金属颗粒对高空放电特性影响的实验研究

2020-04-02王昆林邓云坤田增耀

电器与能效管理技术 2020年2期

王昆林, 邓云坤, 田增耀, 赵虎, 王科, 彭晶, 马仪

(1.云南电网有限责任公司,云南昆明 650051; 2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明 650217; 3.西北工业大学自动化学院,陕西西安 710072)

0 引言

随着飞机供电系统容量的不断提升,采用±270 V高压直流供电系统(HVDC)取代传统的±115 V交流供电系统已成为一种新的趋势[1-5]。目前,±270 V HVDC供电系统已经在美国F-22和F-35中装备应用,其具有重量轻、效率高、可靠性高等优点,引起了国内外研究者的广泛关注[6-8]。另一方面,未来飞机中的电气设备会越来越多,飞机供电系统的功率和容量会更大,使得电源供电电压需要进一步升高[9-10]。然而,根据帕邢曲线,通常条件下均匀电场中空气发生击穿放电的最小电压为327 V,而在高温、湿度较大、电场不均匀度大的环境中空气发生局部电晕或间隙击穿所需的电压可能更低[11-14]。传统的±115 V交流供电系统电压小于这一阈值,当电压升高为±270 V时,将增加飞机供电系统局部出现放电故障的可能性,严重影响飞机供电的可靠性。因此研究飞机供电系统中空气间隙放电机理与规律,探索高电压放电的防护方法及高电压供电系统的绝缘设计原则是非常必要的。

在飞机供电系统内部的空气放电特性研究方面,Karady[15]和Cotton[16]实验研究了针对线-板电极结构的低气压、小间隙的电晕放电特性;Dunbar[17]研究了多种典型电极结构在高频电压下的空气击穿特性;张晓斌[18]测试了飞机线缆的阻抗特性。在飞机局部的击穿放电故障检测方面,Sarjeant[19]搭建了高压电力系统局部放电测试系统;Schweickart[20]设计了机载线束局部放电测试系统;杨立树[21]对航空供电系统中电弧故障进行建模仿真并提出检测方法。在航空飞行器电气绝缘设计方法研究方面,Horwath[22]和Kirkici[23]等通过分析飞机高空环境中气压、温度以及不同电极结构等因素对空气放电特性的影响,对航空供电系统中各元件的设计标准、材料选择、耐久性、排布等提出了一些指导性的建议。另一方面,金属颗粒作为一种供电系统中典型的污染物,极易诱发系统的局部放电故障。目前涉及该问题的研究主要针对地面电力设备的高电压、长间隙情况[24-26],而针对金属颗粒在飞机供电系统的低气压、小间距情况的研究较少。

为了模拟飞机在高空大气层低气压工作环境,探究金属颗粒对低气压、小间距空气间隙击穿特性影响,本文搭建了空气击穿放电实验平台,采用金属薄片替代金属颗粒,进行了不同气压、间距下气体击穿放电实验,并采用高速相机记录气体放电的发展过程。从气压的变化、电场的分布和金属颗粒的运动状态来分析和掌握空气间隙的击穿特性,以期望对飞机高电压放电防护和绝缘设计提供理论参考。

1 实验装置及实验方法

高海拔大气环境具有气压低的特点,不同海拔处的气压值如表1所示[27]。随着海拔的升高,气压显著降低。飞机的飞行一般高度范围为6 ～ 12.5 km[28],对应的气压为47 ～ 19 kPa。

表1 不同海拔处的气压值

针对低气压环境的需求,本文搭建了低气压气体放电实验装置,如图1所示,主要由实验腔体、直流电源、限流电阻、测量电阻、真空表及真空泵等组成。为了保护电源防止电流过大,在回路中串联了15 kΩ限流电阻。空气击穿电压、电流通过高压探头和50 Ω的电流测量电阻来采集,高速相机透过实验腔体的石英玻璃观察窗记录金属颗粒与空气间隙放电的运动和发展过程。

实验的电极结构有两种,分别为棒-棒和板-板结构。棒-棒电极为两个直径25 mm、长度60 mm的金属棒,电极间距可在0～15 mm范围变化,精度为0.01 mm,用于研究气压、电极间隙距离对击穿特性的影响。板-板电极为两块大小为100 mm×100 mm、厚3 mm的方形金属板,用于研究金属颗粒对间隙击穿特性的影响。用大小为1 mm×1 mm、厚度为0.3 mm的方形金属铝箔片模拟金属颗粒。为防止金属颗粒直接连通两个电极,电极间隙取1.5 mm,实验时将金属颗粒放置在下极板(负极)的中心。为了保证实验数据的可靠性,缓慢升高外加电压直至空气被击穿,记录和保存实验结果,并且相同条件下每组实验不低于8次,取其平均值作为该条件下的击穿电压值。

2 实验结果与分析

2.1 空气间隙击穿特性

试验测得的空气在不同间距下的帕邢曲线如图2所示。空气间隙击穿电压随pd值(气压与间距的乘积)的增大而增大。然而对于棒-棒电极结构,在pd值较小的范围内,不同间距下空气的帕邢曲线与帕邢曲线的参考值[11]有不重合的现象,电极间距越大,击穿电压偏离越明显。

间距为1 mm和10 mm的电压0.5 kV时棒-棒电极结构的电场分布计算结果分别如图3和图4所示。间距为1 mm时,电极间的电场比较均匀,可看作为似均匀电场;间距为10 mm时,电极间电场分布不均匀程度大,靠近电极表面附近的电场强度较大,电极边缘区域的电场加强尤为明显,间隙中间的电场强度较小。由于电极边缘局部电场强度较大,所以电极表面附近空气容易电离,产生更多的游离电子,就削弱了空气的绝缘强度,降低了空气的击穿电压。同时结合图2可以

看出,电场不均匀度越高,帕邢曲线的偏离越大。

2.2 金属颗粒的影响

含金属颗粒的情况下,空气击穿电压随气压的变化曲线如图5所示。当气压为10 kPa和15 kPa时,空气的击穿电压实验值较为稳定,击穿电压随气压的升高而升高。当气压从20 kPa升高至100 kPa时,相同条件下空气的击穿电压值有较大的浮动,击穿电压的平均值基本维持在1.4 kV左右,变化较小。

在气压较大时,金属颗粒受到电场力作用而向上运动,导致空气间隙击穿放电[29-30]。由于金属颗粒在极板间运动过程具有一定随机性,相同条件下的空气击穿电压值在一定范围内浮动。另一方面,每个金属颗粒的大小和质量基本一致,起始运动所对应的电场强度基本相同,因而击穿电压的平均值相对稳定[31-32]。

含/不含金属颗粒时空气间隙击穿电压随气压的变化曲线如图6所示。当气压为10 kPa和15 kPa时,含/不含金属颗粒的击穿电压值基本相同,击穿电压随着气压的升高逐渐升高。当气压从20 kPa升高至100 kPa时,不含金属颗粒随着气压的升高近似线性增大,而含金属颗粒的空气击穿电压基本稳定在一个较小的值。可以看出,存在一个临界气压值,当气压低于该值时,金属颗粒对空气击穿电压基本没有影响;当气压高于该值时,金属颗粒可以显著的减小空气间隙的击穿电压,随着气压的升高,击穿电压基本稳定在一个较小的值,变化较小。

2.3 电极间隙含金属颗粒的气体放电过程

气压10 kPa时含金属颗粒的电极间隙产生辉光放电的图像如图7所示,由此可以看到,阴极板上有深色的放电斑点,并且放电通道没有经过金属颗粒,金属颗粒仍静止在下极板上。结合图6可以看出,当气压较低时,金属颗粒的存在对空气间隙击穿特性几乎没有影响,放电过程与不含金属颗粒的情况下相同。

气压20 kPa时含金属颗粒的电极间隙放电图像如图8所示。最初,金属颗粒平放在下极板上,由于与负电极接触,因而金属颗粒上带有一定量的负电荷。随着电压的逐渐升高,间隙电场强度增加,金属颗粒受到电场力作用,左端一部分逐渐抬起,右端仍与下极板接触。当金属颗粒的顶端与上极板的距离减小到一定范围时,金属颗粒顶端部分与上极板间发生放电,产生明亮的蓝光。之后金属颗粒继续向上运动,当完全离开下极板时,气体放电变为上极板到下极板的放电,放电区域比之前要大,放电斑点呈蓝色,符合辉光放电的典型特征。金属颗粒在碰撞到电极板后发生反弹,之后一直在极板间上下运动,直到停在负极板上。

结合图6和图8可以看出,当金属颗粒受到的电场力大于自身重力时,金属颗粒开始从负极板向正极板运动,间接导致气体击穿的间隙减小,引发低电压下空气击穿放电。然而实验过程中金属颗粒的运动轨迹和姿态具有随机性,导致击穿电压在一定范围内波动。当空气间隙被击穿后,两极板间的电压明显减小,电场强度减弱,金属颗粒受到的电场力小于重力,因此在重力的作用下,最终会再次停留到负极板上。