交流电晕

交流电晕（精选八篇）

交流电晕 篇1

1 系统整体硬件设计

绝缘子泄漏电流和电晕的监测装置一般包括微电流传感器、调理放大电路、采集电路、控制电路、上下位机通信电路和供电电路等。

本文研制的交流线路绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测系统框图如图1所示。

1.1 微电流传感器

检测绝缘子泄漏电流及电晕脉冲电流有以下几种取样方法:在绝缘子串的接地端串入穿芯式电流互感器引出[2,3];在末端绝缘子伞裙下部卡入集电环;在集电环和接地端的引线中串入穿芯式电流互感器引出。

穿芯式电流互感器铁芯材料有坡莫合金和铁氧体材料等。由于铁芯材料磁性能的局限性, 电流互感器的精度并不能覆盖全频带。若采用坡莫合金的铁芯材料则只能在低频段保证精度;若采用铁氧体材料, 由于其磁导率很低, 远小于坡莫合金的磁导率, 很难检出低频的微弱电流信号且相频特性差。综合考虑这些材料特性后, 本文选取接地端第一片的绝缘子安装信号采集装置, 为尽量减少对爬电距离的影响, 在紧邻铁帽的伞裙外表面用导电胶粘接一个开口的金属箔截流环, 如图2所示。

在截流环和铁帽间并联一个取样电阻, 该电阻远小于截流环和铁帽之间伞裙的表面电阻或体电阻, 泄漏及电晕脉冲电流由原来的从伞裙表面流向地电位的铁帽, 改为从截流环经过取样电阻流向铁帽。截流环开口避免了截流环感应绝缘子内流过的位移电流和体电流在截流环上形成可致集电环电气状态变化的环流。这种取样方式保证了获取信号的频率特性。

1.2 调理放大电路

将互感器检出的泄漏电流信号转换为电压信号 (也称阻抗网络匹配) 后, 一般经放大调理送至模数转换电路。而文献[3-4]在增益放大后经过硬件积分触发数字触发器来快速示警绝缘子电晕。

本方中由截流环获取的泄漏及电晕脉冲电流通过带缓冲器的超级伺服电路调理放大, 该电路的优越性在于消除可引起输出饱和的直流失调电压, 如图3所示。它包括放大单元和积分单元两部分。负反馈电流输入前置放大器和单位增益的缓冲器构成放大单元。前置反相放大器的反相输入端电阻即取样电阻, 也可取消该电阻, 这时反相输入端阻值很小的等效输入电阻即是截流环和铁帽之间的取样电阻。缓冲器是单位增益的电流负反馈放大器, 使测量的动态范围为0~1 A。一般电流负反馈放大器都具有很宽的频带。

积分单元使用反转积分器, 将缓冲器输出信号进行充分积分即检出直流失调信号, 送至前置放大器正相输入端以消除直流失调电压。此外, 调理放大电路反相输入端并联有瞬态抑制器作为保护电路。

1.3 采集和控制电路

采集电路和控制电路目前主要采用带模数变换电路模块的低功耗单片机。

由于绝缘子脉冲电流信号的频谱很宽, 可达数兆赫兹, 一般单片机内置的模数变换电路达不到如此高的采样频率, 因此选择现场可编程门阵列 (FP-GA) 作为控制单元, 高速、低速模数转换电路选择一片独立芯片。高速模数转换电路用来采集泄漏和脉冲电流经调理放大后的电压信号, 多通道低速模数转换电路用来采集湿度、温度等传感信号。

FPGA控制模数转换电路, 将转换出的数字信号存入静态随机存储器SRAM, 并控制移动通信模块将数据发送至上位机。上位机计算泄漏及电晕脉冲电流等数据, 并判断绝缘子串的状态。

1.4 通信方式

除就地处理泄漏电流信息外, 可使用有线或无线通信方式和上位机联系。有线通信方式如CAN现场总线[5]、RS-485总线[6]和PSTN公用电话网[7]。无线通信方式如使用公用移动通信网GPRS/ (GSM或CDMA) 和3G[8,9]、无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 技术[10]及其它无线通信方式[11]。

考虑测量终端的安装位置主要为远离人口密集区的野外, 这里绝缘子泄漏和脉冲电流的测量终端和上位机间采用公用移动通信网GPRS/GSM方式交换数据和收发指令。

1.5 测量终端的供电

测量终端供电方式有采用交流220 V电源、锂电池[5]、太阳能[8]和经电流互感器直接从高压线电流中获取电能[11]等方式。测量终端采用交流220 V可充电、太阳能供电相结合的供电方式。

1.6 微气候的测量

绝缘子泄漏电流和所处微环境有关, 包括监测系统所处的现场温度、湿度、风速、风向和雨量等环境参数。

根据测量终端的使用地区, 这里选择温度和湿度作为同时的监测量。

2 监测系统的消噪措施

泄漏电流信号通常为微安、毫安级, 而在线监测系统工作在绝缘子周边的强电磁场环境下, 以及受器件本身的热噪声干扰影响, 因而测得的泄漏电流信号含有噪声并会给后续计算造成影响, 所以监测系统会采用降噪技术。

对工频及其附近的干扰和噪声, 主要采取切断周边工频为主的电磁波传播和耦合至监测系统内的途径进行抑制。如对供电电源, 虽然采用锂电池储能, 也要保证监测系统的电源连线布置在接地屏蔽壳内;对调理放大电路和数字电路的供电要分离;由于太阳能板暴露在屏蔽壳外, 供电电源和电路系统之间加入了消除含工频纹波的电路。

对器件热噪声等干扰, 采取软件滤波的措施。目前, 对绝缘子泄漏电流噪声的软件消除主要有小波分析[11]、数学形态学[12]、总体经验模态分解 (EE-MD) [13]等方法。由于本监测系统的硬件已抑制了工频干扰, 这里软件采用平滑滤波的方法来消除这些白噪声, 即

采用软硬件结合的方法去噪后的效果如图4所示。

3 绝缘子状态模糊逻辑诊断的实现

根据泄漏电流, 尤其是结合微气候参量, 目前采用模糊数学[6]、小波模糊神经网络[14]等技术分析判断绝缘子状态。

选用模糊逻辑方法实现对绝缘子状态的诊断。根据模糊推导关系式, 即Y=R×X, 需要建立模糊数据输入集X、模糊输出集Y和模糊关系集R。

模糊输出集是表征诊断结果的一种方式, 将绝缘子分为正常 (NL) 、一般 (CM) 、较严重 (MS) 和严重 (SR) 等4个状态等级的绝缘工况, 模糊输出集为Y={NL, CM, MS, SR}T。

模糊输入集是表征影响绝缘子状态的各种外界因素的集合, 这里绝缘子的电晕电流概率 (Fc) 、泄漏电流有效值 (Fl) 、泄漏电流峰值 (Fp) 及泄漏电流脉冲频度 (Ff) 等参量是能够检测到并反映绝缘子绝缘性能判定的主要电参数。因此, 模糊输入集为X={Fc, Fl, Fp, Ff}T。

在实验研究的基础上, 通过绝缘失效过程及输出状态的划分, 并作归一化处理后建立的模糊关系矩阵为

这样, 由 (X, Y, R) 构成了模糊综合评估模型。

此外, 还需要将绝缘子各参量进行模糊化处理, 处理后数据为模糊输入集X。

3.1 电晕电流的模糊化处理

线路绝缘子电晕放电是一个随机过程, 受环境温度、湿度及其表面污秽的影响较大, 近似满足概率方程。选择了一个具有平顶的模糊转换函数来实现:

式中:α1取0.95;α2取1.3;β为比率, 考虑了环境温度、湿度及其表面污秽等级的影响;f (β) 选用单边截止型模糊正态分布函数。

3.2 泄漏电流的模糊化处理

泄漏电流值越大, 表示绝缘子的绝缘劣化越严重, 因此, 根据环境温度、湿度校正后所得泄漏电流值, 可用下式表达其模糊函数:

式中:a为常数, 表征模糊函数的收敛速度, 实际取1;b为门槛电流。

3.3 泄漏电流峰值的模糊化处理

泄漏电流峰值的模糊隶属度分为6个区间, 即

式中Ip表示泄漏电流峰值。

3.4 泄漏电流脉冲频度的模糊化处理

泄漏电流脉冲频度的模糊隶属度函数定义为对在一定时间内各种不同幅值的泄漏电流峰值出现频度次数ni, 分别赋予不同的模糊数值, 并通过模糊运算决定最终模糊隶属度, 即

其中

3.5 决策分析

运算结果Y是介于0和1之间的模糊数, 它反映了被测绝缘子处于各种不同绝缘运行工况的可信程度。根据Y值的情况, 可对线路绝缘子的运行状况作一个概率性的评估, 进而采取相应的措施。

当某种绝缘运行工况的输出值大于0.5时, 可认为绝缘子运行在该种绝缘条件下。当有多个Y值大于0.5时, 绝缘状况的诊断采用优先原则进行当有多个模糊输出数的值大于0.5时, 按SR>MS>CM>NL的优先原则判定当前被测绝缘子的绝缘状况并采取相应的绝缘保护措施。

4 实验验证

为检验该在线监测装置的适用性, 在实验室和现场对其进行了验证。部分结果如表1所示。

由表1结果可看出, 利用在线监测装置综合监测绝缘子的泄漏电流、放电脉冲电流及微气候等参数, 并根据模糊诊断方法能很好地实现对绝缘子状态的判断。

交流电晕 篇2

首先，笔者使用可以调节电流强度的电晕处理仪对BOPP薄膜表面进行电晕处理，然后运用扫描电子显微镜（SEM）和原子力学显微镜（AFM）对其表面形态进行观察分析。最后，通过使用IGT印刷适性仪打样，分析不同电流强度对BOPP薄膜表面性能的影响，以寻求提高BOPP薄膜印刷适性的有效方案。

SEM观察分析

SEM主要用于观察薄膜表面的微细形貌、断口及内部组织，并对薄膜表面微区成分进行定性和定量分析，在薄膜表面做元素的面、线、点分布分析，具有扫描成像功能和X射线能谱仪功能。

图1和图2分别是BOPP薄膜电晕处理前后SEM表面图（标尺分别为20μm和50μm），可以看出未经电晕处理的BOPP薄膜表面光滑且规整，经过电晕处理后，BOPP薄膜表面发生显著的形貌变化，薄膜表面出现了一些凹凸起伏物，这是因为在电晕处理过程中，电流对BOPP薄膜表面进行了强有力的冲击，使薄膜表面起毛，变得非常粗糙。

AFM观察分析

AFM是利用探针和样品间原子作用力的关系来观察BOPP薄膜的表面形貌，可用于任何样品的观察，不需要进行表面处理，可以得到样品表面的三维形貌图像。

图3是BOPP薄膜电晕处理前后的AFM表面图，通过比较可以发现，未经电晕处理的BOPP薄膜表面最大深度不超过26.9nm，经电晕处理后，最大深度可达68.0nm，且表面呈现明显的不规则凹凸起伏状，凸起部分的颜色较亮，经分析这些较亮部分为颗粒状物质，主要成分为低分子量的氧化物。表面微粗糙度变化以及微观真实面积的增加，真实反映了电晕处理对BOPP薄膜结构及组成的影响。

薄膜表面张力检测

经微观观察分析，经电晕处理之后的BOPP薄膜表面的粗糙度确实提高了，但BOPP薄膜与印刷适性的关系还需要通过使用IGT印刷适性仪检测其表面张力来做进一步分析。

图4为电晕电流对BOPP薄膜表面张力的影响。随着电晕电流的增大，电晕放电时产生的粒子动能增大，有利于打开塑料表面长分子链的化学键，表面活性能逐渐增加，表面张力也会随之相应增加。

从实验数据来看，BOPP薄膜的表面张力随着电晕电流的增加而增加，这有助于油墨的附着和粘接。BOPP薄膜表面张力的峰值出现在电晕电流为8A左右时，当电流再增加时，BOPP薄膜表面张力反而呈下降趋势，这是因为电极与电晕辊之间的空气量已达到一种相对稳定的状态，此时空气中氧分子的含量是一定的，即使提高电极的电压和电流值，也不能激活更多氧分子，使更多含氧官能团停留在BOPP薄膜表面，再加上由于过度电晕使得薄膜表面结构遭到严重破坏，因此当电晕电流再提高时，BOPP薄膜的表面张力就会呈现迅速下降的趋势。

墨膜牢固度检验及分析

塑料簿膜印刷后墨色必须均匀牢固，否则将失去使用价值。实际印刷生产中墨膜牢固度定性检验常用斯考茨（Scatch）胶带粘拉试验法，即用胶带在塑料印刷面上用手指压平，使其与塑料紧密贴合，然后，慢慢揭起全长的一半，再迅速揭起另一半，观看薄膜表面油墨被胶带粘起的情况，并估计油墨的剥落率。如果油墨剥落率小于1%，可鉴定薄膜表面处理质量较好，墨膜牢固度符合要求；如果油墨剥落率在1%～10%之间，可鉴定为薄膜表面处理质量欠佳，墨膜牢固度不稳定；如果油墨剥落率大于10%，可鉴定为薄膜表面处理质量差，印品为废品。

图5为经不同电晕电流处理后BOPP薄膜表面墨膜牢固度检验结果。对比未经电晕处理的BOPP薄膜，经电晕处理后的BOPP薄膜表面墨膜牢固度明显提高。随着电晕电流强度的增大，BOPP薄膜表面墨膜牢固度大大提高，经8A电流电晕处理后的BOPP薄膜，表面张力达到最大，无墨膜脱落现象发生。

图6是电晕电流对油墨迁移量的影响。随着电晕电流的提高，油墨在BOPP薄膜表面的附着力大大提高，当电晕电流达到8A时，油墨迁移量近乎为零，说明无墨膜脱落现象发生。但当电晕电流超过8A甚至再提高时， BOPP薄膜表面张力下降，油墨附着力也会随之降低，油墨迁移量便会愈来愈高。

结论

（1）电晕处理时产生大量的等离子臭氧粒子，直接或间接与塑料表层分子作用，由高能粒子组成的电晕轰击薄膜表面后，引起了BOPP薄膜表面高分子键的断裂，在材料表面产生了许多不同的自由基及不饱和中心，这些浅表面的自由基和不饱和中心再与薄膜表面吸附的水分发生交联反应，从而在纤维表面中形成了羟基等极性基团，使得BOPP薄膜表面活化。

（2）经过电晕处理后，BOPP薄膜表面凹凸峰宽增大，原始的形貌发生巨大改变。这些结果对电晕等离子体在工业生产中的应用具有指导意义。

（3）通过对油墨附着性和牢固度的检验，发现经电晕处理后的BOPP薄膜，油墨的附着性和牢固度明显提高，且当电晕电流达到8A时，油墨在BOPP薄膜表面的牢固度最高，当电晕电流大于8A时，油墨附着力呈急剧下降趋势。可见，电晕电流大小对BOPP薄膜的印刷适性具有决定性作用。

交流电晕 篇3

发展特高压电网是为了解决中国能源与生产力布局的不均衡问题。中国三分之二以上的可开发水能资源分布在西南地区, 三分之二以上煤炭资源分布在山西、陕西, 而东部地区经济发达, 能源资源匮乏, 造成中、东部地区不得不大量建设煤电项目, 加剧了煤炭供应和交通运输的紧张局面, 并降低了能源配置效率。同时, 区域电网之间水火互济和跨流域补偿能力也明显不足, 造成华中丰水期弃水、枯水期缺电的严重局面。鉴于以上原因, 客观上需要长距离、大容量的特高压输电技术, 特高压电网建设呼之欲出。为实现“西电东送、南北互供、全国联网”的战略目标, 解决电网中存在的安全稳定性、网架结构、输电走廊、短路电流等重大问题, 采用特高压输电是我国电网发展的必然趋势[1,2,3]。发展特高压电网中三大关键技术问题必须进行深入研究:a.特高压电晕效应;b.特高压绝缘及要求;c.电磁场及其影响[4]。

特高压交直流输电线路的电晕将会造成电晕电流、电晕损耗、无线电干扰和电晕声音等多方面的后果, 和输电线路电磁环境直接相关。而电压等级发展到特高压阶段, 电磁环境问题已成为特高压交直流输电线路设计、建设和运行中必须考虑的重大技术问题。

目前国内第一条1000k V的交流示范线路已经开工, 世界最高电压等级的±800kv直流输电工程也即将付诸实施, 我国的特高压电网建设已经全面启动。依托特高压试验基地开展特高压试验研究, 为特高压工程建设提供设计依据是非常重要的环节, 尤其是电磁环境问题的试验研究更是迫在眉睫。

1 试验方法与测量设备

本文介绍在气压罐中以及在武汉, 昆明两地开展直流电晕实验所使用的设备, 以及导线电晕特性的测量方法, 建立了一套直流电晕试验测量系统, 包括直流电晕放电试验系统、直流电晕信号检测采集系统, 试验系统示意图如图1所示。

试验采用的直流电源由一台50k V工频变压器和两极倍压电路组成, 额定输出容量3k W, 额定输出电压±300k V, 额定输出电流10m A。并采用采用国际上流行的钢骨架-金属网结构电晕笼, 电晕笼方形截面边长1.2米-2米可调、总长4米的电晕笼, 它由长3米的测量段和两个0.5米的防护段三段组成, 如图2所示。

试验中所用到测量仪器以及相关参数如表1所示。

直流导线电晕笼试验测量的参数有:可听噪声, 无线电干扰, 电晕电流。

2 试验结果

本文利用在低海拔 (武汉) , 高海拔 (昆明) 地区所搭建的直流电晕特性试验测量系统平台对直流导线在正极性电压作用下电晕特性随气压的变化情况进行了研究。做出了随着气压的变化导线的电晕特性的曲线, 并进行了相关的分析。并得出该试验对中国特高压建设的指导意义。

2.1 可听噪声的对比分析

导线在正极性电压作用下A计权可听噪声随气压的变化如图2.1所示。图中黑线代表昆明的试验结果, 红线代表在武汉的试验结果。从图中我们可以看出, 导线在电压一定的情况下, 可听噪声随着气压的减少而增大。当电压为210k V时, 在昆明导线已经全线起晕, 而在武汉则未起晕。且在正极性电压作用下, 导线全线起晕后, 在昆明测得的可听噪声值比在武汉的要大。

为了对比气压对正极性导线A计权可听噪声的影响, 特作出武汉, 昆明随电压变化的表格, 如下所示:

故导线正极性A计权可听噪声的气压变化系数约为-0.66d B/k Pa。也就是说, 气压每增大1k Pa正极性导线可听噪声值减少0.66 d B。以武汉试验数据为基准, 其变化百分比为1.4%。

2.2 无线电干扰的对比分析

导线在正极性电压作用下无线电干扰随气压的变化如图2.2所示。图中黑线代表昆明的试验结果, 红线代表在武汉的试验结果。从图中我们可以看出, 当导线电压一定时, 导线在起晕前无线电干扰值随着气压的减少而增大, 当导线剧烈起晕后, 无线电干扰随着气压的增大而增大。当电压为210k V时, 在昆明导线已经全线起晕, 而在武汉则未起晕。无限电干扰值在武汉测得的值要比在昆明时变化要剧烈。

为了对比气压对正极性导线无线电干扰的影响, 特作出武汉, 昆明随电压变化的表格, 如下所示:

故正极性导线无线电干扰值的气压变化系数约为-3.9m A/k Pa。也就是说, 气压每增大1k Pa正极性导线无线电干扰值减少3.9m A。以武汉试验数据为基准, 其变化百分比为0.89%。

2.3 电晕电流的对比分析

导线在正极性电压作用下电晕电流随气压的变化如图2.3所示。图中黑线代表昆明的试验结果, 红线代表在武汉的试验结果。从图中我们可以看出, 当导线电压一定时, 导线的电晕电流值随着气压的增大而减小。且在昆明时电晕电流随电压的变化情况比在武汉时要剧烈。当电压为210k V时, 在昆明导线已经全线起晕, 而在武汉则未起晕。电晕电流值在武汉测得的值要比在昆明时变化要剧烈。

为了对比气压对正极性导线电晕电流的影响, 特作出武汉, 昆明随电压变化的表格, 如下所示:

故正极性导线电晕电流值的气压变化系数约为-6.5 u A/k Pa。也就是说, 气压每增大1k Pa正极性导线电晕电流值减少6.5u A。以武汉试验数据为基准, 其变化百分比为72%。

3 结论

通过大量的试验我们可以得出得出大电晕笼中正极性直流导线在相同的电压作用下, 气压每下降1k Pa, 导线的可听噪声值增加0.383V, 无线电干扰值增加3.9m A, 电晕电流值增加6.5u A。其原因主要是随着气压的减小, 空气密度逐渐变稀薄导致电子平均自由程增大, 容易产生电子崩。这也导致在相同电压作用下, 伴随导线电晕出现的可听噪声, 无线电干扰, 电晕电流值均随着气压的降低有着不同程度的增加。

4 试验的指导意义

4.1 对气压影响趋势的验证

当气体中存在电场时, 其中的电子将具有复杂的运动轨迹, 它们一方面与中性的气体粒子 (原子或分子) 一样, 进行着混乱热运动, 另一方面又将沿着电场作定向漂移。电子的平均自由行程长度可用公式 (4-1) 表示:

式中p-气压, Pa;T-温度, K;k-波尔兹曼常数;k=1.38×10-23J/K;r-气体分子的半径。

从上式中可以看出电子的平均自由程λ与气温T成正比, 与气压p成反比。当温度T为定值时, λ与p成反相关系。当气压p降低时, λ增大, 在相邻两次碰撞之间, 电子积聚到足够动能的概率增大, 容易形成电子崩而出现电晕现象, 故起晕电压降低。试验结果表明导线在高海拔地区容易起晕。

4.2 对特高压输电线路设计的作用

文中利用大电晕笼分别在不同海拔地区进行大量试验, 得出海拔 (主要是气压) 对正极性直流导线电晕特性的影响规律, 得出电晕特性中可听噪声, 无线电干扰, 电晕电流随气压的变化规律, 进而其得出变化百分比, 这对实际线路中出现的电磁环境问题提供了技术支持, 便于进一步修正海拔对导线电晕特性的影响参数。

气压对导线电晕特性的影响决定于气压对导线起晕电压的影响。通过研究, 导线起晕电压随气压的降低而降低, 我们特高压线路很多都要经过高海拔地区, 因此对于特高压直流项目建设来说, 在选择导线时, 应考虑当地的海拔高度能不能使导线产生电晕, 或者导线电晕的情况是否会对居民生活噪声影响, 而且应留出一定的裕度

摘要：我国第一条±800kV特高压直流输电线路的建设已经启动。电晕效应是特高压输电线路设计中所考虑的关键问题之一, 海拔对直流导线电晕影响规律是特高压直流输电线路设计的依据。本文利用大电晕笼和型号为630/45的钢芯铝绞线为试验模型, 分别在低海拔和高海拔两个试验基地进行试验。

关键词：特高压,电晕效应,海拔

参考文献

[1]毛文奇, 刘海燕, 徐华, 黄文武.特高压输电对环境影响的讨论[J].电力建设, 2004, 25 (8) :54~56.

[2]虞菊英.我国特高压交流输电研究现状[J].高电压技术, 2005, 31 (12) :23~25.

[3]吴维宁, 胡毅.特高压输电技术的研究与我国电网的发展[J].高电压技术, 2003, 29 (9) :16~18.

浅谈输电线路的电晕干扰 篇4

1 电晕现象

当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时, 在输电线路导线表面的气体分子发生电离, 形成自激导电, 这种自激导电称为电晕放电, 它是一种自放电形式。通常输电线路的选择, 应使其在最大工作电压下, 导线表面最大场强不超过电晕放电的起始场强, 然而, 由于机械损伤 (毛刺、擦伤) 、污秽 (油滴、固体颗粒) 、降水 (水滴、露、雪、毛毛雨、冰、霜) , 使导线表面变得粗糙, 从而导致局部电场强度增加, 其结果使得在电压远比表面无损伤的清结导线自持放电起始电压低的情况, 在导线上即发生了电晕放电, 这种形式的电晕放电称为局部放电 (局部电晕) , 当导线上发生电晕时, 在输电线路附近常可听到电晕的丝丝声, 夜晚还可看到导线周围有紫色晕光。

当导线发生电晕放电时, 伴随而来的连续重复性的脉冲电流, 这此脉冲电流所产生的频率在5~100光赫之间振荡, 在这样一个振荡过程中, 就导致在电晕的导线上出现经常性的电磁辐射, 显然, 干扰源就是电晕导线周围形成的高频电场。它的干扰强度与下述的一系列因素有关, 首先直接与电场强度的大小以及其他表征电晕放电现象的参数有关。

2 输电线路的电晕干扰可分为两种:

(1) 输电线路辐射的无线电干扰。这种干扰是指输电线路在运行中, 由于导线、金具、绝缘子所生产的电晕放电和问题性的火花放电, 对收音机和发射站的天线产生干扰。

(2) 沿线路传播的干扰信号, 破坏高频通道的正常运行工作。

3 干扰引起的具体危害

电晕放电会带来许多不利的影响。放电过程中的光、声、热等效应以及化学反应等都能引起能量损失。电晕放电过程中, 由于起始阶段的放电特点, 或电压较高时流注不断熄灭和重新爆发, 会出现放电的脉冲现象, 因此电晕放电会形成高频电磁波引起干扰。电晕放电还能使空发生化学反应, 造成臭氧及氧化氮等产物, 引起腐蚀作用。所以在建设超高压和特高压输电线路时, 就应当考虑导线电晕造成的能量损失及电磁波干扰, 并采取有效措施限制或消除电晕放电。

(1) 电晕噪音。

超高压和特高压输电线路上出现电晕噪音主要发生在潮湿的雨、雪坏天气里, 由于水滴碰撞或聚集在导线上而产生大量的电晕放电, 每次放电都发生爆裂声, 电晕噪音中能引起人们烦恼主要是电晕, 放电产生杂乱无章的脉冲噪声, 大雨时产生的电晕噪声最大, 但由于大雨时的背景噪声也很大, 使得大雨时可容许的电晕噪声比雨后和雾天容许的电晕器噪音大得多, 一般以雨后湿导线或雨天电晕噪音统计分布中50%的噪声水平L50作为衡量的基础, 而且一般以线路走廊边缘电晕噪音的大小作为控制的标准, 然而由于各国根据电压等级和国情规定的走廊宽度不同, 因此控制电晕噪音的标准各不相同, 一般把电晕噪音的设计水平控制在L50=50-58d BA之间,

(2) 电晕杂音。

输电线路电晕放电产生的高频电磁场所引起的电波杂音即电晕杂音, 对调幅广播频带 (着重535-1605KHZ) 的干扰称为无线电干扰 (RI) 主要由导线电晕放电引起的对电视广播频带 (着重2-6频道的5 4-88MHZ) 的干扰称为电视干扰 (TVI) , 主要由线路金具电晕或绝缘子间的火花放电引起的。

由于输电线路延伸很长, 而无线电发射波的电场不是沿输电线路统一变化的再由于各国的气候, 地理以及人民生活水平不同等原因, 对容许的干扰值不宜用绝对值而提出的以“值噪比” (信号场强与噪音场强之比并换算成音量的单位分贝) 为原则。这样更合乎逻辑。

4 限制电晕干扰的方法

(1) 为减小电晕噪音, 通常采用增加分导线的直径和数目的方法, 但建设费用将随之增加, 目前, 国外在研究用分导线最佳排列来代替对称排列, 以减小电晕噪音。

(2) 在坏天气时, 要完全避免无线电干扰, 在经济上是行不通的。为了降低干扰水平, 现在国内外广泛采用分裂导线;500k V线路一般采用4分裂导线。

(3) 国外经验认为, 一般信噪比达到24d B, 则大部分居民可正常收听广播;对电视机来说, 信噪比达到35d B, 即使天线在最不利的情况下, 已能满意收看, 在个别地方, 对收音机或电视机干扰太大时, 最经济的办法是更换收音机或改进接收天线。

(4) 为保证高压、超高压及特高压输电线路电晕干扰不超过某规定值, 通常在实测的基础上, 规定在线路两侧一定范围内的干扰水平, 作为线路设计和运行维护的依据。

实验证明, 导线老化可明显降低电晕强度, 同时也可降低干扰电平, 天气和大气污染对无线电干扰有重要影响, 根据实测结果, 干扰强度的大小与降雨强度成正比, 但是, 若线路有一般通过空气被严重污染的工业区, 那么无线电干扰电平将有显著的升高, 通常, 在空气清净且密度比较大的地区, 无线电干扰是比较低的。

参考文献

[1]东北电力设计院.高压送电线路设计手册[M].吉林人民出版社, 1981, 10.

高压送电线路电晕损失的分析 篇5

1 电晕产生及危害

电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场, 在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时, 由于空气游离就会发生放电, 形成电晕。因为在电晕的外围电场很弱, 不发生碰撞游离, 电晕外围带电粒子基本都是电离子, 这些离子便形成了电晕放电电流。简单地说, 曲率半径小的导体电极对空气放电, 便产生了电晕。

电力系统中的高压及超高压输电线路导线上发生电晕, 会引起电晕功率损失、无线电干扰、电视干扰以及噪声干扰。对于高电压电气设备, 发生电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能。另外电晕放电现象还会使空气中的气体发生电化学反应, 产生一些腐蚀性的气体, 造成线路的腐蚀。发出可闻噪声有时会超过环境规定的值。但是电力系统中的电晕现象也可以有效的降低雷电冲击波对电力系统的损坏, 对操作过电压也有一定得限制作用。

2 电晕损失的分析

当导线表面的电场强度超过空气击穿强度时, 靠近导线表面的空气被击穿, 就将电能转换成热、光、可听噪声和无线电干扰等形式释放, 这种能量损失就是高压送电线路的电晕损失。

根据测试数据发现, 超高压线路的电晕损失的变动范围很大, 主要是跟气象条件有关, 在天气好时每公里几千瓦, 在最恶劣的天气时可达每公里几百千瓦。年平均电晕损失只是电阻损失的一小部分, 但是恶劣天气最大的电晕损失对电力用户的用电需要和电力系统备用容量有较大的影响, 必须要发出足够的电力满足此尖峰电晕损失的需要。

对于电晕损失的计算, 人们通过多年的实验及研究, 对试验和现场的数据的统计分析, 以公式表达了电晕的规律。但是, 由于电晕损失是导线几何尺寸、导线电场强度、电压和线路所处地区的气象条件的函数, 十分复杂, 电晕损失的变化极大, 计算电晕损失的准确度不是很高, 但仍可以用作选择导线截面的比较计算。

2.1 导线表面电场强度计算

由于导线周围一定空间电场强度足够大时, 就引起气体分子游离, 以及产生的带电粒子随着电压正负变化而往返运动, 导致能量损失。

在这里就目前的220k V工程设计中采用的组合方式, 在不同运行方式下的导线表面最大工作电场强度计算, 计算结果如图1~图2, 都用EM=f (H) 曲线表示, H为导线对地高度 (米) 。计算采用线电压242k V。

式中:n为导线分裂根数;r为导线半径, cm;C0为导线对地电容;Uφ为相电压;a为分裂间距, cm (采用40cm) (如图1, 图2)

2.2 年平均电晕损失的估算

三相线路的年平均电晕功率损失, 为三相导线在各种天气条件 (好天气、雨天、雪天、雾凇天) 产生电晕功率损失的总和。

式中PC为三相总计年平均损失功率, Em1, Em2, Em3分别为三相导线表面电场强度,

2.3 气象资料的选择及修正

雨天除包括一般的降雨天以外, 毛毛雨、雨夹雪以及湿雪天亦属于雨天。雪天是指干雪天, 包括下雪天、雪球以及暴风雪等。雾凇天包括颗粒状或针状结晶的雾凇和坚实的雨凇。除上述以外均属好天气, 包括下雾天和阴天, 还包括考虑电流使导线发热经修正后排除的一部分雨天和雾凇天在内。考虑电流发热修正如下。

(1) 雾凇天计算小时数T4为实际小时数T′4乘上修正系数1k (电流修正发热系数) 。

(2) 雨天的计算小时数, t3为实际雨天小时数t3′乘以修正系数k2。, J1=0.2 j 2r, Jav为平均降雨强度, 1J为临界降雨强度。

(3) 好天气计算小时数t1=t1′+ (1-k1) t4′+ (1-k2) t3′。1t′、t4′、t3′分别为实际好天气、实际雾天和实际下雨天得小时数。

(4) 雪天计算小时数2t, 可由气象资料内查得, 不再做修正。

2.4 最大电晕损失

根据多年的试验数据得知在雾凇天气有最大电晕损失, 最大电晕损失Pcm, =++。

需要注意到, 一条长送电线路的单位长的最大电晕损失不会达到上述值, 因为沿线路的天气几乎不可能一样都是雾凇天。实际线路的最大电晕损失应按沿线天气分段计算求和确定。当利用最大电晕损失的数据来考虑附加电量时, 还应考虑与送电线最大负荷出现的同时率及其出现的概率。当出现雾凇天得概率极小时, 可按雨天损失作为最大电晕损失来考虑附加的电量。

利用以上电晕损失的计算方法, 就可以比较电晕和电阻损失的功率。

2.5 电晕损失的实测结果

根据以上计算方法, 按某220k V线路工程设计提供的参数, 初步计算年平均电晕损失如表1, 其中导线对地平均高度取16m (双回1 5 m) ;L G J-3 0 0导线, E0=1 5.6 k V/c m;线电压2 2 0 k V。

3 影响电晕损失的其他因素

电晕损失的大小除了和导线表面场强, 气象条件有关外, 还与导线表面状况 (有无伤痕等) 和架线施工情况有关。如果地面石头较多, 架线时可能因导线在地面被拖过而磨损, 使该段线在运行初期电晕放电比较厉害, 如有些地方防震锤螺钉装反 (螺杆应朝里, 装成螺杆朝外) 引起该部位电晕放电增加。另外, 采用什么金具以及金具的加工工艺情况也影响线路的电晕损失值。因此要把电晕损失限制在一个适当的范围, 除了设计线路时必须作大量的计算进行经济比较外, 在制造和施工上也是不可忽视的环节。

4 结语

电晕损失取决于气象条件, 而电阻损失取决于负荷。从220k V~500k V, 甚至更高电压等级的线路, 通常年平均电晕损失为电阻损失的百分之几。在我国一些升压为220k V运行的线路, 因为导线截面小电晕严重, 在导线输送按发热计算的极限负荷下, 年平均电晕损失也仅为电阻损失的25%左右。这说明为了减少电晕损失而增大导线截面是不经济的。随着电路电压等级的增高, 送电负荷增大, 年平均电晕损失与电阻损失之比将趋于减小。另外以上研究的几条220k V线路 (2×LGJ300导线) 的年平均损失均在3k W/km以下。

参考文献

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雨雾天气对导线电晕放电的影响分析 篇6

1 导线电晕放电原理

1.1 碰撞电离与原子电离能

受各种强辐射线的作用,空气中的部分气体分子被光电离,形成电荷密度为1.6×10-7 nC/cm3的漂浮自由电荷。

高压输电线路的电压足够高时,导线表面的场强变得很大。在空气中,1个漂浮在导线表面附近的自由电子受到电场的作用,被加速,若场强很大,自由电子在轰击另1个原子之前获得足够高的能量,以致从该原子中打出一个电子。被打出的电子又在电场中被加速,继续轰击其它原子并使之电离。这样,产生越来越多的自由电荷,构成导线的电晕放电。这种放电由电子碰撞电离产生。

自由电子之所以能从原子中轰击出新的电子,是因为自由电子受电场作用获得的动能超过了原子的电离能。原子核对构成原子的电子有很强的束缚作用,原子电离能是指原子中最外层电子逃脱原子核束缚所需的最低能量。空气分子中的H、N和O等主要原子的电离能为12.2～14.5 eV。

1.2 产生电晕放电的起始场强

漂浮在导线附近的自由电荷在电场的作用下被加速,在一个自由行程中,自由电荷获得的动能 大于被碰撞分子的原子电离能i时,就发生了电晕放电。电场强度的大小直接决定着自由电子碰撞原子之前的动能大小,因此电晕的产生取决于导线的表面场强。

由F.W.Peek通过试验得出的导线电晕放电起始场强经验公式可知,不同空气条件下导线电晕放电的起始场强不同,一般情况电晕放电起始场强范围为20～30 kV/cm。

2 水滴受电场力作用形变

2.1 无电压时导线上的水滴形变

在雨雾天气中,雨水落在导线上,形成水滴悬挂在导线上。随着雨水的汇聚,水滴逐渐变大,直至掉落。在此过程中,水滴受到粘滞力、表面张力和重力的作用,粘滞力使水滴依附在导线上,表面张力使水滴形状收缩成为近似的半球型,重力对水滴有向下牵引力。

当水滴受到的重力大于粘滞力时,水滴掉落。重力随着半球型水滴的半径增大而增大。

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式中,FG为水滴所受重力,N;a为水滴半径,mm。

2.2 运行线路中导线上的水滴形变

水分子为极性分子,即在1个水分子中,氧原子附近有净的负电荷,而2个氢原子附近都有净的正电荷,它们并非对称排列。于是水分子构成这样的分布:在一方有较多的负电荷,在另一边则有较多的正电荷。从远处看,这个系统的作用就像1个偶极子。

在运行中的高压输电线路,导线表面空间存在电场。由于水滴中的水分子为极性分子,水分子在电场中被极化后,整个水滴将受到向下电场力FWD的作用。

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式中, FWD为水滴受到的电场力,N;ε为真空介电常数,ε0=8.85×10-12C/N·m3;ε1为空气的相对介电常数,ε1=1.000 6;ε2为水的相对介电常数,ε2=81;E0为导线表面电场强度,V/m;a为水滴半径,mm。

图1中的水滴在向下方向只受到重力的作用,运行导线上的水滴在向下方向受到电场力与重力的合力作用。

FT=FWD FG

这样,水滴在掉落前就会被拉长。电场越强,水滴掉落之前会被拉得越长,且水滴掉落的间隔时间变得越短。图2和图3为不同场强下水滴的形变过程[3]。

从图2 和图3可以明显看出,由于水滴的粘滞作用,水滴掉落后有1/3的残余量附着在导线上。残余水滴由于雨滴的汇聚继续增大,并重复下一个形变并滴落过程。

3 水滴引起的电场畸变

3.1 无水滴时导线表面电场分布

在没有水滴附着在导线上时,决定输电导线表面电场值的主要因素是导线的电位、分裂导线数、子导线半径、子导线之间距离和空气介电常数。图4为无水滴时4分裂形式±500 kV直流输电线路正极导线右下方子导线的电场分布情况。

3.2 水滴对电场的影响

当有水滴悬挂在导线上时,由于水被极化后受电场力的作用,以及水滴自身的重力,水滴就会被拉得很长,如图5所示。

水分子偶极子中正负电荷间的距离在电场的作用下变大,形成偶极矩p,并向同一方向偏转。

p=qd

式中,q为偶极子的电荷量;d为偶极子电荷间的距离。

1个偶极子产生的电势

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式中,p为偶极矩;θ为偶极子轴与指向点(x, y, z)的径向矢量之间的夹角;r为点(x, y, z)到偶极子中心的距离;ε0为真空介电常数。

通过取φ的梯度可获得电偶极子的电场E。对电势φ的x,y,z 方向求偏导,可得E的3个方向的分量Ex、Ey和Ez分别为

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Ex和Ey可以合成一个垂直于z轴的分量,称为E的横向分量

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则电偶极子的总场强

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由极性材料极化产生的“极化电荷”密度

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根据静电学的基本方程

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可得

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由上式可知,在水滴内部空间,电场比无水时小。根据球面带电体表面电场与曲率半径的关系

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可知,由于水滴尖部的曲率半径比导线半径小,使水滴尖部与空气交界面的场强比导线表面的场强大很多。

3.3 有限元建模仿真计算

以±500 kV直流输电线路正极导线为例,建立附有水滴的导线有限元模型,模型参数如下:

a. 导线为4分裂形式,子导线半径R=1.6 cm,相邻子导线距离d=40 cm。

b. 导线对地高度H=12 m。

c.无电场时水滴最大半径r=5.5 mm。

d.水滴滴落时间间隔为1.6 s(小雨天气)。

e.空气相对介电常数 1=1.000 6;水滴相对介电常数ε2=81。

通过水滴长度2.5 mm到18 mm增长过程的一系列有限元模型的数值仿真计算可知,随着水滴被拉长,尖端的曲率半径变小,最大电场值变大,如图6、7、8所示。

4 数值计算结果分析

通过一系列不同水滴形状模型的数值仿真计算可知,由于水滴形状的周期性变化,水滴引起的最大场强值呈周期性变化。由图2和图3中水滴掉落时还有1/3的残余水滴量,水滴引起电场畸变,使最大场强值变大。因此,在有水滴情况下,任何时刻的最大场强值都比没有水滴情况下的最大场强值大。图9为有无水滴时的最大场强比较。计算结果表明:无水滴时的最大场强值为21 kV/cm,有水滴时最大场强值在28.2 ～120 kV/cm范围内呈现周期性变化。

5 结论

在雨雾天气情况下,悬挂在运行中的高压输电线路导线上的水滴受到重力和电场力的作用,被拉

得很长。水滴被拉得越长,其尖部的曲率半径就变得越小,引起导线表面附近电场畸变越大。通过1个悬挂于导线上水滴在形变过程中多个状态下的模型进行电场有限元数值仿真计算。计算结果表明,随着水滴形状的周期性变化,引起的最大场强也呈周期性变化,其值约为无水滴时最大场强的1.3～6.0倍。水滴使局部空间的电场变大,并加剧了电晕放电的强度。

参考文献

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大气中针板放电电晕层的研究 篇7

1 实验装置及方法

实验在自然空气中进行,由自制的针板式放电装置进行电晕放电。选取针尖半径为250μm的钨针为针电极,直径60 mm的圆形铝制接地极板为板电极,并固定针板间距为3 cm。实验装置如图1所示。实验采用(0～60) kV连续可调的负高压直流电源。用相机对针电极处的电晕层进行分别拍照,相机拍照参数为光圈值f/3.2,曝光时间2s,ISO—80,焦距8 mm。选取发光图像灰度值5作为量取电晕层的边界值。利用photoshop软件对发光照片图像的电晕层灰度和电晕层厚度进行测量。实验环境为室温T=(20～25)℃,相对湿度为RH=(40～60)%,空气压力为P=0.1 MPa。

2 实验结果与分析

2.1 电晕层的形貌

通过实验观察可以看出,电晕放电发光具有与日晕相似的光层,并伴随发出嗤嗤的声音。由发光图像分析电晕层形貌,图2所示放电电压分别为14kV、24 kV、34 kV时的三个发光图像。起晕后针电极周围出现电晕发光,由于电压值相对较小,针电极周围的电场较弱,电位梯度较小,电子在放电场中所获得的能量也同时较小,所以此时电晕发光强度很弱,电晕层的灰度值比较均匀,即电晕发光强度在层内相对均匀。当放电电压为24 kV时电晕层厚度明显加大,这时针电极处的电场强度变大,电位梯度增大,在发光图像中有一个明亮而不均匀的区域,并且明亮区域在电晕层的中心位置。电压继续增大,明亮区域逐渐偏移电晕中心位置,并且发光呈现出刷状。这是因为电子崩从电场强的阴极出发,向电场弱的区域移动,沿着电场电子彼此发散,放电空间一般不只有一个电子崩,它们汇到一起,形成一个发光区。在实验中未看到羽毛状的形态,是由于羽毛状的分支是淡的、弥散的,它们相互汇合,组成一个亮区,其中各分支不能彼此区分。电压提高到一定程度,超过了特里切尔脉冲的临界频率(最大脉冲频率值,即临界脉冲频率,约为几个106脉冲/秒),放电过程过渡到电流恒定的辉光。这一电晕形式是稳定的,它一般固定在中心处。放电区域分成亮的球形负辉光,不太亮的正柱,中间有一薄的黑层(法拉第暗区)[10]。亮的部分直径比较小而亮,且有明显的轮廓。发光图像在灰度值为5的范围内各个像素点的灰度值相对连续,而在此范围外像素点的灰度值相对间断并出现明显的颗粒感,所以实验中选取灰度值为5作为电晕层与外围区的界限。

2.2 电晕层针电极方向灰度值分布

图2中三幅发光图像在针电极方向的灰度值分布如图3所示。由图3可知,34 kV时的灰度值大于24 kV与14 kV时的灰度值,即在距针尖相同距离下,电压越大发光强度越大,并且发光强度随着距针尖距离的加大而减小。在发光图像中电晕层的灰度值是逐渐过渡的。这是由于电晕层的强电场到外围区的弱电场的过渡不是突变的,而是逐渐变化的。因此,空间电离和激发由强到弱的变化也是逐渐过渡的[11]。发光强度随距针尖距离的变化规律为首先缓慢减小,然后迅速减小,最后又变得缓慢减小。由于在34 kV发光图像的中心明亮区域中有明显的暗区,所以其灰度值分布曲线中针尖处灰度值会出现跳跃,在距针尖0.225 73 mm处从79突然升到82,之后在距针尖0.338 6 mm处又从82降到75。

2.3 电晕层不同位置定点的灰度值

电晕层针电极方向3个不同位置定点的灰度值,a为距针尖的距离,如图4所示。在同一电压下距针尖越近其灰度值越大,即发光强度越大;距针尖越远其灰度值越小,即发光强度越小。距针尖1.8 mm处的定点在22 kV时的灰度值为1,此后随着电压增大其灰度值开始增大。由图中可知,当电晕区不同定点出现发光后,其发光强度随电压的增大表现出近似线性增强的趋势。通过对数据的线性拟合得到直线方程分别为y=3.023 08x-19.887 91,R=0.995 18;y=2.046 15x-19.204 4,R=0.984 64;y=0.518 02x-11.013 51,R=0.953 68。即距离针尖越近,其直线斜率越大,发光强度的线性关系越良好。

2.4 电晕层的厚度

发光图像选取灰度值为5作为电晕区与外围区的界限。以针电极方向发光长度作为电晕层厚度的标准,实验测得电晕层厚度与电压的关系图。

如图5所示,当两极间的电压由零逐渐增大时,由于电子运动速度缓慢且运动方向相对离散,在向接地极板运动过程中,不能激发空气粒子辐射跃迁,所以未在针电极周围观察到发光。起晕后针电极出现电晕发光,在10 kV的放电照片中出现发光图像并且电晕层厚度快速增长。激发粒子的自发辐射跃迁是电晕层发光的原因,若继续增大电压则电流强度和电场场强将增大,带电粒子运动速度也增大,碰撞时粒子能量增强,碰撞电离迅猛发展,同时,这个过程中电子与正离子,正离子与负离子复合增强,以及更多的非稳态粒子跃迁基态或较低能态,从而使辐射光子数显著增多,电晕层的厚度和亮度也都同时增大。电压为14 kV,它们的电晕层厚度为2.525 6 mm。当电晕层厚度达到并保持变化不大的平直部分时表明处于稳定的电晕放电。这是由于初崩留下的正空间电荷削弱了阳极方向空间的电场,使流注的向前发展受到抑制。在24kV时的电晕层厚度为2.834 16 mm,随后加电压继续升高,电晕层厚度由平直向上升发展,在34 kV时的电晕层厚度达到3.885 54 mm,表明电晕放电向预击穿流光过渡。

3 结论

1)起晕后电晕发光强度在电晕层内相对均匀。随着放电电压的增大,在针尖处会产生一个明亮不均匀区域。

2)在距针尖相同距离下,34 kV时的灰度值大于24 kV与14 kV时的灰度值。发光强度随距针尖距离的变化规律为首先缓慢减小,然后迅速减小,最后又变得缓慢减小。由于发光图像暗区的存在,在34 kV灰度值分布曲线中距针尖较近处会出现灰度值跳跃的数据点。

3)在同一电压下距针尖越近发光强度越大,距针尖越远发光强度越小。当电晕区出现发光后,其发光强度随电压的增大表现出近似线性增强的趋势。距离针尖越近,其直线斜率越大,发光强度的线性关系越良好。

4)起晕后电晕层厚度快速增长,随后在14 kV后会出现一个稳定区,当电压继续增大到24 kV电晕层厚度由平直向上升发展。

参考文献

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[10]杨津基.气体放电.北京:科学出版社,1983

交流电晕 篇8

在大气压下辉光放电(简称APGD)产生的低温等离子体及其应用,一直是国内外学者研究的重点和热点。它克服了真空室操作的缺点,其产生的非平衡均匀等离子体在材料表面改性、薄膜沉积、刻蚀、医疗器具消毒、纤维改性等领域有广阔的应用前景[1]。长期以来,人们一直在努力实现大气压下的辉光放电,探索采用不同电极结构的介质阻挡放电简称的方法用不同频率的电源和介质在一些气体和气体混合物中实现了APGD。

DBD是将电介质薄层插入放电空间的一种气体放电。由于电极间安插了介质的作用,可以防止在放电空间形成局部火花或是弧光放电,而且能够形成大气压下稳定的其他放电,因此这种放电也叫做无声放电[2]。DBD能够在很大的气压和频率范围内工作,在一定条件下可以表现为大气压下的辉光放电,因此从1987年开始,很多人都开始了此领域的研究工作。电晕放电也是在大气压下产生低温等离子体的有效手段,采用不均匀电场获得,放电易产生,但放电区域小且功率密度不高。因此如果将合适的电晕放电与DBD相结合,应有助于实现大气压下空气中的辉光放电,这种在电晕放电空间内加入固体介质而形成的放电被称为介质阻挡电晕放电(简称DBCD)。

2 典型的DBD和DBCD放电装置

图1是DBD和DBCD的两种典型电极结构。其中图1(a)是DBD中常用的平板-平板电极结构,特点是电流回路中除了放电间隙外,在电极间还填加了一层绝缘介质,采用交流电源供电,两电极间的距离一般为数毫米,提供的电压一般约20kV[3]。

研究表明,在大气压下,图1(a)这种电极结构的电学击穿会出现许多短周期的电流丝,称之为微放电。1968年,Bartnikas发现在很近的平板电极间,金属的或附上阻挡层介质的、氦气的直流放电能形成脉冲或非脉冲的辉光,这也可叫作伪辉光。自此,很多人开始了DBD领域的研究工作。依赖于气体类型、介质表面性质以及运行条件,DBD会出现人们所知的包括丝状放电、斑图放电和完全的扩散阻挡放电这几种不同的放电模式。

图1(b)为DBCD的一种典型电极结构,采用线-管电极结构,其细线电极为固定在构成阻挡介质的玻璃管中心的一根直径为0.2~1 mm的高压电极,阻挡介质管的外直径为30~40 mm,介质厚度1~5 mm,阻挡介质可采用玻璃、树脂、聚四氟乙烯等管状电介质[4]。

放电特点和机理

图2是平板-平板电极DBD和线-管电极DBCD的电压-电流波形。由图2(a)可以看出,平板-平板电极DBD的电流在电压的每半个周期内,是由许多微放电脉冲组成的,微放电从起始放电电压开始一直到电压的最大值结束,电流波形近似对称地分布在电压正负半周期内。而图2(b)线-管电极DBCD的电流波形明显表现出极性效应,正负半周电流的表现形式不同,在电压的正半周期内表现为连续的放电电流的形式,而在电压的负半周期则表现为密集的Trichel脉冲形式。这是因为在上半周期,外筒电极是放电阴极,阴极半径大,阴极鞘层电离区域更大,所以放电电流强;而在下半周期,内部线电极是放电阴极,电极半径小,尽管阴极鞘层内电场更强,由于阴极鞘层电离区域体积小,导致电流也比较小。

图3是用相机拍摄的2种不同电极结构下放电的发光图。图3(a)为平板-平板电极DBD的发光图,图3(b)为线-管电极DBCD的发光图,可以看到,平板-平板电极DBD的发光表现为放电空间内均匀地分布着许多细丝状的发光通道;而线-管电极DBCD中,当施加电压达到14~20 kV时,管内气隙出现稳定发光。

平板-平板电极DBD可以用流注理论加以解释:由于其放电空间为近似均匀电场,当放电高场强区电子电离系数α达到足够数值时,间隙中大部分区域中的α也达到相当值。这样,初始电子崩在强场区发展起来后,很快在间隙内形成流注。另外,由于阻挡介质的存在,使得空间电荷在介质上积聚,积聚的电荷产生了一个与外加电场相反的附加电场,抵消外加电场的作用,随着介质上积聚电荷的增加,附加电场的作用也在增强,气隙中总的电场强度下降的幅度增大,当气隙内场强下降到小于气体的击穿场强时,放电中断,又因为DBD采用是交流电源,所以放电中断后在电源的下半个周期内还会出现放电[5]。因此,平板-平板电极DBD近似为均匀电场作用下的DBD放电,其电流波形表现为近似对称的交替出现在电压正负半周期的大量脉冲形式。

要在大气压下获得稳定的扩散模式放电就必须限制电子崩增长幅度。在高气压下,电子经历多次碰撞是不可避免的。限制电子崩发展的一种方法是限制电子的碰撞电离系数α。由于α随气隙场强的增大而增大,因此要限制电子崩发展就必须设法降低气体的击穿场强,也就是说在低电场下产生电子。但是空气在大气压下的击穿场强十分高,其平均击穿场强约为30 kV/cm,限制其放电电子崩的发展是一件十分困难的事情因此必须采取一些其他的方式来产生二次电子或者形成预电离,从而产生较为均匀的扩散模式放电。线-管电极结构DBCD正是应用了线电极的预电离作用,较好地实现了扩散模式放电。线-管电极结构在线电极的同轴圆周径向上,电场分布极不均匀,尤其线电极周围的电场比较集中,因此,当电压高到一定程度后,在空气间隙击穿前,会在中心的线电极附近先出现一层均匀的电晕发光层,随着电压的升高,这种均匀的电晕层不断扩大,形成了比较稳定的扩散模式放电。

4 结束语

DBD和DBCD结构均可以实现大气压下的辉光放电,平板-平板电极DBD的电流在电压的每半个周期内是由许多微放电脉冲组成的,电流波形近似对称地分布在电压正负半周期内,而线-管电极DBCD的电流波形明显表现出极性效应,正负半周电流的表现形式不同,在电压的正半周期内表现为连续的放电电流的形式,但在电压的负半周期则表现为密集的Trichel脉冲形式。DBCD结构比DBD结构放电更为稳定。

参考文献

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