強(qiáng)風(fēng)沙對流注放電的影響機(jī)理

張慶平，閆振華，李秀廣，高博，李學(xué)鋒，史志鵬，康永強(qiáng)

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.蘭州交通大學(xué)新能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

我國西北地區(qū)有豐富的太陽能和風(fēng)能資源，是我國重要的能源基地和電力送端，但是極端沙塵天氣引發(fā)線路外絕緣放電導(dǎo)致事故頻發(fā)，使電網(wǎng)安全可靠性面臨嚴(yán)重威脅[1-2]，因此，研究強(qiáng)風(fēng)沙對流注放電的影響機(jī)理具有重要意義。

針對沙塵天氣下氣體放電特性研究人員通過試驗(yàn)與仿真對沙塵天氣下間隙放電與絕緣閃絡(luò)特性進(jìn)行了較為詳盡的研究。在沙塵天氣間隙擊穿方面，文獻(xiàn)[3-4]開展了沙塵環(huán)境下針-板電極間隙放電試驗(yàn)，分析了沙塵濃度、風(fēng)速、沙粒粒徑、間隙距離等因素對間隙擊穿電壓的影響。文獻(xiàn)[5]研究了雷電沖擊電壓作用下沙粒粒徑大小對放電路徑、50%擊穿電壓和伏秒特性的影響，并分析了沙塵顆粒對流注放電發(fā)展的影響機(jī)理。此外，通過對兩相體放電的“粒徑效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)研究，分析認(rèn)為顆粒物影響流注放電至少有兩個主要因素需要考慮：流注發(fā)展過程中與顆粒物之間的相互作用以及顆粒物造成的兩相體周圍空間的電場畸變[6]。文獻(xiàn)[7]通過人工沙塵模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了風(fēng)沙對間隙擊穿影響的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明沙塵對間隙擊穿電壓的影響程度與風(fēng)速、沙塵帶電量、電極表面沙粒沉積等有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究發(fā)現(xiàn)：絕緣子閃絡(luò)電壓隨風(fēng)速增大而逐漸上升，但升高趨勢逐漸變緩，有風(fēng)有沙時其閃絡(luò)電壓比有風(fēng)無沙時略低，這主要是由于風(fēng)沙流經(jīng)過時會畸變原有電場分布，造成閃絡(luò)電壓降低。文獻(xiàn)[9]研究了高速荷電沙塵對絕緣子閃絡(luò)電壓的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)沙塵荷電將導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)電壓下降，且下降程度隨沙塵所帶電荷量的增加而增大[9]。

以上所述研究成果以試驗(yàn)和仿真為主對沙塵天氣下間隙擊穿和絕緣閃絡(luò)特性進(jìn)行了大量研究，雖已獲得了一些基本規(guī)律，但是強(qiáng)風(fēng)沙對流注放電的影響機(jī)理尚不明確，流注放電中氣流/沙塵綜合參量與空間電荷（正離子產(chǎn)生系數(shù)）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不清，放電過程無法定量分析，為此，本文通過分析氣流和沙塵所引起的放電路徑偏轉(zhuǎn),荷電粒子吹離，氣體密度下降及沙粒畸變電場與沙粒荷電捕獲對流注放電過程造成的綜合影響，推導(dǎo)出正離子產(chǎn)生系數(shù)與氣流/沙塵綜合參量之間的解析表達(dá)式，探討強(qiáng)風(fēng)沙對流注放電的影響機(jī)理，研究結(jié)果可為建立強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境流注放電模型以及定量分析強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境下流注放電過程提供理論參考。

1 強(qiáng)風(fēng)沙介質(zhì)流注放電影響因素

強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境介質(zhì)放電是受強(qiáng)氣流與強(qiáng)沙塵的綜合作用，氣流分子以定向頻繁碰撞微觀作用于電子或離子，而沙粒則以電場畸變與電荷捕獲宏觀作用于電子或離子，從對放電的作用尺度上來說，兩者具有較大區(qū)別，因此，為方便分析其對放電的影響過程，將強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境分解為強(qiáng)氣流環(huán)境與強(qiáng)沙塵環(huán)境。對于強(qiáng)氣流環(huán)境，荷電粒子在氣流方向遭遇來自中性分子的定向頻繁碰撞，造成電離概率、電子自由程等發(fā)生變化[10-12]；對于強(qiáng)沙塵環(huán)境，沙粒引起局部電場畸變并捕獲電荷，造成局部電場強(qiáng)度、電荷濃度等發(fā)生改變[9，13]。

1.1 氣流對介質(zhì)流注放電的影響因素

與靜態(tài)環(huán)境下的介質(zhì)擊穿不同，強(qiáng)氣流環(huán)境下的介質(zhì)放電特性受到氣流因素的顯著影響[10-12]。在強(qiáng)氣流環(huán)境介質(zhì)擊穿過程中，電子和離子沿電場方向遷移過程中遭遇來自中性氣流分子的高密度定向頻繁碰撞，這種原子級別的碰撞由于短時而具有巨大的沖量，足以改變部分荷電粒子的遷移路徑，甚至影響整個放電通道發(fā)生偏移，因此，強(qiáng)氣流將會造成荷電粒子遷移過程發(fā)生改變：一方面，荷電粒子被氣流分子定向碰撞離開放電通道（跟隨氣流飄走），造成荷電粒子數(shù)量減少；另一方面，受氣流分子定向頻繁碰撞的影響，放電通道整體會沿氣流方向發(fā)生偏移，導(dǎo)致放電路徑與電場方向不重合而偏移一定的夾角，使得電子電場自由程減小。此外，根據(jù)流體力學(xué)可知，氣體密度將隨氣流速度增加而下降，即隨著氣流速度的增大，氣體密度逐漸減小，電子自由程增大，因此，強(qiáng)氣流對介質(zhì)放電的影響主要為放電路徑偏移、部分電荷吹離及氣體密度變化。

1.2 沙塵對介質(zhì)流注放電的影響因素

對于強(qiáng)沙塵環(huán)境介質(zhì)擊穿而言，其本質(zhì)仍然是固相顆粒混雜之下的氣體放電問題，在強(qiáng)沙塵介質(zhì)擊穿過程當(dāng)中，沙粒對介質(zhì)放電的作用主要來自于沙粒濃度和沙粒粒徑兩個方面。由于沙粒相對介電常數(shù)與空氣相對介電常數(shù)不同，沙塵顆粒在電場中易發(fā)生極化而引起沙粒周圍局部電場畸變，使得局部電場增強(qiáng)，這將造成局部空間電離過程發(fā)生變化，從而影響介質(zhì)擊穿過程；并且，沙粒的相對介電常數(shù)越大，體積分?jǐn)?shù)越高，其對空間電場的畸變程度越明顯[14]，不同濃度和粒徑的沙粒也將因其引起的局部電場畸變程度差異而對放電過程產(chǎn)生不同程度的影響[9，13]，因此，沙粒引起的電場畸變是影響介質(zhì)放電的主要因素之一。

由于沙粒的直徑遠(yuǎn)大于電子和離子直徑，帶電粒子沿電場方向上遷移過程中，部分帶電粒子將被沙粒捕獲，而剩余的部分電荷則在電場力的作用下繞過沙粒繼續(xù)參與放電，此過程造成放電空間有效電荷數(shù)量減少。沙粒捕獲電子所產(chǎn)生的荷電效應(yīng)與沙粒介質(zhì)極化（沙粒與空氣介電常數(shù)差異產(chǎn)生的極化與沙粒間的電場耦合）所產(chǎn)生的極化效應(yīng)相疊加將進(jìn)一步加劇沙粒周圍的電場畸變程度，因此，沙粒的電荷捕獲是影響介質(zhì)放電的另一關(guān)鍵因素。

1.3 強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境介質(zhì)流注放電綜合影響因素

綜合以上對強(qiáng)氣流環(huán)境與強(qiáng)沙塵環(huán)境介質(zhì)放電影響因素的分析，可知強(qiáng)風(fēng)沙介質(zhì)放電中氣流和沙粒對放電的影響主要表現(xiàn)在以下5個方面：

1）氣流造成主放電路徑偏轉(zhuǎn)，使得電子電場平均自由程減??；

2）氣流吹離部分電荷，造成放電空間有效電荷數(shù)量減少；

3）氣流造成氣體密度發(fā)生變化，使電子平均自由程隨氣流速度而變化，影響電離過程；

4）沙粒極化引起局部電場畸變，造成局部電離過程增強(qiáng)，影響介質(zhì)擊穿電壓；

5）沙粒捕獲荷電粒子使放電空間中有效電荷數(shù)量減小，同時，沙粒荷電電場將進(jìn)一步加劇電場畸變，影響介質(zhì)放電過程。

強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境中氣流與沙塵綜合影響介質(zhì)擊穿過程，其綜合影響因素如圖1所示。

圖1 強(qiáng)風(fēng)沙對介質(zhì)放電的綜合影響因素

2 正離子產(chǎn)生系數(shù)計(jì)算

流注理論相較于湯生理論更適用于氣壓與極間距離的乘積較高時的情況，且考慮空間電荷對放電過程產(chǎn)生的重要作用，更適合強(qiáng)風(fēng)沙條件下放電模型的構(gòu)建。由流注放電理論可知，建立氣流/沙粒與電離系數(shù)和空間電荷（正離子產(chǎn)生系數(shù)）之間的關(guān)系是建立基于流注理論的強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境介質(zhì)放電模型的關(guān)鍵。

為方便描述氣流/沙塵對放電的影響，其基本先決條件如下[10，13]：

1）放電路徑沿氣流方向偏轉(zhuǎn)一個角度，即參與放電的電子與離子沿氣流方向發(fā)生整體偏轉(zhuǎn)。

2）部分電子和離子被氣流吹離，其中包括完全被吹離和偏離主放電路徑的電子/離子。

3）氣體是可壓縮流體，即氣體密度隨氣流速度增加而下降。

4）沙塵顆粒為大小相同的球體，且均勻分布于電極空間。

5）采用等效電場代替原始電場以考慮沙粒之間的相互影響。

6）放電過程中沙粒將捕獲部分電子或離子進(jìn)行荷電。

基于以上6個先決條件，帶有水平氣流速度、短間隙、均勻電場的強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境流注放電可被描述為如圖2所示的物理過程。

圖2 強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境均勻場中流注放電

通過以上所述氣流/沙塵對放電過程的影響因素分析及基本先決條件，從以下方面逐步求解湯生電離系數(shù)與正離子產(chǎn)生系數(shù)。

首先考慮沙粒對空間電場所造成的影響。沙粒局部電場除受該沙粒自身極化影響外，還遭受其他沙粒群的影響，針對沙粒間的相互影響，采用強(qiáng)化偶極子模型計(jì)算沙粒周圍局部電場[15-16]。此時，可認(rèn)為沙粒處于一等效電場E0c中，該等效電場E0c可通過式（1）計(jì)算[15]：

式中：εi—沙粒介電常數(shù);

εe—環(huán)境介電常數(shù)；

R—沙粒半徑；

h—沙粒之間的間距；

E—外加電場。

沙粒表面最大電場Emax計(jì)算如下[15]：

此外，當(dāng)沙粒捕獲電荷之后將進(jìn)一步影響局部電場分布。為計(jì)算沙粒荷電之后的局部電場，首先假設(shè)沙粒飽和荷電，由文獻(xiàn)[15]可得沙粒捕獲電荷之后的飽和電荷量為

式中：q0—沙粒捕獲的飽和電荷量。

實(shí)際中以f表示沙粒荷電系數(shù)，則沙粒所捕獲的實(shí)際電荷量為q=fq0，于是，沙粒實(shí)際捕獲的電荷量可計(jì)算如下：

沙粒荷電之后其表面最大電場E′max為

其次考慮由氣流因素所引起的放電路徑偏轉(zhuǎn)、荷電粒子吹離和氣體密度變化對流注發(fā)展過程中正離子產(chǎn)生系數(shù)所造成的影響。在流注放電過程中，正離子的產(chǎn)生與發(fā)展對流注放電過程具有重要影響，由正離子所形成的空間電荷場與外部電場為同一量級時將導(dǎo)致流注的形成。在靜態(tài)空氣中，電子運(yùn)行單位距離碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)與離子數(shù)相等，即正離子產(chǎn)生系數(shù)與電子電離系數(shù)相等，但是在風(fēng)沙環(huán)境中，除考慮電子電離系數(shù)的變化外，還需要考慮正離子產(chǎn)生系數(shù)的變化。為此，定義風(fēng)沙環(huán)境中正離子產(chǎn)生系數(shù)為電子沿電場方向上移動單位距離通過碰撞電離產(chǎn)生且沒有被氣流吹離的正離子數(shù)，綜合考慮沙粒空間電場、放電路徑偏轉(zhuǎn)、部分電子/離子吹離及氣體密度變化的正離子產(chǎn)生系數(shù)可被計(jì)算為

式中：μ—吹離因子，μ=μ1+μ2；

μ1—電子吹離系數(shù)；

μ2—正離子吹離系數(shù)；

ρ—?dú)怏w密度；

v—?dú)饬魉俣取?/p>

式中：Ke—電子遷移率；

—電子平均自由程；

Vi—原子的電離勢；

γa—?dú)怏w比熱容比；

v—速度；

s—音速；

dm—分子直徑；

NA—阿伏伽德羅常數(shù)；

M—相對分子質(zhì)量；

ρ0—駐點(diǎn)值，將其作為參考值。

最后，在強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境氣體放電過程中，除了考慮以上4個因素外，電子沿電場方向上遷移過程中勢必會遭遇沙塵顆粒的荷電捕獲，造成電子數(shù)量減少，同時沙粒荷電所產(chǎn)生的電場又會進(jìn)一步畸變局部電場，影響電離過程。為分析此過程，設(shè)平板電極間隙距離為d。為方便建模分析，假設(shè)沙粒球形均勻分布于間隙空間，沙粒的半徑為R，沙粒介電常數(shù)為εi，環(huán)境介電常數(shù)為εe。流注放電為絲狀通道放電，其通道半徑在毫米量級，且通道路徑多選擇為間隙沙粒路徑，在此放電通道路徑上假設(shè)沙粒均勻分布，以每個沙粒為中心，將電極空間分為多個體積相同的正方體單元，每一單元的長度為h，體積為h3，正方體單元的橫截面積為S=h2，球形沙粒的體積為4πR3/3，則沙粒的體積分?jǐn)?shù)為Vp=(4πR3/3)/h3（即放電空間中單位體積中的沙粒所占體積）。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，將每一等效單元分為如圖3所示區(qū)域，其中，ABCD和EFGH區(qū)域長度為R/2。假設(shè)在電場作用下，電子沿電場遷移過程中沙粒將部分電子吸引到周圍進(jìn)行荷電，荷電過程當(dāng)中部分電子被沙粒所捕獲，其余電子繼續(xù)繞過沙粒參與放電。

當(dāng)電子開始從陰極向陽極遷移到沙粒右邊區(qū)域時，沙粒尚未荷電，假設(shè)區(qū)域ABCD的電場強(qiáng)度為Emax，區(qū)域LCQA的電場強(qiáng)度為E0c。因此，LCQA區(qū)域的正離子產(chǎn)生系數(shù)可計(jì)算為

ABCD區(qū)域的正離子產(chǎn)生系數(shù)為

設(shè)陰極的初始電子數(shù)為n0，則初始電子從QL平面遷移到OO′平面通過碰撞電離所產(chǎn)生的電子數(shù)為

由式(12)可得圖3中左邊LQOO′區(qū)域的平均正離子產(chǎn)生系數(shù)α′為

圖3 等效場E 0c中的沙粒單元

當(dāng)電子繞過沙粒遷移到其右邊區(qū)域時，沙粒已經(jīng)捕獲部分電子，完成荷電過程，此時沙粒所帶荷電量形成荷電電場會進(jìn)一步畸變原有電場，因此，LCQA區(qū)域中沙粒表面最大電場為E′max，可獲得圖3中右邊PROO′區(qū)域的平均正離子產(chǎn)生系數(shù)為α″，再通過式(12)所示方法可求得圖3中所示整個等效單元中的平均正離子產(chǎn)生系數(shù)αˉ為

至此，在考慮氣流和沙粒對流注放電過程的綜合影響下，推導(dǎo)出強(qiáng)風(fēng)沙條件下介質(zhì)流注放電中正離子產(chǎn)生系數(shù)的解析表達(dá)式。

3 結(jié)論

通過梳理強(qiáng)風(fēng)沙條件下氣體放電特性的相關(guān)研究，分析強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境下氣流和沙粒對風(fēng)沙介質(zhì)流注放電的影響因素及其影響過程，包括：氣流偏轉(zhuǎn)造成的電子自由程改變，氣流吹離造成的有效電子數(shù)減少，氣流密度變化造成的電子自由程改變，沙粒極化造成的局部電場改變，沙粒捕獲電荷造成的電子數(shù)量減少及沙粒荷電進(jìn)一步造成的局部電場改變。通過建立強(qiáng)風(fēng)沙介質(zhì)流注放電物理描述的基本先決條件，逐步構(gòu)建流注放電物理過程的數(shù)學(xué)描述，確立氣流和沙粒綜合參數(shù)與流注放電關(guān)鍵參數(shù)正離子產(chǎn)生系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲得氣流與沙粒綜合作用下正離子產(chǎn)生系數(shù)的解析表達(dá)式，從正離子產(chǎn)生系數(shù)的解析表達(dá)式可以看出：氣流速度、沙粒半徑、介電常數(shù)、沙粒濃度、荷電系數(shù)等共同影響風(fēng)沙環(huán)境下流注放電的基本過程。研究結(jié)果可為建立強(qiáng)風(fēng)沙介質(zhì)流注放電模型提供理論基礎(chǔ)，將有效擴(kuò)展經(jīng)典流注放電理論適用于強(qiáng)風(fēng)沙等氣固兩相流領(lǐng)域介質(zhì)流注放電的計(jì)算分析，可在強(qiáng)風(fēng)沙等氣固兩相流介質(zhì)環(huán)境放電分析、絕緣設(shè)計(jì)、防護(hù)等方面得到有效應(yīng)用。