一种用于模拟低气压放电的试验腔体试制研究

杨亚奇，李卫国，袁创业，夏 喻

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

一种用于模拟低气压放电的试验腔体试制研究

杨亚奇，李卫国，袁创业，夏 喻

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

为研究低气压长空气间隙交流放电特性以及突破钢制腔体尺寸对放电间隙长度的限制，试制了以聚丙烯材质为主体的低气压放电试验腔体，并利用试验平台对其气密性和放电性能进行测试。结果表明：试制的试验腔体在25～900 Pa气压范围内最大压升率小于0.1 Pa/s，有效放电间隙长度超过腔体半径并达到600 mm，气密性和放电性能均能够很好地满足低气压长间隙交流放电试验的需求。研究成果对研究低气压下长间隙放电特性、搭建低气压放电试验平台以及改善腔体放电性能具有参考价值。

长间隙放电；试验腔体；低气压；压升率；放电性能

0 引 言

随着我国高海拔地区超、特高压交流输变电工程的建设，研究低气压下空气间隙放电特性越发重要，而电网运行经验表明低气压条件会降低输变电设备空气间隙绝缘的击穿电压，如果设计不当必将引发事故[1-6]。因此研制成本低、气压可调、放电性能好的试验腔体对于普及实验室条件下低气压下放电特性的研究具有重要意义。

目前研究低气压长间隙放电特性一般通过人工气候室进行，如清华大学、重庆大学、南方电网科学研究院、中国电力科学研究院等均利用人工气候室研究低气压下绝缘子闪络特性[7-10]，日本名古屋大学深入研究了低气压交流电压下短间隙放电和沿介质表面闪络放电特性[11-13]。然而人工气候室尺寸大且极限真空度有限，例如直径2 m、高3.8 m的人工气候室极限真空度为30 kPa，而直径22 m、高34 m时仅为60 kPa[14，15]，另外受材质的影响其有效放电间隙长度远小于半径。因此研制极限真空度高、有效放电间隙长、体积小且造价低的新型试验腔体具有重要实用意义。

本研究对试验腔体进行了设计与试制，并对成型腔体进行了气密性和放电性能测试，首次将聚丙烯腔体应用于低气压下长间隙放电试验研究中，研究成果对实验室条件下研究低气压下长间隙放电特性和改善腔体放电性能具有重要参考价值。

1 聚丙烯试验腔体设计

1.1 腔体性能参数

由于聚丙烯电绝缘性和耐疲劳性高，力学性能和耐热性在热塑性塑料中最好，因此本研究利用聚丙烯的绝缘性突破传统钢制腔体对放电间隙长度的限制[11-13]。腔体设计性能参数如表1所示。

表1 设计性能参数

1.2 腔体设计

聚丙烯主腔体包括圆筒外壁、椭圆形封头、加强结构、内胆四部分，加强结构焊接于圆筒外壁和封头内表面。为保证腔体环向稳定性，拟通过设置环向加强环的方式使圆筒外壁计算长度属于短圆柱壳体，临界计算长度Lk如式(1)所示：

(1)

式中：D0=1 236 mm为圆柱壳体外径；δ为理论壁厚。

其最小理论壁厚δmin如式(2)所示[18]：

(2)

式中：D=1 200 mm为圆柱壳体中性面直径；m1=3为薄壁圆柱壳体环向稳定系数；P=0.1 MPa为设计外压力；Et=1.32 GPa为聚丙烯弹性模量；C=1 mm为以腐蚀裕量和工艺加工减薄量为主的附加壁厚。

由此计算得理论最小壁厚δmin=15 mm，考虑实际情况后选择聚丙烯板材厚度为δe=18 mm。由于外压容器的设计准则要求壳体所能承受的临界压力Pk必须大于设计压力，即Pk1≥m1P，因此由式(3)[19]可验证Pk1=0.727 MPa符合设计要求。

(3)

式中：μ=0.410 3为聚丙烯泊松比。

聚丙烯封头外形采用直径1 200 mm的标准椭圆形封头尺寸，临界外压力Pk2如式(4)[20]所示，许用外压力由式(5)可得[P]=0.138 MPa。

(4)

(5)

式中：R=600 mm为圆柱壳体平均半径；n为失稳波形数；δe2=20 mm为封头实际壁厚；m2=14.52为椭圆形封头稳定系数。

为确保圆柱壳体环向稳定性，对加强环考虑间断焊接等因素,其所需惯性矩增加10%，且实际组合惯性矩应大于所需惯性矩，即Is>I[20]。所需惯性矩和实际惯性矩分别如式(6)、式(7)所示[21]：

(6)

(7)

为利用聚丙烯材料的可塑性进一步加强腔体稳定性，拟对腔体内壁设置9条纵向加强筋，从而使腔体侧壁和封头处加强筋构成笼型结构，试验腔体结构如图1所示。

1-棒电极；2-上封头；3-封头加强筋；4-内胆；5-侧壁竖筋；6-侧壁环筋；7-观察窗；8-侧壁；9-板电极；10-下封头；11-引线接口；12-气压控制口图1 试验腔体结构图Fig.1 Structural diagram of test chamber

2 试验原理及设备选取

本试验的目的是测试试制的聚丙烯试验腔体耐压性、气密性及放电性能，包括耐受0.1 MPa外压能力、真空度高于1 000 Pa时压升率变化范围及间隙距离600 mm下的交流电压放电效果。

2.1 试验腔体

加工成型的试验腔体如图2(a)所示，中部观察窗用于观察放电现象。棒-板电极是典型空气间隙之一[22]，本研究利用棒-板电极测试腔体放电性能。棒-板电极垂直布置于腔体内部，板电极为直径800 mm铁板。棒电极为直径15 mm的分段插接式球头棒。棒-板电极如图2(b)所示。

图2 试验腔体及棒-板电极Fig.2 Test chamber and rod-to-plane electrode

2.2 耐压性和气密性测试方法

腔体设计外压力为0.1 MPa，耐压性试验拟对腔体进行0.125 MPa液压试验后进行气压试验。腔体气密性主要针对压升率指标，针对极限真空度附近的平均压升率值拟在25～65 Pa气压范围内选取9个气压段，ΔP=5 Pa,每个气压段测试5次并取平均值。针对腔体压升率变化趋势拟在100～900 Pa气压范围内选取9个气压段，ΔP=100 Pa,每个气压段测试5次并取平均值。

2.3 放电性能测试方法

放电试验利用200 mm、400 mm和600 mm三种棒-板间隙交流放电现象测试腔体放电性能。由于空气间隙交流放电特征量分散性较小，因此采用均匀升压法进行试验[23]。利用高速摄像机对放电现象进行观测时采用手动触发方式录制棒电极尖端产生电晕到间隙击穿全过程。为避免放电产生的空间电荷对下次放电产生影响，两次放电间隔时间为5 min。

2.4 试验设备及场地布置

试验研究是在华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室内完成。试验电气布置如图3所示。交流高压源为YDQ-400V/200kV充气式试验变压器，容量为20 kVA；均匀升压通过HZTC-101工频耐压控制台实现；真空度由DL-10A型石英真空计测得，量程为5×10-1～105Pa[24]。真空泵选用西门子RVP-6旋片式真空泵，抽气速率为6 L/s。采用一台LX-30高速摄像机对放电过程进行观测，主要录制棒-板间隙的放电现象，所采用拍摄速度为60帧/s(对应像素640×480，单帧曝光时间16.7 ms)。由于外腔壁聚丙烯材质对外界电场没有屏蔽作用，因此考虑在腔体四周布置金属屏蔽笼。

A-380 V/20 kVA控制台；B-200 kV/20 kVA试验变压器；C-分压器(R2、R3分压电阻)；D-真空泵；E-真空计；F-高速摄像机；G-电脑；H-数显屏；I-试验腔体；R1-保护电阻(10 MΩ)图3 试验电气布置图Fig.3 Experiment setup

3 试验结果及分析

3.1 耐压性和气密性测试

试验腔体压升率与气压关系如图4所示。利用抽气速率为6 L/s的真空泵可使腔体达到极限真空度23 Pa，在25～65 Pa气压范围内腔体最大压升率为0.077 Pa/s，平均压升率为0.053 Pa/s，在100～900 Pa气压范围内腔体最大压升率为0.056 Pa/s，平均压升率为0.042 Pa/s。由压升率变化趋势可知压升率最大值位于该腔体真空度最大值点，且随真空度降低而降低。试验结果表明腔体具备耐受0.1 MPa外压能力且25～900 Pa气压范围内压升率小于0.1 Pa/s。考虑25～65 Pa内平均压升率并由式(8)[25]可得极限真空度为20.65 Pa，与试验测试结果十分接近。

(8)

式中：Sp为真空泵抽速；Ks=1.4为腔体出口处真空泵抽速损失系数；Py=0.053 Pa/s为腔体极限真空度附近平均压升率；V=1 639 L为腔体内容积；Pg为极限真空度。

图4 压升率与气压关系Fig.4 Relationship between pressure rise rate and pressure

3.2 放电性能测试

腔体设计最大有效放电间隙为600 mm，本研究针对20 kPa气压下200 mm、400 mm、600 mm三种间隙的放电现象进行观测，交流电压下棒-板间隙放电观测结果如图5所示。

图5 腔体放电观测结果Fig.5 Observation result of discharge in test chamber

由交流电压下的放电效果可以看出，该试验腔体在有效半径为500 mm的情况下能够实现棒-板间隙距离600 mm以内的放电试验，放电间隙长度已超过腔体半径。由图5(c)可以看出当放电间隙距离达到600 mm时放电通道外形不受腔壁影响，放电性能较相同半径钢制腔体有明显改善，利用该试验腔体研究低气压下长间隙放电可以显著缩小腔体尺寸，降低制造成本。

4 结 论

本文在综合考虑试验需求、安全性和成本的基础上，设计并试制了一种用于研究低气压放电特性的聚丙烯试验腔体，并通过搭建试验平台对其耐压性、气密性和放电性能进行测试，首次将聚丙烯腔体应用于低气压放电特性研究中。

(1)耐压性和气密性试验结果表明，试制的聚丙烯试验腔体具有耐受真空能力，对试验周期较短的交流放电试验气压误差较小。然而受压升率影响腔体极限真空度受到限制，建议进一步对聚丙烯腔体气密性进行改进。

(2)聚丙烯腔体相对于同尺寸钢制腔体的放电性能有很大改善，放电间隙长度在超过腔体半径的情况下放电路径未受腔壁限制，充分说明聚丙烯腔体在搭建低气压放电试验平台和改进腔体放电性能中的重要参考价值。

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Experimental Research on Test Chamber Used in Discharge Test Under Low Pressure

YANG Yaqi, LI Weiguo, YUAN Chuangye, XIA Yu

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to research the long air gap AC discharge characteristics under low pressure and break the limitation of steel chamber size to discharge length, a test chamber with polypropylene material as its main body was made and its gas tightness and discharge performance were tested by test platform. The results show that the maximum pressure rise rate is less than 0.1 Pa/s within 25～900 Pa and the effective length of discharge gap is 600 mm and exceeds the radius of the chamber. The gas tightness and discharge performance of the chamber could meet the requirement of long air gap AC discharge test. These results are of reference value for the study of long air gap discharge characteristics under low pressure, the building of discharge test platform under low pressure and improvement of discharge performance of common chamber.

long air gap discharge; test chamber; low pressure; pressure rise rate; discharge performance

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.10

2015-05-23.

TM215

A

1007-2691(2017)01-0065-05

杨亚奇(1989-)，男，博士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术;李卫国(1954-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、高电压与绝缘技术;袁创业(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术;夏喻(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。