金巧芳，李亞偉

（1.紹興職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，成都610072）

濕污表面直流局部電弧的演變過程

金巧芳1，李亞偉2

（1.紹興職業(yè)技術學院，浙江 紹興 312000；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，成都610072）

飄弧和弧道在濕污表面沿泄漏距離的延伸是局部電弧演變的主要環(huán)節(jié)。利用高速攝像機觀測了不同極性直流局部電弧在濕污表面的演變過程，并從氣體放電理論分析和解釋了出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。觀測結果表明，負極性電弧比正極性電弧飄弧更嚴重，且負極性電弧延伸速率高于正極性電?。浑娀⊙由爝^程中，正極性電弧更容易出現(xiàn)分叉和并列弧道的現(xiàn)象，負極性電弧更易出現(xiàn)尖狀的頭部。負極性電弧更易飄弧是由于電弧與污層之間的流注更易發(fā)展，使負極性電弧和污層之間更易保持良好的導電通道，所以飄弧更易維持，也更嚴重；正極性電弧端部緊貼污層表面，使流注難以發(fā)展，電弧延伸困難，而負極性電弧端部和污層之間的距離則保證了起始于電弧端部的負流注迅速向前發(fā)展并形成新的電弧，使負極性電弧向前躍進式延伸。

直流局部電??；濕污表面；飄??；弧道延伸；流注

0 引言

絕緣子是電力系統(tǒng)中運用最為廣泛的器件，雖然成本低廉，但其重要性卻不亞于電力系統(tǒng)中的其它任何器件。自絕緣子誕生以來，其污穢閃絡問題就一直威脅著電力系統(tǒng)的安全運行。因此，開展對污閃問題的研究，有助于減少污閃的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

目前有關直流沿面電弧的研究，主要是S.Farokhi和M.Farzaneh等人研究了冰面上直流電弧發(fā)展現(xiàn)象[1-2]。直流電弧沿濕污表面的發(fā)展方面，主要有Wilkins、Shkuropat[3-5]，王秀娟[6]以及顧樂觀[7]、 張仁豫[8]、孫才新[9]等人通過試驗和理論得出的臨界閃絡電弧的延伸判據(jù)。另外，Y.Sabri、M.Farzaneh以及關志成等人通過試驗分別研究了冰面和污穢表面交直流電弧的伏安特性[10-12]。以上沿面電弧的研究，要么關注閃絡的臨界條件，要么關注局部電弧的伏安特性，并未考慮電弧達到臨閃長度以前的演變過程，尤其是不同極性直流局部電弧間的差異。

正、負極性電弧在發(fā)展過程中出現(xiàn)的差異對閃絡電壓的影響因試驗條件的不同而不同。對于極性效應的解釋，也各有不同，目前還沒有形成統(tǒng)一的認識。但極性效應不僅存在于直流污閃的過程中，交流污閃過程中也會在電壓的正負半周出現(xiàn)極性效應。因此，對直流局部電弧發(fā)展過程的深刻理解有助于對交直流絕緣子污閃機理的認識和對污閃電壓的準確計算。

因此，筆者利用高速攝像機觀察了濕污三角形玻璃板表面，不同極性直流電弧閃絡前后3 s內的演變過程，對比了不同極性的局部電弧在飄弧嚴重程度、弧道端部沿玻璃板表面向對面電極延伸的速率等方面的差異，并從氣體放電的角度對這些差異產(chǎn)生的機理進行了分析，以期得到不同極性直流局部電弧演變過程中，差異產(chǎn)生的機制。

1 試品及其布置

絕緣子表面的污穢閃絡過程比較復雜，難以對局部電弧演變的物理過程進行細致地觀察。因此采用厚1 cm，底邊長50 cm，高100 cm的三角形玻璃板作為試品。高壓電極和接地電極均為截面1 cm×1 cm的銅棒，長度分別為5 cm和48.5 cm，固定于玻璃板上表面，如圖1所示。這樣保證了電弧總是從電場強度最為集中的高壓電極出發(fā)，向接地極單向發(fā)展。為使玻璃板保持一定高度且與地面絕緣，采用絕緣支柱在玻璃板的底邊和尖端處進行支撐。

圖1 三角形玻璃板試品及試驗設備布置Fig.1 Triangular glass sample and the arrangement plan of experimental facilities

玻璃板表面鹽密為0.05 mg/cm2，灰密為1 mg/cm2。采用NaCl模擬可溶性鹽，高嶺土模擬不溶性灰分，將兩者用一定量的去離子水攪拌均勻后，采用定量涂刷法對玻璃板上表面進行涂刷，然后進行試驗。

試驗所用電源為±100 kV，5 A的直流電源，加壓速度為2 kV/s。電壓電流測量系統(tǒng)的采樣頻率為5 000 Hz。

為研究表面電弧發(fā)展的物理過程，利用高速攝像機拍攝了閃絡前3 s的局部電弧，拍攝快門速度為1/1 000 s。高速攝像機固定于玻璃板側面，鏡頭方向與玻璃板所在水平面呈45°，并與玻璃板中軸線垂直，正對玻璃板俯拍。為彌補攝像機高速拍攝時進光量的不足，采用2 kW無頻閃燈對玻璃板表面進行照射補光，照射角與玻璃板平面成45°。

2 試驗結果

2.1 飄弧

局部電弧受三種力的作用：熱浮力、靜電力和電磁力[13]。其中電磁力太小可忽略不計。熱浮力和靜電力的方向如圖2所示，兩者方向垂直。

圖2 熱浮力和靜電力Fig.2 Heat buoyancy and electrostatic force

用電弧長度x和其跨接的泄漏距離m之比表征局部電弧飄弧的嚴重程度。在電弧發(fā)展初期泄漏電流較小，熱浮力與靜電力都比較小，所以飄弧不太嚴重，但此時電弧發(fā)展速度也比較慢，隨著泄漏電流的增加，熱浮力開始迅速增加，飄弧也變得十分嚴重。這和閃絡試驗中觀察到的現(xiàn)象是一致的，即泄漏電流越大飄弧越嚴重。

為對比極性效應，將從負極性電極起始的局部電弧稱為負極性電弧，從正極性電極起始的電弧成為正極性電弧[14]（如圖3所示）。

圖3 負極性與正極性局部電弧Fig.3 Negative and positive partial arc

從對電弧飄弧過程的觀察可知，正、負極性電弧都存在飄弧現(xiàn)象，兩者在程度上存在不同。泄漏電流大小相同的情況下，負極性電弧可出現(xiàn)長時間持續(xù)穩(wěn)定的飄弧，使電弧弧柱被拉得很長。而正極性電弧飄弧后往往使弧柱區(qū)域的弧道迅速熄滅，導致電弧不能持久。

圖3為鹽密0.05 mg/cm2的玻璃板閃前 420 ms的電弧照片，此時負極性電弧電流105.7 mA，正極性電弧電流133 mA。從圖中可以看出，負極性電弧的長度和飄弧的高度明顯高于正極性電弧，而且負極性電弧的跨距也明顯大于正極性電弧，但由于負極性電弧的飄弧現(xiàn)象極大地增加了電弧的長度，反而導致回路電阻增大，因此同一時刻負極性電弧跨越的泄漏距離長得多，但泄漏電流卻比較小。

2.2 弧道的延伸

弧道沿濕污表面的延伸方式主要包括漸進式和躍進式兩種。其中漸進式延伸的速度較慢，大約十幾至幾十米每秒，躍進式延伸速度較快，達到了140～1 700 m/s，但仍小于空氣中電弧的發(fā)展速度。通過觀察發(fā)現(xiàn)，負極性電弧弧道延伸速度較快，比較符合躍進式發(fā)展的特征，而正極性電弧則是弧足沿濕污表面的緩慢延伸，和漸進式的延伸方式較為吻合。

弧足向前延伸的原因十分復雜，對電弧前端電離起主導用的是電場還是熱，抑或兩者兼有，目前還存在爭議[15]。但無論是電場導致的表面擊穿還是熱電離，都是碰撞電離在起主導作用，只是能量的來源不同[16]。

為比較正負極性電弧發(fā)展狀況的不同，選取了表面鹽密為0.05 mg/cm2的玻璃板閃絡前85 ms～135 ms內不同極性電弧的照片進行對比，如圖4所示。

圖4 弧足的延伸Fig.4 Extension of arc foot

圖4 中兩張照片的時間間隔為10 ms。對比兩者的發(fā)展狀況可知，負極性電弧傾向于向上飄弧，和濕污表面的接觸比較少，而正極性電弧則緊貼濕污表面。統(tǒng)計這一時段弧道向前延伸的速率，正極性電弧為106 m/s，負極性電弧為187 m/s，由此可見，兩者在弧道延伸速率上的差異也十分明顯。

在延伸過程中，局部電弧端部會出現(xiàn)多種形態(tài)，如圖5所示。但除尖狀前端以外的弧道端部由于前端面積較大，前方電場相對較弱，因而延伸速度也較慢。正極性電弧緊貼表面發(fā)展，因此受到表面狀況的影響更大。當前方不同方位出現(xiàn)干燥帶時，電弧就會在不同的方向向前延伸，出現(xiàn)分叉（圖5a），當某一分叉的前端電場得到加強，該分叉就會向前延伸，別的分叉會被抑制。而當正極性電弧跨距較大時，也會發(fā)生飄弧現(xiàn)象，只是飄弧持續(xù)時間相對短暫，在此過程中，原先與污層接觸的某些部分會在飄起時 “粘滯”在污層表面，并被逐漸拉長，形與前方類似的并列弧道（圖5b）。但隨著飄弧的繼續(xù)，新的弧道會逐漸拉長、變細直至最終消失。彌散狀（圖5c）的電弧端部意味著前方電場強度較弱，其向前延伸的速率很低，甚至可能向后收縮，這往往是由于負極性電弧發(fā)展過快，或者由于飄弧電弧使長度迅速增加，導致輸入功率的增加跟不上消耗功率的增加量，促使電弧頭部向后收縮形成的。而尖狀（圖5d）的電弧端部往往表明前方電場集中程度很高，使電弧端部表面形成新的流注，并進一步發(fā)展成為電弧，這種情況下電弧端部延伸的速率很快，尤其是臨閃階段往往達到300 m/s以上。尖狀弧足常見于負極性電弧前端向前延伸的過程中。

圖5 電弧發(fā)展過程中弧足的形態(tài)Fig.5 The form of arc foot on propagation process

隨著弧道前端沿泄漏距離向對面電極延伸，局部電弧跨越的泄漏距離逐漸增加，回路電阻減小，電弧前端電場逐漸加強，電弧的延伸速率逐漸加快，并可能達到臨閃階段。如果泄漏電流和外施電壓達不到臨界閃絡條件，電弧將逐漸熄滅。在此之前，弧根處形成新的電弧會逐步向前發(fā)展，由于電弧具有自我調整，以使其電壓梯度達到最小的性質[17]，故而流經(jīng)原弧道的泄漏電流逐步轉移到新弧道，使原來的電弧逐漸熄滅。

正負極性臨閃電弧在形態(tài)上也存在明顯區(qū)別。正極性臨閃電弧弧道往往緊貼濕污表面，且沒有太多的彎曲；而負極性電弧則由于飄弧形成復雜的形狀，且弧道被拉得很長，其形態(tài)如圖6所示。

在某些情況下，外施電壓達到較高的水平以后，正極性電弧仍然未能充分向前延伸，則會在接地極產(chǎn)生負極性電弧，負極性電弧迅速向正極發(fā)展，并抑制了正極性電弧的延伸，最終實現(xiàn)負極性閃絡。

圖6 正極性臨閃電弧與負極性臨閃電弧Fig.6 Positive and negative critical arcs

3 試驗結果分析

3.1 不同極性電弧飄弧程度差異分析

由試驗結果可知，無論是臨閃前還是臨閃狀態(tài)，正負極性電弧在飄弧嚴重程度上存在明顯差異，負極性電弧飄弧更嚴重，而正極性電弧則傾向于緊貼污穢表面。對于這一差異文[18]認為由于正極性電弧不能從金屬陽極獲得電子，而只能依賴陰極區(qū)域從污層表面收集電子，飄弧意味著從污層獲取電子的電弧區(qū)域迅速減少，因而相對于可直接從金屬陰極獲得電子的負極性電弧，其弧柱穩(wěn)定性要差得多。而文[14]則認為負極性電弧更易從污穢中吸收Na+，使其電導率增加，弧柱燃燒更穩(wěn)定，因而也更容易飄弧。而正極性電弧只能依靠緊貼污層的弧道表面獲得Na+，以維持其導電性，其收集Na+的能力遠不如負極性電弧，飄弧意味著從污層獲得Na+的能力急劇減小，使弧柱電導減小，穩(wěn)定性降低。也正是鈉離子濃度的不同導致了兩者在E-I的差異。

張志勁等人[19]通過實測得到了不同極性電弧E-I特性差異的存在。

正極性：

負極性：

張仁豫等[20]的測量結果雖與此不同，但也表明負極性電弧的電導率低于正極性電弧，這和負極性電弧更容易獲取電子或者Na+，單位長度電導率更高，更穩(wěn)定的解釋相矛盾。

而無論電弧極性如何，與之對應的下方污層由于電流的熱效應早已被烘干，而固體狀態(tài)存在的鈉原子電離需要至少10 000K以上的溫度[21]，而電弧核心溫度也很難達到5 000K以上，鞘層溫度更低，不可能使鈉原子電離。而作為電極的銅棒，在非常高的場強之下才能出現(xiàn)場致發(fā)射產(chǎn)生電子。

因此，局部電弧的導電性能應當從氣體放電的角度加以解釋。當局部電弧具有正極性時，其下方的污層相當于負極性，如圖7（a）所示。由于電弧和污層之間的距離很小，可以認為電弧的徑向電場很大，使污層表面產(chǎn)生負流注向電弧發(fā)展。

圖7 不同極性電弧與污層之間流注的發(fā)展示意圖Fig.7 The development schematic diagram of streamer between polluted surface and arcs with different polarities

負流注在發(fā)展過程中會受到正極性電弧鞘層的正電荷以及電子崩所留下的正電荷的牽制，發(fā)展速度會遠低于空氣間隙中負流注的發(fā)展速度，流注無法達到導電良好的電弧核心。而電弧鞘層的電導率遠低于核心。因此，如果正極性電弧核心距離污層過遠，不利于流注到達電弧核心，這使兩者之間的電導率增大，不利于電弧保持穩(wěn)定。為保持正極性電弧和污層之間良好的導電性，正極性電弧必須緊貼污層表面。

當局部電弧具有負極性時，由于電弧的曲率較大，相對于正極性電弧對應的表面污層更易產(chǎn)生電子崩和流注，并向污層運動。電子運動過程中雖然也會受到電子崩留下的正電荷的影響，但沒有了電弧鞘層正電荷的阻礙，負流注向污層運動的速率要比電弧具有正極性時，負流注向電弧運動的速度快得多。故而負極性電弧和污層之間的流注發(fā)展相對容易，兩者之間的導電性更易建立和維持，飄弧之后相對于正極性電弧仍具有相當?shù)姆€(wěn)定性。

Masaru Ishii[14]等人的研究也表明，正極性電弧弧道大部分，尤其是電弧端部總是緊貼電弧表面，而負極性電弧的電弧端部則和污穢表面保持一定的距離。

這也可以解釋正極性電弧出現(xiàn)飄弧時，為保持通道穩(wěn)定燃燒，總是趨向于和污層保持盡量多的接觸面積，因此就會出現(xiàn)“粘滯”的現(xiàn)象，形成并列的電弧通道。

3.2 不同極性電弧的延伸

張志勁、張仁豫等人的研究表明[20-23]，對于相同長度的局部電弧，正極性電弧的壓降小于負極性電弧，因此不能單純以電弧端部前方場強來解釋不同極性電弧在弧道延伸速率上的差異。正極性電弧端部緊貼污層，而負極性電弧的端部和污層總是保持一定的距離，造成了兩者延伸方式的差異。

當電弧具有正極性時，電弧前端與干燥帶靠近接地極側相當于正極性棒板間隙（圖8a）。電離首先在弧道端部前方的空氣中產(chǎn)生，產(chǎn)生的電子迅速向電弧端部移動，而正離子則在電場的作用下緩慢向前。這樣，電弧與電子之間、正離子前方電場被加強，當電子崩走完全程，便會在電弧端部形成正流注，流注前方再次形成二次電子崩，推動電弧向前發(fā)展。但由于電弧端部緊貼污層表面，所以正離子會受到污層的吸引迅速進入污層內，很難到加強前方電場引起新的電子崩的作用，流注的發(fā)展也會由于正離子被污層吸收而削弱。因此，正極性電弧端部緊貼污層表面，抑制了端部前方流注的形成，使正極性電弧端部的延伸需要更高的電壓來推動。

圖8 正、負極性電弧向前延伸原理示意圖Fig.8 The extension schematic diagram of arc with different polarities

當電弧具有負極性時，電弧前端與干燥帶靠近接地極側之間相當于負極性的棒板間隙（圖8b）。電子崩起始于負極性電弧前端，電子迅速向前擴散留下相對靜止的正電荷，導致電弧前端與正電荷之間以及電子前方的電場得到加強，引起新的電離，并產(chǎn)生負流注向前發(fā)展。由于負極性電弧與污層之間有一定的距離，且距離遠大于電子的平均自由程，故而負極性電弧前端的流注可以順利發(fā)展，使電弧向對面電極躍進式延伸。

需要注意的是，這里無論正負極性電弧的前方只給出了一個方向的二次電子崩。但實際上，流注頭部往往會產(chǎn)生多個方向電子崩，當某一方向電子崩的發(fā)展較為強烈，其它方向的電子崩就會被抑制，流注會沿此方向向前發(fā)展。由于正負極性電弧與污層之間距離的差異，正極性電弧前方某些方向上的二次電子崩的發(fā)展會受到污層抑制，不如負極性電弧前方二次電子崩發(fā)展得順利，這也是正極性電弧的延伸速率比負極性電弧慢的原因之一。

顯然，正極性電弧對表面狀況更為敏感，當前方不同部位出現(xiàn)電場集中時，便會出現(xiàn)方向不同的新電弧通道，使電弧前端形成分叉。而負極性電弧端部流注的發(fā)展更為劇烈和迅速，因而在端部形成細絲狀的前端，電弧會循著細絲迅速發(fā)展。

4 結論

1）負極性電弧飄弧程度比正極性電弧嚴重，且負極性電弧比正極性電弧具有更高的延伸速率；

2）由于負極性電弧和污層之間的負流注發(fā)展不像正極性電弧和污層之間的負流注受到電弧鞘層正電荷的抑制，負極性電弧和污層之間的負流注更易發(fā)展，兩者之間電導率更易維持，所以飄弧后的負極性電弧比正極性電弧穩(wěn)定，飄弧程度也更嚴重；

3）正極性電弧端部緊貼污層表面，使其前端產(chǎn)生的正電荷迅速進入污層，不能有效促進前方空氣電離，因此正極性電弧延伸速率較慢；

4）負極性電弧端部和污層表面具有一定的距離，故而負流注可以在電弧端部前方的空氣產(chǎn)生，并向前發(fā)展，使電弧向前躍進式延伸，其延伸速率高于正極性電弧。

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Evolution Process of DC Partial Arc on Wet-Polluted Surface

JIN Qiaofang1，LI Yawei2
（1.Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing 312000，China；2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The evolution process can be divided into two categories——arc floating through the air，and the propagation of arc foot.High speed camera is used for observing the partial arc evolution process on the wet-polluted triangle glass plate under DC voltage，and the mechanism of arc evolution is analyzed.According to the investigating result，negative arc column is easier to float and propagate than positive arc column，and the positive arc is more likely to fork than negative arc on the partial arc extending processes are presented in this paper.The streamer between the arc column and the polluted surface is more likely to propagate，this phenomenon make the gap between the arc and the polluted surface has good conductivity，and then the floating arc column maintain easily.The positive arc lay close to the polluted surface，therefore the streamer is difficult to continuously develop，and so did the arc extension.On the contrary，the distance between the arc foot and the polluted surface guaranteed the streamer ignited from the arc foot can move forward rapidly and then new arc column leap-forward develops.

DC partial arc；wet-polluted surface；arc flow；arc extension；streamer

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.029

2016-08-14

金巧芳 （1972—），女，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、電子與通信。