張京業(yè) 戴少濤 施 飛 趙連岐 朱志芹滕玉平 周微微 王邦柱 許 熙

(1中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

(2江蘇中天科技股份有限公司 南通 226463)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力容量及供電質(zhì)量的需求不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性等問(wèn)題也越來(lái)越突出。針對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)的巨大需求，包括超導(dǎo)電纜、變壓器、限流器等高溫超導(dǎo)電力技術(shù)近年來(lái)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展［1-4］。超導(dǎo)電力裝置的電壓等級(jí)也不斷提高，先后經(jīng)歷了380 V實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)，10 kV和35 kV配電網(wǎng)的并網(wǎng)示范樣機(jī)，到目前的220 kV甚至500 kV輸電網(wǎng)的示范樣機(jī)［5-7］。

高溫超導(dǎo)電力裝置的核心部件——超導(dǎo)繞組、電纜導(dǎo)體等大都采用廉價(jià)的液氮浸泡以獲得運(yùn)行所必需的低溫環(huán)境。由于電網(wǎng)運(yùn)行工況的復(fù)雜性，繞組等超導(dǎo)部件要耐受故障短路電流、短時(shí)脈沖過(guò)電流、瞬時(shí)過(guò)電壓等極端情況，此時(shí)由于自身的交流損耗、渦流損耗以及電流急劇過(guò)載等因素超導(dǎo)部件瞬間釋放大量的焦耳熱，導(dǎo)致液氮瞬間汽化，甚至引發(fā)密閉低溫容器的壓力突然增加。這種情況在電阻型超導(dǎo)限流器中表現(xiàn)的尤為突出，因?yàn)殡娮栊统瑢?dǎo)限流器是采用超導(dǎo)體的狀態(tài)轉(zhuǎn)變特性，即失超電阻進(jìn)行故障限流的，在限流過(guò)程中伴有大量的焦耳熱產(chǎn)生［7-12］。由于氮?dú)獾慕^緣特性較液氮低的多，大量氮?dú)獾男纬蓪?duì)超導(dǎo)電力裝置的絕緣性能具有致命的影響，甚至?xí)l(fā)絕緣失效。

針對(duì)以上情況，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了液面以上低溫氮?dú)獾慕^緣與擊穿特性，特別是電極形狀和電極間距對(duì)低溫氮?dú)鈸舸┨匦缘挠绊懸?guī)律;并根據(jù)超導(dǎo)電力裝置在極端條件下的工況，重點(diǎn)研究了低溫氮?dú)鈮毫Φ纫蛩貙?duì)擊穿特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 氣體放電理論［13］

氣體的放電主要遵循湯遜/J S Townsend氣體放電理論和Paschen巴申定律/帕邢定律，氣體放電過(guò)程中電壓與電流的關(guān)系如圖1所示。

圖1 氣體放電過(guò)程中電壓與電流的關(guān)系(擊穿電壓UB，自持放電電壓U0)Fig.1 Relationship between current and voltage in discharge process of gases(breakdown voltage UB，self sustained discharge voltage U0)

氣體的擊穿電壓UB計(jì)算公式:

把氮?dú)夂豌~電極參數(shù)代入式(1)得到氮?dú)鈸舸╇妷?

式(1)、(2)中:UB為擊穿電壓，V;p為氣體壓力，托(133 Pa);d為電極之間的距離，cm;T為熱力學(xué)溫度，K;公式適用范圍:pd≤200(cm×133 Pa)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及電極設(shè)計(jì)

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的容器采用非金屬材質(zhì)，筒體具有保溫功能;不同形狀的電極可以固定在上下電極桿上;下電極桿固定不動(dòng)，上電極桿可以上下移動(dòng)，通過(guò)容器上方的標(biāo)尺和聯(lián)動(dòng)桿可以精確地調(diào)節(jié)電極距離;容器上蓋板上有增壓閥、泄壓閥、安全閥和壓力表，在確保安全的前提下可以調(diào)整容器內(nèi)氣體的壓力，壓力調(diào)節(jié)范圍(1—5)×105Pa。

如圖3所示，下電極與低溫容器固定，液氮液面始終在下電極以下;通過(guò)上電極的上下移動(dòng)調(diào)節(jié)電極間隙的大小;通過(guò)液氮的自然蒸發(fā)和容器的泄壓閥調(diào)節(jié)低溫氮?dú)獾膲毫Α?/p>

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所研制的電極如圖4所示，包括4對(duì)紫銅球電極，分別為Φ50 mm、Φ100 mm、Φ125 mm和Φ150 mm;不銹鋼柱電極1對(duì)，Ф75 mm-R3修圓和Ф25 mm-R3修圓;不銹鋼針-板電極1對(duì)，針電極18度圓錐、板電極Ф300 mm-R5修圓。

圖3 低溫氮?dú)饨^緣特性實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Experimental diagram for dielectric breakdown characteristics of cryogenic nitrogen gas above liquid nitrogen

圖4 實(shí)驗(yàn)用電極照片及參數(shù)Fig.4 Photo and parameters of electrodes for experiment

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

低溫氮?dú)獾慕^緣特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格按照高電壓實(shí)驗(yàn)規(guī)范和以下步驟進(jìn)行:

(1)首先選用合適的電極，并把電極固定在上下電極桿上;

(2)裝配并密封容器;

(3)容器內(nèi)注入液氮至沒(méi)過(guò)下電極;

(4)泄壓閥打開(kāi)放置一段時(shí)間，通過(guò)液氮的揮發(fā)排除容器內(nèi)的雜氣，待液面落至下電極以下;

(5)接線:上電極與高壓發(fā)生器的輸出端連接，下電極接地;

(6)調(diào)節(jié)并固定電極間隙和氣體壓力;

(7)通過(guò)高壓測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，高壓恒定并持續(xù)1 min，每個(gè)電壓值重復(fù)測(cè)試3次，取平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用實(shí)驗(yàn)室的200 kV高壓試驗(yàn)系統(tǒng)及以上實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)的研究了電極間距、氣體壓力、電極形狀等對(duì)高純氮?dú)饨^緣特性進(jìn)了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)果如下:

3.1 電極間隙對(duì)低溫氮?dú)鈸舸┨匦缘挠绊?/h3>

首先利用一對(duì)Φ150 mm的球電極并固定球間距為3 mm，測(cè)試1 min工頻耐壓，3次擊穿電壓的平均值為36.2 kV。然后逐漸增大電極間距，重復(fù)測(cè)試，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可見(jiàn)，隨著電極間隙的增加，由于球間隙的電場(chǎng)均勻性變差，氮?dú)鈸舸╇妷翰⒎蔷€性增加;如圖6所示，這種現(xiàn)象在柱電極的測(cè)試結(jié)果中表現(xiàn)的更為突出。

圖5 低溫常壓氮?dú)庠讦?50 mm紫銅球電極下的擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律Fig.5 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with Ф150 mm ball electrodes

圖6 常壓低溫氮?dú)庠谥姌O下的擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律Fig.6 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with column electrodes

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，電極間隙的大小對(duì)低溫常壓氮?dú)獾膿舸╇妷河绊戯@著，距離越大擊穿電壓越高。

3.2 壓力對(duì)低溫氮?dú)鈸舸┬阅艿挠绊?/h3>

電極間隙固定為10 mm，用柱電極和針板電極分別實(shí)驗(yàn)，逐漸增加氮?dú)獾膲毫?，氮?dú)獾膿舸?qiáng)度隨壓力的變化規(guī)律如圖7所示?？梢?jiàn)，在電極距離固定不變的情況下，隨著氣體壓力的增加，氮?dú)獾膿舸?qiáng)度呈線性增加。

圖7 在電極間隙固定為10 mm情況下，柱電極和針-板電極的低溫氮?dú)鈸舸╇妷弘S氣體壓力的變化規(guī)律Fig.7 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure for column electrode and needle-plate electrodes with gap of 10 mm

圖8為不同電極情況下，低溫氮?dú)獾膿舸╇妶?chǎng)強(qiáng)度隨氣體壓力的變化情況。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:氣體壓力相同時(shí)，針-板電極的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度最小，柱電極次之，球電極的最大擊穿電壓差別很小;相較于球電極，針-板電極的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨氣體壓力的變化斜率最小，柱電極的次之。隨著氣體壓力的增加，不同形狀的電極具有相同的變化規(guī)律:擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨氣體壓力的增加不斷增大。

圖8 低溫氮?dú)庠诓煌姌O情況下，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨氣體壓力的變化規(guī)律Fig.8 Breakdown strength of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure with different electrodes

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，氣體壓力對(duì)低溫氮?dú)獾膿舸╇妷河绊懨黠@，擊穿電壓隨氣體壓力線性增加。

3.3 電極形狀對(duì)低溫氮?dú)鈸舸┬阅艿挠绊?/h3>

圖9給出了低溫氮?dú)庠讦?50 mm球電極和柱電極情況下，擊穿電壓隨電極間距的變化情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出:相同電極間距情況下，球電極的擊穿電壓較針-板電極高很多;球電極隨電極間距增加的斜率較針-板電極的斜率大的多。

圖9 低溫氮?dú)庠讦?50 mm球電極和柱電極情況下，擊穿電壓隨電極間隙的變化規(guī)律Fig.9 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of electrode gap for Φ150 mm ball electrodes and column electrodes

圖10給出了不同電極擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在電極距離相同的前提下，不同電極形狀的擊穿電壓差別很大，針-板電極最小，柱電極次之，而球電極的擊穿電壓近似。

圖10 電極形狀對(duì)低溫氮?dú)鈸舸╇妶?chǎng)強(qiáng)度的影響Fig.10 Breakdown strength of cryogenic nitrogen with different electrodes

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:電極形狀對(duì)低溫氮?dú)獾膿舸╇妷河绊戯@著，電極間隙的電場(chǎng)越均勻，擊穿電壓越高，如圖10所示，4×105Pa壓力下電極距離同為10 mm，冷氮?dú)庠卺?板電極的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度僅為5.08 kV/mm，柱電極的高達(dá)14.58 kV/mm;電極間隙的增大引發(fā)電場(chǎng)均勻性變差的，單位長(zhǎng)度的耐壓強(qiáng)度隨長(zhǎng)度的增加而降低，不改變電極間隙電場(chǎng)均勻性的，單位長(zhǎng)度的耐壓強(qiáng)度隨長(zhǎng)度的增加保持不變，如圖9所示;氣體壓力改變的情況下，電極間隙電場(chǎng)越均勻，擊穿電壓越高的規(guī)律同樣成立。

4 結(jié)論

液氮廣泛用作超導(dǎo)電力裝置制冷劑的同時(shí)，還肩負(fù)著高電壓絕緣介質(zhì)的作用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了低溫氮?dú)獾母唠妷簱舸┨匦约坝绊懸蛩?，得出氣體擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律、氣體壓力對(duì)氮?dú)鈸舸┨匦缘挠绊懠白兓?guī)律、電極形狀以及電場(chǎng)均勻性對(duì)氮?dú)鈸舸╇妷旱挠绊懸?guī)律等。本文可為高溫超導(dǎo)電力裝置，特別是電阻型超導(dǎo)限流器在短路故障、短時(shí)脈沖過(guò)電流等導(dǎo)致液氮瞬間汽化、氣體快速升溫情況下，電力裝置的絕緣設(shè)計(jì)提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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