较接近，风机持续工作2 min；

4）待风机停止后静置5min，箱体内气流平稳，较大沙尘颗粒沉降，实现浮尘天气模拟效果；

5）使用均匀升压法测量不同浮尘浓度下间隙击穿电压[15]，开始阶段以2 kV/s速度加压，当所加电压达到普通空气间隙交流击穿电压的75%时，加压速度变为0.2 kV/s，直至击穿，每两次击穿间隔2 min，保证间隙绝缘强度恢复和放电能量产生不稳定气流的平复，使测得数据更加准确；

6）静置使箱体中浮尘浓度下降到50 μg/m3以下，打开箱体门，更换间隙距离、电极种类重复以上步骤。

2 试验结果与分析

2.1 小型气候试验箱体密闭性检测

为检验小型气候试验箱体的密闭性及可行性，测量浮尘浓度随时间变化关系。试验之前将试验箱体门关闭，打开激光粉尘浓度仪，测得初始浮尘浓度为32 μg/m3。该试验中加入2.5g沙尘，风机风速调整为13m/s，工作2min后关闭风机，静置5min使箱体内气流较稳定后测定箱体内浮尘浓度，所得浮尘浓度随时间变化结果如图3所示，发现前30min时间内，浮尘浓度下降较快，可能是由于开始阶段浮尘颗粒粒径较大，沉降较快，且空间粒径较小颗粒多，容易吸附到粒径较大的颗粒表面，加速沉降。浮尘浓度经过70min后变化缓慢，最终浮尘浓度稳定在300 μm/m3左右。

图3 浮尘浓度与时间的关系Fig.3 Relationship between floating dust concentration and time

2.2 浮尘浓度对间隙击穿电压的影响

每次试验前，测定洁净空气条件下间隙交流击穿电压，所得结果如表1所示，其中d为间隙距离，U为交流击穿电压。分别测量棒-板间隙和棒-棒间隙在不同浮尘浓度下，间隙距离d=4 cm、6 cm的交流击穿电压，所得结果如图4、图5所示。由图4可知，对于棒-板电极、棒-棒电极，随着浮尘浓度的增加，其间隙交流击穿电压不断减小。当间隙距离d=6 cm时，对于棒-板电极，浮尘浓度从300 μg/m3增加到700 μg/m3，交流击穿电压由33.85 kV降低到32.45 kV，相比洁净空气下棒-板间隙，当浮尘浓度为700 μg/m3时，其交流击穿电压降低了6.21%。对于间隙距离为6cm的棒-棒电极，当浮尘浓度从300 μg/m3增加到700 μg/m3时，交流击穿电压由38.51 kV降低到35.69 kV，相比洁净空气下棒-板间隙，当浮尘浓度为700 μg/m3时，其交流击穿电压降低了10.33%。相比于棒-板间隙，浮尘对棒-棒间隙的交流击穿电压影响更大。主要原因可能是由于相比于空气中的氧气、氮气，浮尘颗粒表面更容易逸出电子、光子，利于流注发展；且棒-棒、棒-板间隙电场不均匀度不同，浮尘颗粒对浮尘颗粒周围电场畸变不同，因此对两种间隙交流击穿电压的影响有差别。

表1 洁净空气条件下间隙交流击穿电压Table 1 AC breakdown voltage in clean air gap

图4 棒-板间隙击穿电压与浮尘浓度的关系Fig.4 Relationship between AC breakdown voltage of rodplate gap and floating dust concentration

2.3 间隙距离对交流击穿电压的影响

为探究浮尘条件下交流击穿电压与间隙距离的关系，在相同浮尘浓度下，测量不同间隙距离下的交流击穿电压，图6、图7分别为棒-板间隙和棒-棒间隙在同一浮尘浓度下，交流击穿电压与间隙距离的关系图，其中黑色曲线为经过长时间沉降后，棒-板间隙和棒-棒间隙下交流击穿电压随间隙距离的变化的关系曲线。

图5 棒-棒间隙击穿电压与浮尘浓度的关系Fig.5 Relationship between AC breakdown voltage of rod-rod gap and floating dust concentration

图6 棒-板间隙交流击穿电压与间隙距离的关系Fig.6 Relationship between AC breakdown voltage of rodplate gap and clearance distance

图7 棒-棒间隙交流击穿电压与间隙距离的关系Fig.7 Relationship between AC breakdown voltage of rod-rod gap and clearance distance

由图6、图7可知，在同一浮尘浓度下，棒-板间隙交流击穿随间隙距离的增加而近似呈线性增加，而棒-棒间隙在d＞2cm时，交流击穿随间隙距离的增加而近似呈线性增加，两种间隙与洁净空气中间隙交流击穿电压随间隙距离变化的关系曲线相似。由图6可知，当浮尘浓度为640 μg/m3时，棒-板间隙距离从2 cm增加到7 cm时，交流击穿电压从23.91 kV增加到35.78 kV，间隙平均击穿场强从11.96kV/cm减小为5.11 kV/cm，而在洁净空气条件下，间隙距离从2 cm增加到7 cm时，交流击穿电压从24.12 kV增加到36.88 kV，间隙平均击穿场强从12.06 kV/cm减小为5.27 kV/cm。由图7可知，当浮尘浓度为490 μg/m3时，棒-棒间隙距离从2 cm增加到6 cm时，交流击穿电压从29.02 kV增加到37.42 kV，间隙平均击穿场强从14.51 kV/cm减小为5.36 kV/cm，而在洁净空气条件下，间隙距离从2 cm增加到6 cm时，交流击穿电压从30.82 kV增加到39.80 kV，间隙平均击穿场强从15.41 kV/cm减小为5.69 kV/cm。浮尘条件下，棒-棒、棒-板间隙平均交流击穿场强随着间隙距离的增加而降低。通过学者研究[16]可知，棒-棒、棒-板间隙平均击穿场强为3.8 kV/cm、3.35 kV/cm，推测一定浮尘条件下，间隙交流击穿电压与间隙距离呈线性关系，且其平均击穿场强略低于空气条件下平均击穿场强。

3 结果讨论

由以上试验结果可知，当间隙处于浮尘条件时，间隙交流击穿电压会降低，其主要原因是由于：浮尘颗粒悬浮在间隙之间，对流柱的发展有一定影响，可从利于流柱发展和阻碍流柱发展两方面解释浮尘对间隙交流击穿电压的影响：

1）利于流柱发展的原因：首先，浮尘颗粒主要成分是石英砂，其表面电子逸出功为3.25 eV[10、17-18]，空气中主要成分氮气和氧气的电离能分别为15.6 eV、12.5 eV，可以看出石英砂表面更容易逸出电子，且石英砂颗粒也更容易发生光电效应，产生更多的电子和光子，利于流注的发展。试验中通过对测量两种间隙在不同浮尘浓度下的交流击穿电压，当浮尘浓度增加，浮尘颗粒增多，因此从浮尘颗粒表面逸出的光子、电子增多，更易形成电子崩或二次电子崩，流注更容易发展，因此浮尘颗粒会导致间隙击穿电压的降低。其次，浮尘颗粒处在间隙电场中时，其表面附近电场会有较大畸变，从而使颗粒表面更容易逸出电子、光子，利于流注的发展。图8为浮尘颗粒表面附近电场分布云图，浮尘浓度为 300 μg/m3，浮尘颗粒直径为10 μm，每两个相邻颗粒间中心距离为7.5mm，离电极表面最小距离为0.2mm，浮尘颗粒相对介电常数为3.5。

图8 浮尘颗粒表面附近电场分布Fig.8 Electric field distribution near the surface of floating particle

由图8可知，在平行于间隙方向上的颗粒表面附近电场畸变明显，电子、光子容易从颗粒上下表面逸出，利于流注发展，使间隙交流击穿电压降低。除此之外，浮尘浓度较高时，细小微粒之间相互吸附，形成较大粒径的颗粒，随着浮尘颗粒粒径的增大，这些颗粒对电场的畸变范围增大，会加速这些大颗粒附近的流注及流注前段电子崩的速度，使间隙的交流击穿电压降低。

2）阻碍流柱发展的原因：浮尘颗粒会俘获空间中的电子和光子，阻碍电子崩的发展，抑制流注的发展[9]。当间隙中浮尘浓度较高时，间隙中颗粒较多，电子的平均自由程较短，电子所具有的能量较低，容易被浮尘颗粒吸附。但由于浮尘颗粒占空比较低，以硅藻土为例，其密度为0.8 g/cm3，当浮尘浓度为1 000 μg/m3时，其占空比小于0.01%，即浮尘颗粒间距较大，对光子、电子的吸附作用较小，因此浮尘颗粒对流注发展的阻碍作用较弱。从试验结果可以看出，对于两种不同间隙，当浮尘浓度从300 μg/m3增加到700 μg/m3时，间隙交流击穿电压呈线性降低，说明浮尘浓度的增加对流注发展的阻碍作用微小。由于浮尘为稳定状态，其占空比较低，因此本试验中并未研究占空比较大情况下浮尘浓度对间隙交流击穿电压的影响，文献[18]研究发现，当颗粒占空比为4%、12.8%时，间隙交流击穿电压高于洁净空气中的交流击穿电压，因此可推测浮尘颗粒浓度与交流击穿电压关系应为U型曲线，即低占空比条件下，浮尘颗粒对流注发展的促进作用大于阻碍作用，交流击穿电压低于洁净空气条件下的击穿电压，而高占空比条件下，浮尘颗粒对流注发展的促进作用小于阻碍作用，交流击穿电压高于洁净空气条件下的击穿电压。

4 结论

对浮尘条件下棒-棒、棒-板短空气间隙交流击穿电压的研究，得到以下结论：

1）浮尘条件会降低棒-棒、棒-板短空气间隙交流击穿电压，且在一定范围内，交流击穿电压会随着浮尘浓度的增加而不断降低。

2）间隙间的颗粒会畸变空间电场，且电极附近的颗粒表面场强会明显增大，可能会导致初始电子崩发生在颗粒表面附近，在间隙中产生大量有效碰撞，形成较多的电子、光子，利于流柱发展。

3）当浮尘浓度较低时，间隙中浮尘颗粒对流注发展作用较弱。

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Influence of Floating Dust Concentration on AC Breakdown Voltage of Short Air Gap

GAO Shigang1,LI Jiangtao2,JIANG Mei1,ZHANG Zhongyuan3,LI Tao2,ZHANG Peng1,GUO Guangyan1
（1.State Grid Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730050，China；2.School of Electrical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049，China；3.State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730030，China）

Flashover and breakdown accidents caused by sand storm and floating dust weather oc⁃curred frequently in the past years.There are many studies on the discharge characteristics of insulators under the sand storm conditions,However,there are few studies on the characteristics and mechanism of gap discharge under floating dust weather,therefore,it is necessary to study the gap discharge characteris⁃tics under floating dust weather.Through the construction of small artificial climate test box,dust concen⁃tration control between 200-800 μg/m3,the electrode type and gap distance are changed,the relation⁃ship between the breakdown voltage of rod-rod and rod-plate gap and the dust concentration is studied.It is found that the rod-rod and rod-plate short air gap AC breakdown voltage decreased when the dust concentration is increased,and the gap AC breakdown voltage decreases linearly with the increase of dust concentration.Floating particles will capture electrons,photons,hinder the gap discharge,and will pro⁃duce collision ionization and surface photoelectric effect with electrons.The particles will distort the elec⁃tric field and facilitate the discharge.

floating dust concentration；rod-plane gap；rod-rod gap；AC breakdown voltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.031

2016-06-08

高世刚（1983—），男，工程师，主要从事电力系统污秽分析，设备腐蚀防护及其他电网环保、化学等相关工作。