楊亞奇，李衛(wèi)國，袁創(chuàng)業(yè)，夏 喻

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

一種用于模擬低氣壓放電的試驗腔體試制研究

楊亞奇，李衛(wèi)國，袁創(chuàng)業(yè)，夏 喻

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

為研究低氣壓長空氣間隙交流放電特性以及突破鋼制腔體尺寸對放電間隙長度的限制，試制了以聚丙烯材質(zhì)為主體的低氣壓放電試驗腔體，并利用試驗平臺對其氣密性和放電性能進行測試。結(jié)果表明：試制的試驗腔體在25～900 Pa氣壓范圍內(nèi)最大壓升率小于0.1 Pa/s，有效放電間隙長度超過腔體半徑并達到600 mm，氣密性和放電性能均能夠很好地滿足低氣壓長間隙交流放電試驗的需求。研究成果對研究低氣壓下長間隙放電特性、搭建低氣壓放電試驗平臺以及改善腔體放電性能具有參考價值。

長間隙放電；試驗腔體；低氣壓；壓升率；放電性能

0 引 言

隨著我國高海拔地區(qū)超、特高壓交流輸變電工程的建設(shè)，研究低氣壓下空氣間隙放電特性越發(fā)重要，而電網(wǎng)運行經(jīng)驗表明低氣壓條件會降低輸變電設(shè)備空氣間隙絕緣的擊穿電壓，如果設(shè)計不當必將引發(fā)事故[1-6]。因此研制成本低、氣壓可調(diào)、放電性能好的試驗腔體對于普及實驗室條件下低氣壓下放電特性的研究具有重要意義。

目前研究低氣壓長間隙放電特性一般通過人工氣候室進行，如清華大學(xué)、重慶大學(xué)、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院、中國電力科學(xué)研究院等均利用人工氣候室研究低氣壓下絕緣子閃絡(luò)特性[7-10]，日本名古屋大學(xué)深入研究了低氣壓交流電壓下短間隙放電和沿介質(zhì)表面閃絡(luò)放電特性[11-13]。然而人工氣候室尺寸大且極限真空度有限，例如直徑2 m、高3.8 m的人工氣候室極限真空度為30 kPa，而直徑22 m、高34 m時僅為60 kPa[14，15]，另外受材質(zhì)的影響其有效放電間隙長度遠小于半徑。因此研制極限真空度高、有效放電間隙長、體積小且造價低的新型試驗腔體具有重要實用意義。

本研究對試驗腔體進行了設(shè)計與試制，并對成型腔體進行了氣密性和放電性能測試，首次將聚丙烯腔體應(yīng)用于低氣壓下長間隙放電試驗研究中，研究成果對實驗室條件下研究低氣壓下長間隙放電特性和改善腔體放電性能具有重要參考價值。

1 聚丙烯試驗腔體設(shè)計

1.1 腔體性能參數(shù)

由于聚丙烯電絕緣性和耐疲勞性高，力學(xué)性能和耐熱性在熱塑性塑料中最好，因此本研究利用聚丙烯的絕緣性突破傳統(tǒng)鋼制腔體對放電間隙長度的限制[11-13]。腔體設(shè)計性能參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計性能參數(shù)

1.2 腔體設(shè)計

聚丙烯主腔體包括圓筒外壁、橢圓形封頭、加強結(jié)構(gòu)、內(nèi)膽四部分，加強結(jié)構(gòu)焊接于圓筒外壁和封頭內(nèi)表面。為保證腔體環(huán)向穩(wěn)定性，擬通過設(shè)置環(huán)向加強環(huán)的方式使圓筒外壁計算長度屬于短圓柱殼體，臨界計算長度Lk如式(1)所示：

(1)

式中：D0=1 236 mm為圓柱殼體外徑；δ為理論壁厚。

其最小理論壁厚δmin如式(2)所示[18]：

(2)

式中：D=1 200 mm為圓柱殼體中性面直徑；m1=3為薄壁圓柱殼體環(huán)向穩(wěn)定系數(shù)；P=0.1 MPa為設(shè)計外壓力；Et=1.32 GPa為聚丙烯彈性模量；C=1 mm為以腐蝕裕量和工藝加工減薄量為主的附加壁厚。

由此計算得理論最小壁厚δmin=15 mm，考慮實際情況后選擇聚丙烯板材厚度為δe=18 mm。由于外壓容器的設(shè)計準則要求殼體所能承受的臨界壓力Pk必須大于設(shè)計壓力，即Pk1≥m1P，因此由式(3)[19]可驗證Pk1=0.727 MPa符合設(shè)計要求。

(3)

式中：μ=0.410 3為聚丙烯泊松比。

聚丙烯封頭外形采用直徑1 200 mm的標準橢圓形封頭尺寸，臨界外壓力Pk2如式(4)[20]所示，許用外壓力由式(5)可得[P]=0.138 MPa。

(4)

(5)

式中：R=600 mm為圓柱殼體平均半徑；n為失穩(wěn)波形數(shù)；δe2=20 mm為封頭實際壁厚；m2=14.52為橢圓形封頭穩(wěn)定系數(shù)。

為確保圓柱殼體環(huán)向穩(wěn)定性，對加強環(huán)考慮間斷焊接等因素,其所需慣性矩增加10%，且實際組合慣性矩應(yīng)大于所需慣性矩，即Is>I[20]。所需慣性矩和實際慣性矩分別如式(6)、式(7)所示[21]：

(6)

(7)

為利用聚丙烯材料的可塑性進一步加強腔體穩(wěn)定性，擬對腔體內(nèi)壁設(shè)置9條縱向加強筋，從而使腔體側(cè)壁和封頭處加強筋構(gòu)成籠型結(jié)構(gòu)，試驗腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-棒電極；2-上封頭；3-封頭加強筋；4-內(nèi)膽；5-側(cè)壁豎筋；6-側(cè)壁環(huán)筋；7-觀察窗；8-側(cè)壁；9-板電極；10-下封頭；11-引線接口；12-氣壓控制口圖1 試驗腔體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of test chamber

2 試驗原理及設(shè)備選取

本試驗的目的是測試試制的聚丙烯試驗腔體耐壓性、氣密性及放電性能，包括耐受0.1 MPa外壓能力、真空度高于1 000 Pa時壓升率變化范圍及間隙距離600 mm下的交流電壓放電效果。

2.1 試驗腔體

加工成型的試驗腔體如圖2(a)所示，中部觀察窗用于觀察放電現(xiàn)象。棒-板電極是典型空氣間隙之一[22]，本研究利用棒-板電極測試腔體放電性能。棒-板電極垂直布置于腔體內(nèi)部，板電極為直徑800 mm鐵板。棒電極為直徑15 mm的分段插接式球頭棒。棒-板電極如圖2(b)所示。

圖2 試驗腔體及棒-板電極Fig.2 Test chamber and rod-to-plane electrode

2.2 耐壓性和氣密性測試方法

腔體設(shè)計外壓力為0.1 MPa，耐壓性試驗擬對腔體進行0.125 MPa液壓試驗后進行氣壓試驗。腔體氣密性主要針對壓升率指標，針對極限真空度附近的平均壓升率值擬在25～65 Pa氣壓范圍內(nèi)選取9個氣壓段，ΔP=5 Pa,每個氣壓段測試5次并取平均值。針對腔體壓升率變化趨勢擬在100～900 Pa氣壓范圍內(nèi)選取9個氣壓段，ΔP=100 Pa,每個氣壓段測試5次并取平均值。

2.3 放電性能測試方法

放電試驗利用200 mm、400 mm和600 mm三種棒-板間隙交流放電現(xiàn)象測試腔體放電性能。由于空氣間隙交流放電特征量分散性較小，因此采用均勻升壓法進行試驗[23]。利用高速攝像機對放電現(xiàn)象進行觀測時采用手動觸發(fā)方式錄制棒電極尖端產(chǎn)生電暈到間隙擊穿全過程。為避免放電產(chǎn)生的空間電荷對下次放電產(chǎn)生影響，兩次放電間隔時間為5 min。

2.4 試驗設(shè)備及場地布置

試驗研究是在華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室內(nèi)完成。試驗電氣布置如圖3所示。交流高壓源為YDQ-400V/200kV充氣式試驗變壓器，容量為20 kVA；均勻升壓通過HZTC-101工頻耐壓控制臺實現(xiàn)；真空度由DL-10A型石英真空計測得，量程為5×10-1～105Pa[24]。真空泵選用西門子RVP-6旋片式真空泵，抽氣速率為6 L/s。采用一臺LX-30高速攝像機對放電過程進行觀測，主要錄制棒-板間隙的放電現(xiàn)象，所采用拍攝速度為60幀/s(對應(yīng)像素640×480，單幀曝光時間16.7 ms)。由于外腔壁聚丙烯材質(zhì)對外界電場沒有屏蔽作用，因此考慮在腔體四周布置金屬屏蔽籠。

A-380 V/20 kVA控制臺；B-200 kV/20 kVA試驗變壓器；C-分壓器(R2、R3分壓電阻)；D-真空泵；E-真空計；F-高速攝像機；G-電腦；H-數(shù)顯屏；I-試驗腔體；R1-保護電阻(10 MΩ)圖3 試驗電氣布置圖Fig.3 Experiment setup

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 耐壓性和氣密性測試

試驗腔體壓升率與氣壓關(guān)系如圖4所示。利用抽氣速率為6 L/s的真空泵可使腔體達到極限真空度23 Pa，在25～65 Pa氣壓范圍內(nèi)腔體最大壓升率為0.077 Pa/s，平均壓升率為0.053 Pa/s，在100～900 Pa氣壓范圍內(nèi)腔體最大壓升率為0.056 Pa/s，平均壓升率為0.042 Pa/s。由壓升率變化趨勢可知壓升率最大值位于該腔體真空度最大值點，且隨真空度降低而降低。試驗結(jié)果表明腔體具備耐受0.1 MPa外壓能力且25～900 Pa氣壓范圍內(nèi)壓升率小于0.1 Pa/s?？紤]25～65 Pa內(nèi)平均壓升率并由式(8)[25]可得極限真空度為20.65 Pa，與試驗測試結(jié)果十分接近。

(8)

式中：Sp為真空泵抽速；Ks=1.4為腔體出口處真空泵抽速損失系數(shù)；Py=0.053 Pa/s為腔體極限真空度附近平均壓升率；V=1 639 L為腔體內(nèi)容積；Pg為極限真空度。

圖4 壓升率與氣壓關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure rise rate and pressure

3.2 放電性能測試

腔體設(shè)計最大有效放電間隙為600 mm，本研究針對20 kPa氣壓下200 mm、400 mm、600 mm三種間隙的放電現(xiàn)象進行觀測，交流電壓下棒-板間隙放電觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 腔體放電觀測結(jié)果Fig.5 Observation result of discharge in test chamber

由交流電壓下的放電效果可以看出，該試驗腔體在有效半徑為500 mm的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)棒-板間隙距離600 mm以內(nèi)的放電試驗，放電間隙長度已超過腔體半徑。由圖5(c)可以看出當放電間隙距離達到600 mm時放電通道外形不受腔壁影響，放電性能較相同半徑鋼制腔體有明顯改善，利用該試驗腔體研究低氣壓下長間隙放電可以顯著縮小腔體尺寸，降低制造成本。

4 結(jié) 論

本文在綜合考慮試驗需求、安全性和成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計并試制了一種用于研究低氣壓放電特性的聚丙烯試驗腔體，并通過搭建試驗平臺對其耐壓性、氣密性和放電性能進行測試，首次將聚丙烯腔體應(yīng)用于低氣壓放電特性研究中。

(1)耐壓性和氣密性試驗結(jié)果表明，試制的聚丙烯試驗腔體具有耐受真空能力，對試驗周期較短的交流放電試驗氣壓誤差較小。然而受壓升率影響腔體極限真空度受到限制，建議進一步對聚丙烯腔體氣密性進行改進。

(2)聚丙烯腔體相對于同尺寸鋼制腔體的放電性能有很大改善，放電間隙長度在超過腔體半徑的情況下放電路徑未受腔壁限制，充分說明聚丙烯腔體在搭建低氣壓放電試驗平臺和改進腔體放電性能中的重要參考價值。

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Experimental Research on Test Chamber Used in Discharge Test Under Low Pressure

YANG Yaqi, LI Weiguo, YUAN Chuangye, XIA Yu

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to research the long air gap AC discharge characteristics under low pressure and break the limitation of steel chamber size to discharge length, a test chamber with polypropylene material as its main body was made and its gas tightness and discharge performance were tested by test platform. The results show that the maximum pressure rise rate is less than 0.1 Pa/s within 25～900 Pa and the effective length of discharge gap is 600 mm and exceeds the radius of the chamber. The gas tightness and discharge performance of the chamber could meet the requirement of long air gap AC discharge test. These results are of reference value for the study of long air gap discharge characteristics under low pressure, the building of discharge test platform under low pressure and improvement of discharge performance of common chamber.

long air gap discharge; test chamber; low pressure; pressure rise rate; discharge performance

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.10

2015-05-23.

TM215

A

1007-2691(2017)01-0065-05

楊亞奇(1989-)，男，博士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù);李衛(wèi)國(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷、高電壓與絕緣技術(shù);袁創(chuàng)業(yè)(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù);夏喻(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。