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1、降雨对棒板短空气间隙直流放电影响的仿真及试验研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：指导教师： 专 业：电气工程学科门类：工 学重庆大学电气工程学院二O一一年五月Study on Rainfalls Influence on Positive DC Discharge of Rod-Plane Short Air Gap by Simulation & ExperimentsA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of El
2、ectrical EngineeringBySupervised by Prof.Major: Electrical EngineeringCollege of Electrical Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2011重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要随着我国输电线路建设的不断加快，运行电压等级的不断提高，强降雨等恶劣气象条件所致的空气绝缘强度下降问题越来越突出。目前，国内外对降雨条件下空气间隙放电特性、放电机制及其影响因素的研究并不全面，特别是降雨对短空气间隙直流放电影响的研究还鲜见报道。因此，本论文
3、对降雨条件下棒板短空气间隙的正极性直流放电进行了研究。本文通过解析计算得到了均匀电场中雨滴周围的电场分布情况，并讨论了极不均匀电场的情况。然后选取棒板空气间隙轴对称模型作为基本仿真结构，结合本文构建的雨滴模型，雨滴分布模型以及棒电极末端形成水膜、水滴及水柱模型等，系统地对降雨条件下棒板短空气间隙正极性直流电场进行了仿真计算，得到了不同降雨条件下棒板短空气间隙正极性直流电场的畸变程度及其对放电电压的影响。最后，本文还进行了实验室模拟降雨及现场自然降雨下的棒板短空气间隙正极性直流放电试验，主要验证了有无降雨、降雨强度、棒电极末端是否形成水柱等对棒板短空气间隙正极性直流击穿电压的影响。此外，还试验研
4、究了雨水电导率以及雨水温度对棒板短空气间隙直流击穿电压的影响。仿真研究结果表明：雨滴对棒板短空气间隙正极性直流电场有明显的畸变作用；雨滴表面靠近高压端处场强最大；雨滴内部为场强值接近0的均匀场，场强大小与雨滴尺寸无关；实际形状的雨滴，其尺寸越大，越靠近高压端，引起的电场畸变越严重；雨滴数目越多、大直径雨滴所占体积比越高、总雨滴的占空比越高，棒板短空气间隙正极性直流电场畸变越严重；棒电极末端形成的水膜、水滴对空间电场的畸变作用很小；棒电极尖端形成的水柱对棒板短空气间隙正极性直流电场的影响最大。实验室及现场试验结果表明：暴雨时棒板短空气间隙正极性直流击穿电压比干燥时下降明显；降雨强度与棒板短空气间
5、隙正极性直流击穿电压之间存在显著的负相关关系；强降雨时棒电极末端形成的水柱能够极大地降低棒板短空气间隙正极性直流击穿电压；雨水电导率越高，棒板空气间隙的直流击穿电压越低；此外，雨水温度对棒板空气间隙的直流击穿电压也有一定影响。关键词：降雨；空气间隙；雨滴；降雨强度；直流；放电特性III重庆大学硕士学位论文 英文摘要ABSTRACTWith the development of electric power industry and the improvement of operating voltage level, the problem of the decrease in insulat
6、ing strength of air gap due to the rainstorm is more and more serious. But up to now, there is no a comprehensive study result to report the positive DC discharge characteristic and mechanism of short air gap under rain at home and abroad. Therefore, this paper studied the discharge mechanism, chara
7、cteristic and its influencing factors of short air gap under rain.Firstly, the analytic solutions of the potential and the field distribution in uniform field with rain drop were derived. And then a simulation model of rob-plate air gap under rain by the finite element software COMSOL 3.5 was establ
8、ished in this paper. The influence of rain drop size, rain drop shape, rain drop distribution, water film, water droplet and water stream etc. to the space electric field of the rob-plate air gap were analyzed by simulation. At last, in this paper, the influence of rainfall on positive DC discharge
9、characteristics of rod-plane short air gap was systematically investigated under both experimental and natural conditions. By test study on the influence of rain intensity and water stream, the proposed models were proved to be right. Beyond this, we also had tests to find the influence of the rainw
10、ater conductivity and temperature on the discharge voltage.The simulation result shown that: rain droplets, especially the ones nearby the rod, could cause high field distortions, which may lead to ionization activity and reduce the discharge voltage; the larger the size of the rain droplet is, the
11、more serious the field distortions around the rain droplet and rod terminal is; and the influence of the rain droplet distribution on the field distortions was significant; for the light rain, the increase in the number of rain droplets had little influence on the field of the rod-plane short air ga
12、p; but for the heavy rain, the increase in number of the larger rain droplets had a strong influence on the field of the rod-plane short air gap; water film and water droplet suspended at the rod terminal had little influence on the field of the rod-plane short air gap; for the water stream suspende
13、d at the rod terminal, on the one hand, it could cause serious field distortions, on the other hand, it could reduced the air gap. Due to the two aspects, the discharge voltage of rod-plane short air gap would seriously drop.The test study has shown that, the influence of rainfall on positive DC dis
14、charge characteristics of rod-plane short air gap was initially systematically investigated under both experimental and natural conditions. The result indicates that the positive DC discharge voltage of rod-plane short air gap after raining is a little higher than that in the dry condition; light ra
15、in had little influence on the positive DC discharge voltage of rod-plane short air gap; while the rain was getting heavier, it could obviously reduce the positive DC discharge voltage, and there was a significant negative correlation between discharge voltage and rain intensity. In addition, rainwa
16、ter conductivity and temperature can influence the DC discharge characteristic of air gap.Key words: rain; air gap; rain drop; rain intensity; DC; discharge characteristic重庆大学硕士学位论文 目 录目 录中文摘要I英文摘要II1 绪 论11.1 论文研究背景意义11.2 国内外研究现状31.2.1 降雨对空气间隙放电特性影响的研究31.2.2 空气间隙中存在悬浮体时的电场和放电研究61.2.3 国内外研究现状总结81.3 本
17、文研究的主要内容91.4 本章小结92 降雨条件下短空气间隙放电的主要影响因素分析102.1 降雨条件下短空气间隙放电发展的基本过程102.2 降雨过程中影响短空气间隙放电的主要宏观因素特征102.2.1 降雨强度102.2.2 雨水电导率162.2.3 雨水温度172.2.4 降雨形成的水柱182.3 降雨过程中影响短空气间隙放电的微观因素分析192.3.1 碰撞电离及碰撞电离系数192.3.2 吸附过程及有效附着系数202.3.3 带电粒子的复合、迁移及扩散过程222.4 降雨对短空气间隙放电影响可能存在的几种比较严重的情况232.5 本章小结243 降雨对棒板短空气间隙正极性直流放电影响
18、的仿真计算253.1 空间电场中雨滴周围电场的计算253.2 降雨条件下棒板短间隙直流电场的仿真计算模型283.2.1 棒板短空气间隙直流电场仿真的基本模型283.2.2 雨滴大小、形状及雨滴分布模型283.2.3 棒电极末端形成的水膜、水滴或水柱模型323.2.4 建模仿真分析的前提假设333.3 降雨条件下棒板短间隙直流电场的分布及分析333.3.1 有无雨滴时棒板空气间隙中电场的变化与影响333.3.2 雨滴大小及形状不同时间隙中电场的变化与影响353.3.3 雨滴分布不同时雨滴周围场强的变化与影响373.3.4 棒电极尖端有水膜、水滴时间隙中电场的变化与影响393.3.5 棒电极尖端有
19、水柱时间隙中电场的变化与影响403.3.6 综合分析比较降雨强度的影响423.4 本章小结434 降雨对棒板短空气间隙正极性直流放电影响的试验444.1 人工气候室模拟降雨下的棒板短空气间隙放电试验444.1.1 实验室试验装置、试品及方法444.1.2 干、湿及降雨条件下的试验结果及分析464.1.3 降雨强度对棒板短空气间隙击穿电压的影响474.1.4 降雨形成水柱对棒板短空气间隙击穿电压的影响484.1.5 雨水电导率对棒板短空气间隙击穿电压的影响494.1.6 雨水温度对棒板短空气间隙击穿电压的影响504.2 现场自然降雨下的棒板短空气间隙放电试验514.2.1 现场试验装置、试品及方
20、法514.2.2 现场试验结果及分析524.2.3 现场试验与模拟试验结果的比较544.3 本章小结555 结论与展望56致 谢57参考文献58附 录:A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录62B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录及获得的奖励6264重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪 论1.1 论文研究背景意义在全球变暖的背景下，近年来异常极端气候事件偏多，暴雨、大暴雨甚至特大暴雨出现的频率增加。暴风雨的不断袭击对各国输电线路的安全运行提出了严峻的考验。2003年9月28日凌晨，意大利全国大部分地区突然停电，导致意大利全国5800万人口中绝大多数人在刹那间陷入黑暗。整个国家交通
21、、广播、通讯中断，数百万人的生活受到了严重的影响。罗马地区停电达8个小时之久。最后调查发现，暴雨和雷电导致了法国通往意大利的高压输电线路中瑞士至意大利段发生故障，继而造成供电中断。2009年11月10日晚上，巴西有接近7亿人突然陷入停电，其中部分人经历停电长达5个小时之久。这次大范围停电不仅影响了巴西27个州中的18个州，也影响到了整个巴拉圭。巴西最大的两个城市圣保罗和里约热内卢及其周围成百上千的卫星城全部断电。最后调查结果认为，突发暴雨导致的复合绝缘子闪络是此次大停电的主要原因。在我国，随着超高压、特高压电网建设速度的加快，运行电压等级的不断提高，输电线路外绝缘方面在这种暴风雨天气的袭击下，
22、也出现了许多亟待解决的问题1。强降雨时发生空气间隙绝缘击穿事故就是其中的主要问题之一。表1.1是本文对2003年以来，我国输电线路在暴风雨天气发生导线对杆塔空气间隙击穿事故的不完全统计情况。表1.1国内输电线路导线杆塔空气间隙雨闪事故的不完全统计情况Table 1.1 Incomplete statistics to the flashover of conductor-to-tower air gap when raining in China序号事故时间地点天气情况事故简况12003年6月28日山东德州强降雨伴有强风500kV华济线跳闸，216塔C相导线对A拉线放电22004年6月24日山
23、东地区强降雨伴有强风500kV聊长线跳闸，A相导线对塔身放电32004年6月24日山东地区强降雨伴有强风500kV聊长跳闸，B相导线对塔身放电42004年6月25日山东地区强降雨伴有强风500kV潍阳线跳闸，A相导线对塔身放电续表1.1序号事故时间地点天气情况事故简况52004年7月3日山西平遥大到暴雨，东南风500kV侯临线286号塔导线对塔身放电跳闸62005年6月19日河南安阳局大风、雷雨220kV X线路112号塔A相导线对铁塔塔身放电；Y线路117号B相导线对南边拉线放电72005年7月20日河南安阳局突降暴雨、大风220kV X线路112号塔C相导线对塔身放电；Y线路117号塔B相
24、对北侧拉线放电82005年5月17日南宁地区暴风雨天气500kV马百线315塔C相导线对塔身放电92005年7月29日河南驻马店狂风暴雨、雷电、500kV孝邵线459号塔C相导线对塔身放电102005年9月16日湖北宜昌暴雨、短时大风500kV三江回线路36号塔中相下导线对塔身放电112006年6月10日安徽安庆暴雨、强风220kV龙安2846线26号双回路SJ型大转角耐张塔发生中相跳线放电事故122006年4月28日山东地区强降雨伴有强风500kV济长线跳闸，A相导线对塔身放电132007年7月30日衡水地区暴风雨220kV厂金线118号直线塔B相(中线)对铁塔放电142007年8月18日广
25、东佛山狂风暴雨110kV康大线在距220KV康乐站3.5km处闪络152008年8月21日宣化地区飑线风、雷雨、冰雹500kV万顺一线57号C相、A相导线对塔身放电，万顺二线56号C相、A相导线对塔身放电，万顺三线64号C相导线对塔身放电162009年7月23日湖北地区暴风雨三峡左一电厂出线500kV三龙回线AB相间故障跳闸由以上统计结果可以看出，降雨条件下空气间隙绝缘击穿事故已严重影响我国电力系统安全可靠的运行。但到目前为止，国内外对降雨条件下空气间隙放电特性和机理的研究还很少，并且在进行外绝缘设计时一般也不考虑淋雨对空气间隙放电特性的影响，对降雨条件下空气间隙的放电机理并没有形成统一的认识
26、。因此，本文以降雨对棒板短空气间隙直流放电的影响因素、影响机制及影响程度为主要研究目标，结合现有的研究成果，利用重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的有利条件，建立含有雨滴、水柱等棒板短空气间隙直流电场模型，通过仿真计算，重点研究不同降雨强度下电场的变化及对放电的影响。并通过实验室模拟降雨及现场自然降雨下的放电试验，研究降雨对棒板短空气间隙正极性直流放电特性的影响，最后据此提出防治短空气间隙在降雨条件下发生空气间隙击穿的措施，为高压外绝缘设计和建设提供理论和工程实用两方面的参考。综上所述，本研究具有重要的理论意义和工程应用价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 降雨对空气间隙放电
27、特性影响的研究(1) 操作冲击电压作用下空气间隙放电特性的研究19751976年，F. A. M. Rizk等3-4进行过淋雨状态下空气间隙操作冲击放电特性的研究，研究的电极形状有球板、环板和棒板三种，其研究结果如下： 球板间隙采用了两种球形电极，一种为封闭的球形，一种为有开环的球形。球板空气间隙的距离为0.55m，淋雨强度为1.01.5mm/min和3.03.5mm/min，雨水电阻率为100m，操作冲击电压的波前时间为80500s，研究结果有：1) 在淋雨条件下，大球板间隙50%正负操作冲击闪络电压明显降低；2) 淋雨对操作冲击闪络电压的影响随着大球板间隙的增大而减小，且对正极性的影响更严
28、重；3) 降雨强度对大球板间隙正负操作冲击闪络电压基本没什么影响；4) 虽然球体表面的憎水性涂层淋雨时提高了50%闪络电压，但它会使标准偏差急剧增加，所以综合来看，该涂层对耐受电压几乎没有影响；5) 球体电极可以做成不封闭的，用以消除淋雨对正极性操作冲击的影响，但这样也降低了其在干燥状态下的击穿电压；6) 在常态分布下，干燥状态的大球板间隙操作冲击闪络电压，其标准偏差较低，约为1%2%，这种分散似乎是因为湿度的影响，总的来说，负极性的操作冲击闪络电压具有更大的分散性；7) 通常情况下，淋雨增大了大球板间隙正极性操作冲击闪络电压的标准偏差，对于特定的间隙距离，淋雨可能会改变满足高斯分布的累积概率
29、分布曲线；8) 对于大球板间隙，淋雨使得正极性50%闪络电压受波前时间的影响减弱，这说明淋雨时，放电的机理发生了改变。 环板间隙采用了两种环板电极，均为双环结构，一种为光滑圆环，另一种为波纹管型的圆环。间隙距离为15m，雨水电阻率为100m，淋雨强度为1mm/min，施加的操作冲击电压波形为370/3400s，研究结果为：1) 与球形电极相比，虽然环形电极在雨水积聚方面较为有利，但是淋雨时环板长间隙的正、负极性操作冲击放电电压均严重下降；2) 淋雨条件下，具有相同尺寸的光滑圆环形电极与波纹状环形电极之间的放电电压基本相同。 棒板间隙所研究的淋雨强度为1.01.5mm/min，雨水电阻率为100
30、m。在研究正极性操作冲击时，间隙距离为2m，波前时间为350s；在研究负极性操作冲击时间隙距离为1.5m，波前时间为25630s。研究发现：1) 末端为尖锐圆锥的棒板的间隙，其正极性操作冲击闪络电压不受淋雨影响，但负极性操作冲击闪络电压却显著下降；2) 与干燥条件下相比，淋雨条件下，1.5m的棒-板空气间隙的负极性50%闪络电压在波前时间为26630s范围内，轻微地受波前时间的影响；3) 湿干闪络电压的比值与干燥条件下平均闪络电压坡度之间的关系已大体建立，这个关系对正极性及大多数电极都有效；4) 对于正极性电极，淋雨条件下的间隙的操作冲击放电可用干燥状态下的放电机理来解释。2002年，Yosh
31、ibumi Yamagata等5在日本特高压试验基地研究了淋雨对相地空气间隙放电特性的影响，间隙长度在610m之间，两端为真型均压环。试验结果表明：被雨水湿润后的空气间隙的操作冲击放电电压有明显降低的趋势，即空气间隙的操作冲击湿闪电压比干闪放电电压低8%15%。认为导致湿闪电压较低的原因有：1) 间隙中悬浮水滴的存在使流注更容易发展；2) 湿度的增加加速了流注的发展；3) 均压环上水滴的存在加强了局部电场，导致了流注的形成。其中认为间隙中水滴对闪络电压的影响很小，原因也有三：1) 棒棒间隙的湿闪电压与干燥状态时相同；2) 不同的增湿方法对闪络电压没有影响；3) 人工雨停止后再施加电压，试验结果
32、没有明显变化。湿度对闪络电压的影响也较小，最后确定水滴对均压环的影响是闪络电压降低的主要的原因。2003年，Pierre Tardiveau和Emmanuel Marode6研究了棒板短空气间隙中存在液态介质时的冲击放电特性，所施加的冲击电压为连续的短脉冲，研究发现：1) 施加的电压越高，流注的放电速度越快；2) 相对干空气而言，流注的起始电压增加，其发展速度也增加；3) 液态介质对流注的发展有“导向”作用，并且由丝状放电转变为火花放电的阈值电位降低；4) 由于液态介质表面游离能低于空气，因而有效电离系数增加；5) 液滴附近静电场的增强可能使其对流注发展的导向作用和流注速度增加的一种解释，但与
33、空间电荷电场相比，该电场较弱，因而不是其主要原因，更为有效的解释是液滴表面电子更容易发射。2008年，孙利朋等1研究认为：1) 雨水电导率、平均降雨强度、气温对棒板空气间隙正极性操作冲击50%放电电压均有影响。50%放电电压随雨水电导率、平均降雨强度、气温的增加而下降，且平均降雨强度的影响最为明显，其次为温度，而雨水电导率的影响最小且可以忽略。放电电压受淋雨的影响与间隙距离有关，间隙越长，受淋雨影响越小；2) 根据实验极限值，如果温度和降雨强度变化明显，降雨对0.10.5m和1m空气间隙的正极性操作冲击50%放电特性有一定影响，但如果降雨强度较小，在工程上可忽略降雨的影响；降雨对0.10.5m
34、和1m空气间隙的正极性操作冲击击穿时间的影响均不显著，可忽略其影响；3) 雨滴不会改变空气间隙的放电顺序，放电仍由棒极开始逐步向板极发展；在雨滴汽化以前，雨滴表面会聚集一定量的带电粒子，同时雨滴为等电位体，其表面的电场强度为零，严重畸变雨滴周围的电场，并使周围的电场强度增强，有利于放电的发展，降低放电电压；在雨滴汽化以后，雨滴对放电没有影响；降雨强度越大，带电粒子浓度、电位、电场强度受降雨影响程度越大，越有利于放电发展，放电电压越低。4)降雨增加了空气湿度，使附着系数增加，提高放电电压，而可作为悬浮导体的雨滴会降低放电电压，这两方面相互作用，导致降雨对空气间隙正极性操作冲击放电电压的影响不显著
35、。2008年，耿翠英等7在试验降雨强度为9.6mm/min，雨水电阻率为2600cm， 雨水路径与放电路径平行，试验波形为标准操作波(250/2500s)的条件下，进行了空气间隙操作冲击闪络试验。试验结果认为，1.2m间隙下淋雨状态时的操作冲击放电电压与全干状态下基本一致，淋雨条件下操作冲击电压的分散性比全干状态下要大，并因此认为，在小间隙下(如1.2m)淋雨对间隙的操作冲击闪络电压影响不大。(2) 交流电压对空气间隙放电特性的研究1984年，龙玉华等8研究了淋雨状态下棒板空气间隙交流放电电压与气温之间的关系，研究发现：气温越高，交流放电电压越低。并且认为在电压校正时，应考虑温度的影响。200
36、8、2009年，胡毅等9-10和陈守聚，耿翠英等11-13采用1:1模拟间隙结构对雨水、大风及风雨组合条件下500kV输电线路导线杆塔空气间隙工频放电特性进行了试验研究。试验中降雨强度选取范围为：2.414.4mm/min，雨水电阻率范围为：(0.88)103cm，风速范围为：532 m/s。胡毅等分析了雨水条件下：雨水挂在杆塔上、降雨强度、雨水电阻率、雨水运动路径、雨水条件下电极结构对工频放电电压的影响，大风无雨条件下：风速、风向、大风条件下电极结构对工频放电电压的影响，及风雨条件下500kV线路杆塔空气间隙工频耐受电压的试验结果后认为：1) 降雨会对间隙的工频放电强度带来影响，雨水电阻率对
37、间隙的工频放电强度有所影响，随着雨水电阻率增加，放电电压有所增加；雨水运动路径与放电路径的夹角对放电电压影响不明显；2) 塔身存在突出金属物(如脚钉等)时使放电电压进一步降低；3) 风力和风向对放电电压有所影响，当风向平行于放电路径时，放电电压随风强的增加而降低；当风向垂直于放电路径时,则反之；4) 当风向平行于放电路径时,风雨组合使放电电压进一步降低，极端气象条件下可降低约20%。陈守聚、耿翠英等根据试验结果分析认为：1) 降雨对间隙的工频闪络强度的影响比较明显，一旦有降雨发生，闪络电压即明显降低，且间隙距离越小，该趋势越明显；间隙距离为1.2m时，雨水电阻率为800cm的特大暴雨下闪络电压
38、比全干时降低了约16%；2) 雨水电阻率对间隙工频闪络强度有所影响，随着雨水电阻率增加（电导率降低），闪络电压有所增加，且放电间隙越小，其趋势越明显，间隙距离为1.2m时，特大暴雨下，电阻率从800cm变为8103cm时闪络电压增加了约2.2%；间隙距离为0.6m时，特大暴雨下，电阻率从800cm变为8103cm时闪络电压增加了约5.3%；3) 雨水运动路径与放电路径的夹角对闪络电压影响不明显；4) 塔身存在脚钉(脚钉方向平行于线路方向)时使闪络电压进一步降低；间隙距离为1.2 m时，有脚钉时的闪络电压比无脚钉时降低了约3%。1.2.2 空气间隙中存在悬浮体时的电场和放电研究 悬浮金属导体19
39、88年，Labaune G.等14研究了棒板长空气间隙中存在悬浮导体时的放电过程，指出：当悬浮导体离棒极较近时，棒极与导体之间会先发生流注击穿，而后再与板极之间发生先导击穿；当悬浮导体离棒极较远时，棒极与导体之间会先发生先导击穿，而后再与板极之间发生先导击穿。1995年，Farouk A. M. Rizk15研究指出单个悬浮导体的电位可以表示为： (1.1)式中，Uf悬浮导体的电位；Ug几何电位，与施加的电压大小有关；Ui由空间电荷感应的电位，与先导通道中电荷的量及位置有关；Uc由悬浮导体表面自由电荷的累积而形成的电位，当悬浮导体上存在毛刺时，Uc很小，可以忽略。1997年，R. Sarath
40、i等16研究了单个悬浮导体对直流叠加操作冲击、雷电冲击、震荡冲击下的球球间隙放电特性的影响。研究指出：悬浮金属颗粒离阳极越近，50%放电电压越低，主要是正极性电晕放电降低了间隙的放电电压；当悬浮导体位于某个特定位置时，50%放电电压达到最大，且与没有悬浮导体时相同；直流电压对50%放电电压没有影响。1998年，A. Castellani等17-18研究了长板板间隙中存在单个悬浮导体时的放电过程，研究指出：适当调整间隙距离、悬浮导体与两板间的距离以及悬浮导体的尺寸，在施加冲击电压时，就会引发在高压板极以及悬浮导体上同时开始的极性相反的先导放电。1994年，Mamoru Kubuki等19研究了3
41、040mm短球球间隙中分别存在7809001.2mm的悬浮铜板、直径1mm长度在340mm变化尖端为半球形的不锈钢针及半径2或10mm的铜球时的放电电压，研究结果显示：闪络特性跟悬浮体的大小、形状及间隙长度有显著关系。不管悬浮导体什么形状，只要间隙中存在悬浮导体，其击穿电压的最小值总是低于没有悬浮导体的击穿电压；闪络电压受悬浮导体的位置影响很大，当悬浮导体方铜板在间隙中间时，击穿电压最低，当悬浮导体不锈钢针靠近阳极时，击穿电压最低。1995年，Mamoru Kubuki等20研究了400mm短球球间隙中存在方形、针形及球形悬浮导体时的放电电压，研究结果显示：影响间隙击穿电压的主要因素是悬浮物的
42、形状、大小，悬浮物的位置及间隙长度。如果悬浮物处在能给出最低击穿电压的位置，那么任意悬浮物的这个击穿电压都低于没有悬浮物的击穿电压。文中还提到，间隙的击穿只取决于间隙中电场的分布及其随时间的变化，悬浮物体的存在被认为对放电环境有直接或间接地影响。1997年，Mamoru Kubuki等21研究了120mm短针板及球球间隙中存在长20mm尖端为半球形的不锈钢针及半径10mm的悬浮铜球时的放电电压，研究结果显示：球-球间隙中的悬浮针，能引发最大场强的位置总是在悬浮针尖，间隙完全击穿过程起始于悬浮针尖；对于悬浮球，击穿过程受球位置的影响十分明显；击穿电压跟悬浮物到高压端距离d之间的特性关系受施加在棒
43、板间隙的电压极性的影响很大；对于悬浮针，间隙正极性击穿电压基本是一个与针位置无关的常数，且负极性击穿电压随d的增加线性降低；无论哪种极性的电压，其最小击穿电压总是低于没有悬浮针的电压。2002年，Kazutoshi Asano等22在研究了间隙中悬浮丝状金属体的双极性直流电晕放电后认为：间隙击穿电压是悬浮体长度和间隙距离的函数，随悬浮导体长度的增加而降低，随间隙距离的增加降低。2006年，Yusuke Kudo等23研究了2030mm短板板间隙中存在1段612mm导体线时的放电电压，研究结果显示：当导体颗粒靠近负极性电极时，电晕放电稳定发生，并且距离其越远时，放电电压升高；当导体颗粒靠近正极性
44、电极时，间隙不会发生电晕放电而直接被击穿。当在电极中间时，起始电晕放电电压恒定。 悬浮液体1999年、2000年，叶齐政、顾温国等24-25分别研究了运动水滴在尖板直流电场和球球直流电场中的放电情况后认为，运动水滴在非均匀电场中会在水滴周围起晕，并降低电极系统的起晕电压。2001年，叶齐政、万辉等26研究了空气中液滴群在均匀场中的局部电场情况，认为不能因为液滴很小而将其视为一点来计算局部场强，也不能用单一液滴处于无限大均匀介质时的情况来代替混合体的局部电场；随着占空比的增加，局部场强有明显增强，但粒径对最大场强没有明显影响。随着介电常数的增加，最大场强明显增强，但存在一个极值。2005年，王晓
45、明等27研究了介质相态对反应器内等离子体的形成过程、 反应速度和特性的影响，用有限元法分析了线半筒反应器内的电场。结果表明：空气介质中水滴或金属杂质使邻域电场畸变，利于形成空气介质中的小电晕区；水滴对电场分布的影响属径向扩张性质，其切向引进低电位、低场强；小水滴比大水滴易被击穿；金属颗粒对电场分布的影响属径向压缩性质；大量水滴尤其是雾状水滴的存在，将诱发多处新增电晕区而导致整个反应器内可能有非平衡等离子体反应。2005年，杨长河等28研究了气水混合两相体放电，初步提出了水气混合两相体放电机制，认为气水混合两相体放电与气体放电过程基本相似，但是几个主要放电参数的值都将由于水滴的加入而与单纯空气不
46、同，从而导致不同的放电现象发生：一方面，水滴对电场的强烈畸变，使得局部电场坚强的区域可能首先发生放电；另一方面，水滴的荷电效应使得空间自由电子数目大大减少，放电现象减弱。这两个方面被认为是导致气水混合两相体的与空气放电现象相异的主要因素。2007年，覃世勋，叶齐政等29研究了气液混合两相体中线线电极脉冲放电现象。观测表明两相体的起晕电压降低，电晕区域明显加大，并且较为稳定，电极背侧也有较大区域的放电现象。并分析认为该种现象和空间水滴有很大关系。1.2.3 国内外研究现状总结基于以上国内外研究现状，可以得出： 降雨条件下，空气间隙操作冲击放电特性、工频交流放电特性的研究较为全面系统，且得到的结果认为强降雨时空气间隙的击穿电压将降低，而直流电压作用下空气间隙放电特性的研究鲜见报道。 根据空气间隙中存在金属导体时的试验研究结果认为，影响间隙击穿电压的主要因素是悬浮物的形状、大小、数目及位置。 气水混合两相体放电与气体放电的差异主要是由水滴对电场的畸变和水滴的荷电效应引起的。以上文献对研究降雨条件下棒板短空气间隙直流放电有一定的参考价值。1.3 本文研