单一环境应力条件下短空气间隙放电特性实验研究

李 静，刘玉芝，杨轶轩，阳 晋

(1．石家庄铁道大学，河北 石家庄 050000； 2．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073)

我国国土面积大，地形、气候复杂多变。随着电力系统的迅猛发展，尤其在南方高湿度地区和青藏、川藏等高海拔地区的不断建设，不仅加重了环境因素对防雷保护装置的影响，也给防雷保护装置的安全可靠运行增添了许多不确定因素。

国内外的关于气体放电的研究主要集中在长空气间隙放电方面，如文献[1]主要进行了气压p、湿度h对100 mm、200 mm、300 mm三种不同距离间隙放电电压影响的研究。文献[2]研究了0.5、1.0、1.5 m 和2.0 m棒-板空气间隙的雷电冲击放电特性。在正常情况下，棒-板间隙对地是绝缘的，并且绝缘强度低于所保护线路的绝缘水平，因此，当线路遭到雷击时，棒-板间隙首先因过电压而被击穿，将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护线路和电气设备的作用。目前对于短间隙棒-板放电电压U50受气压、湿度及温度等环境影响的研究较少，但青藏高原等高海拔地区的低气压和南方地区的高湿度都会对棒-板间隙的放电电压产生一定的影响，甚至影响相关系统的正常工作，解决此问题意义重大，因此本文研究了不同气压、湿度及温度等环境因素对其放电电压的影响。

1 试验装置、试品及实验方法

1.1 试验装置

本文试验是在长*宽*高为2 500 mm*1 500 mm*2 800 mm的步入式高海拔环境试验箱(设备型号：TP/W710，如图1(a)所示)和2 000 mm*2 000 mm*3 000 Hmm的三综合试验箱(设备型号：DH-8000/THV712C，如图1(b)所示)内进行的。步入式高海拔环境试验箱用于模拟高原环境，进行产品海拔高度环境条件的试验；三综合试验箱可以进行温度和湿度的调节，温度范围：-70 ℃～+150 ℃，温度偏差为±2 ℃，温度波动度≤1 ℃，温度均匀度≤2 ℃，湿度范围:20%～98%。试验采用GIV冲击电压发生器(如图1(c)所示)产生雷电发生电压，注入1.2/50 μs的开路电压波进行雷电冲击，利用GAS3冲击测量分析系统(如图1(d)所示)对放电电压进行采集。

1.2 试品

实验选取作为防雷保护装置的棒-板间隙，间隙距离约2 mm，电极直径为3 mm，棒-板间隙的实体图如图2所示。

1.3 试验方法

将棒-板间隙放置于环境试验箱内，施加各种条件的同时，对其进行雷电冲击：

1)试品预处理：在试验前对各电极进行擦拭，保持其表面一定的洁净度与干燥度，以免在试验过程中发生湿闪或污闪，影响试验结果的准确度。

2)间隙布置：将一根金属棒电极与高电位线相连，另一个电极板与大地相连。

3)气压模拟：本试验研究模拟的海拔高度分别为1 m、4 200 m、11 000 m，其对应的大气压值分别为100 kPa、60 kPa、20 kPa，设置实验温度为25 ℃，湿度为常湿，调整压强保持30 min后，重复测试电压波形及峰值的内容并记录；设备至常压状态，恢复2 h后，重复步骤(3)。

4)温湿度模拟：本实验研究模拟的湿度为20%、60%、98%，实验温度为25 ℃，气压为常压状态；模拟的温度为-55 ℃、25 ℃、95 ℃，实验设置为常湿常压，保持30分钟后，重复测试电压波形及峰值的内容并记录；设备至常压状态，恢复2 h后，重复步骤(4)。

5)施加电压：依据《GB/T 16927.1—2011—高电压试验技术第1部分：一般定义及试验要求》，试验中采用恒压升降法。每级冲击次数n=1，有效冲击次数m≥20。两次试验之间应间隔3～5 min。雷电冲击50%放电电压U50可由下式获得：

U50=∑(kiUi)/m

其中ki为电压Ui下施加电压的组数(每组施加n次电压)；m为总的有效组数。为避免明显的误差，所考虑的最低电压与U50的差不大于2ΔU。

相对标准偏差率为

式中：U50是50%雷电放电电压，kV；Ui是第i次施加的电压值，kV；N是总有效次数。

2 试验结果及分析

短间隙棒-板在不同气压、温度、湿度条件下放电试验的数据和结果如表1所示，并进一步做出了间隙放电电压与温度、湿度和气压的关系图，分别如图3、图4和图5所示。

表1 雷电冲击试验结果

由于正极性雷电冲击放电电压低于负极性雷电冲击放电电压，因此本文对正极性雷电放电电压进行研究。试验所得数据的标准偏差σ都小于5%。表明试验数据有较小的误差，因此所得的雷电冲击 50%放电电压U50有效。

由图3可以看出随着海拔升高气压降低，棒-板间隙放电电压U50随气压的降低有非常明显的下降。当大气压强p从100 kPa下降到60 kPa(海拔高度从1 m上升到4 200 m)时，间隙放电电压U50从5.450 kV下降到4.130 kV，下降了约24.2%；当大气压强p从60 kPa 下降到20 kPa(海拔高度从4 200 m上升到11 000 m)时，间隙放电电压U50从4.130 kV下降到2.050 kV,下降了约50.4%。微观分析气体放电可知，当海拔升高大气压强降低时，空气密度也随之降低，从而导致空气中的带电质点的自由行程增加，带电质点在自由行程内从外电场获得动能，以至于在和分子碰撞时能使分子分裂出自由电子，从而引起电子增加导致气体间隙击穿。

由图4可以看出随着湿度的增大，棒-板间隙放电电压U50的变化不大。湿度从20%上升到60%时，对放电电压U50几乎无影响，变化约0.2%；湿度从60%上升为98%时，放电电压U50从5.517 kV下降到5.452 kV，下降了约1.2%。由此可见湿度对于短间隙的击穿电压影响不大。文献[3-4]分析了当棒-板间隙长时间处于高湿度环境下，电极上附有凝露时会造成电极周围电场发生严重畸变，使间隙最大场强大幅增加，从而使间隙放电电压大幅降低。

由图5可以看出：随着温度的升高，棒-板间隙放电电压U50随之下降，下降幅度不大。温度从-55 ℃ 上升到25 ℃时，间隙放电电压U50下降约10.9%；温度从25 ℃上升到95 ℃，间隙放电电压U50下降约1.4%。可见温度对气体间隙放电电压影响不大，放电电压会随温度的升高有稍许降低。因为温度升高会使空气密度有略微的下降，从而使空气中带电质点的自由行程增大，使放电电压随之减小。

选取棒-板间隙在不同湿度条件下放电电压数据为参考，分别对棒-板间隙在不同温度及不同气压下的放电电压数据与其进行对比，对比图如图6和图7所示。

从图6和图7可知，温度在第一阶段(-55 ℃至25 ℃)和第二阶段(25 ℃至95 ℃)棒-板间隙放电电压的变化分别为10.9%、1.4%；气压在第一阶段(20 kP至60 kP)和第二阶段(60 kP至100 kP)棒-板间隙放电电压的变化分别为24.2%、50.4%；湿度在第一阶段(20%至60%)和第二阶段(60%至98%)棒-板间隙放电电压的变化分别为0.2%、1.2%。可看出温度条件下棒-板间隙放电电压的最小变化量要比湿度条件下棒-板间隙放电电压的最大变化量多0.2%，而气压条件下棒-板间隙放电电压的最小变化量比温度条件下棒-板间隙放电电压的最大变化量多13.3%。由此可得，短间隙棒-板的放电电压U50对受湿度的影响不敏感，且影响棒-板间隙放电电压的主要因素是气压。因此在配置防雷保护装置棒-板间隙时，要重点考虑不同气压环境对棒-板间隙放电电压U50的影响[1-2]。

图8和图9分别为不同情况下棒-板间隙的放电波形图，图8为棒-板间隙未发生击穿现象的放电波形图，此时棒-板间隙未起到对设备的雷击保护的作用，会导致电气设备会受到过电压的破坏。从图9可以看出棒-板间隙仅需要大约1.3 μs就可以击穿，可以看出间隙发生放电后，把一部分过电压的电荷引入大地，从而避免了被保护设备上的电压升高，起到了对设备雷击保护的作用。

3 结论

1)气压对间隙放电电压的影响最为严重，随着海拔的升高气压降低，使得放电电压U50以千伏的幅度下降。2)温度和湿度对间隙放电电压的影响比较小，但当棒-板间隙长期处于高湿环境下时要定期对其进行擦拭，防止间隙表面形成水膜或水滴从而使间隙放电电压U50减小。3)经过温湿度和气压环境下棒-板间隙放电电压的对比可知，影响棒-板间隙放电电压U50的主要因素是气压，在配置多特征轨道电路纵向防雷棒-板间隙时，要着重考虑气压对棒-板间隙放电电压所带来的影响。