气固两相体放电对电力系统外绝缘的影响

姚文俊，何正浩，邓鹤鸣

(1中南民族大学电子信息工程学院，武汉430074;2华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074)

气固两相体放电是指在大量固体颗粒物悬浮于气体中的放电现象［1，2］.许多研究领域涉及到气固两相体放电，如沙尘暴起电现象、静电除尘、流化床等离子体反应器、电流体放电和多种恶劣天气(如雨、雪、雾或沙尘暴)下电力系统外绝缘等的研究.其中沙尘暴发生时，由于气流运动中沙尘颗粒间及沙尘颗粒与地床间的电荷交换使沙粒带上电荷，这些带电沙粒形成的空间电荷区对输电线路相间和导线对杆塔的空气间隙及绝缘子串表面放电特性产生影响.我国曾发生过由于沙尘天气而导致电力系统停电事故［3］.

沙尘天气下输电外绝缘问题一直影响着沙尘环境地区输电的发展，它是一个典型的气固两相体放电问题，研究其放电问题对于电力系统的安全运行和地区经济的发展有重大意义.美国的 J.R.Laghari等［4］总结了沙尘污染的绝缘系统时，他们的研究认为沙尘的成分和粒径均对击穿有不同的影响，而导体颗粒极大地降低了击穿电压;沙特阿拉伯的 M.I.Qureshi等［5，6］试验研究了冲击电压下沙尘存在棒棒间隙的击穿特性和击穿时延，采用的间隙为5～125 cm;A.A.Al-Arainy等［7-9］研究了沙尘污染对冲击电压下多种电极结构中不均匀间隙击穿的影响特性，他们试图从沙尘的成分及极性效应寻找原因;国内有关沙尘对输电线路外绝缘电气特性影响的研究很少，重庆大学的司马文霞等［10］为了解沙尘对电力系统运行造成的影响，分析了沙尘对空气间隙和绝缘子放电特性的影响，同时在沙尘模拟实验室进行了风沙对间隙击穿电压影响的实验研究.这些研究都注意到了沙尘或沙尘的成分对输电外绝缘的影响，但沙尘颗粒粒径和所处电场的极性对输电外绝缘失效时放电的影响及相关机制则未阐明.

本文以气固两相体为研究对象，以雷电冲击电压下的两相体放电为例，研究不同物质、不同的介电常数和颗粒粒径的50%的击穿电压U50，及与单纯空气中U50的关系，同时给出了有无两相体存在下的伏秒特性和放电发展通道的直观比较，得到U50随物质、介电常数和颗粒粒径的变化关系，并给出理论解释，这对沙尘天气下输电外绝缘和电力系统的维护有一定的参考作用.

1 实验装置和实验方法

两相体击穿放电实验装置依据不同放电形式，可分为喷雾式气水两相体放电、筛撒式气固两相体放电、流化床式气固两相体放电和静态气固两相体放电等几方面.本文以筛撒式气固两相体冲击放电来研究两相体放电效应.图1为建立的筛撒式气固两相体放电实验装置实物照片.其主要由高170 cm，内径37 cm的圆柱形有机玻璃筒、提升机、往复筛和电极等组成.固体颗粒物料通过提升机进行物料循环，然后通过振动筛在筒中均匀下落.放电电极为黄铜尖-板电极，锥形尖电极的尖端半径为0.5 mm，锥端长1 cm，锥形电极后部棒长31 cm，棒直径1 cm;板电极直径为30 cm，厚度3.4 mm;尖-板电极的间隙距离可在15 cm左右调节.震动筛的筛孔大小可根据固体颗粒的粒径调整.往复筛上面装有两层固定筛，使固体颗粒经两次初始均分下落，最后由往复筛筛撒，使固体颗粒较均匀的下落经过放电电极区间.

图1 筛撒式放电室实物Fig.1 Photo of the sprinking discharge chamber

实验中分别以菜籽、小米、绿豆、聚丙烯粉、聚丙烯颗粒为固相物通过筛撒方式形成气固两相体，进行雷冲击击穿放电实验.这些颗粒物的属性参数见表1所示.气固两相体雷电冲击的50%击穿电压实验方法采用升降法，试验次数选为40次，通过置信水平为0.95的χ2拟合检验，击穿电压样本值服从正态分布，实验分散性即相对标准偏差σ小于3%(理论上雷电冲击电压的最大分散值).

表1 实验用两相体颗粒材料主要参数Tab.1 Parameters of the experimentalmaterials

2 实验结果

2.1 不同物质的50%击穿放电电压U50

谷物、塑料、沙子等不同颗粒物两相体雷电冲击50%击穿电压U50实验结果如图2所示.从图a-f中6种物质U50的变化可见，不论哪种固相物，其气固两相体雷电冲击50%击穿电压U50均具有非常明显的极性效应，即正极性下气固两相体U50与单纯空气相比，没有明显的变化，或略有下降，或略有上升;但负极性下气固两相体U50与单纯空气相比，有显著的变化，即出现不同程度的降低.其中，珍珠岩两相体击穿电压降低最多，降低幅度达40%;谷物两相体击穿电压降低幅度达30%;聚丙烯两相体电压降低幅度最小，甚至没有变化.

图2 不同物质的50%的击穿电压U50随极性的变化Fig.2 Effect of the voltage polarity on the U50 of differentmaterials

2.2 不同介电常数对U50的影响

根据固体颗粒的介电特性，可将固体颗粒分成粮食、塑料和珍珠岩3组，珍珠岩的介电系数最大，塑料的最小，粮食居中.按此分组的实验结果如图3.从图中可以看出，负极性冲击条件下，介电系数大的固相物使U50下降显著，如珍珠岩;介电系数小的固相物使U50下降不明显，如塑料;粮食的介电系数较大，则使U50下降明显.这种介电系数的大小使U50下降的特点主要体现在正极性冲击电压，而负极性时的U50下降幅度则不那么显著.

图3 不同介电常数的50%的击穿电压U50随极性的变化Fig.3 Relationship between the U50 of dielectric constants and the voltage polarity

2.3 不同颗粒粒径下对U50的影响

以两种不同粒径河沙(0.2 mm左右粗沙和1 mm左右细沙)进行了粒径影响对比实验，实验结果如图4所示.由图中可以看出，在体积分数等条件相同情况下，粗沙两相体与细沙两相体的50%击穿电压U50差异显著，这种差异即粗沙两相体比细沙两相体的U50低.正极性时，粗沙两相体比细沙两相体的U50低达近10%.负极性时，粗沙两相体比细沙两相体的U50更是低达近20%.

图4 不同河沙粒径的击穿电压U50随极性的变化(左:正极性，右:负极性)Fig.4 Relationship between the U50 of sizes and the voltage polarity(left:positive polarity，right:negative polarity)

2.4 不同极性下放电的伏秒特性

雷冲击电压持续时间短，两相体的存在对放电发展过程的影响最终会体现到击穿放电的时延.因此，研究两相体击穿放电伏秒特性对于研究两相体放电发展规律很有必要.聚丙烯两相体击穿伏秒特性如图5所示，从图5可以看出，在正极性条件下，颗粒的加入对放电时延的影响较小，气固两相体的放电时延与空气的放电时延相差不大，在±2%左右变化.但是在负极性条件下，气固两相体的放电时延比空气的放电时延显著减小，尤其当电压较高时，气固两相体的放电时延比空气的放电时延减小达15%.另外，固体颗粒越多，放电时延也越短.

图5 不同极性下两相体的伏秒特性图(左:正极性，右:负极性)Fig.5 Graph of the volt-time characteristic under different voltage polarity

2.5 不同极性下放电发展通道的积分图像

图6为正、负雷冲击电压下击穿时单一空气、粗沙两相体、细沙两相体的放电图像.图中，在正雷冲击下，给空气和沙尘两相体所加电压均为120 kV;负雷冲击下所加电压均为240 kV.从图中可以看见很明显的放电通道，空气和两相体在正雷冲击电压下击穿电压较低，放电通道较细;负雷冲击电压下击穿电压较高，放电通道亮度比正极性下亮，宽度也比正极性下大.单独比较正极性条件下的击穿图片，发现沙尘两相体的放电通道比单纯空气的要宽一点，而粗沙两相体的放电通道又比细沙两相体的宽一点.

3 实验结果讨论

通过不同的气固两相体在不同极性下的介电常数和粒径大小的雷冲击50%击穿电压U50与单纯的空气的U50比较分析，及伏秒特性和放电发展通道直观比较，发现在两相体放电中U50比单纯空气中的要低，并在不同的极性下，U50的改变是有区别的，其根本原因是颗粒物的存在加剧电场畸变，使固体两旁的空气隙场强大于平均场强，更易超过火花电压引起局部放电，从而使得间隙更易击穿并降低击穿电压;另外一个因素是颗粒的荷电，虽然实验是在雷电冲击电压下进行，放电时间很短，在几微秒内电压幅值就降到一半，空间电荷的积累和漂移可以忽略不计，但分析不同极性的击穿还是要考虑进去［11-13］.

图6 不同极性雷冲击电压下击穿时空气、粗沙两相体和细沙两相体放电通道照片Fig.6 Photo of the TPM discharge path under the lightning impulse voltage of different polarity

对负极性的击穿特性做如下假设分析:尖电极为负时，电压达到电晕起始电压后，紧贴棒极的强电场产生大量的电子崩，在外电场作用下，正离子向尖电极运动而消失于尖极，由于其运动速度较慢，所以在尖电极附近总是存在着比较集中的正空间电荷.这样尖电极附近的颗粒可能容易荷正电，此时正空间电荷形成的电场加强了尖电极附近电场，在尖极附近更容易形成电子崩.由于外电场特点，流注等离子体头部具有负电荷，所以离尖电极较远处是比较分散的负空间电荷，离板极较近的固体颗粒有可能荷负电，这就加强了前方电场，使流注更易于向前发展.此外，颗粒物的存在畸变了电场，使得颗粒两旁间隙中的场强远大于平均场强，容易引起局部放电，从而使得间隙更易击穿降低击穿电压.

但在正极性下，当尖电极为正极性时，在电压足够高的条件下尖电极附近形成流注，由于外电场的特点，电子立即进入阳极(正尖端)，流注等离子体头部具有正电荷.受到阴极吸引，沿外电场方向运动的正电荷向固体颗粒集中，使其荷电.颗粒上的正空间电荷所形成的电场和外电场相反，这样就削弱了前方电场强度，减弱了流注头部电场，不易形成新的电子崩，同时由于正离子的运动速度较小，在缓慢的向极板方向运动的过程中受到固体颗粒物的阻挡，从而阻碍了流注通道的向前发展，使两相体击穿电压升高.

研究介电常数的影响时，介电常数的大小反映了不同的荷电能力，介电常数大的荷电能力强，而介电常数小的荷电能力弱.考虑到颗粒的荷电性对以上介电常数的不同极性的击穿电压实验现象，做以下假设分析:当尖电极为正极性时，在电压足够高的条件下尖电极附近形成流注，由于外电场的特点，电子立即进入阳极(正尖端)，流注等离子体头部具有正电荷.受到阴极吸引，沿外电场方向运动的正电荷向固体颗粒集中，使其荷电.颗粒上的正空间电荷所形成的电场和外电场相反，这样就削弱了前方电场强度，减弱了流注头部电场，不易形成新的电子崩，同时由于正离子的运动速度较小，在缓慢的向极板方向运动的过程中受到固体颗粒物的阻挡，从而阻碍了流注通道的向前发展，使两相体击穿电压升高.颗粒物的介电常数越大，击穿电压改变越大.

不同极性下单一空气、粗沙两相体、细沙两相体出现不同的放电通道，原因可能是由于沙尘颗粒的存在，对电场有畸变作用，使电场分布更加不均匀导致的.同时由于粗沙两相体的粒径分布比细沙两相体的大，也没细沙两相体的均匀，颗粒之间的电离相应的来说要强于细沙两相体的.负极性条件下这种现象更为明显，沙尘两相体的放电区域比空气大很多，亮度也要强一些.

4 结论

(1)实验研究的各种两相体表明，气固两相体50%雷冲击击穿电压U50比单纯空气的低，尤其负极性时两相体U50会比单纯空气的低的多，如珍珠岩两相体负冲击U50比单纯空气的低达40%.正极性时两相体U50比单纯空气的低的不多，甚至没有区别.

(2)气固两相体50%雷冲击击穿电压U50大小与固相物介电系数大小成反比，即介电系数越大，其U50越小.同样，正极性时，这一现象不如负极性显著.

(3)气固两相体50%雷冲击击穿电压U50大小与固相物粒径大小成反比.正极性时，粗沙两相体比细沙两相体的U50低达近10%.负极性时，粗沙两相体比细沙两相体的U50低达20%.

(4)气固两相体50%雷冲击击穿放电时延比单纯空气的小，这主要体现在负极性时，尤其当电压较高时，气固两相体的放电时延比空气的放电时延可减小达15%.另外，固体颗粒越多，放电时延也越短.这说明在相同的电压下，间隙击穿的先后顺序依次为大体积分数的沙尘两相体、小体积分数沙尘的两相体、空气.

(5)不同气固两相体雷冲击放电发展通道比单纯空气的有不同程度的扩展、弥撒、开叉、多分支等现象.

［1］Pauthenier M M，Moreaut-Hanot M M.Le charge des particules sphériques dans un champ ionize［J］.Journal de Physique，1932，7(3):591-613.

［2］Arendt P，Kallman H.Themechanism of charging ofmist particles［J］.Zeitschrift für Physik，1925，35(2):421-441.

［3］李 芳.风沙电研究的现状及展望［J］.地球科学进展，2002，17(4):572-575.

［4］Laghari J R，Qureshi A H.A review of particlecontaminated gas breakdown［J］.IEEE Trans Electr Insul，1981，16(5):388-398.

［5］Qureshi M I，Al-Arainy A A and Malik N H.Performance of rod-rod gaps in the presence of dust particles under lightning impulses［J］.IEEE Trans Power Deliver，1991，6(2):706-714.

［6］Qureshi M I，Al-Arainy A A and Malik N H.Performance of rod-rod gaps in the presence of dust particles under standard switching impulses［J］.IEEE Trans Power Deliver，1993，8(3):1045-1051.

［7］Al-Arainy A A，Malik N H，Qureshi M I.Influence of desert pollution on the lightning impulse breakdown voltages of rod to plane air gaps［J］.IEEE Trans Power Deliver，1991，6(1):421-428.

［8］Al-Arainy A A，Malik N H，Qureshi M I.Qureshi.Influence of sand/dust contamination on he breakdown of asymmetrical air gaps under lightning impulses［J］.IEEE Trans On Electrical Insulation，1992，27(2):193-205.

［9］Al-Arainy A A，Malik N H，Qureshi M I.Influence of sand/dust contamination on the breakdown of asymmetrical air gaps under switch impulses［J］.IEEE Trans Diel Electr Insul，1994，1(2):305-314.

［10］司马文霞，吴 亮，杨 庆.沙尘对电力系统外绝缘电气特性影响分析［J］.高电压技术，2008，34(1):16-20.

［11］杨津基.气体放电［M］.北京:科学出版社，1983.

［12］周泽存，沈其工，方 瑜，等.高电压技术［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［13］林福昌.高电压工程［M］.北京:中国电力出版社，2006.