棒―板间隙放电电压影响因素分析

作者： 国自电气 时间：2024-10-22 09:26:41 阅读：100

棒-板长空气间隙正极性操作冲击放电试验在国家电网特高压直流试验基地户外试验场进行，试验场位于北京市昌平区，海拔55m。棒-板间隙放电是多个物理场耦合的结果，受到间隙结构、电压波形、电压极性、气象条件等多方面因素的影响。本文分析这些因素对放电电压的影响机制，并提取关键特征作为输入变量训练智能模型。

1.1间隙结构

影响棒-板间隙放电电压的结构特征主要包括棒-板间隙距离、棒电极直径和端部形状。其中，间隙距离是最主要的因素之一，与放电电压呈正相关，当间隙距离增加到一定程度时，放电电压会逐渐趋于饱和。根据经典气体放电理论可知，间隙电场分布的不均匀程度会影响间隙放电电压。棒电极直径和端部形状的不同导致电场不均匀程度存在差异，从而对放电电压产生影响。

1.2电压波形

加在棒电极上的电压波形不同时，棒-板间隙的放电特性也会发生改变。直流电压下，放电电压与间隙距离近似成正比，工频电压下，当间隙距离较大时，放电电压随间隙距离增大的幅度会逐渐降低。而在冲击电压下，由于空间电荷的形成，放电电压的分散性较大，且会随着间隙距离的不断增大逐渐趋于饱和。在操作冲击电压下，电压波前时间也会对棒-板间隙放电产生影响。电压波前时间较短时，流注起始后，由于有效电子出现位置的随机性及电压上升速率较快，可能快速形成某些丝状流注通道，并改变空间电场分布，从而抑制了附近流注通道的发展，整个流注放电区域范围就会比较小。若波前时间较长，由于电压上升速率慢，流注电晕放电比较均匀，各放电通道能够充分发展，该情况下形成的流注放电区域会更大。相关文献给出了通过不同波前时间冲击电压试验获得的棒-板间隙试验曲线。

1.3电压极性

由于正极性和负极性棒-板间隙的放电过程不同，因此电压极性会影响放电电压的大小。当棒电极为正极时，棒-板间隙的电子开始向棒移动，进入强电场区域后开始产生电子崩。当聚集在电子崩头部的电子达到一定数值时，就会发生光电离，加速电子崩的发展并过渡到流注，进而形成先导。而在负极性情况下，负电晕中的电子向电场降低方向移动，正电晕则向相反的方向移动，因此空间中存在反方向发展的正流注和负流注，其先导发展呈分级状态。两种情况下，棒极附近都聚集着大量正离子，棒极为正极性时，这些正离子加强了外部空间的电场，有利于流注向板极发展;而负极性情况下则相反，此时的放电电压比正极性时高，完成击穿过程所需的时间也更长。

1.4气象条件

在气象因素中，气压对放电电压的影响相对较大。气压越高，粒子的平均自由程越小，带电粒子在两次碰撞之间积累的动能越小，引起电离的难度越高，导致空气间隙的放电电压升高。温度与空气间隙放电电压呈负相关，环境温度越高，空气中的分子运动地越快，空气分子平均动能越大，带电质点在碰撞电离前积攒的动能越大，越容易产生碰撞电离,则空气间隙的放电电压越低。一般来说，大气中的绝对湿度越大，空气间隙的放电电压越高。因为大气中的水汽分子可以俘获自由电子并形成负离子，从而导致气体中的放电过程被抑制。

气象因素之间存在复杂的耦合关系，无法控制其他变量保持不变，单一气象因素对空气间隙击穿电压的定量影响往往难以通过试验来确定。一般来说，大气的温度受日照、海拔高度、地貌类型、气候类型等因素的影响。温度升高则空气中容纳水分子的限度增大，从而导致空气容纳水汽的能力的变化。而空气的绝对湿度主要取决于水汽的来源、输送和空气保持水汽的能力等因素，则温度的变化会对大气的绝对湿度产生影响。同时，温度升高也会造成空气膨胀，空气分子数密度减小，从而导致气压减小。由于水蒸汽分子量小于空气分子量，因此当绝对湿度增大时，空气密度减小，从而导致气压减小。

通常在进行间隙放电试验时，都会记录试验时的气压、温度、湿度及天气等环境条件，但由于我国大部分地区一年中处于高温和低温的时间相对较短，因此高低温下的试验数据依然较为匮乏。除了上述3种气象因素以外，风速、太阳辐射照度、淋雨等条件也会对空气间隙放电产生影响。由于相关试验数据不足，本文暂不探讨其他气象因素的作用。