0 引言
2008年1月以来,我国南方大部分地区遭遇了一场影响范围广、持续时间长的低温雨雪冰冻灾害。这次南方低温雨雪冰冻天气影响范围之广、持续时间之长都是历史罕见,对南方地区的交通运输和电力输送以及工农业生产造成巨大损失。此次冰雪灾害对南方的电网系统造成巨大破坏,电网设施破坏严重,输电线路倒杆倒塔断线现象十分严重,南方地区发生大面积的停电事故,对交通运输和工农业生产和人民群众的生活造成严重影响[1]。雨雪天气时输电线路的雨闪和冰闪电压相比晴朗天气时的闪络电压要低的多,因此在雨雪天气时输电线路更容易发生闪络问题,影响线路的正常工作[2-4]。因此,有必要对电网防覆冰和绝缘介质覆冰闪络问题进行研究,而流注是闪络和放电的最起始阶段,研究流注在冰面的传播特性有利于加深对覆冰闪络的理解,为更好地解决覆冰闪络等相关问题提供理论
指导。
目前冰面流注发展特性研究的相关文献还比较少,国内的研究侧重点是流注在空气中[5]和绝缘介质表面[6-9]的传播特性,而国外针对冰面流注的研究只有少数学者对不均匀场下的冰面流注进行了相关探索[10-13]。
在国外,Allen最先研究了均匀场下绝缘材料表面流注的传播特性,发现在不同绝缘材料表面和纯空气间隙中时,在纯空气中流注传播的稳定传播场强最低,意味着流注在绝缘材料表面的发展要比空气中更难[14-17]。国内清华大学的孟晓波[6-9]和朱博[18-19]也比较详细地研究了流注在绝缘介质表面的发展特性。孟晓波系统性地研究了在均匀场下,流注在不同绝缘材料表面的沿面传播特性,测量了流注的稳定传播场强、传播速度和流注光强等参数,分析了材料特性对沿面流注传播特性的影响。发现在绝缘介质表面发展时,流注拥有2个传播分量,一是紧贴材料表面的沿面分量,另一个是偏离材料表面的空气分量。同时,也得到了流注的稳定传播场强比空气中的稳定传播场强高的结论,这一点与Allen的结果是一致的。
国外关于冰面流注的研究只有少数几篇文献可以参考。Farzaneh利用棒板电极研究了极不均匀场下冰面流注的传播特性及冻冰水电导率和棒电极的结构尺寸对流注传播特性的影响规律[10-13]。试验结果表明,在相同的外电场条件下,与空气中流注传播特性相比,冰面流注稳定传播场强要小,同时流注的传播速度要快。由于在均匀场下冰必须要长时间承受直流高压而容易融化,因此均匀场下冰面流注的研究十分困难,目前甚至稳定可靠的试验模型都很难确定。Ndiaye初步研究了均匀场下冰面流注的稳定传播场强,由于采用了电极直接与冰面接触的试验模型,因此外加直流电压不能升的太高,试验结果有限,有待进一步商榷。他通过测量电极电流来判断流注是否到达阴极,得到了稳定传播场强。结果表明,冰面流注的稳定传播场强要比同条件下空气中的低[11-13]。
为了研究均匀场下流注在冰层表面的传播特性,本文在冰箱的低温环境中,使用光电倍增管测量装置,观测了在“三电极”结构中流注在冰层表面的传播特性,确认了流注沿冰面传播的2个分量的存在,即沿面分量和空气分量。利用3个光电倍增管全程监测流注的传播过程,得到了在不同外加电场强度下,流注的2个分量随电场的变化规律,包括流注的稳定传播场强和传播速度。通过对冰层表面电场分布仿真,对上述影响进行了初步分析。
1 试验模型及测量系统
接地极板的圆心位置开有一直径约为10 mm的小孔,中间放置一针尖电极,针尖伸出平板大约0.9 mm。利用聚氯乙烯材料将针尖固定在小孔中心并与接地极板绝缘。在针尖上施加方波脉冲,形成针尖放电,进而在均匀场中发展为流注。这里,方波脉冲的幅值为5 kV,宽度为220 ns。
利用3个光电倍增管来监测流注的传播过程,流注从针尖电极产生,然后沿着表面向负高压极板传播。为此,将1号光电倍增对准针尖电极,2号对准冰面始端,即25 mm处,3号对准冰面末端,即75 mm处。利用3个光电倍增管可以完整地观测到流注的整个传播过程,通过输出信号可以判断流注的传播距离,从而就可以得到流注的传播概率曲线。通过计算2号管和3号管产生脉冲信号的时间差,可以得到流注的平均传播速度,这里只关注流注在冰面的传播过程,因此只计算流注在冰面的传播速度。同时,脉冲信号的幅值大小表征了流注头部的发光强度,因此分析幅值的变化也可以得到流注发光强度的变化规律。
在一长方体的有机玻璃盒内冻冰,冰样品的长
图1
冰面流注试验系统示意图
Fig.1
Diagram of streamer discharge experimental system
度为70 mm、宽度为50 mm、深度为30 mm,冰的一端与负高压极板直接接触,另一端与接地电极之间则加入了一聚四氟乙烯块,以保证冰块与电极绝缘。聚四氟乙烯长度为120 mm,宽度为25 mm,厚度为30 mm。冻冰过程在另一冰箱内进行,温度恒定为-18 ℃。为了得到表面平整光滑的冰块,采用少量多次的冻冰方式,每次只向盒内注入大约2 mm深的水,待上次水完全结冻后再向里面加水。这样多次结冰得到的冰样品,表面光滑平整,气泡较少。
冰箱内部温度调节范围在-20~-8 ℃之间,相对湿度在40%~50%之间。试验中冻冰水的电导率为2 μS/cm。
流注传播概率的测量方法如下[20]：在针尖电极上施加5 kV的脉冲电压并保持不变,逐步升高直流电压,在每个电压下针尖每隔30 s共进行20次放电。如果3号光电倍增管总共接收到
流注的传播速度,是通过计算不同光电倍增管之间的距离差和其接受到流注信号的时间差得到的,这里主要关注流注在冰面传播的平均速度。
2 冰面流注传播过程分析
为了更好地理解流注在冰层表面的传播过程,更加充分地揭示流注在整个冰面间隙上的传播特性,变动3号光电倍增管的位置,记录不同位置流注的传播信号。具体做法是,1号光电倍增管对准针尖位置,2号对准冰面始端,调节3号管的位置,依次从冰面始端慢慢向负高压极板表面移动,跨越整个间隙。试验中,示波器记录了光电倍增管测量到的流注传播的典型波形如
移动3号光电倍增管,从而得到了不同位置处流注的传播波形图,完整揭示了流注在冰面的传播特性。
图2
冰面流注传播的典型波形图（3号管距离针尖4.5 cm）
Fig.2
Typical waveform of streamer propagation along ice surface (distance between the third PMT and needle is 4.5 cm)
3号管距离针尖4.5 cm,即在冰面距离始端2 cm处。从图中可以看出,1号管和2号管只有1个脉冲信号,表明此时流注在绝缘介质表面传播时还只有1个分量,而3号管有2个脉冲信号,即在冰面传播时流注拥有2个分量,Allen定义其中速度较快的为沿面分量,较慢的为空气分量[16]。
通过分析系列波形图,得到了冰面流注在传播过程有以下几个特点：
（1）当流注在冰面部分传播时,传播距离<2 cm时,冰面流注依然存在2个分量：沿面分量和空气分量,这一点与绝缘介质表面的情况是相同的[8]。但是在距离>2 cm之后,流注只有沿面分量继续向负极板方向传播,空气分量在此距离中消失了。
（2）当流注在冰面部分传播时,3号管脉冲信号的幅值是逐步减小的,意味着流注头部的发光强度是慢慢减小的。流注从绝缘层刚刚进入冰面时,发光强度基本不变,随着在冰面传播距离的增加,发光强度逐渐较小,到接近末端时光强基本保持不变。
1）冰面流注传播概率曲线
流注的传播概率是流注传播过程的一项重要参数,测量不同外加电场强度下的传播概率对分析流注的传播过程有重要意义。试验中在-11 ℃时测量了冰面流注的传播概率,作出了不同外加电场强度下传播概率的变化曲线如
图中的传播概率曲线是利用高斯分布公式对试验数据进行拟合后得到的。试验证明,冰面流注的传播概率都比较符合高斯分布,这一点与绝缘介质表面流注是相似的。
采用Allen所定义的97.5%传播概率对应的电场强度为流注的稳定传播场强[16]
图3
-11 ℃时冰面流注传播概率曲线
Fig.3
Probability trend of streamer propagation along ice surface with applied electric field at -11 ℃
流注传播所需的场强是比较小的,-11 ℃时的稳定传播场强大约为320 kV/m,相比同温度下空气中流注稳定传播场强要小。
2）冰面流注传播速度
通过计算2号和3号光电倍增管脉冲信号上升沿的时间差,可以得到流注在冰层部分的平均传播速度。
从图中可以看出,-11 ℃时冰面流注的传播速度很快,大致在1.5×106~2.5×106 m/s之间,而同温度下绝缘介质表面流注的传播速度大约只在1×105~6×105 m/s之间,冰面流注的传播速度要比绝缘介质表面流注速度快1个量级。
3）冰面流注发光强度
光电管脉冲信号的幅值反应了流注头部的发光强弱,
对不同外加电场下,流注传播到阴极时3号光电倍增管的脉冲信号的幅值进行比较,见
从
图4
-11 ℃时冰面流注传播速度与外加电场强度的变化关系
Fig.4
Average velocity of ice surface streamer as a function of applied electric field at -11 ℃
图5
流注头部发光强度随传播距离的变化规律
Fig.5
Luminous intensity of streamer head as a function of distance
图6
流注发光强度与外加电场的变化关系
Fig.6
Luminous intensity of streamer head as a function of applied electric field
3 讨论
3.1 电场对冰面流注传播的影响
在流注的传播过程中,外加电场起到了决定性的作用。初始有效电子在外加电场的作用下发展成为电子崩,头部辐射的光子与分子发生碰撞引起空间光电离,进而形成二次电子崩,流注得以不断向前传播。因此,在研究流注的传播特性时有必要对试验模型中的电场分布情况进行分析。
利用Ansoft软件对试验模型中的电场分布情况进行了仿真。这里绝缘介质的宽度选择10 mm,冰样品的宽度为50 mm,其余尺寸与试验模型一致。圆形电极板采用了不锈钢材料,绝缘介质采用了聚四氟乙烯材料,尺寸均与试验模型完全一致。
由于盐析现象的客观存在,在冻冰过程中冰层表面的电导率会很高,相关文献表明表面电导率可能会达到冻冰水电导率的10倍左右[21],因此在建立如
从
图7
仿真模型示意图
Fig.7
Schematic diagram of the simulation model
图8
空间电场相量分布图
Fig.8
Distribution of space electric field
图9
空间电场分布
Fig.9
Distribution of space electric field
和2~4时,此时沿面电场的分布情况受冰的电导率影响不大,主要取决于绝缘介质和冰的介电常数之间的差异。
在绝缘介质表面,电场的平均强度很高,而在冰层表面,电场的平均强度要比绝缘介质表面低得多。同时,在冰层表面随着距接地极距离的增加,电场逐渐减弱的,在距接地极30 mm以后,冰层表面的电场强度更是低于纯空气间隙下的均匀场强。从这里可以看出冰面表面的后半部分电场强度是很弱的,这就是为何空气分量传播过程中会在后半部分消失的原因。此时电场强度很弱,流注获得的能量很少,不足以支撑空气分量继续传播。
在纯空气间隙时,整个空间电场分布均匀,电场足以支持沿面分量和空气分量向前发展;在本文的试验模型中,绝缘介质表面的电场强度很强而冰面表面的电场强度较弱,尤其是在冰面末端,场强接近于零,远小于空气间隙时的电场,因此,空气分量的传播受到明显抑制,由于在冰面的后半部分没有足够大的空间电场,空气分量很难向前传播,所以空气分量消失而只有沿面分量向前传播。从电场的角度较好地解释了试验过程中观察到的现象。
3.2 冰面特性对流注传播的影响
由
1）从试验模型的角度进行解释。理想情况下,研究均匀场下冰面流注传播特性时试验模型应该是冰直接与电极紧密接触,这样流注就可以完全在冰层表面传播。但是实际试验结果表明,如果冰样品直接与电极接触,在较高的直流电压下,冰层表面与接地电极相接触的某不平整处会首先融化,然后迅速沿着表面向负极板发展过去,这样冰层表面就会形成一融化通道,导致负直流高压无法继续维持。因此,本文在接地极与冰层之间加入了一部分的绝缘介质使得冰层和电极绝缘开来。这样,流注会先在绝缘介质表面传播一段距离,然后继续在冰层表面发展。本文中流注在绝缘介质表面的传播距离为25 mm,而在冰面的传播距离为50 mm,流注主要还是在冰层表面传播。试验结果亦显示,流注从绝缘介质表面进入冰层表面时,仍然只有1个分量,进入冰层传播一段距离后才出现了2个分量。因此,可以认为流注在后半程的传播特性与冰面特性是密切相关的,试验时着重研究流注在此阶段的传播特性。电场仿真结果表明,由于冰具有很高的介电常数,整个间隙中电场分布如
2）冰层表面亦可能促进流注的传播。流注在绝缘介质表面传播的过程是气固界面的沿面放电过程,此时绝缘介质会和流注相互作用,使得流注的特性与纯空气中的大大不同。流注在绝缘介质表面传播时有2个传播路径,即紧贴表面的‘沿面’分量和偏离表面的空气分量。沿面分量的传播速度要比纯空气中流注传播速度快,这就表明流注在表面传播过程中绝缘介质表面的光电子发射增强了在表面附近的电离速度。然而,不同绝缘介质表面沿面传播速度相差很大,这说明影响机制应该是材料本身的特性[8]。
本文试验结果表明,冰面与绝缘介质表面流注传播特性之间存在较大差异,这可能是由以下两点造成的[21]：1）冰层表面的高电导率。由于盐析现象的客观存在,在结冰过程中水中的电解质和杂质会逐渐集聚在表面,使得表面的电导率很高。2）冰层表面存在的半液态水膜。当温度低于0 ℃时,冰层表面总是存在1层水膜,里面富含有电解质。当温度升高时水膜厚度急剧增加,温度从-28 ℃升高至-0.02 ℃时,水膜厚度从0.3 nm增加至17 nm[23]。当它们集聚在水膜中时会大大增加表面电导率,减小活化能[24]。2种因素的共同作用,使得流注在冰层表面传播时稳定场强较低而传播速度却很快。目前关于冰面流注传播特性的研究还较少,相关的理论分析还比较粗糙,因此本文的后续工作将继续在改进试验条件、完善理论分析方面做出努力。
4 结论
1）冰面流注在传播过程中拥有2个分量：沿面分量和空气分量。当流注在冰层表面传播时,在传播路径的前半段2个分量都存在,但是随着传播距离的增加,空气分量逐渐消失了,沿面分量继续前进直至达到阴极。
2）利用光电倍增管观测流注的传播过程,发现流注在冰面的传播过程中头部的发光强度是逐渐减小的,但是当空气分量消失后沿面分量的幅值会稍微增大一点,然后继续减弱,在快要达到阴极时发光强度基本不变。
3）冰面流注的传播特性与空气中和绝缘介质表面流注特性有很大的不同,稳定传播场强较低,但传播速度要快。
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