森林火災(zāi)下典型植被火焰條件下的間隙放電特性

森林火災(zāi)下典型植被火焰條件下的間隙放電特性

0山火跳閘事故原理隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求正在持續(xù)增長(zhǎng)。而我國(guó)用電負(fù)荷與發(fā)電能源分布不均衡,為滿足負(fù)荷中心的電能需求,需要大容量、遠(yuǎn)距離傳輸電能,因此超、特高壓電網(wǎng)發(fā)展迅速。很多輸電線路不可避免地會(huì)經(jīng)過植被茂盛的高森林火險(xiǎn)地區(qū)。山火可能導(dǎo)致輸電線路間隙絕緣強(qiáng)度下降而跳閘,影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2001年至2008年10月,南網(wǎng)超高壓輸電公司所轄線路發(fā)生山火故障共37起。2009年1月至2010年8月期間,貴州電網(wǎng)220kV和500kV線路分別發(fā)生山火事故44、27起,其中,僅2010年2月就發(fā)生44起山火跳閘事故,其中220kV線路26起,500kV線路18起。湖南省2009年2月至4月共發(fā)生因山火跳閘事故13起,其中4起為500kV線路,其余為220kV線路。湖北2009年至2010年統(tǒng)計(jì)發(fā)生山火事故13起,其中500kV線路8起,220kV線路4起。根據(jù)整理的現(xiàn)有山火引發(fā)輸電線路跳閘故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,線路下方山火可能引起不同電壓等級(jí)的輸電線路發(fā)生單相接地、相間短路等故障,導(dǎo)致線路跳閘停運(yùn)事故。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)山火條件下發(fā)生跳閘故障的研究,導(dǎo)致線路絕緣強(qiáng)度下降的主要原因包括:火焰中高溫導(dǎo)致空氣密度下降,燃燒化學(xué)反應(yīng)和高溫產(chǎn)生的大量帶電離子,山火中的大量顆粒和灰燼產(chǎn)生的觸發(fā)放電。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在顆粒對(duì)空氣間隙放電的影響方面做了大量研究。間隙中因天氣因素引入固體和液體顆粒、飛鳥及鳥糞、作業(yè)工具及檢修人員等都會(huì)向線路間隙中引入浮動(dòng)電位的物體。至于火焰的影響,Sadurki在1977年實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)間隙長(zhǎng)度整體被火焰覆蓋時(shí)不會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?而當(dāng)火焰覆蓋了60%的間隙并且存在顆粒時(shí)則會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?。NaidooP也進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn),研究了不同植被顆粒在間隙中不同位置時(shí)對(duì)間隙的絕緣強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)高介電常數(shù)或高電導(dǎo)率材料影響最為明顯,顆粒在靠近高壓導(dǎo)體時(shí),擊穿電壓下降最為明顯。但NaidooP的實(shí)驗(yàn)是空氣中而不是在火焰中,并不能真實(shí)反映火焰中顆粒觸發(fā)放電的特點(diǎn)。由于植被燃燒產(chǎn)生的顆粒與灰燼特性不同,而且受到火焰溫度、氣流、大量帶電離子等的影響,其放電特性與空氣中顆粒有很大不同。因此本文通過對(duì)火焰情況下間隙放電的實(shí)驗(yàn)研究和仿真分析,研究了火焰中顆粒對(duì)間隙放電特性的影響。1方法和結(jié)果1.1模擬山火植被實(shí)驗(yàn)裝置在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域,木垛由于簡(jiǎn)單、對(duì)稱、可重復(fù)等特點(diǎn),常常作為一種穩(wěn)定的火源。山火和木垛火都是擴(kuò)散火焰,因此可以本文實(shí)驗(yàn)采用木垛火源來模擬山火?；鹧鏃l件下的工頻電壓放電實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置由實(shí)驗(yàn)電源、模擬山火植被的木垛或葉垛、電極以及測(cè)量系統(tǒng)組成。電極的主要形式包括導(dǎo)線-板電極、球-板電極以及棒-板電極。木垛和葉垛放在網(wǎng)狀金屬支架上,而金屬支架放在耐熱絕緣板上作為板電極,通過電流采集裝置接地。通過懸掛繩索高度調(diào)節(jié)間隙長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)方法如下:使用不同尺寸的木垛(本文木垛為杉木)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),點(diǎn)燃木垛,待燃燒穩(wěn)定后逐步升壓直到放電;在木垛燃燒旺盛、間隙被火焰包絡(luò),以及半火焰時(shí)期、燃燒后期,分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),采集記錄電壓、電流與溫度等信息,同時(shí)使用攝像機(jī)同步拍攝放電情況。1.2炭黑火焰顆粒的變化植被完全燃燒的生成物主要是CO2、H2O、SO2和含碳、無機(jī)鹽殘?jiān)幕曳忠约盎曳种心転闊煔鈳ё叩妮^細(xì)粒子。但木垛火焰燃燒不完全,會(huì)出現(xiàn)黑煙,其中除CO2、H2O和飛灰外,還存在大量炭黑。炭黑的主要成分是碳粒,其尺寸很小,約在0.02~0.05μm范圍,一般肉眼不可見。當(dāng)火焰中含有炭黑時(shí),其輻射力增強(qiáng),火焰更加明亮。這些顆粒會(huì)聚集成較大(10~300μm)的顆粒,外形近似球形。采用差分運(yùn)動(dòng)顆粒粒徑儀(DMPS)測(cè)量表明,木垛火焰生成顆粒粒徑范圍從0.01μm到超過43μm,并且雙峰值為0.3μm和43μm。顆粒物質(zhì)的成分在陰燃階段和火焰階段有明顯差別:1~10%的物質(zhì)由鉀、氯、硫等示蹤元素組成,并且陰燃階段產(chǎn)生顆粒中示蹤元素是火焰階段的10~20%。顆粒中含有大量的K和Na等元素,這些堿金屬元素在高溫條件下,很容易被熱游離,并且在電子碰撞顆粒表面時(shí),很容易發(fā)生碰撞電離。顆粒等效介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火焰中空氣的介電常數(shù),而且木垛灰燼一般為碳化顆粒,電導(dǎo)率高。灰燼和木屑是植被燃燒過程中產(chǎn)生的大尺寸顆粒,為長(zhǎng)條狀?；覡a直徑一般約為0.2~1mm,長(zhǎng)度一般在1~7cm,也有形狀不規(guī)則的。而在實(shí)際山火中,根據(jù)植被種類和山火強(qiáng)度,灰燼尺寸范圍可能更大。1.3顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡為得到火焰中顆粒與灰燼的運(yùn)動(dòng)情況,使用了21cm×21cm×10cm的方形桉樹葉垛進(jìn)行燃燒。燃燒后期在導(dǎo)線上施加50kV電壓,懸掛導(dǎo)線與板間距50cm,記錄了灰燼在電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖2?；覡a等顆粒在熱對(duì)流作用下接近導(dǎo)線時(shí),在導(dǎo)線附近會(huì)因電場(chǎng)極化增強(qiáng)而受到電場(chǎng)力作用。灰燼顆粒在火焰中的運(yùn)動(dòng)軌跡無法觀測(cè),而當(dāng)顆粒處于半火焰區(qū)時(shí),采用攝像機(jī)拍攝顆粒的運(yùn)動(dòng)過程。圖2中,定義0ms時(shí)顆粒的位置為17.6cm,則每隔40ms其位置依次為26.2cm、35.2cm和42.3cm。通過顆粒在每幀的位置計(jì)算顆粒的平均運(yùn)動(dòng)速度,估算得顆粒在3個(gè)區(qū)間的運(yùn)動(dòng)速度為分別為2.15m/s、2.25m/s和1.78m/s。1.4木垛尺寸對(duì)火焰高度的影響為分析木垛大小對(duì)火焰溫度及顆粒的影響,分別設(shè)計(jì)了21cm、33cm的木垛進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。2種木垛燃燒穩(wěn)定后產(chǎn)生的火焰高度分別為62cm和90cm。對(duì)2個(gè)木垛火焰的溫度進(jìn)行了測(cè)量,都在810~900℃范圍內(nèi)。隨著木垛尺寸增大,火焰中的顆粒量明顯增多,如圖3所示。21cm和33cm的木垛條件下,55cm間隙的擊穿電壓分別為48.3kV和45.5kV;其中在33cm木垛的實(shí)驗(yàn)過程中,出現(xiàn)了大量的顆粒,間隙在41kV下即發(fā)生擊穿。1.5導(dǎo)線-板間隙泄漏電流的確定為研究火焰中帶電離子對(duì)顆粒觸發(fā)放電的影響,在不同植被條件下,利用高壓直流發(fā)生器對(duì)間隙加壓,測(cè)量間隙的泄漏電流。純空氣條件下,對(duì)于長(zhǎng)40cm的導(dǎo)線-板間隙,加載直流電壓-5kV時(shí),泄漏電流小于1μA。選取21cm×21cm×10cm的桉樹、杉樹、松樹的葉垛以及木垛分別作為燃料,將間隙距離調(diào)整為50cm并加載直流電壓,測(cè)量泄漏電流所得的結(jié)果如表1所示。2分析與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1野外激發(fā)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,桉樹葉火焰熄滅后,灰燼在熱對(duì)流作用下上升,在接近導(dǎo)線的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)過程中,明顯受到電場(chǎng)力的作用而接近模擬導(dǎo)線。當(dāng)顆粒較多時(shí),它們會(huì)沿著電場(chǎng)線排成一條線,形成顆粒鏈短接部分間隙而導(dǎo)致間隙擊穿。由圖2可以看出,即使在燃燒后期,前段距離灰燼的運(yùn)動(dòng)仍主要由熱對(duì)流提供,在接近強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的時(shí)候才明顯受到電場(chǎng)力的影響向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)。實(shí)際發(fā)生山火時(shí),由于燃燒更猛烈,加上風(fēng)勢(shì)的影響,未完全燃燒的木屑在熱對(duì)流和風(fēng)力的作用下飄向遠(yuǎn)方引發(fā)新的山火,導(dǎo)致大范圍火災(zāi)事故。很多研究者對(duì)灰燼和大顆粒在火羽中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。在輸電線路下,植被附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大可以到達(dá)10kV/m左右,而這個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下由于顆粒荷電量小,受力較小,與風(fēng)力和熱對(duì)流產(chǎn)生的拉力相比可以忽略。而且野外山火火勢(shì)大,熱對(duì)流更加強(qiáng)烈,顆粒主要受熱流場(chǎng)產(chǎn)生的拉力,飄向植被上方,接近導(dǎo)線。顆粒在火焰中的運(yùn)動(dòng)速度、抬升的顆粒粒徑以及上升的高度等都與顆粒密度和山火強(qiáng)度有關(guān)。因此,山火強(qiáng)度越大,顆粒密度越小,進(jìn)入線路間隙中顆粒的粒徑越大,顆粒數(shù)也越多,在觸發(fā)放電后短接間隙的長(zhǎng)度也越大,間隙的擊穿電壓下降也越明顯。2.2顆粒觸發(fā)放電分析當(dāng)木垛火焰完全包絡(luò)導(dǎo)線時(shí),每當(dāng)顆粒靠近導(dǎo)線,局部放電就會(huì)增強(qiáng),甚至出現(xiàn)明顯的電暈放電聲音。在全火焰區(qū)中,顆粒觸發(fā)放電現(xiàn)象難以觀測(cè)。但當(dāng)火焰剛好接觸導(dǎo)線時(shí),由于火焰的紊流振蕩,可以觀測(cè)到顆粒觸發(fā)放電形成的微弱電弧。圖4給出了一組火焰幾乎完全包絡(luò)導(dǎo)線時(shí)顆粒觸發(fā)放電過程示意圖。當(dāng)火焰包絡(luò)高壓模擬導(dǎo)線時(shí),顆粒在接近模擬導(dǎo)線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的顆粒觸發(fā)放電,泄漏電流的幅值約2mA,而顆粒觸發(fā)放電的電流脈沖幅值接近100mA,顯然會(huì)形成微弱的電弧,由于電場(chǎng)強(qiáng)度太小,且火焰中電子和離子不能提供電弧發(fā)展所需要電流,電弧就會(huì)熄滅,如圖5所示。在木垛燃燒后期,火焰只達(dá)到間隙的一半?yún)^(qū)域,所以此時(shí)更容易觀測(cè)到顆粒觸發(fā)放電現(xiàn)象。當(dāng)火焰高度減小,僅覆蓋一半間隙時(shí),可清楚觀測(cè)到顆粒觸發(fā)放電后出現(xiàn)的電弧,如圖6所示。火焰中電弧向間隙上方漂移,所以事故現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線表面的電弧灼燒的痕跡有部分位于導(dǎo)線上表面。參文中提出,兩相體的擊穿電壓和路徑選擇上,存在非氣相物質(zhì)顆粒粒徑的影響遠(yuǎn)大于顆粒物介電常數(shù)和體積分?jǐn)?shù)影響的粒徑效應(yīng),顆粒對(duì)流注放電發(fā)展的影響程度與顆粒的尺寸正相關(guān),顆粒越大觸發(fā)放電的能力越強(qiáng)。顆粒在火焰中放電存在明顯的粒徑效應(yīng),大尺寸顆粒觸發(fā)的放電易轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定電弧放電。通過攝像機(jī)記錄了多次實(shí)驗(yàn)中顆粒觸發(fā)放電的過程,很好地證明了這一點(diǎn)。如圖7中2次不同尺寸的顆粒觸發(fā)放電過程:灰燼的尺寸為3cm時(shí),觸發(fā)放電形成了微弱的藍(lán)色電弧,如圖7(a),由于沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電弧而熄滅;隨后一次灰燼的尺寸為5cm,觸發(fā)放電后形成穩(wěn)定電弧,如圖7(b)所示。顆粒粒徑越大,在火焰中的荷電量越多,畸變電場(chǎng)的能力越強(qiáng),并且電場(chǎng)畸變的范圍也越大,觸發(fā)放電能力也越強(qiáng),觸發(fā)放電后電弧短接間隙的比例越大,越容易形成穩(wěn)定的電弧。2.3非典型輻射的影響1浮動(dòng)導(dǎo)電電極內(nèi)放電當(dāng)顆粒接近高壓電極時(shí),無論電極電壓為正極性還是負(fù)極性,由于正極性流注放電更容易放電,大多數(shù)情況下在電流的正半波出現(xiàn)明顯的高幅值脈沖,顆粒與電極之間的氣隙被局部電弧短接;當(dāng)顆粒和電極具有相同電勢(shì)后,顆粒與電極之間交替出現(xiàn)間歇性電弧;電弧熄滅后,顆粒成為懸浮電位導(dǎo)體,導(dǎo)致顆粒靠近主間隙側(cè)的電場(chǎng)波動(dòng)。當(dāng)間隙中存在懸浮電位導(dǎo)體時(shí),隨著浮動(dòng)導(dǎo)體在間隙中位置的變化,一定存在一個(gè)最低放電點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)(委員會(huì))的報(bào)告,組合間隙在距離高壓端1/3~1/4位置時(shí)有一個(gè)最低放電電壓點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)500~1000kV特高壓輸電線路帶電作業(yè)間隙操作沖擊電壓放電實(shí)驗(yàn)表明,最低放電電壓點(diǎn)位于距離模擬導(dǎo)線0.4m的位置處。Naidoo采用500mm的導(dǎo)線-導(dǎo)線間隙,研究了工頻電壓下300mm棒電極距離高壓導(dǎo)線不同位置的放電特性,結(jié)果表明:顆粒在距離導(dǎo)線大約10mm時(shí),擊穿電壓達(dá)到最低;隨著距導(dǎo)線距離的增大,擊穿電壓逐漸升高,在距導(dǎo)線60mm時(shí)達(dá)到飽和。因而顆粒觸發(fā)放電的范圍與其粒徑有關(guān)(對(duì)于針形顆粒則為軸向長(zhǎng)度),粒徑越大,其觸發(fā)放電范圍也越大。因而對(duì)于一定粒徑的顆粒,在距離高壓電極的特定間距時(shí)存在一個(gè)最低放電電壓點(diǎn)。2間隙擊穿電壓對(duì)于多個(gè)浮動(dòng)電位顆粒分布的間隙,為簡(jiǎn)化分析設(shè)顆粒為球形并且在間隙中均勻分布,當(dāng)?shù)?個(gè)顆粒距高壓電極為30%間隙長(zhǎng)度位置且顆粒短接間隙比在10%以下時(shí),顆粒間的平均間距為顆粒長(zhǎng)度的6倍,組合間隙的擊穿電壓提高了約10%,考慮到顆粒短接了10%的間隙長(zhǎng)度,因此間隙總體絕緣水平相對(duì)來說不變;當(dāng)顆粒短接間隙比增加到20%以上時(shí),顆粒間平均間距為顆粒長(zhǎng)度的2.5倍,組合間隙擊穿電壓約為80%,考慮被短接的間隙部分,擊穿電壓下降到原間隙的60%左右。鄧鶴鳴分析了顆粒粒徑與電場(chǎng)畸變范圍和放電路徑選擇概率之間的關(guān)系,認(rèn)為顆粒粒徑越大,電場(chǎng)畸變范圍越大,并且顆?；冸妶?chǎng)范圍約2.5倍粒徑。在大氣條件下,當(dāng)背景電場(chǎng)強(qiáng)度能滿足流注發(fā)展要求時(shí),顆粒之間的放電可以為自持放電。當(dāng)?shù)?個(gè)顆粒與高壓電極之間的間隙被擊穿后,第1個(gè)顆粒起始正極性流注放電,而在另外一個(gè)顆粒的一段起始負(fù)極性流注。當(dāng)該負(fù)極性流注匯入正極性流注后,其電子崩被抑制,大量的空間電荷匯入顆粒,在顆粒的另一端起始新的正極性流注。放電在顆粒之間逐級(jí)發(fā)展,流注在接近下一個(gè)顆粒過程中,流注被顆粒捕獲而形成電弧。顆粒之間的間隙被電弧短接,形成顆粒鏈,隨著施加電壓的升高,被電弧短接的顆粒越來越多。顆粒之間間隙擊穿與顆粒間電場(chǎng)密切相關(guān),在靠近高壓電極的一個(gè)顆粒與電極間的間隙被擊穿后,逐步向遠(yuǎn)離高壓電極的方向發(fā)展,類似于“多米諾”效應(yīng),最終導(dǎo)致整個(gè)間隙被擊穿。所以距離高壓電極最近的顆粒在觸發(fā)放電過程中具有重要的作用,其中顆粒粒徑對(duì)放電發(fā)展的影響尤為關(guān)鍵,這與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析得到的顆粒觸發(fā)放電的“粒徑效應(yīng)”相一致。2.4顆粒觸發(fā)放電能力山火是一種擴(kuò)散火焰,固體燃料產(chǎn)生的揮發(fā)成分與空氣相互擴(kuò)散并反應(yīng)?；鹧嬷械臒熿F顆粒完全燃燒需要在800℃以上環(huán)境中暴露比較長(zhǎng)的時(shí)間,然而當(dāng)這些顆粒脫離反應(yīng)區(qū)后就變?yōu)闊熿F。因而木垛火焰多為不完全燃燒。木垛火焰的主要成分是高溫空氣,電子和離子、煙霧與灰燼的混合體,并且顆粒在熱羽流的下游端(接近高壓電極端),因流場(chǎng)作用導(dǎo)致空氣密度比上游端低。并且實(shí)驗(yàn)中火焰特別是葉垛火焰中含有大量的K和Na等元素,它們極易被電離。這些因素影響使火焰中多顆粒系統(tǒng)觸發(fā)放電有如下特點(diǎn):1)高溫與上升的熱氣流更易抬升顆粒到強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域,并促進(jìn)顆粒的觸發(fā)放電。顆粒與導(dǎo)線間隙以及顆粒間的間隙擊穿的最小電壓為Uamin=Ecrd(Ecr為間隙擊穿的最小場(chǎng)強(qiáng),d為間隙長(zhǎng)度)。在火焰高溫(1000℃)條件下,流注放電發(fā)展所需要的場(chǎng)強(qiáng)近似為Efcr=δEcr(δ為溫度的影響系數(shù)),下降到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的23%,這樣顆粒觸發(fā)放電的范圍就更大,更容易形成顆粒鏈。如圖8所示,在不考慮顆粒荷電量對(duì)電場(chǎng)E影響情況下,導(dǎo)電球形顆粒處于背景電場(chǎng)強(qiáng)度為E0的間隙中時(shí),顆粒畸變電場(chǎng)的范圍為2.83D(D是粒徑),若顆粒觸發(fā)放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EC1為7E0,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下顆粒不會(huì)觸發(fā)放電。而當(dāng)顆粒處于火焰中時(shí),火焰的高溫導(dǎo)致顆粒觸發(fā)放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度下降到1.4E0,顆粒觸發(fā)放電的范圍為1.25D,所以在火焰中顆粒觸發(fā)放電的能力明顯增強(qiáng)。當(dāng)顆粒在熱流場(chǎng)的作用下接近強(qiáng)電場(chǎng)區(qū),顆粒在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下觸發(fā)放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EC2為5E0,若火焰高溫導(dǎo)致顆粒觸發(fā)放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度下降到E0,那么顆粒觸發(fā)放電的范圍增加到2.83D,顆粒觸發(fā)放電的范圍明顯增大。因而火焰中高溫以及熱流場(chǎng)把顆粒送入線路附近的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)是導(dǎo)致山火中顆粒觸發(fā)能力增強(qiáng)的重要因素,且當(dāng)火焰中混入顆粒后,間隙擊穿電壓會(huì)明顯下降。2)植被火焰產(chǎn)生大量的炭黑顆粒,電導(dǎo)率高。且炭黑顆粒電離勢(shì)低,有利于放電的產(chǎn)生。在火焰高溫和流注放電的光電效應(yīng)和場(chǎng)致發(fā)射作用下,炭黑顆粒會(huì)向流注通道內(nèi)注入大量的電子和電荷,促進(jìn)流注放電的發(fā)展。另外在顆粒的電場(chǎng)力作用下,大量炭黑顆粒會(huì)吸附到灰燼顆粒上,增加灰燼的長(zhǎng)度,增大顆粒觸發(fā)放電的范圍。3)火焰氣流的特性決定了在顆粒荷電條件下,在顆粒的迎風(fēng)端氣壓較高但場(chǎng)強(qiáng)也高;而在顆粒逆風(fēng)端,場(chǎng)強(qiáng)較低但是氣體密度也較低,流注發(fā)展的過程中也較容易觸發(fā)放電。顆粒間間隙容易被流注擊穿而形成電弧,顆粒鏈的長(zhǎng)度增加,觸發(fā)放電的能力隨之增強(qiáng)。4)植被火焰中含有大量的K和Na等堿金屬和堿土金屬鹽類,會(huì)提供大量離子。由表1中可看出,在K,Na等元素含量大的葉垛火焰中,泄漏電流峰值較大,且圖4中泄漏電流波形有許多脈沖,顯示了顆粒觸發(fā)放電引起的電流瞬間增大。鉀鹽和炭黑的電離能很低,分別為4.34eV和4.35eV,在火焰中由于高溫及化學(xué)反應(yīng)發(fā)生電離,因而提供更多的帶電離子和顆粒。而且葉垛的燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生更多更大的顆粒和灰燼,其觸發(fā)放電也更強(qiáng)烈。山火中電子和離子濃度都很高,一般在109~1012cm-3范圍內(nèi),灰燼會(huì)明顯荷電。在火焰中這些顆粒易形成顆粒鏈,短接大部分空氣間隙。此時(shí)畸變電場(chǎng)的范圍明顯增大,并且在背景電場(chǎng)相同的方向上,電場(chǎng)畸變明顯增強(qiáng),范圍明顯增大,更容易形成鏈?zhǔn)椒烹姸探哟蟛糠珠g隙,如圖9所示。臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為EC1=7E0,在大氣條件下顆粒不會(huì)觸發(fā)放電,當(dāng)間隙中溫度升高后,電暈起始電壓和流注發(fā)展所需要的場(chǎng)強(qiáng)按照相應(yīng)比例下降。若因溫度升高,流注發(fā)展場(chǎng)強(qiáng)下降到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的1/5時(shí),顆粒觸發(fā)放電范圍為5.5D。當(dāng)顆粒接近強(qiáng)電場(chǎng)后,背景電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EC2=5E0,在大氣條件下,顆粒也能觸發(fā)放電。若顆粒位于火焰中,觸發(fā)放電的范圍增加到8.83D。當(dāng)顆粒短接間隙的比達(dá)到20%時(shí),顆粒間的間隙為4D,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,間隙的擊穿電壓下降約20%。而在火焰中,極限的擊穿電壓將下降約10倍。3顆粒畸變特性分析為分析棒-板間隙在木垛火條件下,灰燼等顆粒對(duì)間隙擊穿特性的影響,對(duì)多浮動(dòng)電位顆粒對(duì)電場(chǎng)和電位分布的影響進(jìn)行了仿真,計(jì)算模型的具體參數(shù)如圖10所示。計(jì)算中在棒電極加載電壓為100V,板電極加載零電位。根據(jù)棒-板間隙布置,間隙長(zhǎng)度Lg為40cm,顆粒與棒間距L1為40mm,顆粒間距離L2設(shè)為40mm,均勻分布。顆粒間隙實(shí)驗(yàn)過程中灰燼的平均長(zhǎng)度為15mm,因此