低气压长间隙工频放电U50%-P曲线饱和特性研究

杨亚奇，李卫国，袁创业，夏 喻，陈 艳

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

低气压长间隙工频放电U50%-P曲线饱和特性研究

杨亚奇，李卫国，袁创业，夏 喻，陈 艳

(华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

为研究低气压下长间隙工频放电击穿电压与气压U50%-P关系曲线饱和特性，利用低气压放电试验平台对2～70 kPa气压范围内300～600 mm棒-板间隙进行了工频放电试验研究，得到不同间隙距离的U50%-P曲线，并对曲线饱特性以及饱和区击穿前过程进行研究。研究结果表明：在2～70 kPa气压范围内不同棒-板间隙的U50%-P曲线均存在明显饱和区，随间隙距离减小饱和区向高气压方向移动，饱和范围增大且U50%分散性增大。产生上述现象的的原因为：饱和区内击穿前间断发展的流注放电产生大量空间电荷，影响电子自由行程和碰撞几率，削弱了气压对电子自由行程和碰撞几率的影响。研究结果对研究低气压下长空气间隙放电特性提供参考。

低气压；长间隙；工频放电；饱和区

0 引 言

随着我国高海拔地区电压等级的逐渐提高，低气压下长空气间隙放电逐渐成为高电压领域主要关注的问题之一。相关研究表明低气压条件对放电特性影响显著，国内外许多研究机构如清华大学、中国电力科学研究院、日本名古屋大学等都对低气压下空气间隙放电特性进行了深入研究，并获得了大量外部特征[1-6]。目前针对低气压放电特性的研究主要集中在高海拔(≥60 kPa)和高真空(≤10-5Pa)两方面[7-16]，而针对2～60k Pa气压范围内放电特性的研究相对较少。然而随着高空飞行器等极高海拔低气压条件下电气设备的使用[17，18]，有必要对2～60 kPa气压范围内空气间隙放电特性进行深入研究。本文利用低气压放电试验平台对2～70 kPa气压范围内300～600 mm棒-板长间隙工频放电特性进行了试验研究，得出不同间隙下的U50%-P关系曲线，并对曲线饱和特性以及饱和区击穿前过程进行了实验研究。研究成果对探索低气压下长间隙工频放电特性以及极高海拔下电气设备应用提供参考。

1 试验设备及测量方法

1.1 试验平台及参数

试验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，试验平台接线如图1所示。试验腔体主体材质为聚丙烯，最大放电间隙1 000 mm，腔体内部垂直布置棒-板间隙，棒电极为直径15 mm的锥尖头不锈钢棒，锥尖头高度15 mm。板电极为直径1 000 mm、厚度5 mm的圆边不锈钢板，试验腔体如图3所示。工频电源部分采用YDQ-400V/200kV充气式试验变压器和HZTC-101工频耐压控制台。气压控制部分采用西门子RVP-6旋片式真空泵和DL-10A型石英真空计，真空计量程5×10-1～105Pa。高速摄像机为WP-U1400高速工业摄像机，95帧/s时分辨率1 024×768，主要录制棒-板电极之间的放电现象。

A-控制台；B-试验变压器；C-分压器(R1、R2分压电阻)；D-高速摄像机；E-真空泵；F-真空计；G-示波器；H-电脑；I-试验腔体图1 试验平台接线图Fig.1 Circuit connection of test platform

图2 试验腔体Fig.2 Test chamber

1.2 试验方法

本研究针对300 mm、400 mm、500 mm、600 mm四种棒-板间隙进行试验。由于工频击穿电压分散性较小，试验过程采用均匀升压法。在试验气压值下缓慢增加电压幅值直至产生第一次击穿，并在该电压等级下进行20次放电试验。若击穿电压值标准差<3%，则认为击穿电压值有效，以某试验条件下20次击穿电压平均值为工频50%击穿电压。为避免放电产生的电荷对下次放电产生影响，相邻两次放电间隔5 min。高速摄像机采取手动触发方式拍摄饱和区内放电前的间断先导放电现象。

2 试验结果及分析

2.1U50%-P曲线饱和特性分析

试验测得的300～600 mm棒-板间隙2～70 kPa气压范围内的U50%-P特性曲线如图3所示。由图可见，曲线具有两个增长区和一个饱和区，击穿电压随气压的关系均呈现“增长-饱和-增长”的变化特征。

图3 U50%-P关系曲线Fig.3 Relationship between U50% and P

工频击穿电压增幅ΔU50%随气压变化的ΔU50%-P曲线如图4所示。饱和区为ΔU50%首次和最后一次接近0之间的部分。由增幅变化曲线可以看出：(1)增长区A内不同间隙距离下的ΔU50%首先增大，而后较大气压范围内呈现下降趋势，ΔU50%由上升变为下降的拐点α随间隙距离增加向低气压方向移动。(2)不同间隙距离饱和区特征如表1所示。由图4和表1可见不同间隙距离的U50%均存在饱和区，随间隙距离减小饱和区向高气压方向移动，且U50%分散性逐渐增大。(3)增长区B内不同间隙距离下的ΔU50%-P曲线呈现缓慢上升趋势。

出现上述现象的原因分别为：(1)在2～70 kPa气压范围内气压与击穿电压正相关，间隙距离D与击穿电压正相关，而电子碰撞几率δ和自由行程λ分别与气压正、负相关。增长区A所在气压范围内气压升高对击穿电压的影响可以看成λ和δ共同作用的结果。当气压很低时(拐点α之前)，击穿电压对λ变化较为敏感，气压增加使λ减小，不利于电子积聚产生碰撞电离的能量，间隙击穿所需电压增高。然而当气压进一步升高(拐点α之后)，空间电荷密度增加导致电子运动相同距离可能发生的碰撞电离次数增加，从而使击穿电压的上升趋势得到缓解，因此ΔU50%-P曲线自拐点α后呈现下降趋势。拐点α击穿电压受正相关因素P、D共同作用使得随间隙距离增大拐点α向低气压方向移动。(2)U50%-P曲线存在饱和区的可能原因为正、负相关因素λ、δ由于放电过程中的特殊过程而改变，导致较大范围内升高气压对λ、δ影响不明显。(3)当气压值超过拐点β时，对U50%的影响主要由正相关因素λ决定。

图4 ΔU50%-P关系曲线Fig.4 Relationship between ΔU50% and P

表1 饱和区特征参数

2.2 饱和区击穿前放电特征分析

本研究认为U50%-P曲线存在饱和区是由于在该区域气压范围内放电的微观过程与增长区存在不同，即饱和区内的特殊过程对空间电荷密度δ产生影响。工频电压下间隙击穿的主要过程包括电晕、流注先导转化、先导发展、回击4个阶段[19-23]，通过观察增长区A、饱和区和增长区B放电过程可以发现间隙击穿前的均匀升压过程中均在棒电极前方存在持续的放电现象。以600 mm间隙为例，不同气压下击穿前放电特征如图5所示。

图5 击穿前放电现象Fig.5 Discharge phenomenon before breakdown

图5(1)～(6)气压值分别为8 kPa、14 kPa、24 kPa、32 kPa、44 kPa、56 kPa。由图可见，增长区A中当气压P=8 kPa时，击穿前持续存在包裹棒尖端的电晕层；当P=14 kPa时棒电极前方扇形区域内出现流注刷状放电，因此增长区A击穿前以小范围电晕和刷状放电为主。饱和区中当P=24 kPa和P=32 kPa时，击穿前可以观察到由棒电极向下方宽广区域内间断出现流注放电通道，流注通道未触及板电极便消失，且在工频电压下间断出现的频率具有随机性，因此饱和区击穿前以大范围流注放电为主。增长区B中P=44 kPa和P=56 kPa时击穿前与增长区A相似，以小范围刷状放电为主。

经对比发现饱和区和增长区放电过程的主要区别在于击穿前持续放电发展的空间范围不同。由于饱和区内击穿前可以发展多次较长的流注放电，而流注通道为电荷密度较高的等离子体，流注伸长停止后等离子体内电荷向周围空间扩散，致使放电间隙空间电荷密度大幅增加。空间电荷密度变化导致自由电子的λ和δ均发生变化，一定范围内升高气压对空间电荷密度的增加作用较小。因此U50%-P曲线存在饱和区的原因是间断发展的流注通道使空间电荷密度大幅增加，致使自由电子的δ、λ明显变化，从而削弱了气压对δ、λ的影响。

图6为600 mm间隙某次击穿前连续产生的8次间断流注放电现象。由图可见随电压增加流注通道逐渐向板电极伸长，但其长度存在分散性。因此间隙距离越小，流注通道长度分散性对击穿电压影响越大，ΔU50%分散性越明显。

图6 放电前流注特征Fig.6 Streamer characteristics before breakdown

3 结 论

本文利用低气压放电试验平台对2～70 kPa气压范围内300～600 mm棒-板长间隙工频放电特性进行了试验研究，得到不同间隙距离下的U50%-P曲线，并对曲线饱特性以及饱和区击穿前过程进行分析，得出以下结论：

(1)不同间隙下的U50%-P曲线均存在明显饱和区，随间隙距离减小，饱和区向高气压方向移动，饱和范围扩大且击穿电压分散性增加。

(2)U50%-P曲线存在饱和区的原因为：饱和区内间隙击穿前间断出现的流注放电使空间电荷密度增加，影响电子的自由行程和碰撞几率，削弱了气压升高对电子自由行程和碰撞几率的影响。

[1] 杨皓麟, 张福增, 赵锋, 等. 高海拔地区±800kV复合支柱绝缘子直流污闪特性[J]. 高电压技术, 2009, 35(4): 749-754.

[2] 张福增, 李锐海, 王国利, 等．高海拔特高压线路绝缘子的直流污闪特性[J]. 南方电网技术, 2011, 5(1): 29-32.

[3] 于昕哲, 周军, 刘博, 等. 全尺寸超、特高压交流绝缘子串的覆冰闪络特性[J]. 高电压技术, 2013, 39(6): 1454-1459.

[4] 张志劲, 蒋兴良, 孙才新, 等. 低气压下长串绝缘子的直流污闪特性[J]. 高电压技术, 2009, 35(2): 299-303.

[5] NAKANO Y, KOJIMA H, HAYAKAWA N, et al. Pre-discharge and flashover characteristics of impulse surface discharge in vacuum[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(1): 403-410.

[6] NAKANO Y, KOJIMA H, HAYAKAWA N, et al. Development process of impulse surface discharge in vacuum[C]. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Tomsk, Russia, 2012: 125-128.

[7] 孙才新, 蒋兴良, 司马文霞, 等. 海拔4000m以上短间隙交流放电特性及电压校正[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(10): 116-120.

[8] 司马文霞, 叶轩, 谭威, 等. 高海拔220kV输电线路绝缘子串与并联间隙雷电冲击绝缘配合研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(10): 168-176.

[9] 丁玉剑, 李庆峰, 廖蔚明, 等. 高海拔地区典型长空气间隙的操作冲击放电特性和海拔校正[J]. 高电压技术, 2013, 39(6)：1441-1446.

[10] 郝艳捧, 毛长庚, 王国利, 等. 高海拔地区复合绝缘子先导发展法闪络判据[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(34): 158-164.

[11] 律方成, 秦春旭, 郭文义, 等. 高海拔地区±800 kV特高压直流输电系统绝缘子带电自然积污特性[J]. 高电压技术, 2013, 39(3): 513-519.

[12] 杨庆, 董岳, 叶轩, 等. 高海拔地区500kV输电线路用复合绝缘子与并联间隙的绝缘配合[J]. 高电压技术, 2013, 39(2): 407-414.

[13] 王磊, 苏杰, 谷山强, 等. 高海拔长绝缘子串并联间隙雷电冲击放电特性及其失效性[J]. 高电压技术, 2014, 40(5): 1365-1373.

[14] 蒋兴良, 于亮, 胡建林, 等. 棒-板长空气间隙在低气压下雷电冲击特性及电压校正[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(11): 152-156.

[15] KOJIMA H, ISHIDA M, HAYAKAWA N,et al. Partial Discharge Characteristics and Mechanisms in Consideration of Charge Behavior on Alumina Dielectrics under AC Voltage in Vacuum[C]. International Conference on Electric Power Equipment, Matsue,Japan, 2013： 1-4.

[16] HIROAKI Kojima, MAKOTO Ishida, NAOKI Hayakawa, et al. Charge behavior and partial discharge characteristics on alumina dielectrics under AC voltage application in vacuum[J]. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Tomsk,Russia, 2012, 45(7): 68-71.

[17] 刘浩, 刘尚合, 魏明, 等. 高空低气压电晕放电特性模拟试验研究[J]. 高电压技术, 2015, 41(5): 1704-1708.

[18] 刘浩, 刘尚合, 曹鹤飞, 等. 高空低气压、低温环境下的电晕放电模拟试验系统[J]. 高电压技术, 2015, 41(2): 578-583.

[19] XIE Y, HE H, HE J, et al. The Effect of Corona Discharge on Leader Initiation in Long Air Gaps[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(4): 890-895.

[20] 律方成, 戴日俊, 王胜辉, 等. 极不均匀电场中电晕放电紫外成像图像参量变化特性研究[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2012, 39(2): 1-7.

[21] 王秋莎, 律方成, 刘云鹏, 等. 电晕对室温硫化硅橡胶憎水性的影响研究[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2010, 37(4): 14-17.

[22] GU S, CHEN W, CHEN J, et al. Observation of the streamer-leader propagation processes of long air-gap positive discharges[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2010, 38(2): 214-217.

[23] SUZUKI T, MIYAKE K, KISHIZIMA I. Study on experimental simulation of lightning strokes[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1981, PAS-100(4): 703-1711.

Research on Saturation Characteristics ofU50%-PCurveof Long Gap Power-frequency Discharge Under Low Pressure

YANG Yaqi, LI Weiguo, YUAN Chuangye, XIA Yu, CHEN Yan

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

To research the saturation characteristics ofU50%-Pcurve of long gap power-frequency discharge breakdown voltage under low pressure, experimental study of power-frequency discharge was carried out in the test platform for 300～600 mm rod-plane gaps within the pressure range from 2 to 70 kPa. TheU50%-Pcurves of different gaps are obtained, and the saturation characteristics as well as the process of pre-breakdown are studied. The results show thatU50%-Pcurves of different rod-plane gaps within 2～70 kPa all have obvious saturation regions. As the gap distance decreases, the saturation region moves towards the direction of high pressure and its range increases, and the dispersion of discharge voltage increases. The reason is that a large amount of space charge generated by discontinuous streamers before breakdown in the saturation region affects the free path and collision possibility of electron, which weakens the influence of pressure on them. These results have reference value for the study of long gap discharge under low pressure.

low pressure; long gap; power-frequency discharge; saturation region

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.02.08

2016-07-06.

国家自然科学基金资助项目(51277063).

TM852

A

1007-2691(2017)02-0055-05

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，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。