专利名称：人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种气隙放电试验装置及试验方法，特别涉及一种用于研究 输电线路在恶劣气候条件下的气隙放电试验装置及试验方法。
背景技术：
近年来，频繁发生的沙尘暴，已对我国北方乃至更大范围地区的工、农 业生产与人民生活造成了严重影响，特别是对于高压电网线路绝缘子的危害
最为突出。如2006年6月10号，内蒙古巴彦淖尔市和呼和浩特市所属电网 在强沙尘气候下发生了大面积闪络事故，共造成5条220kV线路和2条110kV 线路跳闸15次，此前一天，新疆电网也发生了类似的电网故障。另据统计， 近10年来，仅兰州供电局和白银供电局所辖330kV线路出现接地故障造成 电网事故次数达20多次，事发时现场气候基本为大湿度或者沙尘暴等恶劣环 境。为适应经济发展的需要，我国北方区域电网正值飞速发展时期，以新疆 为例，多条750kV超高压回路不久后即将投入运行(此前全疆仅有110kV、 220kV输电等级，由220kV直接过渡到750kV等级)，整个西北电网即将建 成750kV超高压等级的主电网框架。而北方地区由于植被覆盖较少，干旱少 雨，为沙尘暴易发区，所以，如何提高高压电网抵御强风及沙尘暴等恶劣气 候环境的能力，是迫切需要引起重视的研究课题。
申请人曾针对强风及沙尘(暴)环境下高压输电线路的现场运行情况，在新 疆地区进行了细致调研，结果如下输电线路因外绝缘而引发的闪络跳闸事 故，大致可以分为两大类， 一类是线路绝缘子的污秽闪络事故，约占总体闪 络事故的35%; —类是强风及沙尘环境下的不明闪络事故，约占50%。还有 约15%为冰、雪、雾或其他原因而引起的闪络事故。因此可以认为对输电线 路外绝缘而言，强风及沙尘(暴)是极端恶劣的气候环境，容易导致闪络跳闸事故。
对于外绝缘而言，沙尘暴的影响主要体现在严重积污和周围介质环境改 变两大方面。以线路绝缘子串为例， 一方面，沙尘暴发作时空气中的沙、尘、 盐分等固体微粒含量会大大增加，容易导致绝缘子串表面积污量剧增，为污 秽闪络留下隐患；另一方面，在绝缘子串周围会形成高组分含量、高流速、 较长持续时间的多相流(空气一多颗粒固体)流体，使得绝缘子串的工作环 境和介质环境发生严重畸变。研究结果表明周围介质特性以及分布对绝缘 子串的电场分布影响明显，可以加剧电晕放电，或引发电弧放电；空气一沙 尘混和流体和空气介质相比，具有较高的电导率和较大的介电常数，使得间 隙放电电压降低；混和流体在长时间高速运动摩擦下会导致带电粒子的聚集， 产生空间电场。据此可以推断，沙尘暴环境下绝缘子近场区原有电场分布会 发生畸变，放电进程会被加剧，绝缘风险也将大大高于正常环境。
但截至目前，还没有专门针对沙尘(暴)环境的规范供电力设备制造部门、 相关设计部门和运行部门去参考。对电力设备外绝缘领域而言，这预示着， 参照常规因素所设计的绝缘结构能否继续适合于强风及沙尘(暴)环境,能否经 受住强风及沙尘(暴)环境的考验、保证电网的可靠运行，如何才能使得外绝缘 结构在该环境下具有更好的性能等一系列问题至今没有确切答案。所以有必 要进行研究强风及沙尘(暴)环境对高压线路外绝缘特性的影响。由此建立人工 模拟恶劣环境下的输电线路外绝缘试验装置尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工模拟强风及沙尘暴条件的气隙放电试验装 置及试验方法，用于开展强风及沙尘(暴)环境下输电线路气隙的工频击穿和放 电规律研究，可以在控制风速、沙尘浓度、沙尘属性等基本气候条件的基础 上进行工频气隙放电试验。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的 一种人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其特征在于，包括流 场子系统、电场子系统、测量子系统；所述流场子系统包括离心风机、试验舱、以及试验舱进风口和出风口两端的主风道，试验舱与离心风机之间通过
主风道构成一个密闭的循环流场，其中试验舱进风口的主风道上设有送沙器; 所述离心风机和送沙器的驱动电机与一个控制器电连接，用以实现风速的控 制和流体中沙尘浓度的控制；
电场子系统包括设置在试验舱两侧壁上的高压引入终端和接地引入终 端，高压引入终端通过电极间距调节装置连接试验舱内的高压电极、接地引 入终端通过电极间距调节装置连接试验舱内的低压电极，高压电极与低压电 极之间形成气隙；
测量子系统包括设置在试验舱进风口和出风口中间位置的风速测量装 置，设置在试验舱上侧面并延伸至试验舱内正对高、低压电极中心位置的沙 尘浓度实时测量装置，以及设置在试验舱进、出风口中间位置的流场温度测 量装置；
风速测量装置采集的风速、沙尘浓度实时测量装置采集沙尘浓度、流场 温度测量装置采集的温度三路测量信号，送至工业控制计算机储存、处理、 和显示。
上述装置中，所述试验舱进、出风口两端与主风道之间设置有流场扩展段。
所述的电极间距调节装置包括固定于试验舱侧壁面的金属导轨，该金属 导轨与高压电极或低压电极滑动连接，金属导轨上设有距离标尺。
所述的风速测量装置为两个皮托管，分别垂直设置在试验舱进风口和出 风口中间位置。
所述的沙尘浓度实时测量装置为一个激光颗粒物浓度测量仪。 所述的流场温度测量装置为两个热电偶，分别设置在试验舱进风口和出 风口中间位置。
一种基于以上人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置的试验方法， 其特征在于
首先清洁高、低压电极表面，安装电极并调整极间距离，将沙尘试样放 入送沙器；然后在洁净空气环境下测定电极之间气隙的工频击穿电压，接着在不同风速和沙尘浓度环境下，进行气隙击穿施放电试验。加压方式采用渐 压法，先通过气隙放电试验获取击穿电压的预估值，正式测量开始后，第一
步加压到预估值的60%，之后每次加压不超过2%,相隔时间不小于5秒，直 到气隙击穿放电发生。击穿发生后，记录一组击穿电压和浓度值。重复加压， 每组试验重复多次，以减小测量误差。同时记录沙尘流体温度作为参考。
上述方法中，所述风速范围为7-15m/s，对应的是中等沙尘暴及以下等级 气候。所述沙尘试样由颗粒度小于100um的硏磨细沙、颗粒度小于50um的 干燥硅藻土和化学分析用粉剂NaCl配制而成。其中细沙和硅藻土等质量，盐 分NaCl含量通过试错法确定。试错法步骤如下将沙样溶于去离子水，测量 其电导率，并和该区域沙尘暴后绝缘子表面积污成分所配溶液电导率相比较， 改变盐分含量，直到两种溶液电导率相同，确定出盐分含量。最终确定出的 沙份、土份和盐份的质量比为6:6:1。
利用用本发明装置及方法进行人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验， 试验结果精确，可以有效用于恶劣气候下高压输电线路气隙放电特性研究， 具有造价低廉，安装简单，试验过程稳定性好，易于操作等优点。
图1本发明试验装置的结构示意图。
图中1、试验舱;2、扩展段;3、主风道;4、离心风机;5、送沙器;6、热 电偶;7、皮托管;8、激光颗粒物浓度测量仪;9、电极；10、导轨；11、高压端; 12、接地端。
图2是图1中垂直方向电极中心剖面内压力分布云图。 图3是图1中垂直方向电极中心剖面内体积分数云图。 图4是采用本发明试验方法所得到的击穿电压与气隙距离的关系。其中
图4 (a)是风速为7m/s条件下击穿电压与气隙距离的关系曲线；图4 (b)
是风速13m/s条件下击穿电压与气隙距离的关系曲线。
图5是采用本发明试验方法所得到的击穿电压与沙尘浓度的关系。其中
图5 (a)是风速7m/s条件下击穿电压与沙尘浓度的关系曲线；图5 (b)风速13m/s条件下击穿电压与沙尘浓度的关系曲线。
图6是采用本发明试验方法所得到的击穿电压与风速的关系。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示。本发明装置可划分为流场子系统、电场子系统、测量子系统。
流场子系统包括离心风机4、送沙器5、主风道、流场扩展段2和试验舱 1，整个流场空间密闭，避免了试验过程中沙尘颗粒物外漏造成大气污染。流 场扩展段2能够保证试验过程中空气、沙尘两相流充分扩展，在试验舱l进 风口和出风口流场压力恒定，沙尘颗粒物含量基本均匀。离心风机4和送沙 器5的驱动电机与一个控制器电连接，用以实现离心风机和送沙器驱动电机 的调速，进而实现风速的控制和流体中沙尘浓度的控制。
电场子系统包括高低压电极9、与电极滑动连接的金属导轨10、电极距 离标尺、高压引入终端11和接地侧引入终端12。其中电极包括三种类型-球电极、圆板电极和棒电极，均由铝质材料制成，可用于模拟均匀电场，稍 不均匀电场和极不均匀电场等常见的电场分布。电极通过金属导轨10固定于 试验舱侧壁，既实现了试验舱内外电路的连通，又可以非常容易的实现电极 间距离的调节，电极间距离通过电极距离标尺(装在导轨上)读数获得。高、 低压引入终端ll、 12均由瓷质绝缘支柱和终端球组成，终端球通过硬线和电 极安装导轨实现电气接通，而外部高压试验电源信号输出给终端球。
测量子系统包括风速测量装置、沙尘浓度实时测量装置和流场温度测量 装置。风速通过皮托管7(试验舱进风口和出风口中间位置各垂直布置四个测 点)和信号调理电路转化为标准电信号，并输出给信号采集终端(计算机)； 浓度测量由激光颗粒物浓度测量仪8完成，该仪器根据空气中颗粒物对发射 光的散射情况，将颗粒物浓度转换成标准信号；流场温度测量装置由热电偶 6组成测量回路来承担，在进、出风口中间位置各布置一个热电偶，测量温 度的主要原因是因为沙尘颗粒的介电常数对于电场分布和气隙击穿非常重要，而介电常数受温度影响明显，在试验过程中颗粒由于摩擦、碰撞作用会 出现温升。风速、浓度、温度三路测量信号通过工业控制计算机实时采集、 储存和显示。
以下板-板电极为例，详细说明利用图l装置的试验方法 (1)沙尘试样制备
按照分级方法，沙尘天气可以分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特 强沙尘暴五大类。对于浮尘和扬沙天气来说，对应风力较小， 一般在4级 (5.5-7，9m/s)以下，此时地表沙尘难以跃起，空气中沙尘含量较小。沙尘暴气 候对应的风力等级一般为4级以上，最高可以达到12级。考虑到实验结果的 工程意义，实验安排风速范围为7-15m/s，对应的是中等沙尘暴及以下等级气 候，因为9级风以上的沙尘暴气候出现几率很小，而且对电网的破坏已经不 局限于外绝缘方面了，可能以力学破坏占主导。
参考吐鲁番地区的相关气候监测结果，在强风及沙尘暴发作时，尽管毫 米级直径的颗粒也可被吹起，但其基本滞留在靠近地表层，只有粒径处于 100um以下的颗粒有可能到达高压架空线路的高度。考虑到吐鲁番地区地表 沙份和土份质量大致相同，试验中选取颗粒度小于100um的研磨细沙、颗粒 度小于50um的干燥硅藻土和化学分析用粉剂NaCl配制沙尘试样。其中细沙 和硅藻土等质量，盐分含量通过试错法确定。试错法步骤如下将沙样溶于 去离子水，测量其电导率，并和该区域沙尘暴后绝缘子表面积污成分所配溶 液电导率相比较，改变盐分含量，直到两种溶液电导率相同，确定出盐分含 量。最终确定出的沙份、土份和盐份的质量比为6:6:1。其中细沙主要体现的 是不同风速下沙尘的跃迁特征差异和灰尘中刚性颗粒成分；硅藻土体现的是 沙尘中容易悬浮的尘埃和非刚性颗粒成分；NaCl主要用来模拟沙尘中的少量 无机盐成分。
(3)试验方法
用蒸馏水和酒精清洁电极9表面，安装电极并调整极间距离，将沙样放 入送沙器5。首先在洁净空气环境下测定气隙工频击穿电压，然后在在不同 风速和沙尘浓度环境下，进行气隙击穿施放电试验。加压方式采用渐压法，先通过气隙放电试验获取击穿电压的预估值，正式测量开始后，第一步加压
到预估值的60%，之后每次加压不超过2%,相隔时间不小于5秒，直到气隙 击穿放电发生。击穿发生后，记录一组击穿电压和浓度值。重复加压，每组 试验重复多次，以减小测量误差。同时记录沙尘流体温度作为参考。
流场分布特性
为了验证试验装置扩展段的有效性，进行了流场的仿真计算。利用欧拉 模型和离散相模型计算了电极空间的两相流场特征。图2为垂直方向电极中 心剖面内的压力分布云图。由图2可知，由于电极对流场的阻碍作用，流场 在电极附近区域出现了负压特性，也就是绝对压力略小于标准大气压。其中 靠近电极边缘处的压强较小(约9.96X 104Pa)，中心处压强较大(约9.99X 104Pa)。考虑到极间区域压力差异小于1%。，又压力差异所致的放电特性差异 极小，因此在考虑放电特性时可认为电极间压力分布是均匀的。图3为该区 域粉尘和空气的体积比云图。由图3可知，在靠近极面附近，由于湍流影响， 粉尘含量较低；在两电极中间区域，粉尘浓度较高。但总体而言，极间区域 内粉尘浓度基本一致，电极边缘处和中心处浓度分布无显著差异。
击穿电压与极间距离的关系
在保持沙尘浓度和风速一定情况下，仅改变极间距离进行了击穿试验。 图4 (a)、图4 (b)分别为7m/s和13m/s风速条件下击穿电压与气隙间距 的关系图。为了和洁净空气介质环境下的结果进行对比，图中同时给出了洁 净空气环境下的击穿电压测量结果。由图4(a)可明显看出，洁净空气和沙尘 环境下的击穿电压均随着气隙距离的增加而增加，但是后者明显低于前者， 且随着气隙距离增加，两者的差异愈加明显。同样的由图4 (b)也可得以上 结果。定量而言，在7m/s风速条件下，当气隙距离为10mm时，两种环境下 的击穿电压平均值相差2kV，相对于洁净空气下的击穿电压，下降率为12%， 当距离增至45mm时，击穿电压差值已达llkV，下降率达24%。在13 m/s 风速条件下，气隙距离为10mm时，电压差值为3kV，对应下降率为18%,当气隙距离增加至45mm时，电压差值为13kV，下降率约为28%。
击穿电压与沙尘浓度的关系
保持风速和电极间距固定，仅改变沙尘浓度进行了击穿试验。采取浓度 分级的方法量化浓度。图5 (a)、图5 (b)分别为7m/s和13m/s两种风速条 件下击穿电压与沙尘浓度的关系图，每幅图中的四条曲线从下到上分别表示 电极距离为10， 15， 30， 45mm的情况。由图可知，击穿电压随沙尘浓度增 加呈下降趋势。定量而言，在7m/s风速条件下，四条曲线下降趋势基本平行， 也就是说浓度由"1"增加到"5"，击穿电压均下降了 2-3kV;在13m/s风 速下，当电极距离小于30mm时，电压下降幅度仍保持在2-3kV的范围内， 但当电极距离增至45mm时，击穿电压下降幅度可增至约5kV。
击穿电压与风速的关系
在保持沙尘浓度和电极距离一定的条件下，改变风速进行了击穿试验， 结果如图6所示。由图8可以看出，在4种电极距离下，击穿电压均随风速 增大呈现出先减小后增大的趋势。由拟合曲线可知，当电极距离较小时，曲 线比较平坦；随着电极距离增加，曲线变得陡峭，最低电压对应的风速范围 为11-13m/s。
由以上试验结果可知，本装置试验结果精确，可以有效用于人工模拟沙 尘环境下的气隙放电特性研究。目前尚没有专门用于气隙放电研究的专有试 验平台，所以本发明具有很强的开拓性，同时具有造价低廉，安装简单，试 验过程稳定性好，易于操作的优点。
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权利要求
1、一种人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其特征在于，包括流场子系统、电场子系统、测量子系统；所述流场子系统包括离心风机、试验舱、以及试验舱进风口和出风口的主风道，试验舱与离心风机之间通过主风道构成一个密闭的循环流场，其中试验舱进风口的主风道上设有送沙器；所述离心风机和送沙器的驱动电机与一个控制器电连接，用以实现风速的控制和流体中沙尘浓度的控制；电场子系统包括设置在试验舱两侧壁上的高压引入终端和接地引入终端，高压引入终端通过电极间距调节装置连接试验舱内的高压电极、接地引入终端通过电极间距调节装置连接试验舱内的低压电极，高压电极与低压电极之间形成气隙；测量子系统包括设置在试验舱进风口和出风口中间位置的风速测量装置，设置在试验舱上侧面并延伸至试验舱内正对高、低压电极中心位置的沙尘浓度实时测量装置，以及设置在试验舱进、出风口中间位置的流场温度测量装置；风速测量装置采集的风速、沙尘浓度实时测量装置采集沙尘浓度、流场温度测量装置采集的温度三路测量信号，送至工业控制计算机储存、处理和显示。
2、 如权利要求1所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其 特征在于，所述试验舱进风口和出风口与主风道之间设置有流场扩展段。
3、 如权利要求1所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其 特征在于，所述的电极间距调节装置包括固定于试验舱侧壁面的金属导轨， 该金属导轨与高压电极或低压电极滑动连接;所述金属导轨上设有距离标尺。
4、 如权利要求1所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其 特征在于，所述的风速测量装置为两个皮托管，分别垂直设置在试验舱进风 口和出风口中间位置。
5、 如权利要求1所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其 特征在于，所述的沙尘浓度实时测量装置为一个激光颗粒物浓度测量仪。
6、 如权利要求1所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其 特征在于，所述的流场温度测量装置为两个热电偶，分别设置在试验舱进风 口和出风口中间位置。
7、 一种人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验方法，该方法基于权利要 求1的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置，其特征在于首先清洁 高、低压电极表面，安装电极并调整极间距离，将沙尘试样放入送沙器；然 后在洁净空气环境下测定电极之间气隙的工频击穿电压，接着在在不同风速 和沙尘浓度环境下，进行气隙击穿施放电试验；加压方式采用渐压法，先通 过气隙放电试验获取击穿电压的预估值，正式测量开始后，第一步加压到预 估值的60%，之后每次加压不超过2%，相隔时间不小于5秒，直到气隙击 穿放电发生；击穿发生后，记录一组击穿电压和浓度值；重复加压，每组试 验重复多次，以减小测量误差，同时记录沙尘流体温度作为参考。
8、 如权利要求7所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验方法，其 特征在于，所述风速范围为7-15m/s，对应的是中等沙尘暴及以下等级气候。
9、 如权利要求7所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验方法，其 特征在于，所述沙尘试样由颗粒度小于100um的研磨细沙、颗粒度小于50um 的干燥硅藻土和化学分析用粉剂NaCl配制而成，其中细沙和硅藻土等质量， 盐分NaCl含量通过试错法确定。
10、 如权利要求9所述的人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验方法， 其特征在于，试错法步骤如下将沙样溶于去离子水，测量其电导率，并和 该区域沙尘暴后绝缘子表面积污成分所配溶液电导率相比较，改变盐分含量， 直到两种溶液电导率相同，确定出盐分含量。
全文摘要
本发明公开了一种人工模拟强风及沙尘暴的气隙放电试验装置及试验方法，其中试验装置包括流场子系统、电场子系统、测量子系统。试验过程中，先将沙尘试样放入送沙器；然后在洁净空气环境下测定电极之间气隙的工频击穿电压，接着在在不同风速和沙尘浓度环境下，进行气隙击穿施放电试验；加压方式采用渐压法，击穿发生后，记录一组击穿电压和浓度值；重复加压，每组试验重复多次，以减小测量误差，同时记录沙尘流体温度作为参考。本发明可用于开展强风及沙尘(暴)环境下输电线路气隙的工频击穿和放电规律研究，具有造价低廉，安装简单，试验过程稳定性好，易于操作等优点。
文档编号G01R31/12GK101614783SQ200910023479
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者刚 张, 彭宗仁, 博 贺, 陈邦发, 高乃奎 申请人:西安交通大学