电力技术中液氮高电压绝缘特性研究

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1实验装置及实验方法

1．1实验装置及电极设计

实验装置的容器采用非金属材质，筒体具有保温功能;不同形状的电极可以固定在上下电极杆上;下电极杆固定不动，上电极杆可以上下移动，通过容器上方的标尺和联动杆可以精确地调节电极距离;容器上盖板上有增压阀、泄压阀、安全阀和压力表，在确保安全的前提下可以调整容器内气体的压力，压力调节范围(1—5)×105Pa。根据相关行业标准，包括4对紫铜球电极，分别为Φ50mm、Φ100mm、Φ125mm和Φ150mm;不锈钢柱-柱电极1对，Ф75mm-R3修圆和Ф25mm-R3修圆;不锈钢针-板电极1对，针电极18度圆锥、板电极Ф300mm-R5修圆。

1．2实验方法

实验过程中严格按照高电压实验规范和步骤进行。有关氮气的绝缘特性实验按以下方法进行:

(1)首先选用合适的电极，并把电极固定在上下电极杆上;

(2)装配并密封容器;

(3)容器液氮注入;

(4)接线:下电极与高压发生器的输出端连接，上电极接地;

(5)调节并固定电极间距和液体压力;

(6)通过高压测试系统进行实验测试，高压恒定并持续1分钟，每个电压值重复测试3次，取平均值。

2实验结果及分析

利用实验室的200kV高压试验系统及以上实验装置，系统的研究了电极间距、气体压力、电极形状等对液氮绝缘特性进了系统的实验研究，主要结果如下:

2．1电极间距对氮气击穿特性的影响规律

首先利用上述柱-柱电极一对并固定电极间距为1mm，测试1分钟工频耐压，3次击穿电压的平均值为16．7kV。然后逐渐增大电极间距，重复测试，获得实验结果。可见，随着电极间隙的增加，击穿电压不断提高;但是由于电极间隙的不断增大，电场均匀性逐渐变差，液氮的氮气击穿电压并非线性增加，而是单位击穿电压逐渐变小。实验结果说明，电极间距的大小对室温常压氮气的击穿电压影响显著，距离越大击穿电压越高。

2．2压力对氮气击穿性能的影响规律

Φ50mm的球电极的间距固定位2mm，逐渐增加液氮的压力，液氮的击穿强度随压力的变化规律。可见，在电极距离固定不变的情况下，随着液体压力的增加，液氮的击穿强度呈近似线性增加。给出了Φ150mm紫铜球电极的间距固定位2mm情况下，液氮击穿电压随液体压力的变化情况。其结果及随液体压力的变化规律与Φ50mm球电极的类似。以上实验结果说明，气体压力对室温氮气的击穿电压影响明显，击穿电压随气体压力线性增加。

2．3电极形状对氮气击穿性能的影响规律

给出了柱-柱电极与针-板电极情况下常压液氮的击穿电压随电极间隙的实验变化曲线。由图可以看出:在电极间隙相同的情况下，柱-柱电极的击穿电压较针-板电极高很多;柱-柱电极的击穿电压随电极间隙的增大近似直线变高;针-板电极的击穿电压在电极间隙增加到一定值后，提高的非常缓慢。出了柱-柱电极与针-板电极情况下常压液氮的击穿电场强度(kV/mm)随电极间隙的实验变化曲线。由图可以等到如下结论:在电极间隙长度相同的情况下，柱-柱电极的击穿电场强度比针-板电极高很多;柱-柱电极的击穿电场强度随电极间隙的增大近似直线降低;针-板电极的击穿电场强度在电极间隙增加到一定值后，下降得非常缓慢。以上实验结果说明:电极形状对室液氮的击穿电压影响显著，电极间隙的电场越均匀，击穿电压越高;电极距离的增大引发电极间隙电场均匀性变差的，单位长度的耐压强度随长度的增加而降低;液体压力的增高，不同电极的耐压能力都有不同程度的改善。

3结论

液氮广泛用作超导电力装置制冷剂的同时，还肩负着高电压绝缘介质的作用。本文通过实验系统研究了液氮的高电压击穿特性及影响因素，给出了液体击穿电压随电极间隙长度的变化规律;液体压力对氮气击穿特性的影响及变化规律;电极形状以及电场均匀性对氮气击穿电压的影响规律等。

作者：周微微 张京业 戴少涛 施飞 赵连岐 朱志芹 滕玉平 王邦柱 许熙 单位：中国科学院电工研究所 江苏中天科技股份有限公司