浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压的影响

姜 梅，李江涛，孙 义，温定筠，李 涛，李 炜，王 津

（1.国网甘肃省电力科学研究院，兰州730050；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

0 引言

我国电网建设快速发展，规模不断扩大，穿过恶劣气候条件地区的线路越来越多，输电线路及变电站的安全运行尤为重要。我国北方地区沙尘天气频发，沙粒之间以及沙粒与地面之间摩擦导致电荷交换，从而使沙粒带电[1-3]，且近年来随着三峡大坝的建成，我国西北地区的降雨明显增多[4-6]，空间间隙的击穿电压降低，严重影响输变电线路及设备的安全运行。关于沙尘、降雨条件下输变电设备及线路发生事故的报告在逐渐增多[7-13]，2006年3月，郑州地区刮起沙尘暴，导致多地发生电力故障，高压线路跳闸，出现大面积停电现象；2006年4月，新疆吐鲁番地区出现沙尘暴天气，新疆220 kV红托线、托楼线等4条线路相继跳闸，220 kV楼兰至哈密电网线跳闸停电。2006年4月，山东地区大范围降雨，导致500 kV济长线跳闸，A相导线对塔身放电；2009年7月，湖北地区发生降雨，三峡左一电厂出现500 kV三龙I回线AB相间故障跳闸。2014年5月，持续浮尘天气下突然降雨导致甘肃龙川变主变压器发生跳闸，造成大范围停电事故。目前国内外在输电线路外绝缘设计中只考虑纯空气间隙的电气绝缘强度作为依据，而没有考虑空气间隙中存在浮尘颗粒、雨滴对间隙绝缘强度的影响，因此有必要对浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压的影响进行研究，为恶劣气候条件地区电力设备外绝缘的设计提供理论依据。

目前国内外学者对沙尘、降雨单一条件下电力设备外绝缘的放电特性研究较多，研究发现[7-8]：沙粒粒径、沙粒浓度、风速等因素都会影响间隙的放电特性。较大粒径的沙尘颗粒对间隙的放电具有促进作用，击穿电压降低，而当粒径超过一定范围时，促进作用不再明显；空气间隙的击穿电压随着沙尘浓度的增加而降低；在沙尘环境下，间隙击穿电压会随着风速的增加而增加。同时研究还发现[11-13]：降雨强度、雨水电导率等因素也会影响间隙的放电特性。随着降雨强度的增加，间隙交流击穿电压有所降低，但间隙交流击穿电压下降速度减缓，且降雨强度对间隙交流击穿电压的影响最明显；随着雨水电导率，增加间隙交流击穿电压也会有所降低，且雨水电导率较小时，间隙交流击穿电压的下降速率较快。目前国内外研究主要针对沙尘、降雨单一条件下间隙放电特性及机理进行研究，而对浮尘以及浮尘、降雨两者综合作用下间隙交流击穿电压的变化鲜有研究，因此有必要进行浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压影响的研究，为恶劣气候地区输变电设备及线路的外绝缘设计提供依据。

笔者通过搭建小型人工气候室模拟浮尘条件下突然降雨的天气，对棒-棒空气间隙交流击穿电压进行试验研究，分析浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压的影响。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

试验在自行设计搭建的小型人工气候室箱体中（1 m×1 m×1.4 m）进行，该气候室由有机玻璃制成，其结构示意图如图1所示。打开风机鼓风，使沙尘均匀分布在箱体内，达到浮尘天气。激光粉尘仪可实时准确的测量间隙之间的浮尘浓度，同时试验箱体中配有温湿度计及气压表，用于试验数据修正。试验箱体顶部装设有四个开断独立可控的喷头，可模拟降雨条件。所选用电极为ϕ6棒-棒电极，头部为半球，电极固定于支架上，间隙距离在1 cm～20 cm内连续可调。选用沙粒和硅藻土等体积参杂沙土产生浮尘条件。

图1 小型气候试验箱体结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of small climate test chamber

图2 试验电路示意图Fig.2 Test circuit schematic diagram

试验电路接线示意图如图2所示。电源系统由FCB-20 kVA型调压器和FVT-J-50 kV-20 kVA型工频试验变压器组成，变压器之后接保护电阻R，用电容分压器测量间隙交流击穿电压。

1.2 试验方法

浮尘是沙尘暴或扬沙过后细小颗粒浮游在空中形成的[6]，因此利用强风将沙土鼓入气候室使其充分循环后关闭风机，静置一段时间达到相对稳定即为浮尘条件。打开降雨系统，得到在一定浓度、降雨强度下的间隙交流击穿电压。浮尘条件下降雨时间隙交流击穿电压的测量方法如下：

1）调整间隙，记录试验箱体中的温度、湿度、气压以及初始浮尘浓度，利用均匀升压法测量此时间隙的交流击穿电压，记为Ub。

2）从进沙口加入一定量沙土，启动风机使转速达到13 m/s，模拟中等沙尘暴强度，风机持续工作5 min。

3）风机停止工作后静置，直到箱体内浮尘浓度相对稳定。

4）在高压电极端加电压U1=0.8Ub，当箱体内浮尘浓度为a1μg/m3时，打开降雨系统，利用电压升降法测得此时间隙交流击穿电压U2。

5）打开气候室门，打扫干净后烘干，重复上述步骤进行试验，得到不同浓度及不同降雨强度下间隙的交流击穿电压。

为保证试验数据的有效性，对每个试验数据进行温湿度修正[14]，且每组试验进行3-5组取平均值作为该条件下交流击穿电压值。

2 试验结果

2.1 浮尘对间隙交流击穿电压的影响

试验中首先研究浮尘条件下交流击穿电压的变化情况。每次试验前，测定洁净空气条件下间隙交流击穿电压，之后测定棒-棒间隙在不同浮尘浓度下的击穿电压，所得结果如图3、图4所示。由图3可知，对于d=8 cm、10 cm的棒-棒间隙，随着浮尘浓度的增加，间隙交流击穿电压先降低后升高，当浮尘浓度在400 μg/m3附近时，交流击穿电压达到最小值，相比于洁净空气下的击穿电压分别降低了6.7%、8.8%。由图4可以看出，在同一浮尘浓度条件下，交流击穿电压随间隙距离的变化曲线和洁净空气条件下的变化曲线相似，且对于同一间隙距离下，其交流击穿电压随浮尘浓度的增加而先降低后升高。

2.2 降雨对间隙交流击穿电压的影响

为研究降雨强度对间隙交流击穿电压的影响，试验中改变接入降雨系统中的喷头数量来改变降雨强度，并在每次试验时测量降雨强度。其中雨水电导率为σ20=210 μS/cm，棒-棒间隙竖直布置，所得结果如图5所示。由图可知，当出现降雨时，间隙交流击穿电压降低，且当降雨量较大时，其交流击穿电压下降速率减缓。对于d=8 cm的间隙，相比于无降雨时的情况，降雨量为I=1.8 mm/min、I=7.2 mm/min时，交流击穿电压分别降低了12.2%、17.4%。

图3 间隙交流击穿电压随浮尘浓度变化曲线Fig.3 Variation curves of gap breakdown voltage with floating dust concentration

图4 同浮尘浓度下击穿电压随间隙距离变化曲线Fig.4 Variation curves of breakdown voltage with gap distance under the same concentration of floating dust

图5 不同降雨强度下的交流击穿电压曲线Fig.5 AC breakdown voltage curve under different rainfall intensity

试验还研究了间隙倾斜角度对间隙交流击穿电压的影响。其中间隙距离d=8 cm，雨水电导率σ20=210μS/cm，在降雨强度I=1.8mm/min和3.6mm/min条件下进行试验，间隙倾斜角度在0-90。范围内变化，所得结果如图6所示。由图可知，降雨强度一定时，交流击穿电压随着间隙倾斜角度增加而逐渐升高。当降雨强度为1.8 mm/min时，水平放置间隙交流击穿电压比竖直放置击穿电压高5%。主要是由于雨滴粒径较大，重力不能忽略，因此当间隙倾斜角度增大时，由于重力作用，导致电极头部水柱倾斜向下，因此间隙交流击穿电压降低。

图6 不同间隙倾斜角度下的击穿电压曲线Fig.6 AC breakdown voltage curve under different gap slope angle

2.3 浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压的影响

在研究浮尘、降雨单一天气因素对间隙交流击穿电压的影响之后，利用该小型人工气候室，进行浮尘条件下降雨对间隙交流击穿电压的影响研究。其中间隙距离为2-10 cm，竖直放置，浮尘浓度为300 μg/cm3，降雨强度为1.8 mm/min，雨水电导率σ20=210 μS/cm，所得结果如图7所示。从图中可以看出，浮尘条件和降雨条件下，间隙交流击穿电压均有下降，而当浮尘条件下出现降雨时，间隙的交流击穿电压明显降低。以间隙距离d=10 cm为例，浮尘条件下其间隙交流击穿电压降低4.5%，降雨条件下其间隙交流击穿电压降低7.7%，而浮尘条件下出现降雨时，其击穿电压降低了16.8%，即两种因素同时出现时，其间隙交流击穿电压下降幅度大于两者单独作用之和。

图7 浮尘条件下降雨对间隙击穿电压的影响Fig.7 Influence of rainfall under floating dust condition on AC breakdown voltage of air gap

由之前试验以及学者研究知，影响间隙交流击穿电压的两个主要因素是浮尘浓度、降雨强度[10-11]，因此在试验中对通过改变浮尘浓度、降雨强度来研究其对间隙交流击穿电压的影响。其中间隙距离为d=10cm，间隙竖直放置，雨水电导率σ20=210μS/cm，所得结果如图8所示。由图可知，同一降雨强度条件下，间隙交流击穿电压随着浮尘浓度的增加而降低，同时当浮尘浓度一定时，随着降雨强度的增加，其间隙交流击穿电压降低。降雨强度为I=1.8 mm/min，当浮尘浓度达到800 μg/cm3，其间隙交流击穿电压相比于降雨条件时降低了12.8%。

图8 浮尘条件下降雨时间隙击穿电压变化曲线Fig.8 Variation curves of gap breakdown voltage in floating dust condition during rainfall

3 结果分析

由浮尘试验结果可知，当浮尘条件下，间隙交流击穿电压会随着浮尘浓度的增加先降低后升高，其主要原因是：浮尘浓度较低时，部分浮尘颗粒由于摩擦带电[1，3]，会对电场分布产生一定的畸变作用，同时，浮尘颗粒主要成分是石英砂，表面电子逸出功为3.25 eV[15]，相比于氮气、氧气，其更容易逸出电子；当浮尘浓度继续升高，电子的平均自由程减小，电子的能量减小，容易被浮尘颗粒等吸附，因此会导致间隙交流击穿电压升高。但由于浮尘颗粒粒径较小，对间隙交流击穿电压影响也较小。由降雨试验结果可知，当出现降雨时，会导致间隙击穿电压降低，而随着降雨强度的不断增加，其击穿电压下降速率降低，其主要原因是：雨水导电性好，降雨时电极头部形成一段水柱，缩短间隙距离，且雨滴粒径较大，在间隙中呈链状分布，对电场的畸变较明显，使自由电子、光子获得更多能量，发生有效电离碰撞的概率增大，因此降雨条件下，间隙交流击穿电压降低，而随着降雨强度的增加，水柱长度变化较小，同时对电场畸变作用变化也较小，因此间隙交流击穿电压降低速率减缓。

由浮尘条件下降雨试验可知，在浮尘条件下出现降雨会明显降低间隙的交流击穿电压，其主要原因是：有学者研究发现，沙尘暴发生时，沙尘颗粒之间相互摩擦会使颗粒带电，而粒径较小的颗粒带负电，因此部分浮尘颗粒带有一定负电荷，当出现降雨时，雨滴会吸附空气中的浮尘颗粒，部分雨滴吸附的浮尘较多，使其整体带电量增加，文献[16]中通过仿真发现，颗粒带电会使其对周围空间的电场分布畸变范围明显扩大，因此带电雨滴对周围空间电场畸变更加明显，自由电子、光子发生有效电离碰撞的概率增大，利于放电发展，间隙交流击穿电压降低。同时当浮尘浓度较大时，雨滴吸附的带电颗粒增多，利于放电发展，因此随着浮尘浓度的增加，间隙交流击穿电压未出现极值点。

4 结论

通过对浮尘条件下降雨对棒-棒间隙交流击穿电压的研究，并与浮尘、降雨单一因素对棒-棒间隙交流击穿电压的影响结果相对比，得到以下结论：

1）随着浮尘浓度的增加，间隙交流击穿电压先降低后升高，在400 μg/cm3附近出现间隙交流击穿电压极小值。

2）降雨会使间隙击穿电压降低，随着降雨强度的增加，其间隙交流击穿电压降低，但下降速率减缓。

3）浮尘条件下降雨会使间隙交流击穿电压明显降低，且浮尘浓度越高，降雨强度越大，其间隙交流击穿电压下降越多。

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