荷电沙尘对棒

荷电沙尘对棒-板短空气间隙工频击穿电压影响的试验研究张重远;毕腾;耿江海;刘云鹏;李泳霖;黄志成【摘要】为研究真实风沙环境下带电沙尘对输电线路外绝缘特性的影响,基于固体颗粒荷电理论设计了一套沙尘荷电模拟试验系统,该系统包括风沙模拟装置、沙尘荷电装置以及棒-板间隙放电装置,可模拟真实的风沙环境.应用该系统研究了棒-板短空气间隙在风沙环境下荷电沙尘对间隙工频击穿电压的影响,对风速、风沙荷电荷电极性等因素对棒-板空气间隙工频击穿电压的影响规律开展了试验研究,研究表明:风的作用会使棒-板间隙的击穿电压增大;沙尘以及沙尘荷电对棒-板间隙击穿电压的影响与间隙距离有关.期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》年(卷),期】2019(046)004【总页数】7页(P39-45)关键词】沙尘;荷电量;棒-板空气间隙;工频放电特性;模拟试验系统【作者】张重远;毕腾;耿江海;刘云鹏;李泳霖;黄志成【作者单位】华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003;华北电力大学输变电设备安全防御重点实验室,河北保定071003正文语种】中文【中图分类】TM410引言我国的沙尘活动十分频繁且强烈，已经不再局限于西北地区干旱荒芜的沙漠地区，西起新疆喀什，东至黑龙江富锦，东北至呼玛，西南至西藏隆子，包括江苏、安徽、湖北等16个省（区）市［1-3］，均有沙尘活动。在沙尘天气里，沙尘中带电沙粒形成的带电区域［4-7］会对输电线路外绝缘特性产生影响进而影响电力系统的可靠运行［8,9］。由于我国特殊的地理格局，在全球能源互联网及西电东送工程建设、优化我国能源配置格局过程中，将有大量的交直流输变电工程经过沙尘地区，因此，深入地研究沙尘对输电线路外绝缘特性的影响有利于提高输电线路绝缘水平，降低故障率，对电网的安全可靠运行具有重要意义。目前国内外对于风沙环境输电线路的外绝缘特性的研究主要集中在真实风沙环境的模拟和沙尘对输电线路外绝缘的影响这两方面。中科院和兰州大学的学者［10,11］通过风洞模拟试验模拟真实的风沙天气，测得沙粒的荷质比可达-24.3pC/kg和+65.8pC/kg,国外的学者在野外测得的沙粒荷质比最大可达±60pC/kg。埃及学者M.Awad［12,13］等人，采用电晕荷电的方式通过调节起晕网的电压值改变沙粒的带电量，进行了沙尘条件对玻璃绝缘子串沿面闪络特性以及对间隙击穿电压的影响的试验研究，但该研究只得出定性的结论，并未测得沙粒的荷电量。沙特的M.I.Qureshi以及A.A.AI-Arainy等学者［14-19］进行了风沙环境下棒-板、棒-棒空气间隙在操作冲击电压和雷电冲击电压下的放电特性影响试验，研究表明：沙尘的存在会影响气隙的击穿特性，击穿电压的影响程度与间隙距离、电极形状、沙径和电压类型有关，但其仅考虑沙粒对间隙放电特性的影响，而忽略了真实自然环境下沙粒的带电现象。国内重庆大学的学者［20-22］开展了沙尘条件下空气间隙击穿和沿面闪络等方面的研究，但其试验模拟测得沙粒荷质比最大为350nC/kg，远低于国内外学者所测得的野外真实风沙环境下沙粒的荷质比30pC/kg。鉴于以上原因，本文基于固体颗粒荷电理论设计了沙尘荷电模拟试验系统，测得的沙粒荷质比最大可达30pC/kg,实现了对真实风沙环境的模拟。本文以棒-板短空气间隙为研究对象研究了模拟真实风沙环境下荷电沙尘对棒-板空气间隙工频击穿电压影响，得出多因素影响下的棒-板短空气间隙的工频放电特性，可为研究真实风沙环境下长空气间隙的放电特性打下基础，进而对沙尘地区电力系统外绝缘的选择提供理论依据。沙尘颗粒荷电机理颗粒荷电方式选择粉体颗粒的荷电理论是在静电技术的基础上发展形成的一门学科，在静电除尘、等离子体放电、静电喷涂等众多领域得到了广泛的应用。人工荷电是通过强制性方式在短时间内人为地使颗粒带上电荷的方法，包括电晕荷电、电子束以及离子束荷电等方式。因电晕荷电带电量较大，可在自然环境下进行，应用于工程实际以及试验，故本文选用电晕荷电方式来对沙尘颗粒荷电。沙尘荷电的机理电晕荷电的荷电机理与沙粒的粒径有关，由于沙粒粒径分布于20~1000pm,沙尘的荷电机理以场致荷电为主导。参考传统场致荷电的物理模型，假设沙尘颗粒为球形，且悬浮于均匀电场E0中，由于电晕放电释放出的正负离子在电场力的作用下与沙粒发生碰撞而荷上电荷,其饱和带电量Qmax如式(1)所示：(1)式中：⑷为真空介电常数；d为沙粒粒径；zr为沙粒相对介电常数。则任一时刻沙粒由于场致荷电所荷电量如式(2)：(2)式中：t为荷电时间；T为荷电时间常数，如式(3)所示：(3)式中：i为离子流密度。由于沙粒近似为球形，质量m为(4)则沙粒的荷质比qm如式(5)所示：(5)由式⑸可知，沙粒的荷质比与荷电空间的电场强度E0、荷电时间t以及沙粒粒径等因素有关，本文设计的沙尘荷电模拟试验系统综合考虑了上述因素。试验装置及试验方法本文设计的沙尘荷电模拟试验系统测得的沙尘最大荷质比可达30pC/kg,可实现对自然风沙环境的模拟，试验系统如图1所示，包括风沙模拟装置、沙尘荷电装置和棒-板间隙放电装置三部分,下文将重点介绍自行设计的风沙模拟装置和沙尘荷电装置。图1沙尘荷电模拟试验系统示意图Fig.1Schematicdiagramofdustchargesimulationtestsystem风沙模拟装置风沙模拟装置由进沙漏斗1、螺旋给料器2和喷枪3组成。漏斗由铁架固定于螺旋给料器上，螺旋给料器底部连接着储沙槽，喷枪中段开口从储沙槽中穿过，两者配合紧固防止漏沙。螺旋给料器由一台电机带动运转，其送沙流量范围在5~50g/s之内连续可调。系统的控制采用定制的变频供电柜，内装ABB公司的壁挂式变频器与给料器电机单对单连接，电机通过变频柜变频调节电流频率，以控制沙尘的浓度。喷枪由密封气罐供气，密封气罐由空压机控制，空气经空压机压缩储存在密封气罐中，通过调节密封气罐出口阀门的开度来控制风速。沙粒储存在进沙漏斗中，当开启密封气罐出口阀门，喷枪射出稳定气流，开启变频器，螺旋给料机旋转使沙粒落入下部的储沙槽。通过变频器与气罐出口阀门的配合，喷枪射出均匀的气固两相流体，进而实现对风沙的模拟。沙尘荷电装置沙尘荷电装置由接地网4，起晕网5以及平行平板6组成。接地网是在矩形金属框的上表面焊接一块网孔密集的铁丝网，铁丝网接地。起晕网以矩形金属框为基本框架，0.2mm的金属丝穿过金属外框的小孔相互交叉形成如图1所示的网状结构，网孔间隔10cm，起晕网与高压直流电源相连。接地网与起晕网由克林棒支撑，两者中的空间被称为荷电区域。当起晕网上施加高压时，金属丝会起晕在金属丝附近产生大量正负离子，这些离子在电场力的作用下向接地网运动，与喷枪射出的沙粒发生碰撞进而对沙粒荷电。本文通过改变高压直流电源的极性以及电压值的大小进而改变沙粒的荷电极性以及荷电量。平行平板由两块尺寸相同的金属平板组成，两板之间由克林棒支撑。上平板连接高压直流电源，下平板接地。平行平板的作用在于滤除起晕网产生的空气离子，由于气固两相流体流经起晕区不可避免会携带着大量的空气离子，空气离子会对沙粒荷质比的测量和棒-板间隙击穿电压的测量产生干扰，故设置平行平板滤除起晕网产生的空气离子，空气离子在平行电场的作用下运动轨迹向平板偏移，而沙粒由于自身的重力能抵消电场力的影响运动轨迹几乎不受影响，进而实现对空气中正负离子的滤除。棒-板空气间隙放电装置棒-板空气间隙放电模型［23-25］如图2所示，板电极为边长80cm的正方形金属板，板电极接地。棒电极半径1cm，棒长30cm，棒电极头部为圆锥，圆锥末端为半径1mm的半球，棒电极与工频电源相连，试验中以1kV/s的速度均匀升压。图2棒-板空气间隙放电模型Fig.2Rod-plateairgapdischargemodel在试验中，采用DS2302A型示波器配合高压探头实时测量间隙的击穿电压，该测量系统误差小于1%，每个试验工况点的击穿电压的获取是通过10次击穿试验得到数据，对其求取算数平均值，得该工况点最终的击穿电压。沙尘荷电量的测量沙尘荷电量的测量装置如图3所示，由高阻计、NI数据采集卡、基于LABVIEW的PC采集系统、天平以及沙粒收集桶组成。图3荷电测量系统Fig.3Chargemeasurementsystem试验时，沙粒收集桶放置于棒-板间隙处，当气固两相流体流经收集桶，气体可透过金属网，而沙粒因其粒径小于金属网落入收集桶。沙粒通过与金属网发生碰撞，将电荷传递到铜桶形成电流，电流流经高阻计由数据采集卡采集。沙尘的荷电量用荷质比qe来表征：(6)式中：Am为试验前后沙粒收集装置的质量变化；I为数据采集卡采集到的电流；t为试验时间。沙尘荷电量测量试验结果本文为实现对自然风沙电环境的模拟，采用上节介绍的沙尘荷电系统对沙尘进行荷电并对沙尘荷电量进行测量，试验测量了不同正负直流电压下沙尘的荷质比。沙尘荷质比的获得是通过对起晕网施加同一电压值进行10次试验得到数据，对其求取算数平均值，得该直流电压下沙尘的荷质比，试验结果如图4、5所示。图4负极性电压下沙尘荷质比Fig.4Chargeofsandatnegativepolarityvoltage图5正极性电压下沙尘荷质比Fig.5Chargeofsandatnegativepositivevoltage由图4、图5，沙尘荷质比与正、负极性电压呈线性正相关，表明随着所加试验电压的增加，沙尘荷质比近似线性提高。因此，理论上可通过控制起晕网所加直流电压的大小来控制沙尘的荷质比并使其达到国内外学者在野外的30pC/kg实测值，实现定量模拟自然风沙电环境。风沙环境下棒-板间隙的击穿特性沙尘天气根据风速、沙粒粒径和能见度等指标，可以进一步分为浮尘、扬沙和沙尘暴。其中，浮尘天气一般认为是无风或平均风速小于3m/s、沙粒粒径小于1pm的尘埃浮游于空中且能见度一般小于10km的天气现象；扬沙一般是指风力较大，能将粉尘（粒径1~50pm）吹扬于空中，造成空气浑浊，使空气能见度在1~10km的天气现象；沙尘暴一般是指风力强大，能将沙粒（粒径大于50pm）吹上低空，能见度小于1km的天气现象。本文通过筛析法筛出不同粒径的沙粒并结合不同的风速来实现对沙尘天气的模拟。本文利用一套孔径大小不同的标准土壤筛对待测样品进行筛分，通过事先设定筛子的孔径间隔，从粗到细筛分一定量的代表性沙土，试验用沙采自青海，根据沙样粒径检测结果，结合筛沙工作具体的出沙量，本文选取沙粒的粒径为0~125pm,结合一定的风速实现对扬尘天气的模拟，进而探究扬尘天气下棒-板间隙的击穿特性。风速对击穿电压的影响本文为探究扬尘天气下风速对棒-板短空气间隙工频击穿电压的影响规律，首先针对不同的棒-板空气间隙距离进行了无风无沙、有风无沙这两种情况的试验，试验风速为4m/s，试验结果如图6所示。图6风对击穿电压的影响Fig.6Effectofwindonbreakdownvoltage由图6，通过对比有风与无风两种情况的击穿电压，可以发现，有风时棒-板间隙的击穿电压比无风时高，可见模拟扬尘天气时风速会导致棒-板间隙的击穿电压略微升高。这是由于风会影响棒电极尖端电弧的发展：一方面，风的作用使间隙处空间的空气流通加快，会降低尖端电弧的温度进而影响热电离；另一方面，棒尖端的电弧会在风的作用下被拉长导致电弧容易熄灭，因此间隙的击穿电压会升高。并且，随着间隙距离的增加，风对击穿电压的影响越小。这是由于风虽然对于电弧有一定的“吹弧”作用，但其对于间隙距离的影响有一定限度，即在间隙距离较小时，风速的影响较大，而当间隙距离较大时，风速的影响变小。沙尘对击穿电压的影响为分析沙尘对棒-板间隙放电特性的影响，进行有风无沙和有风有沙情况下的试验研究。图7为风速4m/s，沙粒粒径为0-125pm,沙尘浓度为10g/m3时击穿电压与棒-板间隙距离之间的关系。图7沙尘对击穿电压的影响Fig.7Effectofdustonbreakdownvoltage从图7可以看出，沙尘对棒-板空气间隙击穿电压的影响与间隙的距离有关。当间隙距离小于7.5cm时，有风有沙时棒-板间隙的击穿电压比有风无沙时低；当间隙距离大于7.5cm小于17.5cm时，有风有沙时棒-板间隙的击穿电压比有风无沙时略高；当间隙距离大于17.5cm时，两种情况下的击穿电压几乎相同。沙尘荷电对击穿电压的影响为研究沙尘荷电对棒-板间隙放电特性的影响，进行有风有沙时沙尘是否荷电对棒-板间隙击穿电压影响的试验研究。其中为实现模拟自然风沙环境，通过第3节中所述的直流电压值与荷质比的线性关系，改变起晕网所加电压值大小使沙尘荷质比近似为±30pC/kg。当进行沙尘是否荷电对间隙击穿电压影响试验时，均控制沙尘荷质比近似为±30pC/kg。图8为风速4m/s，沙尘粒径为0~125pm,沙尘浓度为10g/m3，沙尘不荷电、沙尘荷正电以及沙尘荷负电时击穿电压与棒-板间隙距离之间的关系。图8沙尘荷电对击穿电压的影响Fig.8Effectofdustchargeonbreakdownvoltage从图8可以看出，沙尘荷电与否及荷电极性对棒-板空气间隙击穿电压的影响与间隙距离相关。沙尘荷正电时与荷负电时对棒-板间隙击穿电压的影响几乎相同，即当间隙距离小于12.5cm时，沙尘荷电时棒-板间隙的击穿电压高于沙尘不荷电时;当间隙距离大于12.5cm时，沙尘荷电与不荷电两种情况下的击穿电压几乎相同。5结论本文通过进行沙尘环境下棒-板空气间隙模型工频放电特性的试验研究以及分析，得到以下结论：有风无沙时棒-板空气间隙的击穿电压大于无风无沙时的击穿电压，并且随着间隙距离的增大，风对击穿电压的影响逐渐减小。沙尘环境下，沙尘对棒-板间隙击穿电压的影响与间隙距离有关。当间隙距离小于7.5cm时，沙尘会降低击穿电压；当间隙距离大于7.5cm时，沙尘会略微提高击穿电压；当间隙距离大于17.5cm时，沙尘对击穿电压几乎没有影响。沙尘荷电与否及荷电极性对棒-板空气间隙击穿电压的影响与间隙距离相关，且正负荷电对击穿电压的影响相差不大。当间隙距离小于12.5cm时，沙尘荷电会提高击穿电压；当间隙距离大于12.5cm时，沙尘是否荷电对击穿电压几乎没有影响。本文针对模拟真实风沙环境下棒-板短空气间隙进行工频击穿试验，但在超、特高压输变电系统中绝缘子串与杆塔、变压器套管与地的绝缘结构近似于棒-板长空气间隙，后续应继续研究风沙环境下棒-板长空气间隙的工频击穿特性。【相关文献】董治宝，王涛，屈建军.100a来沙漠科学的发展[J].中国沙漠，2003,23(1):1-5.DONGZB,WANGT,QUJJ.Thehistoryofdesertscienceoverthelast100years[J].JournalofDesertResearch,2003,23(1):1-5.王荣梅，阿依仙木古丽，余岚，等.新疆喀什地区沙尘暴天气的时空分布特征及防治措施[J].冰川冻土，2016,38(6):1553-1559.WANGRM,AYXMGL,YUL,etal.SandstormweatherinKashgarprefectureofXinjiangRegion:spatialandtemporaldistributioncharacteristicsandcontrolmeasures[J].JournalofGlaciologyandGeocryology,2016,38(6):1553-1559.邓鹤鸣，李勇杰，蔡炜，等•沙漠区域输电问题研究现状及展望[J].高电压技术，2017,43(12):3850-3861.DENGHM,LIYJ,CAIW,etal.Statusandprospectontechnicalresearchofpowertransmissionindesertareas[J].HighVoltageEngineering,2017,43(12):3850-3861.张鸿发，王涛，屈建军，等.沙尘暴电效应的实验观察研究[J].地球物理学报，2004，47(1):47-53.ZHANGHF,WANGT,QUJJ,etal.Anexperimentalandobservationalstudyontheelectriceffectofsandstorms[J].ChineseJournalofGeophysics,2004,47(1):47-53.刘世增，徐先英，詹科杰•风沙物理学进展及其在沙漠化防治中的应用[J].科技导报，2017，35(3):29-36.LIUSZ,XUXY,ZHANKJ.Advancinginstudyoftheblownsandphysicsanditsapplicationindesertificationcontrol[J].ScienceandTechnologyReview,2017,35(3):29-36.GILLEW.Frictionalelectrificationofsand[J].Nature,1948,18(4):568-569.LATHAMJ.Theelectricationofsnowstormsandsandstorms[J].QJRMeteorSoc,1964,90:91-95.朱雷，刘云鹏，耿江海•高海拔沙尘条件下750kV输电线路导线电晕损失特性(英文)[J].中国电机工程学报,2015,35(22):5924-5932.ZHUL，LIUYP,GENGJH.Influenceofsandyconditiononcoronalosscharacteristicofthe750kVbundleconductorsinhighaltitudearea[J].PrpceedingsoftheCSEE,2015,35(22):5924-5932.陆家榆，何堃，马晓倩，等.空中颗粒物对直流电晕放电影响研究现状：颗粒物空间电荷效应[J].中国电机工程学报,2015,35(23):6222-6234LUJY,HEK,MAXQ,CurrentstatusofstudyontheeffectsofairborneparticlesonDCcoronadischarge:space-chargeeffectofparticles.[J].ProceedingsoftheCSEE,2015,35(23):6222-6234张鸿发，屈建军，言穆弘•风沙起电的风洞实验研究[J].高原气象，2002,21(4):402-407.ZHANGHF，QUJJ，YANMH．Summaryonwindtunnelexperimentstudyofsandstormelectrification[J]．PlateauMeteorology，2002，21(4):402-407．张欢•风沙流和沙尘暴中静电现象的研究[D].兰州：兰州大学，2016.MOHAMEDMA,HASSANMS,BAHAAAA，etal.Effectofsandstormswithchargedparticlesontheflashoverandbreakdownoftransmissionlines[C].CIGRE，2002.AWADM,FARIDF,SHARKAWIE.Breakdownvoltageofmediumairgapsundersandstormorhumidityconditionsinthedesert[P].IEEConf.Publication,No.189,Part2,1980:151-154.QURESHIMI,Al-ARAINYAA,MALIKNH.Influenceofsand/dustcontaminationonthebreakdownofasymmetricalairgapunderlightingimpulses[J].IEEETransactionsonElectricalInsulation,1992,27(2):193-206.QURESHIMI,Al-ARAINYAA,MALIKNH.Performanceofrod-rodgapsinthepresenceofdustparticlesunderstandardswitchingimpulses[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1993,8(3):1045-1051.QURESHIMI,Al-ARAINYAA,MALIKNH.Influenceofsand/dustcontaminationonthebreakdownofasymmetricalairgapsunderswitchingimpulses[J].IEEETransactionsonElectricalInsulation,1994,1(2):305-314.QURESHIMI,Al-ARAINYAA,MALIKNH.PerformanceofprotectiverodgapsformediumvoltagenetworksinthepresenceofdustparticlesunderlightingImpulses[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1999,14(4):1311-1315.QURESHIMI,Al-ARAINYAA,MALIKNH.Performanceofrod-rodgapsinthepresenceofdustparticlesunderlightingimpulses[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1991,6(2):706-714.Al-ARAINYAA,MALIKNH,QURESHIMI.Influenceofdesertpollutiononthelightingimpulsebreakdownvoltagesofrodtoplaneairgaps[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1991,6(1):421-428.司马文霞，程浩，杨庆，等•沙尘环境下绝缘子交流闪络特性及机