染污覆冰表面電弧和冰凌間隙電弧伏安特性試驗(yàn)研究

染污覆冰表面電弧和冰凌間隙電弧伏安特性試驗(yàn)研究

0不同覆冰界面電弧特性根據(jù)obenon沿面電模型，局部弧跡發(fā)芽的形成和發(fā)展是邊緣絕緣帶的必要條件。因此,局部電弧的特性,特別是局部電弧的伏安特性對(duì)絕緣子串沿面放電過(guò)程具有重要影響。為了研究覆冰絕緣子串的放電機(jī)理,必須先研究覆冰表面局部電弧伏安特性。電弧的伏安特性可表示為E=AI-n,式中,E為單位長(zhǎng)度電弧電壓,V/cm;I為電弧電流,A;A、n分別為電弧常數(shù)和電弧特征指數(shù),其值為與電極形狀、電源類(lèi)型、氣壓、沿面介質(zhì)等有關(guān)。1984年Bui、Phan和Huraux等人建立了簡(jiǎn)單的電解槽模型,研究環(huán)境溫度為-50～20°C時(shí)金屬電極與冰面之間的電弧特性,得到了高壓電極與測(cè)量電極距離只有3mm時(shí)的金屬電極與冰面間隙的電弧特征參數(shù)值,直流正極性下A和n分別為166和0.56,負(fù)極性下A和n分別為380和0.49。加拿大Farzaneh等人利用三角平板玻璃覆冰模型,研究得到了覆冰表面直流電弧的伏安特性,正極性下A和n分別為208.9和0.45,負(fù)極性下A和n分別為84.6和0.77;ChenXing利用圓柱覆冰模型,研究得到了覆冰表面直流電弧的伏安特性,正極性下A和n分別為169.1和0.59,負(fù)極性下A和n分別為213.1和0.53。LiYu利用三角平板玻璃覆冰模型,研究得到了低氣壓下覆冰表面直流電弧的伏安特性,低氣壓下電弧常數(shù)A是一個(gè)與氣壓有關(guān)的常數(shù),正極性下A=178(p/p0)0.73,負(fù)極性下A=103(p/p0)1.14,式中p為試驗(yàn)時(shí)的氣壓,p0=101.325kPa,正、負(fù)極性下n分別為0.61和0.69。由上可知,加拿大研究者對(duì)常壓及低氣壓下的覆冰表面局部電弧特性進(jìn)行了一系列的研究,得到了直流覆冰表面局部電弧的伏安特性。但這些研究是針對(duì)絕緣子表面覆冰前未被染污的情況進(jìn)行的,由于我國(guó)大氣污染較嚴(yán)重,絕緣子覆冰前一般已被染污,染污后的絕緣子串覆冰放電特性可能與清潔絕緣子串覆冰放電特性有一定差異,其局部電弧的伏安特性也將有所不同。文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明,低氣壓下覆冰絕緣子串放電過(guò)程中局部電弧的發(fā)展存在飄離絕緣子覆冰表面形成冰凌空氣間隙電弧的現(xiàn)象,特別是覆冰絕緣子長(zhǎng)串的放電過(guò)程中,飄弧現(xiàn)象更嚴(yán)重,由于電弧發(fā)展的媒質(zhì)不同,冰凌空氣間隙電弧的伏安特性將發(fā)生變化,現(xiàn)有的覆冰絕緣子串放電模型中沒(méi)有考慮不同區(qū)域電弧特性的變化,而且也未見(jiàn)有低氣壓下冰凌空氣間隙電弧伏安特性研究的報(bào)道。高海拔、污穢、覆冰綜合環(huán)境中的電氣外絕緣放電特性及放電機(jī)理既是國(guó)內(nèi)外尚未解決的難題,又是我國(guó)“西電東送”、特高壓工程建設(shè)與電網(wǎng)發(fā)展面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文開(kāi)展低氣壓下染污覆冰表面沿面電弧和冰凌空氣間隙電弧伏安特性試驗(yàn)研究,研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步揭示低氣壓下染污覆冰絕緣子串直流放電機(jī)理、建立染污覆冰絕緣子串的直流放電模型、預(yù)測(cè)其閃絡(luò)電壓具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)方法1.1污染、污染和覆冰表面的直覺(jué)和弧度特性1.1.1直流電源裝置染污覆冰表面直流沿面電弧的伏安特性試驗(yàn)是在重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的低溫低氣壓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的,其試驗(yàn)原理圖如圖1所示。試驗(yàn)所采用的直流電源為100kV/100kVA直流電源裝置,該裝置的直流紋波系數(shù)在電流為1A時(shí)<3%,動(dòng)態(tài)壓降<5%。試驗(yàn)中電壓、電流信號(hào)由Tektronix公司的TDS4054數(shù)字熒光示波器采集,其中外加直流電壓信號(hào)由精度為0.1%、分壓比為1:100000的200kV直流標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓器獲得,電弧電壓由Tektronix公司的P6015A高壓探頭直接獲得,其最高測(cè)量電壓為20kV,電弧電流由阻值為1Ω的無(wú)感電阻取樣。1.1.2表面覆冰加固本文采用三角平板玻璃覆冰模型,如圖2所示,其底邊為20cm,高為26cm,厚度為1.5cm,在平板玻璃表面涂污并覆冰。試驗(yàn)時(shí)試品為垂直布置,高壓電源作用于試品的底邊,平板玻璃中間布置一根寬為1mm細(xì)銅線(xiàn)作可移動(dòng)測(cè)量電極,用于確定電弧長(zhǎng)度和測(cè)量電弧電壓。1.1.3試驗(yàn)程序12產(chǎn)品清潔將待試驗(yàn)的三角平板玻璃試品洗凈,然后自然晾干。2自然條件下陰干在平板玻璃覆冰前參照GB/T4585-2004所推薦的絕緣子染污方法,采用固體涂刷法對(duì)試品進(jìn)行染污,并在自然條件下陰干。試驗(yàn)中用NaCl來(lái)模擬導(dǎo)電物質(zhì),用硅藻土來(lái)模擬不溶性物質(zhì),其比例為1:6,共試驗(yàn)了6種污穢程度,鹽密ρSDD分別為0.03、0.05、0.08、0.12、0.15和0.2mg/cm2,所對(duì)應(yīng)的等值灰密ρNSDD分別為0.18、0.3、0.48、0.72、0.9和1.2mg/cm2。3玻璃表面覆冰將自然陰干的試品放置在低溫低氣壓實(shí)驗(yàn)室,降低氣候室的溫度至-12°C,然后人工噴霧使平板玻璃覆冰,控制使玻璃表面覆冰厚度為10mm。4空氣間隙的測(cè)量在平板玻璃達(dá)到預(yù)定覆冰狀態(tài)后,在覆冰模型上布置好高壓電極、接地電極和測(cè)量電極,并在接地電極端人工形成寬度為5mm的空氣間隙。將布置好電極的覆冰模型放置在低氣壓罐內(nèi)的絕緣支柱上,并接好高壓引線(xiàn)和各測(cè)量信號(hào)線(xiàn)。5測(cè)量電極上的電弧在冰層表面融化并形成一層水膜后,立即用真空泵將氣壓罐內(nèi)的氣壓抽至預(yù)定氣壓,然后均勻升壓使局部電弧產(chǎn)生并發(fā)展至測(cè)量電極,用示波器記錄所施加的電壓波形、測(cè)量電極的電壓波形及電流波形,試驗(yàn)典型波形如圖3所示。由圖3可知:當(dāng)對(duì)試品施加電壓時(shí),由于冰層表面水膜的存在,水膜具有較高的電導(dǎo)率,使得接地電極附近空氣間隙上承受了絕大部分外加電壓,因此測(cè)量電極上的電位較高,當(dāng)外加電壓升至一定值時(shí),空氣間隙被擊穿,產(chǎn)生貫穿空氣間隙的局部電弧,隨著外加電壓的繼續(xù)升高,泄漏電流繼續(xù)增大,局部電弧沿冰層向下發(fā)展,在電弧未完全跨接測(cè)量電極和接地電極兩端前,由于仍有一部分冰層表面沒(méi)有電弧,而冰層是具有一定電阻的,且比電弧的電阻大得多,因此,此時(shí)測(cè)量電極上的電位仍較高。當(dāng)局部電弧逐漸發(fā)展至測(cè)量電極時(shí),測(cè)量電極上的電位由電弧電壓和電極壓降組成,由于電弧的電阻較小,因此,此時(shí)測(cè)量電極上的電位降至最低點(diǎn)。這一時(shí)刻即為電弧跨接測(cè)量電極和接地電極的t0時(shí)刻。記錄t0時(shí)刻的外加電壓U1、電弧電流I和測(cè)量電極的電位U2,U2即為電弧電壓和電極壓降的總和。利用上述方法,改變平板玻璃表面的污穢程度、覆冰水電導(dǎo)率、氣壓、測(cè)量電極的距離,就可以得到不同氣壓條件下局部電弧的伏安特性。1.2試驗(yàn)設(shè)備冰凌空氣間隙的伏安特性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法基本同染污覆冰表面沿面電弧特性試驗(yàn)。為了使模擬的冰凌空氣間隙符合實(shí)際的冰凌形狀,試驗(yàn)中采用大型人工氣候室覆冰環(huán)境中自然形成的冰凌作為電極,由兩根冰凌垂直布置形成空氣間隙,如圖4所示。上、下兩冰凌的尖端分別纏繞有直徑為1mm的銅絲引出線(xiàn),分別作為接地電極和測(cè)量電極,銅絲纏繞的位置距離冰凌的尖端為5mm,因此可認(rèn)為電弧發(fā)展的初始階段為純冰凌間的電弧,忽略金屬電極的影響。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1未染污玻璃表面電弧特性由試驗(yàn)原理接線(xiàn)圖1可知,當(dāng)試品外加電壓為負(fù)極性直流電壓且試品的尖電極為接地電極時(shí),接地電極為相對(duì)正極性,電弧由接地電極向下發(fā)展,即由正極性向負(fù)極性發(fā)展,這種電弧稱(chēng)為正極性電弧;同理,當(dāng)外加電壓為正極性直流電壓時(shí),所產(chǎn)生的電弧為負(fù)電極電弧。利用上述試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序,對(duì)98.7、89.8、79.5和70.1kPa4個(gè)不同氣壓下的沿面電弧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,所選取的ρSDD分別為0.03、0.05、0.08、0.12、0.15和0.2mg/cm2,所對(duì)應(yīng)的ρNSDD分別為0.18、0.3、0.48、0.72、0.9和1.2mg/cm2,覆冰水電導(dǎo)率折算到20℃時(shí)分別為28、100、150、200、250、360和400μS/cm,電弧長(zhǎng)度x分別取3、5和6cm。試驗(yàn)中每個(gè)覆冰模型只試驗(yàn)1次,每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)至少重復(fù)試驗(yàn)3～5次。通過(guò)大量的試驗(yàn),得到了不同氣壓條件和電弧長(zhǎng)度下,測(cè)量電極電壓U2與電弧電流I的關(guān)系曲線(xiàn),如圖5和圖6所示。接地電極與測(cè)量電極之間電弧貫穿后總的電壓U2主要由兩部分組成:一部分為電弧本身的電壓Uarc,另一部分為產(chǎn)生電弧后電極上的電壓降Ue,即U2=Uarc+Ue。(1)電極上的電壓降Ue近似為一常數(shù),其值與電極材料、形狀和氣壓條件有關(guān)。電弧本身電壓Uarc是電弧長(zhǎng)度x的函數(shù),可表示為Uarc=Ex。(2)Uarc=Ex。(2)式中,E為單位長(zhǎng)度電弧的平均壓降,V/cm。根據(jù)加拿大學(xué)者對(duì)未染污玻璃表面覆冰局部電弧特性的試驗(yàn)研究結(jié)果可知,電弧電壓Uarc和電極壓降Ue分別具有以下關(guān)系式:Uarc=Ex=A(pp0)mxΙ-n;(3)Ue=B(pp0)e。(4)Uarc=Ex=A(pp0)mxI?n;(3)Ue=B(pp0)e。(4)式(3)和式(4)中,p為試驗(yàn)所取的氣壓,kPa;p0=101.325kPa;A、B、m、n、e為均為常數(shù),共同表征電弧的特性。本文中假設(shè)染污穢覆冰表面電弧特性具有與未染污玻璃表面覆冰局部電弧特性同樣的關(guān)系式,即U2=Uarc+Ue=A(pp0)mxΙ-n+B(pp0)e。(5)U2=Uarc+Ue=A(pp0)mxI?n+B(pp0)e。(5)根據(jù)式(5),對(duì)圖5和圖6的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用麥夸特法(Levenberg-Marquardt)加通用全局優(yōu)化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合。對(duì)圖5的試驗(yàn)結(jié)果擬合得到U2=131.4(pp0)0.81xΙ-0.61+756.3(pp0)0.23。(6)U2=131.4(pp0)0.81xI?0.61+756.3(pp0)0.23。(6)對(duì)圖6的試驗(yàn)結(jié)果擬合得到U2=90.8(pp0)0.74xΙ-0.69+500.2(pp0)0.28。(7)式(6)和式(7)的擬合相關(guān)系數(shù)平方R2分別為0.966和0.975,從而得到了低氣壓下染污覆冰表面正極性和負(fù)極性電弧的伏安特性。對(duì)于正極性電弧可得:E=131.4(pp0)0.81Ι-0.61；(8)Ue=756.3(pp0)0.23。(9)對(duì)于負(fù)極性電弧可得:E=90.8(pp0)0.74Ι-0.69；(10)Ue=500.2(pp0)0.28。(11)根據(jù)圖5和圖6的試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的非線(xiàn)性擬合分析可知:1)不同氣壓條件下,染污覆冰表面沿面電弧總的電壓均隨電弧電流的增大而減小,近似呈負(fù)的冪函數(shù)關(guān)系。2)電壓極性對(duì)染污覆冰表面電弧特性有影響,低氣壓下,正極性和負(fù)極性電弧的常數(shù)A分別為131.4和90.8,指數(shù)n分別為0.61和0.69,正極性的A大于負(fù)極性,而正極性的n則是小于負(fù)極性的。3)氣壓對(duì)染污覆冰表面電弧特性有影響,單位長(zhǎng)度電弧的電壓降隨氣壓的減小而減小,呈冪函數(shù)關(guān)系。低氣壓下導(dǎo)致覆冰表面電弧壓降降低的主要原因可能是水蒸汽的影響。常壓下,L.L.Alston測(cè)得的空氣中電弧的伏安特性為E=63I-0.76,A.M.Rahal測(cè)得的水蒸汽中電弧的伏安特性為E=530I-0.24,B.F.Hampton也比較了空氣中和水蒸汽中的電弧特性,發(fā)現(xiàn)二者有很大差別,水蒸汽對(duì)電弧的伏安特性有顯著影響,由于電弧的中心溫度為3500～5000K,這個(gè)溫度下約20%的水蒸汽能夠被離解成為氫氣,水蒸汽和氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大得多,而導(dǎo)熱系數(shù)的大幅提高會(huì)使得電弧加速散熱,增強(qiáng)了電弧中的去游離過(guò)程,因而需要更高的電弧壓降來(lái)維持電弧燃燒,從而使電弧的伏安特性提高。根據(jù)低氣壓下染污覆冰絕緣子串的放電過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果及三角平板覆冰模型試驗(yàn)結(jié)果可知,氣壓越低,電弧越暗,電弧電流越小,因此,電弧電流的焦耳熱效應(yīng)越弱,產(chǎn)生的水蒸汽越少,這就導(dǎo)致了低氣壓下電弧的伏安特性降低。4)氣壓對(duì)染污覆冰表面電弧特性的影響與電壓極性有關(guān)。對(duì)于正極性電弧,氣壓的影響特征指數(shù)m為0.81,而對(duì)于負(fù)極性電弧,氣壓的影響特征指數(shù)m為0.74,也就是說(shuō),氣壓對(duì)正極性電弧電壓的影響大于負(fù)極性電弧。5)電極壓降Ue與氣壓有關(guān),隨著氣壓的減小而減小,呈冪函數(shù)關(guān)系,正、負(fù)極性下氣壓影響特征指數(shù)e分別為0.23、0.28,在氣壓一定的情況下,電極壓降Ue為一常數(shù),與電弧電流的大小無(wú)關(guān)。2.2空氣間隙電弧的e-i特性利用上述試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法,對(duì)98.7、89.8、79.5、70.1kPa4個(gè)不同氣壓下的冰凌空氣間隙電弧的伏安特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過(guò)程中冰凌間隙長(zhǎng)度取1～4cm,也即電弧長(zhǎng)度x為1～4cm。試驗(yàn)通過(guò)采用不同長(zhǎng)度的冰凌和不同覆冰水電導(dǎo)率的冰凌來(lái)調(diào)節(jié)電弧電流,得到了電弧電流I為0.01～0.3A情況下的試驗(yàn)結(jié)果。圖7為冰凌空氣間隙電弧伏安特性試驗(yàn)的典型波形。由于試驗(yàn)中忽略金屬電極的影響,即所測(cè)得的電弧電壓不考慮電極壓降,因此,本文將任意長(zhǎng)度x下的電弧電壓U2轉(zhuǎn)化為單位長(zhǎng)度電弧電壓E,即E=U2/x。(12)則根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得任意長(zhǎng)度x下的電弧電壓U2及所對(duì)應(yīng)的電弧電流I,可得到不同氣壓下空氣間隙直流電弧的E-I特性,其結(jié)果如圖8、9所示。由圖8和圖9可知:1)不同氣壓下,不同極性冰凌空氣間隙單位長(zhǎng)度電弧的電壓降E均隨電弧電流I的增大而減小,其變化趨勢(shì)同覆冰表面沿面電弧的伏安特性,近似呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。2)在相同電弧電流I的情況下,隨著氣壓的降低,不同極性冰凌空氣間隙單位長(zhǎng)度電弧的電壓降E減小。3)電弧極性對(duì)冰凌空氣間隙電弧的伏安特性影響較小,可以忽略,如p=98.7kPa時(shí),正極性電弧I=0.156A,E=555.5V/cm,負(fù)極性電弧I=0.154A,E=553.5V/cm。對(duì)圖8和圖9的試驗(yàn)結(jié)果,采用麥夸特法(Levenberg-Marquardt)加通用全局優(yōu)化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了不同氣壓下、不同極性