[8]大，比雨滴（大于1mm）[9]小。Lu Jiazheng和Chen Baohui等开展了细水雾扑救架空输电线路下方山火[4]和变压器火灾[5]研究，发现细水雾不仅灭火效率高，而且绝缘性能可满足高压电力设备火灾防治的绝缘要求。空气间隙绝缘强度是决定电气设备应用安全性的主要指标[5]。他们利用喷头-套管电极模型研究了细水雾的间隙击穿特性[5]，发现当雾滴直径约400mm、电极间隙长度为30～90cm时，细水雾工频击穿电压可较空气提升约3%～5%。摘要 细水雾是一种绝缘性能较高的消防技术。利用球-球间隙模拟稍不均匀电场，利用棒-板间隙模拟不均匀电场，开展细水雾在球-球和棒-板短间隙下的工频放电特性及仿真分析研究。研究发现，球-球间隙下，细水雾雾滴产生的电场畸变影响大于细水雾雾滴在电场荷电的影响，细水雾球隙击穿电压总小于空气球隙击穿电压。当间隙距离为2～8cm时，细水雾击穿电压较同条件的空气击穿电压降低37.6%～38.2%。棒-板间隙下，随着电极间隙的增长，细水雾雾滴产生的电场畸变影响程度降低。间隙为3.5～8cm时，电场畸变的影响高于电场荷电的影响，细水雾间隙击穿电压低于空气间隙击穿电压6.0%～8.5%；间隙为12cm时，细水雾雾滴在电场荷电的作用超过了细水雾雾滴对电场畸变的影响，细水雾间隙的击穿电压甚至高于空气间隙击穿电压3.6%～4.4%。研究结果对细水雾在电力设备火灾防治中的应用具有指导作用。
关键词：细水雾 球-球 棒-板 空气间隙 工频 击穿电压
近年来，高电压电力设备火灾频发，严重威胁到电网的安全稳定运行。架空输电线路下方山火和变压器火灾是危害电网安全的两大火灾[1-6]。山火使架空输电线路间隙绝缘强度下降，引发线路击穿跳闸，造成大面积停电。如2013年3～5月，架空输电线路下方山火先后导致国家电网公司特高压锦苏线极Ⅱ、极Ⅰ闭锁[3]，以及云广线和长南Ⅰ线故障跳闸。变压器火灾烧毁变压器，造成大规模停电，例如，2005年5月，俄罗斯莫斯科市因变压器起火造成莫斯科市约一半地区停电[7]；2018～2019年，我国发生多起特高压变压器严重火灾事故，造成巨大经济损失。因此，高电压电力设备火灾的防治迫在眉睫。
电气防治一直是火灾防治的难题。架空输电线路带电运行，下方山火火势迅猛，无法做到停电灭火，而人员在线路下方利用传统的大流量射流水灭火存在触电风险，需要带电灭火。目前大量的变电站为无人值守变电站，灭火系统必须投入自动化才能起到火灾保护作用，发生火灾后，灭火系统自动启动，扑灭火灾。但变压器灭火系统在长时间自动运行下存在因人为或者系统故障发生灭火介质误喷的风险。因此变压器灭火系统要求灭火介质带电绝缘性能较高，即使系统误动作、灭火介质误喷到变压器上也不破坏变压器的绝缘、造成变压器短路跳闸，确保变压器运行安全[4-5]。
细水雾是一种高效灭火技术。细水雾雾滴直径约50～400mm，比雾（小于10mm[8]大，比雨滴（大于1mm）[9]小。Lu Jiazheng和Chen Baohui等开展了细水雾扑救架空输电线路下方山火[4]和变压器火灾[5]研究，发现细水雾不仅灭火效率高，而且绝缘性能可满足高压电力设备火灾防治的绝缘要求。空气间隙绝缘强度是决定电气设备应用安全性的主要指标[5]。他们利用喷头-套管电极模型研究了细水雾的间隙击穿特性[5]，发现当雾滴直径约400mm、电极间隙长度为30～90cm时，细水雾工频击穿电压可较空气提升约3%～5%。
现实应用的电极间隙结构多种多样，其中，在一定间距范围内的球-球间隙代表稍不均匀电场，间隙击穿电压较高；棒-板间隙代表不均匀电场，间隙击穿电压最低；其他类型电极间隙的放电电压通常介于球-球与棒-板间隙之间。为了研究细水雾在工频电压下的放电特性，本文开展了细水雾在球-球和棒-板电极间隙下的空气间隙击穿试验，分析了不同电场均匀程度下细水雾空气间隙工频放电特性及其影响机理。研究结果为细水雾在电力设备火灾的防治应用提供理论指导。
细水雾发生装置参见文献[10]。试验采用的细水雾喷头及其雾滴直径分布如图1所示，该喷头的型号为XSW1.5/2.5。利用压力表测试细水雾产生压力，采用RF-25型液体涡轮流量计测量喷头流量。喷头工作压力为3.5MPa。经测试，此时喷头的流量为25L/min。喷头的雾滴直径采用HELOS/RODOS激光粒度仪测量获得。雾滴直径采用99%雾滴累计体积分布粒径Dv0.99（mm）表示。测得该喷头的雾滴直径Dv0.99=320mm。
图1 试验喷头示意图及其雾滴直径分布
Fig.1 Water mist nozzle used in the tests and its droplet size measurement
试验在电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室的大型人工气候室（尺寸为长（22m）´宽（22m）´高（27m））中进行，细水雾短间隙工频击穿电压试验如图2所示，主要包括细水雾发生装置、试验电极、试验电源、Photron AX 200高速摄像仪、Yokogawa 850E录波仪。试验电源采用50kV·A/200kV工频试验变压器（武汉磐电，测量系统的误差＜2%。限流电阻阻值为10kW，试验电极采用铜质球-球电极和棒-板电极。球电极直径25cm；棒电极直径1cm，长度30cm，前端圆锥尖端的角度为30o；板电极为圆板，板直径60cm，厚度3mm。电极应用前先使用酒精和清洁剂清洗，以确保电极表面清洁。采用球-球电极时，一球电极下端可靠接地，另一球电极上端通过高压引线与变压器高压输出端连接；采用棒-板电极时，板电极接地，棒电极与变压器高压输出端连接。由于细水雾实际灭火时是水平喷向带电体的，因此试验中细水雾喷头安装在电极连线中心的正前方，水平向前施放水雾。细水雾喷头可靠接地，喷头离电极连线中心的距离定为80cm。
图2 细水雾短间隙工频击穿电压试验
Fig.2 Experimental setup system chart
试验过程如下：首先在电极放电区域施放水雾（水电导率为211mS/cm），水雾稳定喷雾约30s后开始试验。通过工频试验变压器在一电极端施加单相高电压，采用均匀升压法测试[10-14]。为保证试验数据准确性，每种工况进行10次以上的重复试验，忽略10次测量数据中标准偏差大于5%的试验数 据[14]。连续两次施加电压的时间间隔约2min，以便空间离子充分扩散，在允许的误差范围内，本文将试验测量数据的平均值作为间隙击穿电压值。利用录波仪监测放电电压波形，当电压出现首次电压跌落时，该时刻作为高速摄像仪的触发点，并同步观测放电电压波形和放电图像。拍摄球-球间隙放电时，拍摄速度为40 000帧/s；拍摄棒-板间隙放电时，拍摄速度为64 000帧/s。人工气候室环境温度为12～14℃，气压为1 013kPa，环境湿度为70%～75%。由于细水雾喷雾过程中，电极间空气湿度可骤增至约100%，因此开展空气击穿对比试验前，首先通过人工喷水雾加湿的方式将细水雾喷向电极间隙间，使电极试验区域的湿度调节为近100%，然后再开展间隙击穿试验。
图3为空气和细水雾下球-球电极间隙工频击穿电压对比。对于直径为25cm的球-球电极间隙，2～8cm电极间隙间的电场属于典型稍不均匀电场。从图中可以看出，当球隙距离为2～8cm时，细水雾击穿场强较同条件空气击穿场强降低37.6%～38.2%。并且空气和细水雾的击穿场强随球隙距离的增大在一定程度上下降。当球隙距离从2cm增大至8cm时，空气击穿场强从19.01kV/cm降低至17.49kV/cm，细水雾击穿场强从13.04kV/cm降低至9.17kV/cm。这是由于间隙距离增大，空间电场均匀程度降低[10]。
图3 空气与细水雾下球-球间隙工频击穿电压与间隙距离的关系
Fig.3 Relationship between the AC breakdown voltage of air and water mist and gap length under sphere-sphere gap
图4为棒-板电极间隙下空气工频击穿电压和细水雾击穿电压的对比，棒-板间隙间的电场为不均匀电场。当棒-板间隙距离从3.5cm增大至24cm时，空气的击穿场强从7.08kV/cm降低至3.61kV/cm，细水雾击穿场强从7.31kV/cm降低至3.74kV/cm。这说明在3.5～24cm电极间距下，棒-板间隙间电场的均匀程度随间隙距离的增长而增大。从图中还可以看出，当棒-板间距小于12cm时，细水雾击穿场强较空气击穿场强低6.0%～8.5%；当间隙距离大于12cm时，细水雾击穿场强较空气击穿场强高3.6%～4.4%。
本文在电压首次出现电压跌落的时间点触发高速摄影仪，并将此时定义为0ms，同步观测间隙工频放电电压波形和放电电弧燃弧物理过程。
图4 空气与细水雾下棒-板间隙工频击穿电压与间隙距离的关系
Fig.4 Relationship between the AC breakdown voltage of air and water mist and gap length under rod-plate gap
2.2.1 球-球间隙工频放电电压波形和电弧燃弧过程观测
空气下球-球间隙工频放电击穿电压波形和电弧燃弧过程如图5和图6所示。
图5 空气下8cm球-球间隙工频放电击穿电压波形
Fig.5 AC Breakdown voltage waveform of 8cm sphere-sphere electrodes under air gap
图6 空气下8cm球-球间隙工频放电电弧燃弧过程
Fig.6 Arc plasma images of AC discharge of 8cm sphere-sphere electrodes under air gap
由图5可知，空气间隙下，电极在电压信号的正半周发生击穿，并且有明显的振荡，这是由于间隙击穿前空间电荷的强烈中和产生了脉冲电压[15]；同时，空气球隙放电的电弧重燃电压较低，这是由于空气介质的绝缘恢复速度较慢，在熄弧后空气间隙中仍存在大量空间电荷。由图6可以看出，电弧燃弧通道发生在两个球电极的连线处，0μs时的电弧直径最大、亮度最强，后续燃弧的直径较小、亮度较弱，这说明随着时间的延长，空间电荷的游离和燃弧的热辐射增多，燃弧电流减小。
细水雾的球-球间隙工频放电击穿电压波形和电弧燃弧过程如图7和图8所示。
图7 细水雾下8cm球-球间隙工频放电击穿电压波形
Fig.7 AC Breakdown voltage waveform of 8cm sphere-sphere electrodes gap under water mist
图8 细水雾下8cm球-球间隙工频放电电弧燃弧过程
Fig.8 Arc plasma images of AC discharge of 8cm sphere-sphere electrodes under water mist gap
与空气下的球-球间隙击穿电压波形相比，细水雾的球隙击穿电压波形在击穿前的振荡次数更多，这是由于喷雾过程中，细水雾喷射到球电极表面，产生了微小水滴。微小水滴表面的电晕放电产生了大量的空间电荷，空间电荷的增多导致了电压波形的振荡加强。从图中还可以看出，细水雾球隙电弧熄灭后的重燃电压较空气间隙的重燃电压更高，这可能是由于细水雾的喷射带动了周围空气流动，增强了弧隙温度和离子的扩散，使强烈游离的气体快速混合，加速了去游离过程[16-17]。此外，由图8可知，与空气球隙放电过程相比，细水雾球隙的燃弧路径更加曲折。
2.2.2 棒-板间隙工频放电电压波形与电弧燃弧过程观测
空气下棒-板间隙工频放电击穿电压波形和电弧燃弧过程如图9和图10所示。空气环境下，电极在电压信号正半周发生击穿且明显振荡，其振荡原因为棒-板间隙击穿前棒电极附近形成电晕，空间电荷增多。相比球-球空气间隙击穿电压波形，棒-板间隙击穿的电弧复燃起弧电压更高，这是由于棒-板空气间隙电弧的直径更小，电流密度较低，空间电荷密度更小。
图9 空气下8cm棒-板间隙工频放电击穿电压波形
Fig.9 AC breakdown voltage waveform of 8cm rod-plate electrodes under air gap
图10 空气下8cm棒-板间隙工频放电电弧燃弧过程
Fig.10 Arc plasma images of AC discharge of 8cm rod-plate electrodes under air gap
细水雾下棒-板间隙工频放电击穿电压波形和放电电弧燃弧如图11和图12所示。细水雾下电极在电压信号的正半周击穿，并发生与棒-板空气间隙击穿一样的振荡。但与空气下的棒-板间隙击穿相比，细水雾 棒-板放电燃弧的光强度更弱，燃弧通道变细，且明显变暗。
图11 细水雾下8cm棒-板间隙工频放电击穿电压波形
Fig.11 AC breakdown voltage waveform of 8cm rod-plate electrodes gap under water mist
图12 细水雾下8cm棒-板间隙工频放电电弧燃弧过程
Fig.12 Arc plasma images of AC discharge of 8cm rod-plate electrodes under water mist gap
本文利用COMSOL有限元软件仿真研究雾滴对球-球间隙与棒-板间隙电场畸变的影响。仿真采
用电极间隙d=8cm的球-球间隙和棒-板间隙，细水雾采用直径为320mm的圆形球体，相邻两个雾滴中心距离为800mm。采用二维仿真，假设雾滴呈直线分布在电极间隙之间，计算时考虑与电极连线相垂直平面上的三排雾滴，其中第二排雾滴与电极连线的中心轴线重合。以球-球间隙为例，仿真模型如图13所示。
图13 球-球间隙模型
Fig.13 Mode of sphere-sphere gap
电场强度的取值为球-球电极（棒-板电极）最短连线上的电场强度。雾粒的相对介电常数取80，空气为1。根据图3和图4试验数据，分别施加电压于电极上，其中球-球间隙施加电压为78kV，棒-棒间隙施加电压为32.9kV。对比细水雾周围电场和空气条件下的同一位置处的电场，空气和水雾在球-球间隙和棒-板间隙下的电场强度分布如图14和图15所示。从图中可以看出，雾滴内部电场强度最小，雾滴间隙间的电场强度小于雾滴表面电场强度，且在雾滴表面处电场强度达到最大。这说明细水雾间隙放电一般会发生在空气中，而不会在液滴内部击穿[11]。对比图14和图15可知，细水雾对两种电极间隙的电场畸变程度影响不同。球-球间隙下，细水雾对电场的畸变程度影响较为均匀；而在棒-板间隙下，靠近棒电极的电场畸变程度较大，靠近板电极的电场畸变程度较低。当细水雾进入电极间隙时，一方面，由放电理论可知，细水雾颗粒引起的电场畸变使电离系数增大，提高电子动能，降低负离子产生的概率，加快正离子和电子复合所生成光子的频率，促进放电的形成[18]；另一方面，水雾滴表面的场致发射和光电离所需的电离能仅为6.1eV，该值小于空气分子的电离能[19]。因此，细水雾雾滴还可以作为重要的电子源，通过其表面的场致发射和光电离，产生电子，促进放电的发展。
已知电子崩发展的必要条件为电离系数a 大于附着系数h，即a-h＞0；a-h＞0的空间区域称为电离区域。本文的试验在高湿环境下进行，因此需要考虑湿度对两种系数的影响。各系数的取值采用M. Abdel-Salam提出的空气中含有水蒸气的取值方法[20]，其表达式为
图14 8cm细水雾球-球间隙与空气间隙电场强度分布
Fig.14 Field distribution under water mist of 8cm sphere-sphere gap
图15 8cm细水雾棒-板间隙与空气间隙电场强度分布
Fig.15 Field distribution under water mist of 8cm rod-plate gap
（1）
（2）
（3）
式中，ad、aw分别为空气和水蒸气中的电离系数；hd、hw分别为空气和水蒸气中的附着系数；pd为空气中的压强；pw为水蒸气的压强；p为总压强。pw的数值可经查询水的饱和蒸汽压表获得，在本试验范围内，pw的取值为1.6kPa。由文献[21]可知，电离系数与附着系数的表达式分别为
（4）
（5）
（6）
（7）式中，N=2.687 6´1025/m3；E为电场强度（V/m）。当E＞3´106V/m时，a-h＞0。
同样利用COMSOL软件仿真计算球-球间隙和棒-板间隙下不同间隙距离时的电场强度。球-球间隙距离为2～8cm，棒-板间隙距离为3.5～24cm。不同间距下施加的电压与图3和图4中的试验数据一致，雾滴直径、雾滴间的距离等其他仿真条件与上文相同。仿真结果表明，在球隙为2～8cm时，球隙最短连线上的最大电场强度均满足电子崩发展的必要条件；而在棒-板间隙下，不同距离的电极间隙满足电子崩发展的区间长度不同，棒-板间隙a-h＞0的取值范围见表1。表中，dl为a-h＞0的区间长度。
表1 棒-板间隙a-h＞0的取值范围
Tab.1 Range of values of a-h＞0 under rod-plate gap
间隙d/cmd1(a-h＞0)/cm 3.53.0 84.3 125 166 207 248.6
d1/d为满足电子崩发展的区间长度占总间隙长度的比值。本文利用d1/d来评价细水雾对棒-板电极下空间电场畸变的影响程度。从表1中可以看出，对于棒-板电极间隙，d1/d随间隙d的增长而降低。当间隙d=3.5cm时，d1/d=0.86；当间隙d=24cm时，d1/d降至0.36。这说明对于棒-板间隙，随着间隙长度的增长，满足电子崩发展的区间长度比例减少，因此电场畸变造成的影响程度降低。
在电场中，对于直径大于0.5mm的粒子，电场荷电是粒子荷电的主要方式[22]。电场荷电定义为电场中的电荷依附在粒子上，使粒子荷电。由图7和图11可知，细水雾间隙均在电压信号正半周发生击穿，流注为正流注。当细水雾间隙中正流注发展时，头部为正离子。细水雾通过电场荷电捕获电子，减少电子崩形成的初始电子和流注发展过程中的电子，阻碍流注的发展[17, 23-26]。
研究表明[17, 23]，细水雾雾滴引起的电场畸变及其表面产生的光电离促进了流注的发展，而雾滴荷电阻碍了流注的发展。
3.1节的静电场仿真分析结果表明，2～8cm的细水雾球-球间隙的整个间隙区间均满足电子崩发展的必要条件，因此，在该球-球间隙下，与细水雾雾滴的电场荷电相比，电场畸变产生的影响更大。因此，从图3中可以看出，当球隙为2～8cm时，空气球隙的击穿电压始终高于细水雾球隙的击穿电压。
由图14可知，棒电极周围电场的电场畸变剧烈。虽然从放电理论可知，电场畸变促进流注的发展，但是，由表1可知，随着棒-板间隙距离的增加，电离区间长度占间隙距离的比例不断缩小，这意味着电场强畸变造成的电离区域占放电区域的百分比不断缩小。从图4中可以看出，当间隙在3.5～8cm时，细水雾间隙的击穿电压低于空气间隙的击穿电压，其原因为：当间隙较短时，棒电极尖端电场强度畸变产生的电离区域占放电区域的百分比较大，因此电场畸变的影响高于电场荷电的影响，使得细水雾的间隙击穿电压低于空气间隙的击穿电压。而当间隙超过12cm时，棒电极尖端电场强度畸变产生的电离区域占放电区域的百分比随间隙距离的增长而减小，此时细水雾雾滴的电场荷电作用超过了电极对电场强度畸变的影响，因此细水雾间隙的击穿电压超过了空气间隙的击穿电压。
1）细水雾雾滴引入至空气间隙后，从两方面影响间隙放电：①细水雾颗粒对电场产生畸变，促进间隙放电的发展；②细水雾雾滴通过电场荷电捕获电子，减少电子崩形成的初始电子和流注发展过程中的电荷，阻碍放电流注的形成和发展。
2）对于稍不均匀电场的球-球间隙，细水雾对电场的畸变程度影响较为均匀，且畸变电场强度均满足电子崩发展的必要条件；因此，细水雾造成的电场畸变影响大于细水雾雾滴电场荷电的影响，细水雾的击穿电压总是小于空气的击穿电压。
3）对于不均匀电场的棒-板间隙，随着间隙长度的增长，电场畸变造成的影响降低；当间隙在3.5～8cm时，电场畸变的影响高于电场荷电的影响，因此细水雾的间隙击穿电压低于空气间隙的击穿电压；而当间隙距离大于12cm时，细水雾雾滴的电场荷电作用超过了细水雾对电场畸变的影响，因此细水雾间隙的击穿电压超过了空气间隙的击穿电压。研究结果可为细水雾在电力设备火灾的防治应用提供参考。
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Influence of Electric Field Uniformity on Power Frequency Discharge Characteristics of Short Air Gap in Water Mist Condition
Abstract Water mist is a fire fighting technology with high insulation ability. The discharge characteristics of water mist under ball-ball gap and rod-plate gap were studied. For the ball-ball gap, the electrostatic field distortion caused by water mist droplets has greater influence than the charging of water mist particles in electrostatic field, and thus the breakdown voltage of water mist is always significantly lower than that of air gap. When the gap length is 2cm to 8cm, the breakdown voltage of water mist is 37.6% to 38.2% lower than that of air gap under ball-ball electrodes. For the rod-plate gap, the influence of electrostatic field distortion decreases with the increase of gap length. When the gap length is 3.5cm to 8cm, the effect of electrostatic field distortion is higher than that of charging of water mist particles in electrostatic field. Moreover, the breakdown voltage of water mist under rod-plate electrodes is 6.0% to 8.5% lower than that of air gap. When the gap length is longer than 12cm, the effect of charging of water mist particles in electrostatic field exceeds the effect of electrostatic field distortion caused by water mist, and the breakdown voltage of water mist under rod-plate electrodes is higher than the breakdown voltage of air gap by 3.6% to 4.4%. The results can provide guidance for the application of water mist in fire prevention of high voltage power equipment.
keywords：Water mist, ball-ball, rod-plate, air gap, power frequency, breakdown voltage
中图分类号：TM85
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200101
湖南省重点研发计划项目（2017SK2371）、湖南省自然科学基金项目（2018JJ3004）和国家电网公司重大项目（5216A0180006，5216A019000M）资助。
收稿日期 2020-02-04
改稿日期 2020-05-07
陈宝辉 男，1987年生，博士，研究方向为电力火灾带电防治和先进电网防灾材料。E-mail: bymountains@gmail.com（通信作者）
邓 捷 男，1993年生，博士研究生，研究方向为高电压火灾带电防治。E-mail: 626530126@qq.com
（编辑 陈 诚）