單一環(huán)境應(yīng)力條件下短空氣間隙放電特性實(shí)驗(yàn)研究

李 靜，劉玉芝，楊軼軒，陽(yáng) 晉

(1．石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050000； 2．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073)

我國(guó)國(guó)土面積大，地形、氣候復(fù)雜多變。隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，尤其在南方高濕度地區(qū)和青藏、川藏等高海拔地區(qū)的不斷建設(shè)，不僅加重了環(huán)境因素對(duì)防雷保護(hù)裝置的影響，也給防雷保護(hù)裝置的安全可靠運(yùn)行增添了許多不確定因素。

國(guó)內(nèi)外的關(guān)于氣體放電的研究主要集中在長(zhǎng)空氣間隙放電方面，如文獻(xiàn)[1]主要進(jìn)行了氣壓p、濕度h對(duì)100 mm、200 mm、300 mm三種不同距離間隙放電電壓影響的研究。文獻(xiàn)[2]研究了0.5、1.0、1.5 m 和2.0 m棒-板空氣間隙的雷電沖擊放電特性。在正常情況下，棒-板間隙對(duì)地是絕緣的，并且絕緣強(qiáng)度低于所保護(hù)線路的絕緣水平，因此，當(dāng)線路遭到雷擊時(shí)，棒-板間隙首先因過(guò)電壓而被擊穿，將大量雷電流泄入大地，使過(guò)電壓大幅度下降，從而起到保護(hù)線路和電氣設(shè)備的作用。目前對(duì)于短間隙棒-板放電電壓U50受氣壓、濕度及溫度等環(huán)境影響的研究較少，但青藏高原等高海拔地區(qū)的低氣壓和南方地區(qū)的高濕度都會(huì)對(duì)棒-板間隙的放電電壓產(chǎn)生一定的影響，甚至影響相關(guān)系統(tǒng)的正常工作，解決此問(wèn)題意義重大，因此本文研究了不同氣壓、濕度及溫度等環(huán)境因素對(duì)其放電電壓的影響。

1 試驗(yàn)裝置、試品及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)是在長(zhǎng)*寬*高為2 500 mm*1 500 mm*2 800 mm的步入式高海拔環(huán)境試驗(yàn)箱(設(shè)備型號(hào)：TP/W710，如圖1(a)所示)和2 000 mm*2 000 mm*3 000 Hmm的三綜合試驗(yàn)箱(設(shè)備型號(hào)：DH-8000/THV712C，如圖1(b)所示)內(nèi)進(jìn)行的。步入式高海拔環(huán)境試驗(yàn)箱用于模擬高原環(huán)境，進(jìn)行產(chǎn)品海拔高度環(huán)境條件的試驗(yàn)；三綜合試驗(yàn)箱可以進(jìn)行溫度和濕度的調(diào)節(jié)，溫度范圍：-70 ℃～+150 ℃，溫度偏差為±2 ℃，溫度波動(dòng)度≤1 ℃，溫度均勻度≤2 ℃，濕度范圍:20%～98%。試驗(yàn)采用GIV沖擊電壓發(fā)生器(如圖1(c)所示)產(chǎn)生雷電發(fā)生電壓，注入1.2/50 μs的開路電壓波進(jìn)行雷電沖擊，利用GAS3沖擊測(cè)量分析系統(tǒng)(如圖1(d)所示)對(duì)放電電壓進(jìn)行采集。

1.2 試品

實(shí)驗(yàn)選取作為防雷保護(hù)裝置的棒-板間隙，間隙距離約2 mm，電極直徑為3 mm，棒-板間隙的實(shí)體圖如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

將棒-板間隙放置于環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，施加各種條件的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行雷電沖擊：

1)試品預(yù)處理：在試驗(yàn)前對(duì)各電極進(jìn)行擦拭，保持其表面一定的潔凈度與干燥度，以免在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生濕閃或污閃，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2)間隙布置：將一根金屬棒電極與高電位線相連，另一個(gè)電極板與大地相連。

3)氣壓模擬：本試驗(yàn)研究模擬的海拔高度分別為1 m、4 200 m、11 000 m，其對(duì)應(yīng)的大氣壓值分別為100 kPa、60 kPa、20 kPa，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，濕度為常濕，調(diào)整壓強(qiáng)保持30 min后，重復(fù)測(cè)試電壓波形及峰值的內(nèi)容并記錄；設(shè)備至常壓狀態(tài)，恢復(fù)2 h后，重復(fù)步驟(3)。

4)溫濕度模擬：本實(shí)驗(yàn)研究模擬的濕度為20%、60%、98%，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，氣壓為常壓狀態(tài)；模擬的溫度為-55 ℃、25 ℃、95 ℃，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為常濕常壓，保持30分鐘后，重復(fù)測(cè)試電壓波形及峰值的內(nèi)容并記錄；設(shè)備至常壓狀態(tài)，恢復(fù)2 h后，重復(fù)步驟(4)。

5)施加電壓：依據(jù)《GB/T 16927.1—2011—高電壓試驗(yàn)技術(shù)第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》，試驗(yàn)中采用恒壓升降法。每級(jí)沖擊次數(shù)n=1，有效沖擊次數(shù)m≥20。兩次試驗(yàn)之間應(yīng)間隔3～5 min。雷電沖擊50%放電電壓U50可由下式獲得：

U50=∑(kiUi)/m

其中ki為電壓Ui下施加電壓的組數(shù)(每組施加n次電壓)；m為總的有效組數(shù)。為避免明顯的誤差，所考慮的最低電壓與U50的差不大于2ΔU。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差率為

式中：U50是50%雷電放電電壓，kV；Ui是第i次施加的電壓值，kV；N是總有效次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

短間隙棒-板在不同氣壓、溫度、濕度條件下放電試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果如表1所示，并進(jìn)一步做出了間隙放電電壓與溫度、濕度和氣壓的關(guān)系圖，分別如圖3、圖4和圖5所示。

表1 雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由于正極性雷電沖擊放電電壓低于負(fù)極性雷電沖擊放電電壓，因此本文對(duì)正極性雷電放電電壓進(jìn)行研究。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ都小于5%。表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較小的誤差，因此所得的雷電沖擊 50%放電電壓U50有效。

由圖3可以看出隨著海拔升高氣壓降低，棒-板間隙放電電壓U50隨氣壓的降低有非常明顯的下降。當(dāng)大氣壓強(qiáng)p從100 kPa下降到60 kPa(海拔高度從1 m上升到4 200 m)時(shí)，間隙放電電壓U50從5.450 kV下降到4.130 kV，下降了約24.2%；當(dāng)大氣壓強(qiáng)p從60 kPa 下降到20 kPa(海拔高度從4 200 m上升到11 000 m)時(shí)，間隙放電電壓U50從4.130 kV下降到2.050 kV,下降了約50.4%。微觀分析氣體放電可知，當(dāng)海拔升高大氣壓強(qiáng)降低時(shí)，空氣密度也隨之降低，從而導(dǎo)致空氣中的帶電質(zhì)點(diǎn)的自由行程增加，帶電質(zhì)點(diǎn)在自由行程內(nèi)從外電場(chǎng)獲得動(dòng)能，以至于在和分子碰撞時(shí)能使分子分裂出自由電子，從而引起電子增加導(dǎo)致氣體間隙擊穿。

由圖4可以看出隨著濕度的增大，棒-板間隙放電電壓U50的變化不大。濕度從20%上升到60%時(shí)，對(duì)放電電壓U50幾乎無(wú)影響，變化約0.2%；濕度從60%上升為98%時(shí)，放電電壓U50從5.517 kV下降到5.452 kV，下降了約1.2%。由此可見濕度對(duì)于短間隙的擊穿電壓影響不大。文獻(xiàn)[3-4]分析了當(dāng)棒-板間隙長(zhǎng)時(shí)間處于高濕度環(huán)境下，電極上附有凝露時(shí)會(huì)造成電極周圍電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，使間隙最大場(chǎng)強(qiáng)大幅增加，從而使間隙放電電壓大幅降低。

由圖5可以看出：隨著溫度的升高，棒-板間隙放電電壓U50隨之下降，下降幅度不大。溫度從-55 ℃ 上升到25 ℃時(shí)，間隙放電電壓U50下降約10.9%；溫度從25 ℃上升到95 ℃，間隙放電電壓U50下降約1.4%?？梢姕囟葘?duì)氣體間隙放電電壓影響不大，放電電壓會(huì)隨溫度的升高有稍許降低。因?yàn)闇囟壬邥?huì)使空氣密度有略微的下降，從而使空氣中帶電質(zhì)點(diǎn)的自由行程增大，使放電電壓隨之減小。

選取棒-板間隙在不同濕度條件下放電電壓數(shù)據(jù)為參考，分別對(duì)棒-板間隙在不同溫度及不同氣壓下的放電電壓數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可知，溫度在第一階段(-55 ℃至25 ℃)和第二階段(25 ℃至95 ℃)棒-板間隙放電電壓的變化分別為10.9%、1.4%；氣壓在第一階段(20 kP至60 kP)和第二階段(60 kP至100 kP)棒-板間隙放電電壓的變化分別為24.2%、50.4%；濕度在第一階段(20%至60%)和第二階段(60%至98%)棒-板間隙放電電壓的變化分別為0.2%、1.2%。可看出溫度條件下棒-板間隙放電電壓的最小變化量要比濕度條件下棒-板間隙放電電壓的最大變化量多0.2%，而氣壓條件下棒-板間隙放電電壓的最小變化量比溫度條件下棒-板間隙放電電壓的最大變化量多13.3%。由此可得，短間隙棒-板的放電電壓U50對(duì)受濕度的影響不敏感，且影響棒-板間隙放電電壓的主要因素是氣壓。因此在配置防雷保護(hù)裝置棒-板間隙時(shí)，要重點(diǎn)考慮不同氣壓環(huán)境對(duì)棒-板間隙放電電壓U50的影響[1-2]。

圖8和圖9分別為不同情況下棒-板間隙的放電波形圖，圖8為棒-板間隙未發(fā)生擊穿現(xiàn)象的放電波形圖，此時(shí)棒-板間隙未起到對(duì)設(shè)備的雷擊保護(hù)的作用，會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備會(huì)受到過(guò)電壓的破壞。從圖9可以看出棒-板間隙僅需要大約1.3 μs就可以擊穿，可以看出間隙發(fā)生放電后，把一部分過(guò)電壓的電荷引入大地，從而避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高，起到了對(duì)設(shè)備雷擊保護(hù)的作用。

3 結(jié)論

1)氣壓對(duì)間隙放電電壓的影響最為嚴(yán)重，隨著海拔的升高氣壓降低，使得放電電壓U50以千伏的幅度下降。2)溫度和濕度對(duì)間隙放電電壓的影響比較小，但當(dāng)棒-板間隙長(zhǎng)期處于高濕環(huán)境下時(shí)要定期對(duì)其進(jìn)行擦拭，防止間隙表面形成水膜或水滴從而使間隙放電電壓U50減小。3)經(jīng)過(guò)溫濕度和氣壓環(huán)境下棒-板間隙放電電壓的對(duì)比可知，影響棒-板間隙放電電壓U50的主要因素是氣壓，在配置多特征軌道電路縱向防雷棒-板間隙時(shí)，要著重考慮氣壓對(duì)棒-板間隙放電電壓所帶來(lái)的影響。