交流电晕放电特性的影响因素研究

黄宏新，刘士源

(1.杭州市电力局，浙江 杭州 310014；2.衡水供电公司，河北 衡水 053000)

随着国民经济的发展，输电线路电压等级不断提高，超、特高压输电线路对环境的影响日益突出。线路电晕产生的无线干扰和可听噪声受到人们关注，电晕放电问题日益受到人们重视[1-2]。分裂导线截面及结构的选择，电晕产生的能量损耗、无线电干扰和可听噪声是线路设计和运行中要考虑的重要因素。同时，电晕引起导线表面腐蚀，会降低其使用寿命[3-6]。随着我国对西南地区水电的开发，高海拔线路增多，低气压下输电线路电晕特性开始受到人们的重视。同时降水、大雾等高湿天气对线路电晕也有较大的影响。在实验室中研究交流电晕机理，得到起晕电压的影响因素，以及电晕放电与气压、湿度的关系，对输电线路的设计具有十分重要的意义。以下基于宽频带罗哥夫斯基绕组，分别对交流电压作用下线-筒电极的起晕电压，电晕电流脉冲，以及气压和湿度与交流电晕的关系进行研究。

1 实验平台

试验在小型人工气候装置中完成，人工气候装置采用有机玻璃筒型密闭容器，容器一端可拆卸，用于更换电极；一端设有换气阀，连接真空泵以调节装置内气压。容器内气体压力通过精密气压表测得，测量误差小于1.6%。采用加湿装置产生细雾状湿气，经湿气通道注入有机玻璃容器。

试验线-筒电极采用铜导线作高压电极，导线直径分别为0.25 mm、0.5 mm和1 mm。地电极采用铝网制成的圆筒电极，直径为62.5 mm。圆筒电极边沿设有均压环，保证边沿不发生电晕。交流电晕试验电路示意见图1。

T-调压器； B-试验变压器； R-水电阻； F-分压器； E-小型人工气候装置；H-湿度调节通道； A-气压调节通道； D-线-筒电极； L-罗哥夫斯基绕组图1 交流电晕试验电路示意

试验变压器B为SF6气体绝缘变压器，额定电压35 kV，容量1.5 kVA。试验回路采用无晕导线连接，并对连接处进行处理，使回路在试验电压下不发生电晕。电极两端电压通过电容分压器F测得。

利用电晕放电所特有的特里切尔脉冲来测量电晕放电，该电晕脉冲信号是频率为15～25 MHz，幅值为10～150 mA的高频小电流信号。为对这种电流进行测量，在试验中采用宽频带微电流测试用罗哥夫斯基绕组，带宽为0.396 ～120 MHz，灵敏度3.27 V/A。

2 电极导线直径对电晕放电的影响

匀速升高电极两端的电压，当测量回路中交流电晕电流脉冲出现时，即认为电晕开始发生。在标准大气压条件下,线-筒电极在交流正半周出现的脉冲(简称正脉冲)和交流负半周出现的脉冲(简称负脉冲)起始电压相差很小，极性效应不明显。试验测得起晕电压有效值与线径的关系见表1。根据同轴电极的Peek公式[7]为：

(1)

(2)

式中：m为电极的粗糙度；δ为相对空气密度；r、R分别为内、外电极半径。

试验相对空气密度为0.95时，导线粗糙度为0.85时，求得的起晕电压有效值见表1。

表1 线-筒电极起晕电压有效值

导线直径/mm10.50.25正脉冲起始电压/kV9.97.46负脉冲起始电压/kV9.87.45.9起晕电压计算值/kV10.97.85.6

线-筒电极虽为极不均匀场，但没有出现直流电晕中的极性效应。通过研究，认为交流电晕与直流电晕有不同的机理。交流电晕在空间中存在有上半周期放电留在空间的空间电荷。利用电场作用下粒子运动时间的公式，近似得出交流下正负离子消失的时间：

(3)

式中：r为外极的曲率半径；r1为内极的曲率半径；μ+为离子迁移率；g为几何常数；v为两极间电压，为方便计算，取电压有效值。

在相对湿度为40%，大气压为105Pa的空气中，μ+为1.4 cm2/Vs。经计算，试验线-筒电极随所加电压与线径的不同而变化，时间间隔在1～8 ms的范围内，负离子消失的时间为0.8～6 ms。

离子消失时间和工频电压1/4周期相差不大，所以空间存在大量的带电粒子，如当电压由负极性转变为正极性时，空间存有由原来负极性电晕产生的存在于迁移区的负离子，这些负离子随正电压的升高而向线电极靠近，最终聚集在线电极周围。而当极性由正转负时，空间存留的主要是迁移区的正离子，这些正离子随负电压的升高而向线电极靠近，最终也聚集在线电极周围。分析认为在交流电压下，线电极周围均存在与之相异的空间电荷，正半周和负半周电晕的起始和发展相差不大，没有出现明显的极性效应。

线-筒电极电晕发生后，继续升高电压，得到电晕正、负脉冲幅值随电压有效值的变化曲线,见图2。

(a) 正脉冲

(b) 负脉冲

由图2可知，电晕脉冲的幅值随着电压的升高而增大，且中心导线线径越小，电晕脉冲幅值越高。这是由于脉冲幅值与电晕层厚度相关，高场强区域随电压升高而增大，电晕层向外扩散，因此电晕脉冲强度增加。当线径较小时，电场不均匀系数大，接近导线部分电场强，电晕更加剧烈。线径增大，导线附近电场强度降低，起晕电压提高,电晕发生变得困难,导致线径增大，电晕强度减小。

从空间电荷角度分析：线径增大，起晕电压随之升高，电场强度在迁移区更强，正离子与负离子消失时间变短，电极周围与电极相异的空间电荷减少，对电场的畸变作用减弱，引起起晕电压的升高。在起晕后，直径较大的导线电晕脉冲幅值较小。

3 气压对电晕放电特性的影响

在小型人工气候装置中，选取直径为0.5 mm的导线研究线-筒电极起晕特性与气压之间的关系。试验发现，起晕电压随气压降低而明显降低，在低于1个大气压的环境下，起晕电压随着气压的升高近似呈线性增加，在接近于1个大气压的环境下，逐渐呈现出饱和趋势，不同气压条件下的起晕电压有效值变化曲线见图3。同时，在0.4～0.7个大气压之间，出现极性效应，线-筒电极正脉冲起始电压高于负脉冲起始电压。这是由于气压降低，原子间距增加，电子自由程度增大，单个电子在2次碰撞之间可累积更多能量，易形成电子崩，从而引起起晕电压降低。同时由于气压降低，空间电荷运动速度加快，消失时间变短，高压电极周围与之相异的空间电荷减少，对电场的畸变作用减弱，空间电荷影响下的交流电晕特性不显著，极性效应出现。

a-正脉冲； b-负脉冲

不同气压下电晕电流脉冲幅值随电压变化曲线见图4。

(a) 正脉冲

(b) 负脉冲

由图4可知，在相同电压下，正、负极性电晕脉冲幅值均随着气压的减小而增加，低气压下电晕更易生成。在相同的气压下，电晕脉冲随着电压的升高而增加，电晕活动更加剧烈。由以上分析可知，气压大小对交流电晕放电的影响是十分显著的。

4 湿度对电晕脉冲电流的影响

在小型人工气候装置中，采用直径为0.5 mm导线研究湿度对交流电晕脉冲幅值的影响。试验发现，在一定温度下，起晕电压随着湿度的升高而升高，如在20 ℃时，相对湿度30%的情况下，7 kV出现电晕现象。当相对湿度高于40%后，7 kV下观测不到电晕现象，起晕电压升高。

在20℃时，升高电压至不同湿度下电晕均能稳定持续后，保持电压恒定，缓慢增加小型人工气候装置中的湿度，交流电晕脉冲幅值与湿度的关系见图5。

(b) 负脉冲

由图5可以看出，无论是正脉冲还是负脉冲，其脉冲幅值均随着相对湿度的增加而增加，当相对湿度超过50%时，电晕脉冲幅值趋于饱和。分析认为湿度对电晕有两方面的影响：电子易附着在水分子上形成离子团，使电子形成电子崩的作用减弱，提高了流注的起始电压；相对湿度的增加,在导体表面出现了水分的积聚，影响了导线表面微观外形，局部电场增强，使电晕变得剧烈。当湿度较小时，导体表面水分不易积聚，第1种影响较为明显，起晕电压升高；当相对湿度增大后，水分在导线表面积聚，局部电场增强，使电晕脉冲增强。2种影响同时存在，共同作用，对电晕产生重要影响。

5 结论

a. 交流电压作用下，起晕电压随导线直径的增大而升高；在其他条件相同的情况下，导线直径越小，脉冲电流越大；交流电晕作用下的极性效应不明显。

b. 气压减小，线-筒电极起晕电压减小，随气压的降低，出现极性效应，正极性起晕电压高于负极性。电晕脉冲电流的幅值随电压升高和气压降低而增大。

c. 湿度对电晕放电有两方面的作用，两者同时存在，共同作用，对电晕放电产生重要影响。

参考文献：

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