变压器中性点气水两相组合流体保护间隙的工频放电特性与机制研究

变压器中性点气水两相组合流体保护间隙的工频放电特性与机制研究 文章来源：本网

　　由于间隙在110及220kV系统不接地变压器中性点保护方面的重要性以及空气间隙所存在的固有缺陷，在研究新型保护间隙方面做了许多有益的工作。研究表明，用真空开关做成可控间隙，可取得理想效果，为问题的解决提供了新思路。
　　为克服变压器中性点传统空气保护间隙存在的缺陷，本文提出“气水间隙”概念。显然，气水间隙相对于单一介质的空气间隙，其放电过程和特性会更为复杂，有必要加以研究，以便于工程应用。
　　由于环境等因素的复杂性，流体放电很多时候并不是单一流体放电，而是多种组合流体放电。空气水流两相组合流体是最典型的一种组合流体，被广泛用于污水处理、水下声源、高压绝缘、EHD喷雾等科技领域。在水中放电研究方面，Lisitsyn等人的研究表明，水中放电是在电场作用下，由于电加热等原因，在流注尖端及其附近区域产生蒸汽气泡，由气泡放电导致水的击穿。
　　目前，空气水流两相组合流体放电主要还是应用于高压放电水处理技术，在高压放电绝缘领域运用的还是很少，并且在高压放电水处理技术领域中，运用研究较多的仅仅局限于气中喷雾或者在水中吹进气泡等若干方面，没有涉及到空气段和水流段相组合形成的两相组合流体放电。另外，虽然水中放电或气中喷雾放电的各种特性和规律己被广泛研究，但是对于水中流注通道的形成和发展的机制研究还不够成熟，水介质的放电击穿理论还需进一步深化，关于变压器中性点空气水流两相组合流体保护间隙放电击穿的理论则更为稀少。
　　为深入研究水介质以及空气水流两相组合流体的放电特性和机制，本文进行了空气水流两相组合流体间隙（下文简称“气水间隙”）工频放电特性试验，试验在武汉大学电气工程学院高电压与绝缘技术试验室进行。通过试验结果得出了气水间隙放电特性的若干规律。这些放电规律恰恰证明了目前液体放电主流理论一气泡击穿理论的正确性。
　　基于气泡击穿理论和空气与水不同的电特性，对试验观察到的各种放电现象、规律和机制进行分析，指出水流的击穿起因是其中的“气泡桥”的存在和发展，以及水中电离子作用的结果。在气水间隙中，空气段率先击穿形成的电弧高温加热水流促使水中气泡产生和发展，最终导致水流段的击穿（空气水流两相组合流体即击穿）。气水间隙工频击穿曲线随喷射水流长度减小呈先减小后大的变化趋势（间隙总长度固定时）是气段与水段不同的电特性相互作用的结果。
　　同时，鉴于传统空气保护间隙存在若干缺陷，将气水间隙应用于变压器中性点保护，具有可观的研究价值和应用前景。
　　1试验装置结构气水间隙是指在传统空气间隙中，根据击穿需要，从低压电极中喷出水流，形成由空气段和水流段结合而成的新型间隙。为研究气水间隙的放电特性，构建了试验装置，如所示。为确保低压侧水流喷射方向正指向高压电极，两电极采用垂直放置方式，低压电极在下，为钢材空心电极，头部的空心孔直径为4mm，外径为16mm，水柱从该低压电极头部小孔喷出。高压电极在上，为钢材实心电极，直径为16mm.两根电极的长度都为300mm，高压实心电极由支柱绝缘子支撑，低压空心电极的尾部连接塑料水管，水管与自来水龙头相连接，只要打开水龙头，水流便可从低压电极喷射出来。电源采用工频高压电源。
　　2放电过程与试验数据试验用高压工频电源来模拟变压器中性点稳态工频过电压，高压工频电源的型号为MLDC―250kVA试验变压器配套电动控制台，最大输出电压为250kV.用分压器测量加在高压电极上的工频电压，分压器型号为FRC―100交直流高电压测量装置（分压器），分压比为100kV/20V.打开自来水龙头，使水流从低压空心电极向上喷出形成水柱。调节龙头开度大小，可获得不同高度的水柱。试验时环境条件：气压为98.399.5kPa，温度为3032C，绝对湿度为1517g/m3，水温为2629C.定义为加在气水间隙上的电压，R为气水间隙气段击穿时的电压，为气水间隙全都击穿时的电压，i为气水间隙总长度，为水段长度，x为气段长度，则i=x+y，如所示。
　　试验气水间隙总长度设定为180mm，试验方法采用连续升压方法，即对每种距离的间隙加压10次，取平均值为50%工频放电电压。
　　调节龙头开度大小，使x为0mm，即为全水间枣水流空气水流两相组合流体间隙隙。调高高压工频电压到80kV左右，全水间隙仍未击穿。经过试验得出180mm空气间隙的击穿电压大约为76kV左右，并且在下文所述内容中可以得知，当x不为0时，气水间隙的击穿电压将较明显地低于全水间隙击穿电压，由此可知，全水间隙的击穿电压较高。
　　调节龙头开度大小，使x为10个不同的数值，针对不同的x，观察和记录击穿现象和数据。当x较小时，逐步调高高压工频电压，可见气水间隙击穿的过程是：当工频电压达到时，间隙中的气段击穿，在高压电极头部的气段侧产生稳定强烈的电弧，空气电弧颜色为金黄色，如（a）所示；继续调高工频电压达到认时，整个间隙被击穿（可见（a）气段电弧情形（b）全间隙电弧情形气水间隙电弧情形水段电弧从靠近高压侧的水柱端部起始沿着水流快速向低压电极延伸），水流电弧颜色为蓝白色，如（b）所示。对于较大的x，当工频电压达到时，气段击穿随即水段击穿。试验结果如表1（1、x的关系）和表2（认、x的关系）所示。另外，对于不同长度L的气水间隙，当水流从低压电极喷出时，在高压电极头部附近，仅留下极短的空气段（即绝大部分是水段，气段长度在1~2mm左右），变化总长度A，进行放电试验，得到气水间隙全间隙击穿电压，结果如表3（认、L的关系）所示，表3的数据是13个不同的L对应的全间隙击穿电压。
　　表1气水间隙气段击穿电压数据表Tab.气段长度/mm气段击穿电压/kV气段长度/mm气段击穿电压/kV气段长度/mm气段击穿电压/kV表2气水间隙全间隙击穿电压数据表Tab.气段长度/mm全间隙击穿电压/kV气段长度/全间隙击mm穿电压/kV气段长度/mm全间隙击穿电压/kV表3极短气段气水间隙全间隙击穿电压数据表Tab.间隙距离/mm全间隙击穿电压/kV水流电弧燃烧过程中，可闻见啪啪的响声，低压侧喷水电极产生可感知的振动；水流停止喷射，电弧转为空气电弧后，振动明显减弱甚至消失。
　　3规律分析与机制研究和的d点右侧部分是重合的。气水间隙放电特性表现出这种特有的规律，其发生的机制较为复杂，后续将尝试予以揭示。
　　首先，从试验观察到，在气水间隙击穿过程中，总是气段先击穿，然后水段才会击穿。这是因为，未击穿前，由于水的导电性致使水段可传导电压，而气段不能传导电压，因此工频电压不会加在水段上，而总是经过水段而先加在气段上，从而使气段先击穿。从另一方面看，击穿后有较大的电流通过，当气段击穿后，由于水的导电性可通过较大的电流，从而使气段电弧燃烧得以维持；而如果水段先击穿，由于空气的不易导电性，气段未击穿前无法通过较大的电流，因此水段电弧无法维持，即水段不会先于气段击穿。
　　所示的曲线呈现先减小后增大的变化趋势，并且存在最低拐点d点。因为气段先击穿，水段后击穿，故设水段击穿电压为W，气水间隙全都击穿时的电压以2为以1和以3中的最大值，即随着x增大，气段击穿电压U1也相应的单调增大，但水段击穿电压U3却相应的单调减小（因为U3随着的减小而单调减小），即当气段为极短时（X为接近于0的很小的值），U1也很小，U3[/img][/align]U1.故，当x增大到一定值a时，/⑷=f1⑷=f3⑷极短气段气水间隙全间隙击穿特性曲线由可知，U1随x的增大而近似呈线性增大。
　　所呈现的是气水间隙中气段放电电压特性，而气段的放电起始和发展过程主要类似于空气放电击穿理论所描述的放电过程，故气段击穿电压U1与气段长度x呈线性关系。
　　由可知，极短气段的气水间隙放电特性曲线（在试验范围内）近似于线性。
　　由可知，随着x的增大，U2起初逐步变小，当到达d点（最低拐点）后，U2又逐步变大，且一（3），有一（4），可得一旦气段击穿，气段压降则迅速降低至很小（仅剩维持电压），气段电弧随即传导电压，使加在气水间隙上的电压转而主要加在水段上。当水段较长、气段较短时，击穿气段后转而加在水段上的电压不足以击穿水段，因此需进一步大电压至认，水段才可击穿，且水段越长，（R-f/i）越大。对于确定的气水间隙长度I，随着水段变短、气段变长，1大，f3减小，（f2-fA）减小，当水段长度减小到某值时，刚好使f2=fi时（对应于气水间隙工频放电曲线上的A点），击穿气段的电压fi使气段击穿后绝大部分随即加在水段上（气段电弧上还有很小的维持电压），使水段击穿，而此时不需要再大电压。
　　此后若水段长度继续减小（气段变长），试验中可见气段击穿则水段随即击穿的现象。
　　对于一定值长度I的气水间隙，对于变量X，气水间隙工频放电特性曲线（即I不变时的曲线）呈现先减小后大的变化趋势，而d点即为最低点，且中x40mm的曲线部分和的d点右侧部分是重合的。这是因为：在点左侧，总有f2=f3[/img][/align]fi，当气段X变大时（即水段变短），f2变小，即曲线下行且近似线性变化；而在d点右侧，总有f2=f/i[/img][/align]f3，而随着气段X的变长（y变小），fi变大，即曲线逐步上行，且近似线性变化，其线性变化的原因是因为气段放电电压主要表征的是气水间隙中的空气击穿特性。
　　同时可以发现，由于受空气电弧高温激发的水击穿的电压低于空气击穿电压，因此d点位于I中点左侧，即d点处x<（I/2）。
　　由还可以看出，全水和全空气间隙的击穿电压均高于气水间隙击穿电压，且全水间隙击穿电压明显高于小空气段（空气段极短）气水间隙的击穿电压，即全水间隙不易击穿，击穿电压很高；但只需留下少许空气段，则间隙击穿电压会明显降低。这是因为水段的击穿需要“气泡桥”相较于空气率先击穿产生的电弧高温促进水中气泡的产生，靠水中通过的电流使水加热促进水中气泡的产生则要困难得多。
　　综上所述，气水保护间隙击穿的过程和机制可以理解为：气水保护间隙水流未喷出前，间隙为全空气，此时击穿电压较高；当水流喷出后，由于水（非纯净的）的易导电性，相当于低压电极向高压电极延长靠近，空气段变短，空气段率先击穿，随即气侧电弧燃烧的高温使邻近水介质加速汽化和电离，促进水中气泡的产生，当水的汽化和电离剧烈到一定的度时（即工频电压为上文的f2时），水段开始从靠近气侧击穿并且水段电弧迅速向低压侧发展，最终导致整个气水保护间隙击穿。在空气段击穿前，通过的电流极小，水段电压降也极小，因此加在空气段上的电压几乎等于加在气水间隙上的电压fi，也就是说水段起了“电压传导”的作用。
　　利用气水间隙代替空气间隙保护变压器中性点绝缘的原理是：设定气水间隙长度大于传统空气间隙长度，使得在未喷射水流前（此时为空气间隙）间隙不会被误击穿；但当系统发生单相接地故障且失地或非全相运行时（此时间隙应该击穿放电），通过信号检测和控制回路使水流从低压电极中喷出，形成气水间隙并被击穿（如前述气水间隙击穿电压明显低于空气间隙），从而起到保护作用。从信号检测到水流的喷出并被击穿，整个过程不超过1s，并且经过厂家和试验室的检测，避雷器在110kV系统相电压下可以耐受至少2min而不发生热损坏或爆炸，故气水间隙可以及时击穿并且确保避雷器在单相接地且失地或非全相运行时不会发生爆炸。按照这一原理设计的间隙及其控制装置己研制完成，经试验达到了预期效果，作者将另文介绍。
　　另外，传统空气保护间隙存在若干缺陷：空气间隙的距离大小较难掌握并且空气间隙的放电分散性较大，容易引发误动或者拒动的情况；空气间隙误动事故经常是因为空气间隙在较高的暂态电压作用下击穿，导致继电保护误动；避雷器和空气间隙的参数配合困难，要完全满足保护原则有一定的难度。因此，将气水间隙应用于变压器中性点保护，具有较可观的研究价值和应用前景。
　　4结论由于水的可导电性和空气的不易导电性的相互作用，使气水组合间隙比之相同长度的全空气间隙和相同长度的全水间隙易于击穿，因此将此应用于变压器中性点保护间隙，相对于具有若干缺陷的传统空气保护间隙，具有较明显的优势和价值。
　　气水间隙长度I不变而气段长度x变化时，气水间隙工频放电特性曲线随气段长度大呈现先减小后大的变化趋势。即在气水间隙放电过程中，随着水段长度从几乎等于（即略小于）气水间隙长度开始逐渐变短，气水间隙击穿电压会由高变低，到达一个最低点后，再由低变高。
　　在气水间隙中，气段击穿电压随气段的变长（此时水段变短）而呈近似线性变大。
　　由于空气电弧明显的加热特性，导致小空气段（空气段极短）气水间隙的击穿电压明显低于全水间隙击穿电压，且极短气段的气水间隙放电特性曲线（在试验范围内和I的关系曲线）近似于线性。
　　由于水的导电性和空气的不易导电性，使得在气水间隙的击穿过程中，总是气段先击穿，然后水段才会击穿。而且，在气水间隙放电特性曲线中存在一个点，在此点之前可以做到先击穿气段，然后加大电压再击穿水段；但在此点之后气段击穿后随即出现水段的击穿。此点即为气水间隙放电特性曲线的最低拐点。
　　变压器中性点气水保护间隙在动作时水流喷出，应在高压电极头部处留有气隙，建议控制水流喷向曲线（认和x的关系）最低点区域，且该点位于气水间隙中点左侧附近。

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