高海拔沙尘环境对典型长间隙操作冲击放电特性的影响

张重远, 李星辰, 马旭东, 毕 腾, 王生富, 刘云鹏, 耿江海, 丁玉剑

(1.河北省输变电设备安全防御重点实验室(华北电力大学)，保定 071003；2.国网青海省电力公司电力科学研究院，西宁 810000;3.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510000;4.中国电力科学研究院有限公司,北京 102206)

中国能源资源和能源消费中心分布极不平衡，在西电东送，优化中国能源配置格局的过程中，有大量输变电工程需要途径西北高海拔高干地区，与平原地区相比，西北地区土地荒漠化严重，在春季沙尘天气频发，其中4月沙尘天气发生次数最多[1]。国外学者Gill[2]观测到沙尘暴过境时有强电场形成并伴随着强烈的火花放电和通信干扰等现象，这是由于风沙电环境中的带电沙粒引起空间电场畸变，介电常数增大、电阻率减小、形成强烈的风沙电场，这些都将可能影响到电力系统的可靠运行[3]。例如,2006年3月28日，河南郑州发生沙尘暴，出现30多起电力故障，造成两条高压线路跳闸，引发大面积停电事故；2014年4月23日，新疆 750 kV 吐鲁番—哈密线316-331号区段出现沙尘暴天气，线路发生故障跳闸，重合闸动作未成功。中外学者对沙尘引起的线路故障进行了很多研究，文献[4]指出沙尘会改变空气间隙雷电和操作冲击放电特性，并认为阴极表面的沙尘是影响空气间隙放电特性的主要因素。文献[5]在实验室进行沙尘暴环境下棒-棒、棒-板工频放电特性试验，研究了沙尘对空气间隙工频击穿电压的影响。文献[6]依托室内试验平台模拟沙尘天气，开展了沙尘环境对板-板电极工频放电特性的研究，分析风速和沙尘浓度对板-板间隙工频放电特性的影响规律。文献[7]研究了沙尘环境对分裂导线电晕放电的影响，发现沙尘颗粒可以使导线周围电场发生畸变，沙尘环境下导线电晕现象显著增强。文献[8]提出随着体积分数的变化，沙尘对尖-板间隙工频放电电压存在促进和抑制两种情况。文献[9]对沙尘环境下棒-板短空气间隙的雷电冲击击穿特性进行研究，其结果表明沙尘环境对小于1 m的棒-板间隙的雷电冲击击穿电压存在影响。

自20世纪50年代，中外对风沙起电现象开展了大量研究。文献[10]探究了风沙起电现象的原因，认为风沙起电现象是由运动中的沙粒非对称摩擦发生电荷转移造成的；文献[11]通过风洞模拟沙尘环境发现沙粒带正负电荷的临界粒径是60 μm，小于60 μm的沙粒带负电，大于60 μm的沙粒带负电；文献[12]利用风洞模拟风沙两相体运动并进行沙粒平均荷电量和电场强度的测量；文献[13]针对弥漫沙尘的棒-板空气间隙的电场分布进行了仿真，发现沙粒周围的电场发生明显的畸变。文献[14]基于固体荷电理论，设计了沙尘荷电及测量系统，使风沙流的荷电量达到野外实际观测的数值。文献[15]依托上述的沙尘荷电及测量系统，进行了荷电沙尘对棒-板短空气间隙工频击穿电压影响的研究，证实荷电沙尘对短间隙放电特性存在影响。

综上所述，沙尘环境对间隙的放电特性存在影响，但当前的研究忽略了沙尘自身所带的电荷量，所模拟的沙尘环境与自然状态下的沙尘天气有一定差别。此外，之前的研究对象多为短空气间隙，远远达不到特高压工程上所需要的间隙距离，无法满足工程需要。现依托自建的荷电沙尘环境模拟系统，使沙尘荷电量达到自然环境中的实测水平，在高海拔地区对荷电沙尘环境下长空气间隙操作冲击放电特性进行研究，可以为该地区超特高压输电线路外绝缘优化配置提供参考。

为了模拟西北地区输变电工程面临的真实沙尘环境，现通过实地调研和总结相关报道，确定西北高海拔地区高电压等级输电线路附近的沙尘天气参数，提出风沙流风速、沙尘粒径、沙尘天气等级和沙尘荷质比这4个沙尘环境关键指标并研究这4个关键指标对操作冲击电压作用下的棒-板、棒-棒间隙击穿特性的影响。

1 试验平台和试验方法

1.1 沙尘天气参数调研

为了使试验中的沙尘天气参数达到西北地区输电线路真实经历的沙尘环境，项目组在青海和新疆北部地区调研沙尘天气参数，在近5年频繁出现沙尘天气或曾因沙尘天气发生跳闸事故的高压输电线路沿线选取32个采样点，采样并分析发生沙尘天气时沙尘的粒径分布范围、沙尘天气的等级以及风速，结合中外对沙尘荷电现象的研究引入沙尘荷质比这一参数，并把以上4种参数作为变量，研究沙尘参数变化对间隙放电特性的影响。采样点位置如图1所示。

试验中使用激光粒度仪对采集到的沙样进行粒径分析，结果如表1所示，1号样本中占样本总体积90%的沙尘颗粒粒径小于421.0 μm，4号样本中占样本总体积90%的沙尘颗粒粒径小于 188.7 μm，各样本的沙尘粒径差异较大且大部分都位于0～500 μm；利用电导法测量沙尘含盐量，在 25 ℃ 下测得沙尘样本的含盐量如图2所示:在本次检测的20个沙尘样本中，90%的样本含盐量在 10 g/kg 以下，因此确定试验使用的沙尘含盐比为10 g/kg。

图1 采样点分布图Fig.1 Sampling point location

表1 粒径分布Table 1 Particle size distribution

图2 样本含盐量Fig.2 Salt ratio of the sample

目前中国气象部门按能见度把沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴4个等级，文献[16]通过统计近年来中国沙尘天气过程中的颗粒物浓度提出了基于沙尘浓度的沙尘天气分级标准，与依照水平能见度作为分级标准相比，基于浓度的沙尘天气分级标准更容易观测和记录且结果更准确，项目组基于沙尘浓度的沙尘天气分级标准，结合实际观测的新疆和青海地区的沙尘天气状况，把沙尘天气分为浮尘、扬沙和沙尘暴三个等级，其对应风速和浓度如表2所示。

表2 沙尘天气等级分级标准Table 2 Sand and dust weather classification standard

中外学者在沙尘荷电量测量方面做了大量研究，由于采用不同的测量方法和测量环境，获得的沙尘荷质比并不完全一致，但可以确定沙尘荷质比的数量级。文献[17]在户外测得沙尘荷质比最大可达+60 μC/kg和-60 μC/kg，文献[18]认为沙粒粒径小于250 μm时，沙粒带负电荷，并在风速为 20 m/s 时测得混合沙粒荷质比达到-198 μC/kg。文献[19]采用质量和电荷同步实时测量装置测量沙尘暴过境时的沙粒荷质比，测量结果表明在沙尘暴过境的30 min内，电荷极性基本都为负值，荷质比最大值为478 μC/kg，均值为-21 μC/kg。综合中外当前对沙尘荷电量的测量结果，本试验把沙尘荷电量分为-100、-200、-300 μC/kg三个荷电量等级。

根据现场调研情况和对沙尘样本的分析结果，分别将上述4种沙尘参数分为三级，如表3所示。为了全面的研究沙尘参数对间隙放电特性的影响，本试验包括4部分，分别研究风沙流风速、沙尘粒径、沙尘天气等级和沙尘荷电量对棒-棒、棒-板长空气间隙操作冲击击穿电压的影响。

表3 沙尘天气参数Table 3 Dust weather parameters

1.2 试验平台

沙尘环境模拟系统如图3所示，试验使用的风机扇叶由额定功率为55 kW的变频调速电机驱动，用AR856风速仪实测得到出口风速最大可达 33 m/s，在试品放置的位置风速最大可达25 m/s；给料装置由储料仓、螺旋推进器和变频电机组成，通过变频器调节电机转速可以控制螺旋推进器的转速进而控制沙尘浓度；起晕网和接地网各有三个、交叉放置，其轮廓为直径1.3 m的铜质圆形边框，内部由直径0.3 mm的软钢丝编成，网孔大小约为25 cm2，试验时起晕网与负极性高压直流电源相连，在风机出口形成长达60 cm的电晕通道，沙粒与通道中的电子发生碰撞完成荷电过程；平行平板为两块边长为1 m的方形铝制金属板间隔1.3 m平行放置，中间由4根长度相同的绝缘棒隔开，上板接正极性高压直流电源下板接地，可以滤除电晕产生的空气离子流；试品由吊车经绝缘子串挂起，并由四根绝缘绳固定，放置在距离风机口7 m处。

①为风机；②为螺旋给料器；③为起晕网；④为接地网；⑤为负极性高压直流电源；⑥为正极性高压直流电源；⑦为平行平板；⑧为试品图3 沙尘环境模拟系统Fig.3 Sand and dust environment simulation system

试品的布置如图4所示，冲击电压发生器为北京华天机电研究所生产的CDYH冲击电压发生器，其额定电压为2 400 kV，每级电压200 kV，共12级，同步范围≥20%，能够在额定电压的80%下长期稳定运行。棒-板空气间隙的棒电极是一根长6 m、直径10 cm的不锈钢管，电极顶端为直径10 cm的半球。板电极是边长8 m的方形镀锌铁板，放置在与风机下端等高的箱体上。棒电极与冲击电压发生器相连，板电极接地。棒-棒间隙的电极形状与棒-板间隙的上电极相同，其中上电极长6 m，与冲击电压发生器相接，下电极长4.5 m，固定在底座上并接地。试验中每根棒电极由4根绝缘绳固定，在 25 m/s 风速下未见明显偏移。

图4 试品布置方式Fig.4 Sample layout

按照GB/T 16927.1—2011中的要求，试验电压为标准操作冲击。冲击试验一般采用升降法和多级法求取50%放电电压。由于升降法操作简单方便，本试验采用升降法获取间隙击穿电压。每种试验条件下放电40次，取级差U=3%。为了保证试验结果准确，所有数据均按照《高电压试验技术第1部分：一般定义及试验要求》(GB/T 16927.1—2011)中的方法校正到标准参考大气条件下。

1.3 风沙流风速、浓度及沙粒荷质比的测量

沙尘荷电量测量系统如图5所示，屏蔽板为边长1 m的方形钢板，中心有边长30 cm的方形缺口，放置在沙粒收集箱和平行平板中间，可以防止沙粒收集箱因外界电场产生感应电荷，影响静电计对沙粒荷电量的采集；沙粒收集箱为20 cm×10 cm×20 cm 的铜质方盒，其面对风机侧有长20 cm、宽 12 cm 的长方形入沙口，背对风机侧为20 cm×20 cm 的200目铜网，铜网外部为等面积的100目尼龙网，铜金属外表面由绝缘材料包裹，沙粒收集箱放置在试品安装的位置；静电计为吉时利6517B型静电计，灵敏度为1 fA。

图5 沙尘荷电测量系统Fig.5 Sand and dust charge measurement system

试验使用AR856型风速仪在安装试品的位置进行风速测量，通过改变风机的频率，获得试验所需要的风速。

沙尘浓度C计算公式为

(1)

式(1)中：s为沙粒收集箱入口面积，s=0.2×0.12；t为风沙流开始进入收集箱到结束的时间；m为这段时间内落入收集箱中沙尘的总质量，由高精度电子秤测得；v为风沙流的速度。通过改变给料装置的频率可以获得试验所需要的沙尘浓度。

进行沙尘荷质比测量时，带电风沙流穿过屏蔽板方形缺口均匀的吹入沙尘收集箱内，风穿过铜网而沙尘被铜网阻隔落在收集箱中，同时发生电荷转移，产生的电流经接地导线流入大地，此时接在收集箱与大地之间的静电计可以测得一段时间内带电沙粒产生的电流大小，并通过数据采集卡存储与电脑中。通过高精度电子秤可以测得落入收集箱中沙尘的质量。由此可以测得一段时间内的沙尘荷电量em。

沙尘荷电量可由式(2)求得

(2)

式(2)中：I为一定时间内采集到的电流，其数值随时间变化；m为这段时间内吹入沙粒收集箱中的沙尘质量。

试验使用振动型筛沙机分离不同粒径的沙粒，三种不同目数的筛网可以把沙尘筛分成表3中的三种不同粒径范围的沙粒；改变风机的频率控制风速；改变给料器的频率控制浓度；改变施加在起晕网和平行平板两端的电压来控制沙尘荷电量。本试验设计的沙尘环境模拟装置可以实现表3中所有试验环境，创造的沙尘环境达到了户外真实的沙尘条件。

2 试验结果与分析

2.1 风速对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性的影响

选取风速为单一变量，在沙尘浓度为 500 mg/m3、荷电量为-200 μC/kg、粒径范围为125～250 μm的沙尘环境中，得到棒-棒、棒-板间隙击穿电压与风速的关系曲线。

图6 棒-棒、棒-板间隙击穿电压与风速的关系曲线Fig.6 Relationship between the breakdown voltage of rod-rod and rod-plate gap and wind speed

如图6所示，随着风速的增大棒-棒和棒-板间隙的50%操作冲击放电电压呈下降趋势。该条件下1、2 m棒-棒间隙和1 m棒-板间隙的放电电压变化幅度小于3%，可以认为风速的变化对上述间隙的50%操作冲击放电电压无明显影响。随着风速从5 m/s增大到25 m/s，3 m棒-棒间隙的50%操作冲击放电电压下降了5.37%，2 m和3 m棒-板间隙对应数值分别下降7.41%和12.8%。

风吹过间隙时能降低电极表面温度并吹散间隙中游离的电子和光子，加速带电质电的扩散，不利于流注的产生和发展。所以当风单独作用于放电间隙时，间隙放电电压上升，且间隙距离越小，风对间隙的50%操作冲击放电的抑制作用越明显。然而，风和沙尘混合形成风沙流后，沙尘微粒在风力的作用下发生碰撞和摩擦并因此带上电荷，引起空间电场的畸变，增大间隙电场的不均匀程度，导致间隙的50%操作冲击放电电压降低。

风对间隙流注发展的抑制作用随着间隙距离的增大而趋于饱和。在1 m间隙下，风对流注的抑制作用比2、3 m间隙更强，当沙尘吹过间隙时，风对流注的抑制作用与沙尘对电场的畸变作用相互抵消，所以1 m间隙的50%操作冲击放电电压无明显变化。当间隙增大到2 m和3 m时，风对流注发展的抑制作用减弱，沙尘对电场的畸变作用为主导，因此随着风速的增大，2 m和3 m间隙的50%操作冲击放电电压下降，且间隙距离越大，下降的幅度越大。

2.2 沙尘天气等级对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性的影响

沙尘天气等级按浓度和风速可以划分为浮尘、扬沙和沙尘暴三个等级，每个等级对应的风速和浓度在表2中已列出。保持粒径和荷电量不变，改变风速和浓度得到浮尘、扬沙和沙尘暴三个等级的沙尘天气对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性的影响曲线。

如图7所示，棒-棒间隙的50%操作冲击击穿电压变化幅度均在4%以下，可以认为沙尘天气等级对棒-棒间隙的50%操作冲击击穿电压无明显影响。棒-板间隙的50%操作冲击击穿电压呈上升趋势。与浮尘环境相比，沙尘暴环境中1、2、3 m棒-板间隙的50%操作冲击击穿电压分别上升5.54%、7.76%和9.3%。

图7 棒-棒、棒-板间隙击穿电压与沙尘天气等级的关系Fig.7 Relationship between rod-to-rod and rod-to-plate gap breakdown voltage and sand-dust weather rating

沙尘暴环境中风速和沙尘浓度分别是浮尘环境时的5倍和4倍，虽然风速增大会降低沙尘环境下空气间隙的操作冲击击穿电压，但从图7可以看出，随着沙尘浓度的增加，空气间隙的50%操作冲击放电电压升高。当沙尘浓度非常高时，间隙中带电质点的平均自由行程降低，难以积聚碰撞电离所需的动能，因此电子和光子容易被沙尘颗粒捕捉和吸收，不利于带电质点的产生，从而导致间隙的击穿电压升高。沙尘暴环境中沙尘浓度是浮尘环境时的4倍，随着浓度的增大，沙尘对间隙放电的抑制作用增强，间隙的50%操作冲击击穿电压上升。

2.3 沙尘粒径对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性的影响

保持风速、浓度和荷电量不变，在粒径范围分别为1～125、125～250、250～500 μm时得到沙尘粒径对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性影响曲线。

由图8可以看出，除了3 m棒-板间隙，其余间隙的50%操作冲击击穿电压随着粒径的增大先下降后上升。即沙尘粒径处于125～250 μm区间时，最有利于间隙放电。棒-棒间隙的50%操作冲击放电电压变化幅度均小于3%。1 m和2 m棒-板间隙的50%操作冲击放电电压变化幅度小于4%。3 m棒-板间隙的50%操作冲击放电电压上升5.65%。沙尘粒径的大小对间隙的操作冲击放电特性有影响，但影响很小，可以忽略。

图8 棒-棒、棒-板间隙击穿电压与沙尘粒径的关系Fig.8 Relationship between breakdown voltage and particle size range of sand and dust

2.4 沙尘荷电量对棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电特性的影响

调整施加在起晕网和平行平板上的直流电压，可以改变沙尘的荷电量，在其他条件不变的情况下，得到不同荷电量情况下棒-棒、棒-板空气间隙操作冲击放电电压变化曲线。

由图9可以看出，随着沙尘荷电量的增大，间隙50%操作冲击放电电压呈下降趋势。其中1、3 m棒-棒间隙和2 m棒-板间隙50%操作冲击放电电压下降幅度较大分别为4.85%、4.48%和3.8%。其余间隙放电电压变化幅度均小于3%。

图9 棒-棒、棒-板间隙击穿电压与沙尘荷电量的关系Fig.9 Relationship between breakdown voltage and charge of sand and dust

沙尘荷电量影响沙尘微粒对间隙电场的畸变效果。当沙尘荷电量增大时，沙粒对周围电场的畸变作用增强，电场的不均匀程度增大，导致间隙绝缘强度降低。由于试验中沙尘带负电荷，当荷电量增大时，沙尘对间隙中自由电子的捕捉能力减弱，降低沙尘对间隙放电的抑制作用。然而，由于间隙长度较大，沙尘荷电量对间隙空间电场影响不明显，所以在沙尘荷电量的影响下，棒-棒、棒-板间隙50%操作冲击击穿电压变化幅度很小，可以忽略不计。

3 沙尘环境对间隙放电特性影响理论分析

沙尘环境对间隙放电既存在促进作用又存在抑制作用，并随着风速和浓度等影响因素的变化体现出不同的影响。

3.1 沙尘环境对间隙操作放电特性的促进作用

(1)当间隙中存在沙尘颗粒时，颗粒周围的电场会发生畸变，沿着间隙方向上沙粒周围的电场强度上升，增大电场的不均匀程度。此外，大小不一的沙尘颗粒在沙尘暴天气中发生充分的碰撞和摩擦并因此带上电荷，其中质量较轻的小沙粒容易带上负电荷并在风力的作用下到达高空，其对电场不均匀程度的影响程度会进一步增大。

(2)干燥沙粒的主要成分为二氧化硅，其相对介电常数在3～4，大于空气的介电常数，可以推断出沙粒的逸出功小于空气的逸出功，更容易发生光电离，Halbritter[20]发现沙尘环境下的空间光子浓度和自由电子浓度都大于纯净空气环境中测得的数值，因此可以认为沙尘的存在有利于流注的发展。

3.2 沙尘环境对间隙操作放电特性的抑制作用

(1)实验环境中风速最大可达25 m/s，在风力作用下，电极的温度下降不利于阴极表面热电子发射，并且大风对间隙中的电子和离子施加横向力的作用，不利于流注放电和先导放电通道的形成。

(2)当沙尘浓度过高时，空气中弥漫的沙尘微粒会阻碍电子的运动，降低带电质点的平均自由行程，不利于电子崩的形成。此外，沙尘微粒会捕捉空气中的光子和自由电子，当沙粒对吸收自由电子和光子的数量大于从沙粒中电离出的电子和光子数量，沙尘对间隙操作放电特性的抑制作用就显现出来。

4 结论

(1)风和沙尘混合作用下，间隙的50%操作冲击放电电压随着风速的增大而降低，且下降幅度随着间隙距离的增大而增大。

(2)沙尘环境对棒-板间隙的50%操作冲击放电电压影响比棒-棒间隙更显著。

(3)沙尘环境对间隙的操作冲击放电特性既有促进作用也有抑制作用，体现何种作用与沙尘浓度有关。

(4)沙尘粒径范围、沙尘荷电量对长空气间隙50%操作冲击放电电压有一定影响，但影响很小可以忽略不计。