空气电晕在交流电压下的放电研究

资源类型:pdf 资源大小:258.00KB 文档分类:工业技术 上传者:姜岚

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【作者】 李延沐  袁鹏  李梅  吴晓辉  李彦明 

【关键词】尖板电极 空气电晕 交流电压 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】为探讨电晕放电机理,用PC数据采集系统测量了在不同电压不同间隙距离下尖板电极的交流电晕放电,得出了单个工频不同半周放电的特征以及和相位的对应关系。通过改变电极形状,测量了单个放电脉冲的时域波形并且变换到频域下进行了分析,结果显示尖端场强增大时,对应放电的频谱分布变宽。

【刊名】高电压技术

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0 引 言对电晕放电的机理探讨,直流放电的研究比交流方面要深入得多。交流条件下电晕放电过程复杂,因间隙中离子移动较慢,产生所谓“记忆”效应,使放电起始电压较同样电极结构的直流下为低[1]。本文将尖板电极(均为黄铜)模型中空气电晕放电电磁波信号通过传感器输入 PC数据采集系统,显示一个工频的放电脉冲分布,同时用采样频率 5GHz、带宽 1 GHz 的 TDS680B示波器记录单个放电的时域脉冲,并将时域波形FFT变换到频域以观察放电幅频特性。实验用板电极直径 60 mm厚约10 mm,尖电极半径r=5 mm锥角60°。1 实验准备尖板电极两端固定在有机玻璃架子上,用双臂阿基米德螺旋天线接收放电电磁信号。实验设备接线图1中,尖电极接高压端,板电极接地,从传感器输入的信号和通过耦合回路 R取得的信号接入 PC机数据采集系统,交流电压由无局放试验变压器通过水电阻供给模型。PC机数据采集系统包含数据采集卡(采样频率100 MHz)及数据处理软件,可通过软件设置硬件。采集卡实时采样以获取信号与相位的准确关系并显示一个工频周期的放电数据,从中观察脉冲幅值、放电次数和对应的相位信息并分析电晕放电。T1-自耦调压器;T2-隔离变压器;T3-无晕试验变压器;Z-水电阻;Ck-耦合电容;R-50Ω电阻;C1-50Ω测量电缆;G-气隙图1 电晕放电实验回路Fig 1 Circuit of corona discharge2 实验结果不同电压下间隙 G=30、10 mm的放电脉冲分布见图2,背景噪声信号见图 3,尖板间隙放电信号见图4,尖电极为一细针时放电信号见图5。图2 一个工频周期的放电脉冲Fig 2 Phase resolved discharge pulses for one cycle图3 背景的时域图和频域图Fig 3 Time domain and frequency domain of background 图4 尖-板放电脉冲时域图和频域图Fig 4 Time domain map and frequency domainmap with point plate electrode图5 针-板放电脉冲时域图和频域图Fig 5 Time domain map and frequency domain map with needle plate electrode3 结果分析3 1 正负半周放电特征分析脉冲型放电产生于阴极附近的场强周期性减小。交流条件下间隙所加电压超过能产生下一个电子崩的起始电压临界值时,就会产生脉冲型放电[2]。从图2可见,电极结构和间隙相同条件下达到间隙起始放电电压时负半周先出现放电。随着电压幅值升高,正半周出现放电,负半周放电的次数增多但幅值增加不多。电压幅值升高到接近间隙击穿电压时,负半周放电分别集中在正弦电压的上升和下降段,此为接近间隙击穿电压时,间隙中电子崩和流注迅速增加的结果。从图 2 还可见,随电压幅值的升高,负半周平均放电量趋于减小。该现象可用尖端附近负离子在向板电极运动过程中的能量平衡解释。设t=0时离子位于x0,离子到达x时产生能量变化Wx=W0 -Wk,其中 Wx 是离子在 x 的静电能,W0 是离子在 t=0时的静电能,Wk 是离子从 x0到x的动能,能量的转换W0-Wk 导致极间电压 U的变化ΔU,ΔU可以用关系式表示:ΔU∝U - U2 -4eCln(4G/r)U∫xx0dx2x + r。  可见随U的升高,ΔU趋于减小,因极间电压变化量ΔU正比于放电量,故放电量随着减小[3]。随着电压升高,正负半周放电起始相位分别向电压零值和过零点移动。这是因电极形状和间隙距离不变的条件下,放电的起始电压应相同,电压幅值升高时,同样的起始电压对应的相角分别向正弦电压的零值方向和过零点靠近。3 2 尖板电极场强分析尖电极轴向的场强可以用下面的公式表示:E(x) =2Uln(4G/r)12x + rdx,可见U相同时减小G,尖电极附近的场强会增大电子在碰撞中从电场得到的能量也越大,这样与气体分子碰撞更容易使其发生电离,形成电子崩。因此G减小使电晕起始电压降低。3 3 不同电极结构放电的频域分析对比单次放电的频谱分布与背景噪声可看出在U=18 kV、G=30 mm时的频域波形中,放电频谱多<100 MHz;图4中U=7 2 kV、G=10 mm时可见正半周<100 MHz 的放电幅值明显高于负半周。正半周放电在100~300 MHz范围也有小幅值的频谱分布,而负半周没有,证明了尖板电极下交流放电存在明显的极性效应,即负半周的放电比正半周放电的脉冲幅值小但重复率高[4];U=15 6 kV尖电极为细针、间隙30 mm时,从图 5 可见 0~600MHz都有放电分布,只是<100 MHz 的放电谱分布远远>100 MHz的放电谱分布。4 结 论a)放电模式依赖于很多因素,固定电极结构下,主要是极间电压,电压不同则放电量、放电频率、放电相位也不相同。b)负半周放电幅值随电压升高趋于减小。c)尖板电极放电的极性效应使相应电磁波频谱分布也呈现出很强的极性效应。d)随着尖板间隙距离的增加和尖端变细,放电脉冲的频谱分布变宽,0~600 MHz都有放电分布,只是<100 MHz的分量要大。空气电晕在交流电压下的放电研究@李延沐$西安交通大学电气工程学院!西安710049 @袁鹏$西安交通大学电气工程学院!西安710049 @李梅$西安交通大学电气工程学院!西安710049 @吴晓辉$西安交通大学电气工程学院!西安710049 @李彦明$西安交通大学电气工程学院!西安710049尖板电极;;空气电晕;;交流电压为探讨电晕放电机理,用PC数据采集系统测量了在不同电压不同间隙距离下尖板电极的交流电晕放电,得出了单个工频不同半周放电的特征以及和相位的对应关系。通过改变电极形状,测量了单个放电脉冲的时域波形并且变换到频域下进行了分析,结果显示尖端场强增大时,对应放电的频谱分布变宽。[1]VanBruntR J.Physics and chemistry of partial discharge and corona[J].IEEE Transactions onDielectrics andElectricalInsulation,1994,1(5):761784 [2]BarbaraFlorkowska,RomualdWlodek.Pulse height analysis of partialdischarges in air[J].IEEE Trans onElectricalInsulation,1993,28(6):932940. [3]FlorkowskaB,WlodekR.Analysis of partial discharge in air using phase resolved patterns[C].1996IEEE AnnualReportConference onElectricalInsulation andDielectricPhenomena.SanFrancisco,1996. [4]HikitaM,YamashitaH,KatoT, et al.Electromagnetic spectrum causedby partial discharge in air underAC andDC voltage application[C].Pro ceedings of the4th internationalConference onProperties andApplica tions ofDielectricMaterials.Brisbane,1994:570573.国家自然科学基金号:50377034

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