直流电压作用下电晕放电特性试验研究

直流电压作用下电晕放电特性试验研究

0输电线路可听噪声研究进展由于高压导线导线表面的电头晕放电，导致强干扰和可听噪声，影响周边电环境。环境友好是特高压输变电系统建设的重要目标,因此电磁环境问题一直是制约输变电工程建设的关键问题,同时,电晕效应也是特高压输电亟需解决的关键技术问题之一和一般环境噪声相比,输电线路电晕放电产生的可听噪声通常更令人厌烦。根据国外超高压和特高压线路的研究经验,导线电晕引起的可听噪声必须限制在一定水平才不会引起沿线居民的投诉和抱怨,对于特高压线路,可听噪声将是选择导线结构、影响费用以及确定输送电压的主要因素国外对输电线路可听噪声的研究始于20世纪60年代,研究重点主要集中在输电线路可听噪声的现场测量、特高压试验基地及电晕笼可听噪声的测量,并在大量试验研究的基础上得出了不同的经验公式综上所述,目前国内外对输电线路可听噪声的研究主要集中在现场测量与预测公式上,而对输电线路可听噪声的产生机理未开展深入的研究。本文对直流电压作用下尖板电极电晕放电的主要特点进行了研究,在获得尖板电晕放电幅频特性的基础上搭建脉冲放电模拟回路来模拟不同条件的电晕放电,最后利用传声器测量了单次脉冲放电产生的声压信号,以期通过实验室基础研究获得电晕放电与可听噪声之间的关联特征。1放电波形及放线特性电晕产生的可听噪声是由于导体表面的电子碰撞及其他电离过程引起的声脉冲引起的试验回路如图1(a)所示,高压直流源输出电压为±100kV,限流电阻为水电阻,阻值约为50kΩ,试验电极采用尖-板电极,尖电极的曲率半径为0.3mm,板电极直径为50mm,电极之间的间隙为0~100mm可调。试验中尖电极接高压,板电极接地,当直流源输出正高压时,对应为正极电晕放电试验,输出为负高压时,对应负极电晕试验。利用分压器测量放电电压,电压值在多功能数字电压表上直接显示;Rogowski线圈测量电晕电流,204Xi/2GHz带宽示波器用于采集电流信号。试验的现场图片如图1(b)所示。在-20kV电压下,尖板间隙为7.75cm时,电晕放电的单次放电电流波形如图2所示。由图中可看出,电晕放电中单次放电电流为一脉冲波形,图2(a)中脉冲电流的上升沿、脉宽分别为10ns、30ns,脉冲电流幅值约为21mA,图2(b)脉冲电流的上升沿、脉宽参数为15ns、70ns,脉冲电流幅值约为6mA。由图中结果可看出,同一试验条件下,单次脉冲放电波形有差异,表明放电有一定的随机性。为更清楚地看出放电波形的重复性,给出了上述试验条件下80次放电的叠加波形,见图3。由图中也可看出,单次电晕放电的脉冲波形有差异。在获得电晕放电单次电流波形及叠加波形的基础上,研究了不同条件下单点电晕放电的主要特性。首先研究了同一间隙下不同电压的放电特性。图4给出了不同电压下单点电晕80次放电的叠加波形,电极间距为7mm。由图中可看出,不论是正极电晕放电还是负极电晕放电,随着直流电压的升高,放电重复性均变差。同时研究发现,随着直流电压的升高,放电重复率(单次放电脉冲的间隔频率)明显升高,放电幅值增加。如图4所示,-25kV电压下2次放电脉冲间隔时间约500ns,-35kV电压下2次放电脉冲间隔时间约130ns;-15kV、-25kV、-35kV电压下最大放电电流幅值依次为15mA、25mA、65mA;20kV、25kV、30kV电压下最大放电电流幅值依次为8mA、12mA、23mA。同样,研究了不同间隙下单点电晕放电的主要特性,正、负极电晕条件下不同间隙的起晕电压及电晕电流峰值如表1所示。由表中结果可看出:随着放电间隙增加,起晕电压增加,至某一间隙后,起晕电压开始稳定不再变化,此处起晕以示波器出现较明显的放电电流(约5mA)为准,起晕的同时能听到微弱的放电声音。正、负极电晕条件下电极间隙为6cm时开始起晕时的放电电流如图5所示。此处需要说明的是,起晕电压的判断没有完全依照电流拐点法,原因如下:电流值更小时,容易被背景噪声淹没,为清晰观察并比较放电波形,此处选择较大电流来判断起晕,因此,表1的起晕参数均比实际值略大。同时,由于示波器采集波形时随机记录了≥5mA的放电电流,因此表1中起晕电流有一定的随机性。不同间隙下其他的放电规律基本一致,即随放电电压增加,放电重复性变差,放电重复率和放电幅值增加,由于放电波形和图4比较接近,此处不再给出。和单次放电脉冲的幅值相比,脉冲上升沿及脉冲宽度相对较稳定,其分别主要集中在10ns、30ns附近。在电晕放电电流特性研究的基础上,拍摄了正、负极电晕放电的图片,获得了不同极性下单点电晕放电图形的主要区别。曝光时间为1s,拍摄所有照片时均使用同一参数。图6给出了正、负极单点电晕放电的图片,图片均是原图20%的缩略图。由图中可看出:正极电晕下,随着电压的升高,主放电通道逐渐变长,外围的放电等离子体区域由电晕状向树枝状发展;负极电晕下,随着电压的升高,放电区域缓慢扩大,放电增强;和正极电晕相比,负极电晕的放电区域明显变小,没有呈现出明显的晕状或树枝状。同时研究表明:同样间距下,正极电晕的起晕电压高于负极的(参见表1数据);同样条件下,正极电晕放电电流小于负极电晕的(参见图4数据),正极电晕放电声音大于负极电晕的;同样极性下,放电声音随放电电压的增加而明显升高。这和直流输电线路电晕放电产生可听噪声的规律基本一致从前面试验结果可看出,直流电晕放电产生的可听噪声除和放电电压直接相关外,还和电晕电流及放电极性相关。以往电晕放电研究一般侧重于放电本身,没有将放电与其产生的声特性联系起来;噪声研究一般侧重于宏观测量,没有与放电现象紧密结合2脉冲放电的模拟由前面的研究可知,电晕放电的重复率很高,且单次电晕放电的特性有一定的随机性,利用交直流电晕试验平台只能获得一段时间内电晕放电产生可听噪声的统计特性,很难获得单次电晕放电对应的声特性,而单次电晕放电产生的声特性及两者之间的关联特性对认识输电线路可听噪声的产生机理及规律有重要的指导意义。因此,在电晕放电的声特性测试之前,开展了脉冲放电的模拟工作。单次电晕放电即一脉冲放电波形。利用脉冲源、限流电阻、放电电极、接地及测量系统构建脉冲放电回路,通过调节回路参数,可模拟不同形式的电晕放电。其中,脉冲源输出参数为:电压0~50kV,上升沿30~50ns,脉冲宽度约100ns,重复频率0~1kHz。试验中,利用Rogowski线圈测量脉冲电流,高压分压器测量脉冲源输出电压,图7给出了电极未击穿及击穿时的电压及电流波形。图7(a)中,输出电压为脉冲源的输出电压,即电极的高压端电压,电极未击穿时,回路电流为位移电流,图7(b)中,放电电流为电极击穿时回路的电流,击穿电流为放电电流减去位移电流后的电流波形,击穿电流即要模拟的脉冲放电波形。通过调整脉冲源、限流电阻及电极间隙等回路参数,可模拟不同幅值及重复率的单次及多次脉冲放电。下面将利用脉冲模拟装置产生单次放电脉冲,同时测量其产生的声压信号。3试验方法及过程声音是由于物体的机械振动而产生的,电晕放电产生的声音是由于放电导体表面的电子碰撞及其他电离过程使周围空气发生振动而引起的。声音的强弱用声压来表示。由于声压变化的范围很大,考虑人耳对声音强弱的反应特性,用对数方法将声压分级,称为声压级。声压级(L式中:p为声压,Pa;p声压是客观物理量,声压越高,声音越强,但是声压不能完全反映人耳对声音的感觉特性。计权声压级(简称声级)就是用一定频率计权网络测量得到的声压级,它既考虑到声音的物理量效应,又考虑到声音对人耳听觉的生理效应,把声音的强度和频率统一起来。A计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感特性,是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种。目前输电线路的可听噪声测量一般也采用A声级来评价。本研究目的是获得放电参数与其产生的声音之间的本征联系,因此下文测量主要关注声音的客观物理量—声压,而不用噪声的评价体系声级来表示。利用脉冲放电模拟回路,开展了单次脉冲放电产生声压信号的测量工作。由于脉冲放电信号较弱,而放电周围的环境比较复杂,脉冲放电产生的声压信号很容易被背景噪声淹没。为获得较准确的测量结果,在消声室开展电、声信号的测量工作。消声室的背景噪声约为12dB(A计权),声压信号测量采用BK传声器,测量频率为0~20kHz,测量距离约70cm。试验的现场图片如图8所示。试验中,放电电极及测量系统放在消声室内,脉冲源放在消声室外。不同电压下脉冲放电产生声压信号的时域及频域波形如图9所示。由图中可看出,脉冲放电产生的声压波形为一声脉冲,声压信号的峰值随放电电压的增加而增大,声压频率主要集中在高频区域(15~20kHz)。4正电晕放电特性正负极电晕起晕电压不同主要是因为空间电荷对尖电极附近电场的不用影响而造成的当尖电极附近形成流注之后,不同极性下空间电荷对放电发展的不同影响导致了正负极电晕放电图片的明显差异。当尖具有正极性时,流注等离子体头部的正电荷加强了流注头部的电场,使得前方电场易于产生新的电子崩,加强并延长了流注通道,使流注通道的头部逐渐向阴极推进;当尖具有负极性时,尖电极附近的强电场产生了大量的电子崩,造成扩散状分布的等离子体层,正空间电荷使前沿电场受到削弱,在相当一段电压范围内,电离只是在尖电极和等离子体层外沿之间的空间发展,直到电压很高,等离子体层前方才又将形成电子崩,因此,负极性电晕通道的发展比正极性困难得多同样外施电压及间距下,正电晕电流小于负电晕电流。当尖电极为正时,尖电极附近积聚的正空间电荷削弱了尖电极附近的电场,而加剧了流注头部的电场,流注以较快的速度向阴极推进,放电较为缓和;当尖电极为负时,附近的正空间电荷加强了电极附近的电场,而削弱了流注头部的电场,限制了流注向前发展,因此,大部分放电集中在尖电极附近较小的区域内,放电强烈且集中,因此放电电流大。正电晕放电声音大于负电晕的。由前面分析可知,正电晕流注通道长、电离区域大,但放电相对缓和,负电晕流注通道短、电离区域小但放电较剧烈,由此可初步推断,放电产生的声音可能和放电区域的大小更相关,放电区域较大时,代表有更多的声源,声源强度和声源多少相比时,声源数量占据了优势。单次脉冲放电产生的声压随放电电压的增加而增加。随着放电电压的增加,放电强度及放电区域均增加,因此放电产生的声音也相应增加,这和输电线路电晕放电产生的可听噪声随线路表面场强增加而增加的规律基本一致。单次脉冲放电产生的声信号频率主要集中在高频区域,而输电线路产生可听噪声的频谱较宽,表明输电线路产生的可听噪声除和电晕放电中单次脉冲放电相关外,还和放电重复率、放电密度等