電力技術中液氮高電壓絕緣特性研究

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1實驗裝置及實驗方法

1．1實驗裝置及電極設計

實驗裝置的容器采用非金屬材質，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，上電極桿可以上下移動，通過容器上方的標尺和聯(lián)動桿可以精確地調節(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整容器內氣體的壓力，壓力調節(jié)范圍(1—5)×105Pa。根據(jù)相關行業(yè)標準，包括4對紫銅球電極，分別為Φ50mm、Φ100mm、Φ125mm和Φ150mm;不銹鋼柱-柱電極1對，Ф75mm-R3修圓和Ф25mm-R3修圓;不銹鋼針-板電極1對，針電極18度圓錐、板電極Ф300mm-R5修圓。

1．2實驗方法

實驗過程中嚴格按照高電壓實驗規(guī)范和步驟進行。有關氮氣的絕緣特性實驗按以下方法進行:

(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)容器液氮注入;

(4)接線:下電極與高壓發(fā)生器的輸出端連接，上電極接地;

(5)調節(jié)并固定電極間距和液體壓力;

(6)通過高壓測試系統(tǒng)進行實驗測試，高壓恒定并持續(xù)1分鐘，每個電壓值重復測試3次，取平均值。

2實驗結果及分析

利用實驗室的200kV高壓試驗系統(tǒng)及以上實驗裝置，系統(tǒng)的研究了電極間距、氣體壓力、電極形狀等對液氮絕緣特性進了系統(tǒng)的實驗研究，主要結果如下:

2．1電極間距對氮氣擊穿特性的影響規(guī)律

首先利用上述柱-柱電極一對并固定電極間距為1mm，測試1分鐘工頻耐壓，3次擊穿電壓的平均值為16．7kV。然后逐漸增大電極間距，重復測試，獲得實驗結果。可見，隨著電極間隙的增加，擊穿電壓不斷提高;但是由于電極間隙的不斷增大，電場均勻性逐漸變差，液氮的氮氣擊穿電壓并非線性增加，而是單位擊穿電壓逐漸變小。實驗結果說明，電極間距的大小對室溫常壓氮氣的擊穿電壓影響顯著，距離越大擊穿電壓越高。

2．2壓力對氮氣擊穿性能的影響規(guī)律

Φ50mm的球電極的間距固定位2mm，逐漸增加液氮的壓力，液氮的擊穿強度隨壓力的變化規(guī)律?？梢?，在電極距離固定不變的情況下，隨著液體壓力的增加，液氮的擊穿強度呈近似線性增加。給出了Φ150mm紫銅球電極的間距固定位2mm情況下，液氮擊穿電壓隨液體壓力的變化情況。其結果及隨液體壓力的變化規(guī)律與Φ50mm球電極的類似。以上實驗結果說明，氣體壓力對室溫氮氣的擊穿電壓影響明顯，擊穿電壓隨氣體壓力線性增加。

2．3電極形狀對氮氣擊穿性能的影響規(guī)律

給出了柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電壓隨電極間隙的實驗變化曲線。由圖可以看出:在電極間隙相同的情況下，柱-柱電極的擊穿電壓較針-板電極高很多;柱-柱電極的擊穿電壓隨電極間隙的增大近似直線變高;針-板電極的擊穿電壓在電極間隙增加到一定值后，提高的非常緩慢。出了柱-柱電極與針-板電極情況下常壓液氮的擊穿電場強度(kV/mm)隨電極間隙的實驗變化曲線。由圖可以等到如下結論:在電極間隙長度相同的情況下，柱-柱電極的擊穿電場強度比針-板電極高很多;柱-柱電極的擊穿電場強度隨電極間隙的增大近似直線降低;針-板電極的擊穿電場強度在電極間隙增加到一定值后，下降得非常緩慢。以上實驗結果說明:電極形狀對室液氮的擊穿電壓影響顯著，電極間隙的電場越均勻，擊穿電壓越高;電極距離的增大引發(fā)電極間隙電場均勻性變差的，單位長度的耐壓強度隨長度的增加而降低;液體壓力的增高，不同電極的耐壓能力都有不同程度的改善。

3結論

液氮廣泛用作超導電力裝置制冷劑的同時，還肩負著高電壓絕緣介質的作用。本文通過實驗系統(tǒng)研究了液氮的高電壓擊穿特性及影響因素，給出了液體擊穿電壓隨電極間隙長度的變化規(guī)律;液體壓力對氮氣擊穿特性的影響及變化規(guī)律;電極形狀以及電場均勻性對氮氣擊穿電壓的影響規(guī)律等。

作者：周微微 張京業(yè) 戴少濤 施飛 趙連岐 朱志芹 滕玉平 王邦柱 許熙 單位：中國科學院電工研究所 江蘇中天科技股份有限公司