水膜對球-球及棒-棒電極短空氣間隙工頻放電特性的影響

鄧捷，陳寶輝，方針，鄒佳斌，徐凱

(1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114； 2.國網湖南省電力有限公司防災減災中心(電網防災減災全國重點實驗室)， 湖南 長沙 410129)

0 引言

霧霾會引起外絕緣破壞事故，導致大范圍停電事件，給電網的安全穩定運行帶來嚴重的影響。如1996年的大霧導致華東地區線路跳閘135次；2001年遼寧電網出現大霧天氣，引起線路跳閘322次；2005年珠三角的霧霾天氣導致500 kV輸電線路跳閘7次[1]。

在霧霾環境中，由于濕度增大，電力設備表面首先形成凝露，然后擴展成水膜，隨著濕度的進一步提高，水膜形成水滴。2014年，董冰冰等發現在霧水濃度為1～3 g/m3時，棒電極表面形成的水滴導致電極周圍的電場畸變，縮短間隙距離，降低了放電電壓[2]。蔣興良等發現導線表面的水滴畸變空間電場導致電離系數增大，加快了電子崩的發展，加速了電暈形成[3]。張耿斌等發現球電極表面的水滴由端部往邊緣移動時，水滴對電場的影響逐漸減弱[4]。林浩然等發現高濕條件下，球電極表面的凝露使電極周圍電場產生嚴重畸變，大幅降低了球-球間隙的放電電壓[5]。劉洋等在模擬霧霾試驗中發現當霧水濃度超過18 g/m3時，由于棒電極端部小水滴的影響，棒-板短空氣間隙的擊穿電壓隨霧水濃度的增加而減小[6]。

以上研究皆關注水滴和凝露對短空氣間隙放電特性的影響，但均未研究電極覆水膜后對短空氣間隙放電特性的影響，更沒有研究不同電極類型、水的電導率等對短空氣間隙放電特性的影響[2-8]。在霧霾等高濕環境下，電極表面快速形成水膜，可能會對短空氣間隙的放電產生影響。因此，研究并排除電極覆水膜后對短空氣間隙放電特性的影響，是科學地研究霧霾環境下短空氣間隙放電機理的前提。

本文以球-球和棒-棒短空氣間隙為研究對象，研究不同類型電極覆水膜后對短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響，研究電源端電極覆水膜、接地端電極覆水膜、雙端電極同時覆水膜對短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響，研究不同電導率的水膜對短空氣間隙工頻擊穿電壓的影響。試驗結果為霧霾環境下短空氣間隙的放電機理研究提供理論指導。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗在大型人工氣候室(22 m×22 m×27 m)中進行，試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由球/棒電極、試驗電源、高速攝像機、錄波儀、分壓器構成。試驗電源由250 kV/50 kV·A工頻試驗變壓器提供，高速攝像機型號為Photron AX200，錄波儀型號為Yokogawa 850E。球電極直徑為25 cm；棒電極直徑為1.25 cm，端部為半球形，直徑也為1.25 cm。人工氣候室的溫度為7.2～7.8℃，氣壓為1 013 kPa，相對濕度為70%～75%。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗方法

試驗的電氣接線如圖2所示，一球/棒電極可靠接地，另一球/棒電極與電源相連，電極采用水平放置方式。試驗時首先調節球/棒電極之間的距離，然后對球/棒電極覆水膜。

圖2 試驗電氣接線圖

本文采用自來水(電導率136.7 μS/cm)、去離子水(電導率3.93 μS/cm)及污穢水(電導率1 465 μS/cm)對電極進行覆水膜。污穢水利用在自來水中加入一定量的氯化鈉(NaCl)的方法配置而成。覆水膜之前，選取砂紙打磨球/棒電極，并使用酒精和清潔劑清洗球/棒電極，避免電極表面的均勻度和污漬影響水膜在電極表面的均勻性。水膜的產生方式為：使用噴水壺將水緩慢地傾倒在球-球/棒-棒電極上，當水完全覆蓋電極時，停止倒水。由于受水膜自身重力的影響，球/棒電極上半部的水膜會略薄，下半部的水膜略厚，但水膜的厚度較電極的直徑小很多，所以不考慮因重力產生的水膜厚度不均勻性對電極放電造成的影響。當水膜自身的重力、表面張力，以及電極對水膜的支持力達到平衡時，水膜達到穩態。將球/棒電極下端無水滴滴落時視為水膜穩定和開展試驗的條件。

覆水膜的方式有3種，分別為電源端電極覆水膜、接地端電極覆水膜、雙端電極同時覆水膜。電極覆水膜的圖片如圖3示。

(a)干燥球-球電極(b)雙端覆水膜球-球電極

試驗采用升壓法進行測試，在前3/4升壓階段升壓速度較快，在后1/4升壓階段以每秒2%擊穿電壓的速度進行升壓。每次試驗后用吹風機吹拂間隙，以便空間電荷充分擴散，然后重新對電極進行覆水膜操作，并待水膜穩定后再進行試驗。放電過程采用高速攝像機進行拍攝，電壓波形選用錄波儀記錄。選取有效偏差在5%以內的試驗數據，有效試驗次數大于等于10次。平均擊穿電壓(Ub)和標準偏差百分數(δ)的計算式為：

(1)

(2)

式中：Ui為第i次有效擊穿電壓值；N為有效試驗次數，N≥10。

2 試驗結果

2.1 水膜對球-球短間隙擊穿電壓的影響

2.1.1單端電極覆水膜的影響

單端電極覆水膜分別為電源端電極覆水膜和接地端電極覆水膜(自來水)，擊穿電壓隨空氣間隙距離的變化規律如圖4所示。由圖可看出，隨著空氣間隙的增大，電源端電極與接地端電極覆水膜后的擊穿電壓均與干燥電極的擊穿電壓幾乎一致。當球-球間隙從1 cm上升至6 cm，間隙的擊穿電壓從21.58 kV增加至111.06 kV，間隙的平均擊穿場強從21.58 kV/cm降至18.51 kV/cm。這是因為隨著球隙的增大，電場的不均勻度隨之上升，擊穿場強降低[9]。從圖中可知，在1～6 cm的空氣間隙下，單端電極覆水膜對球-球間隙的擊穿電壓影響很小。

圖4 干燥電極與單端電極覆水膜擊穿電壓

2.1.2雙端電極覆水膜的影響

雙端電極覆水膜(自來水)后擊穿電壓的變化如圖5所示。由圖可知，當球隙從1 cm增大到6 cm時，雙端電極覆水膜的擊穿電壓始終高于干燥電極的擊穿電壓。在1～6 cm的間隙內，雙端覆水膜的擊穿電壓比干燥電極的擊穿電壓分別高了27.42%、17.49%、11.07%、7.02%、8.88%和4.42%。由此可知，在1～6 cm的空氣間隙內，隨著間隙的增大，雙端電極覆水膜后擊穿電壓的提高幅度呈下降趨勢。

圖5 干燥電極與雙端電極覆水膜擊穿電壓

2.1.3電導率對擊穿電壓的影響

以雙端電極覆水膜(自來水、去離子水、污穢水)為例，擊穿電壓隨電導率的變化如圖6所示。從圖中可看出，隨著電導率的增加，擊穿電壓未發現明顯變化。因此，在本試驗范圍內，雙端電極覆水膜時，電導率的變化對間隙的擊穿電壓基本沒有影響。

圖6 不同電導率水覆水膜擊穿電壓

2.1.4放電過程

放電過程如圖7所示，采用自來水對電極覆水膜，圖中的放電過程分別為流注階段、電弧階段、熄弧階段的放電圖像。由于放電圖片之間的間隔為25 μs，因此分別以-25 μs、0 μs、25 μs表示。圖像左邊為電源端，右邊為接地端。流注階段為流注頭部發展示意圖，這是因為相比流注頭部，流注通道的發光強度較弱，因此，在曝光時間內，只會留下流注頭部運動軌跡[10]。

(a)干燥電極

(b)電源端電極覆水膜

(c)接地端電極覆水膜

(d)雙端電極覆水膜

由放電理論可知[11]，當流注靠近另一電極時，流注頭部與電極之間的場強可達極大值，引起電離。因此，文獻[11]認為，流注頭部場強較大的一端為流注的發展方向。由文獻[12]可知，場強的大小可由放電的顏色進行定性分析，具體為：紫色光的場強>藍色光的場強>無放電區的場強。從圖7中可看出，干燥電極、接地端電極覆水膜、雙端電極覆水膜在靠近接地端電極處流注頭部周圍放電的顏色為藍色(在黃色虛線圈內)，而其他位置流注頭部的周圍為無放電區，這表明靠近接地端的流注場強較大。相比之下，電源端電極覆水膜為靠近電源端電極流注的周圍為藍色，該試驗現象表明靠近電極端的流注頭部的場強較大。因此可知，干燥電極、接地端電極覆水膜、雙端電極覆水膜的流注是由電源端發展至接地端，電源端電極覆水膜的流注是由接地端發展至電源端。此外，從電弧階段的放電圖(0 μs)可看出，在流注的發展方向上，電弧半徑是由小增大的，這也與文獻[13]所觀察到的現象一致。

2.1.5擊穿電壓波形

干燥電極與接地端電極覆水膜，以及雙端電極覆水膜的擊穿電壓信號波形相同。因此，以下僅對比干燥電極與電源端電極覆水膜(自來水)的擊穿電壓波形，如圖8所示。從圖中可知，干燥電極在電壓信號負半周發生擊穿，而電源端電極覆水膜在電壓信號的正半周發生擊穿。

(a)干燥電極

(b)電源端電極覆水膜

2.2 水膜對棒-棒短間隙擊穿電壓的影響

水膜(自來水)對棒-棒間隙擊穿電壓的影響如圖9示。在棒-棒間隙為4～5 cm時，擊穿電壓變化緩慢，原因在于棒電極的端部為球形，而球的直徑為1.25 cm，在較短電極間隙下可看為球電極，球電極在該區域下，球隙的擊穿電壓出現了飽和現象[11]。當棒-棒間隙增大到5～10 cm時，擊穿電壓隨間隙的增大而快速增大，此時電極體現為棒-棒電極，飽和效應消失。當間隙為10～20 cm時，棒-棒間隙的擊穿電壓重新出現飽和效應。但對比三種不同的覆膜方式，可發現覆水膜對棒-棒間隙的擊穿電壓幾乎沒有影響。

圖9 棒-棒電極覆水膜擊穿電壓

3 試驗結果分析與討論

3.1 水膜對球-球短間隙放電特性的影響

本文采用的球電極直徑為25 cm，在1～6 cm的間隙范圍內屬于均勻場。在均勻場下，不能形成穩定的電暈放電，電暈電壓即擊穿電壓。由于非自持放電形成的空間電荷的影響，負極性的電暈電壓更低[11]。電暈的起始電壓與光電子、電場分布有關。因此，須同時研究水膜對光電子和電場分布的影響。

3.1.1水膜對光電子的影響

空氣短間隙的擊穿過程分為電子崩、流注、主放電3個階段。結合圖7、圖8可知，球隙中的流注均為負流注，這就意味著初始電子崩從陰極附近產生。在大氣環境中，初始電子崩的起始電子來源于空氣中的自由電子，二次電子崩發展的起始電子主要來源于陰極的光電效應、正離子碰撞陰極、亞穩態發射，以及強制發射[14]。其中，電極表面強制發射所需場強為500 kV/cm[15]。而在本試驗范圍內，場強最大為21.58 kV/cm，遠達不到場致發射的場強。正離子碰撞陰極與亞穩態發射所生成的電子數幾乎一致，但兩者在生成電子的數量上較陰極的光電效應產生的電子數量低兩個數量級[16]。因此可知，陰極的光電效應是二次電子崩起始電子的主要來源，由光電效應產生的電子稱為光電子。水膜的存在影響光電子的發射能量，進而影響光電子的發射。圖10為水膜初始電子崩發展示意圖，對于球電極，電極端部的場強最大，電子崩由端部開始發展。圖10中L為空間某一點與水膜端部O的距離，LP與Li分別代表電子崩崩頭、電離區邊界與水膜端部的距離。

圖10 電極覆水膜時電子崩發展示意圖

研究表明，在紫外線照射下，金屬與其他介質的放電機理一致，區別只在于光電子發射系數γph不一致[17]。當水膜附近的電子碰撞電離系數α大于附著系數η時，若水膜附近存在自由電子，在電場力的作用下形成初始電子崩。崩頭的電荷密度較大，使空間電場發生強烈畸變，一方面使空氣分子的電離概率劇增，產生大量光子；另一方面，電場畸變可使分子和離子處于激勵狀態，當分子、離子回復到正常狀態將輻射大量光子。其中有一部分光子被水膜吸收，若水膜能產生1個及以上的光電子，放電將達到自持，如式(3)所示。

g(L)exp(-μL)dL≥1

(3)

式中：Neph為光電子數；γph為水膜表面光電子發射系數；g為水膜表面光子吸收系數；g(L)exp(-μL)為到達水膜表面的光子數占L處產生光子總數的比例；μ為空氣分子的光子吸收系數。

水膜光電離所需的能量為6.1 eV[18-19]；相比水膜，銅電極的表面逸出功為3.9 eV[11]，光電效應更易在銅電極表面產生光電子。當溫度、壓力和濕度不變時，對于不同的材料和表面狀態，γph的取值不同。水膜覆蓋電極后，雖然光電子可由銅電極的光電效應產生，但由于水膜覆蓋在電極表面，且表面場強遠達不到場致發射的數量級，銅電極產生的光電子難以發射。相比銅電極，水膜的逸出功更大，使得水膜的γph更小[20]。因此，當光電子由水膜產生時，電子濃度會較銅表面產生的低；研究表明，負流注的發展受電子濃度影響較大，這是因為電子的漂移率大，雖然負流注頭部的電子為流注的發展提供了起始電子，但是電子的漂移同時也削弱了負流注頭部的場強[21]。最終，若水膜產生光電子，間隙的擊穿電壓也隨之升高。

由圖8可知，電源端電極覆水膜時，擊穿電壓為正半周。該試驗現象說明：當電源端電壓為負半周時，光電子從水膜表面發射所需能量更多，電子崩發展受阻。再結合圖4可知，單端電極覆水膜擊穿電壓與干燥電極擊穿電壓幾乎一致，這說明光電子從干燥電極發射，形成負流注，而水膜有一定導電能力，對流注注入的阻礙較小，因此擊穿電壓幾乎不變。相比較，由圖5可知，雙端電極覆水膜的擊穿電壓較干燥電極的擊穿電壓明顯提升，原因在于：無論二次電子崩從哪端電極產生，水膜產生光電子所需的能量均較干燥電極更多，因此擊穿電壓更高。

3.1.2水膜對球-球間隙電場分布的影響

液體介質在電場中由于電場力的作用會發生極化。研究表明，水膜極化后會產生束縛電荷，所產生的附加電場與外電場之和構成水膜表面電場E。極化強度P與總電場成正比，與自由電荷及極化電荷呈正相關，表達式為[3]：

式中：r為測量點距參考點距離；r′為場源點距參考點距離；ρf為極化電荷密度；ρp為自由電荷密度；v′為場源區域。

1)水膜電導率對電場分布影響

利用參考文獻[22]的方法測量水膜的厚度，測得水膜的厚度為40 μm。雖然從理論上分析，不同電導率的水覆膜，隨著電導率的增加，離子密度會增加[3]。但由于水膜的厚度很薄，離子含量增加甚微。因此，自由電荷密度可以不考慮水中自帶的離子含量[23]。

水膜在電場極化后，極化電荷會吸附空間電荷，空間電荷在水膜的表面積累，會削弱空氣間隙中場強[24]。利用不同電導率的水對電極進行覆膜，隨著電導率的升高，陰極的水膜與陽極之間的壓降增大，水膜附近的電場增強，電子和離子對水膜的碰撞更為激烈，空間電荷吸附量必然下降。但從圖6的試驗結果可知，間隙的擊穿電壓卻幾乎沒有變化。該試驗現象表明，由于水膜極化的影響，電極附近的電場增強，空間電荷在水膜表面難以積累；隨著電導率的升高，水膜表面空間電荷的吸附量變化很小。因此可以認為，水膜的電導率在本試驗研究范圍內變化時，對電場的分布基本不產生影響。

2)水膜對電離區域的影響

由式(3)可知，達到自持放電的條件為光電子數Neph≥1，與光電子發射系數γph、電離系數α、吸附系數η及電離區域有關。α與η為場強的函數，場強單位為kV/cm，表達式為[25]：

α=3631.736exp(-167.96/E)，19≤E≤45

(5)

η=9.8648-0.541E+0.0114474E2

(6)

電離區域是指有效電離系數α-η>0時的空間區域。當間隙由1 cm增至6 cm時，α-η在球-球間隙的取值如圖11示，電場場強E取間隙場強的最小值，場強分布由COMSOL仿真得出。

圖11 α-η隨球隙間距的變化

從圖11可看出，α-η取值皆大于0，這表明電離區域覆蓋了整個球隙。雖然α與α-η隨著場強的減弱而降低，但電離區域卻一直在增大。從圖4的試驗結果可知，雙端電極覆水膜擊穿電壓的增幅隨間隙距離的增大而減少，原因在于隨著間隙的增大，電離區域也隨之增大。

由圖7、圖8可知，電源端電極覆水膜在電弧階段時，流注從接地端發展至電源端。通常，當有一電極直接接地時，流注一般由電源端發展至接地端，一方面是由于大地離子的影響，若流注從接地端產生，流注中的等離子體會與大地離子中和，流注發展受阻；另一方面是由于大地的影響，電源端電極附近的場強更大，將加快初始電子崩的生成。因此，該試驗結果說明，電源端電極覆水膜時，由于γph的值較小，水膜的存在在一定程度上不利于流注的發展。

3.2 水膜對棒-棒短間隙放電特性的影響

由圖9可知，隨著棒-棒間隙的增大，不同電極覆水膜的擊穿電壓幾乎一致。工頻電壓下，棒-棒間隙在正半周發生擊穿，這表明電暈是在正半周發生。由文獻[26]可知，正電暈二次電子崩的光電子來源于空氣分子的光電離，負電暈二次電子崩的光電子來源于陰極的光電離。正電暈達到自持放電的條件為二次電子崩產生的正離子數N2大于等于初始電子崩產生的正離子數N1，表達式為[27]：

(7)

(8)

式中：ri為電離區邊界；r0為主電子崩頭部球心位置；r為主電子崩頭部半徑；f1為一次碰撞電離(空氣分子)同時輻射的光子數；f2為空氣分子發生光電離的概率；h(l)與電極的幾何結構相關。

由式(7)和式(8)可知，水膜只可能對電離系數α產生影響，且正比于場強，場強分布如圖12和圖13所示。

(a)干燥電極

(b)雙端電極覆水膜

圖13 場強隨間隙變化

場強分布由COMSOL仿真得出，其中間隙電壓為100 kV，水膜的介電常數為81，空氣和銅電極的介電常數為1?？諝庥虻暮穸葹? m，其選擇是根據空氣域的厚度對電場分布的影響；空氣邊界條件設為接地；網格剖分選擇物理場控制網格，由于水膜的厚度較薄，網格的單元大小選擇極細化。圖12中的電場不對稱是由于大地對電源端棒電極的影響。由圖13可知，干燥電極與覆水膜電極的電場分布基本相同。因此，水膜對棒-棒間隙的電暈放電基本沒有影響。

由放電理論可知，電暈放電形成的空間電荷使空間電場發生了畸變。當間隙的電壓提高，電場增大，強電場中電離劇烈，并輻射光子，產生大量電子崩，電暈向流注發展。根據以上分析，由于水膜不影響棒-棒間隙的電暈放電和畸變空間電場，因而棒-棒間隙流注的發展也不受水膜的影響，最終棒-棒間隙的擊穿電壓也基本不受水膜的影響。

4 結論

本文對比研究水膜對球-球及棒-棒短空氣間隙工頻放電特性的影響，主要結論如下：

1)水膜的存在對球-球短空氣間隙單端電極覆水膜基本沒有影響，原因在于球隙的流注均為負流注，單端電極覆水膜時，流注可從干燥電極端產生，而水膜有一定電導率，對流注的注入沒有影響，因此單端電極覆水膜對擊穿電壓基本沒有影響。

2)球-球電極雙端覆水膜時，擊穿電壓明顯提高，這是水膜的逸出功較銅高、二次電子崩的起始光電子所需能量增多、電子濃度降低的緣故。當間隙由1 cm增大至6 cm時，擊穿電壓的增幅由27.32%下降至4.42%，原因在于隨著間隙的增大，電離區域增大。因此當間隙增大時，擊穿電壓的增大幅度有所下降。

3)水膜的電導率對球-球短空氣間隙擊穿電壓影響較小，原因在于電導率對電場分布影響小。一方面是由于水膜的厚度較薄，只有40 μm，離子含量變化小，自由電荷的含量基本不變；另一方面是由于水膜表面積累的空間電荷較少，對電場的削弱作用小。

4)水膜對棒-棒短空氣間隙的擊穿電壓影響較小，當間隙由4 cm增大至20 cm時，覆水膜電極的擊穿電壓與干燥電極的擊穿電壓幾乎一致。結果說明，一方面在棒-棒間隙下，二次電子崩的起始光電子由空氣分子的光電離產生，而非電極表面；另一方面水膜對電場畸變的影響小。

試驗結果對霧霾等高濕環境下的短空氣間隙工頻放電特性研究提供指導：當電極上形成水膜，若間隙為棒-棒短空氣間隙，可以不考慮水膜對短空氣間隙放電特性的影響；若間隙為球-球短空氣間隙，研究者必須考慮水膜所帶來的影響。研究結果也可為低電壓等級電網的外絕緣設計提供參考。