±500kV直流復合絕緣子沿串積污特性研究

吳明雷，郗曉光，王永福，楊朝翔，賈志東，陳燦，董艷唯，張春暉

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300022； 2．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

環(huán)境試驗

±500kV直流復合絕緣子沿串積污特性研究

吳明雷1，郗曉光1，王永福1，楊朝翔2，賈志東2，陳燦2，董艷唯1，張春暉1

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300022； 2．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

復合絕緣子的積污特性與瓷絕緣子和玻璃絕緣子有所不同，研究其積污規(guī)律對防止污閃有著重要意義。為此，以3支實際運行后的±500kV直流復合絕緣子為研究對象，系統(tǒng)測量其沿串不同位置的污穢度，用等值鹽密（ESDD）和灰密（NSDD）表征。試驗發(fā)現(xiàn)絕緣子不同傘上下表面的等值鹽密和灰密大多呈現(xiàn)出U形的分布規(guī)律，尤其以等值鹽密的U形分布更為明顯，而且不同傘上下表面污穢U形分布規(guī)律性的強弱有一定差異。討論了積污過程中電場對污穢沉積的作用以及自清洗過程中雨水沖洗的隨機作用，更好地解釋了直流復合絕緣子的沿串積污規(guī)律。

直流復合絕緣子；積污；等值鹽密；灰密；分布規(guī)律；電場

引言

高壓輸電線路的污閃問題是電力系統(tǒng)安全運行的一大威脅，而絕緣子表面積污是發(fā)生污閃的基本前提。因此，研究絕緣子表面的積污特性對防止污閃有著重要意義[1]。我國電力系統(tǒng)早期多用瓷絕緣子和玻璃絕緣子，而復合絕緣子憑其優(yōu)異的耐污性能在現(xiàn)在的電網(wǎng)中被大量使用。但是復合絕緣子有著與瓷、玻璃絕緣子不同的積污特性，所以復合絕緣子積污特性的研究是現(xiàn)代防污閃研究的重要組成部分。

硅橡膠材料不同于傳統(tǒng)的無機材料，在近些年開展了很多對硅橡膠材料積污特性的研究，發(fā)現(xiàn)一般情況下比無機材料積污更重[2]。是否帶電、帶交流電或直流電對復合絕緣子積污有很大影響，試驗發(fā)現(xiàn)帶電絕緣子比不帶電絕緣子積污重很多，一般直流絕緣子比交流絕緣子積污更重[3]。除了對運行絕緣子積污結(jié)果的測量分析，一些學者對絕緣子積污過程進行了分析，主要考慮了重力場、電場、流體場對積污的作用[4]。

綜合上述研究成果可以看出，復合絕緣子在我國的運行經(jīng)驗較少，其積污特性是現(xiàn)在的研究熱點。多項研究結(jié)果均說明電場對絕緣子積污作用明顯，文獻[5]討論了電場作用下絕緣子污穢的沿串分布規(guī)律，但主要為仿真計算、實驗室模擬的測試結(jié)果，欠缺實際運行直流復合絕緣子沿串的污穢測量結(jié)果。本文基于±500kV直流復合絕緣子沿串的等值鹽密和灰密值，分析了不同污穢（對應(yīng)等值鹽密和灰密的污穢“鹽成分”和“灰成分”）在電場下的沉積作用以及絕緣子不同傘受到的雨水沖洗作用，對其不同的沿串分布規(guī)律給出了解釋。

1 絕緣子樣品介紹

進行污穢度測量的3支復合絕緣子都取自實際運行的直流±500kV線路，取樣時間統(tǒng)一為2013年2月，詳細信息見表1。

對絕緣子所處地理位置做了調(diào)研，1#絕緣子在城鎮(zhèn)內(nèi)，周圍有較多的工廠和道路，而2#和3#絕緣子在山區(qū)內(nèi)，周圍植被覆蓋情況良好。

從表2中可以看出3支絕緣子所在地區(qū)的降雨量都比較充沛，尤其是2#絕緣子。結(jié)合取樣時間，調(diào)查了2012年2月至2013年2月的降雨天數(shù)的數(shù)據(jù)，如圖1所示。根據(jù)相關(guān)氣象資料，每年4月至9月為汛期，降雨量可占到全年的80%左右。

表1 試驗絕緣子信息

表2 絕緣子所在地區(qū)年降雨量

從低壓端到高壓端對絕緣子的傘裙單元進行編號（每個大傘和相鄰的中傘、小傘構(gòu)成一個傘裙單元），由第1個傘裙單元開始，1#、2#絕緣子每4個單元測一組污穢度，3#絕緣子每3個單元測一組，一組污穢度包括大、（中）、小傘上下表面的等值鹽密（ESDD）和灰密（NSDD）。污穢度測量嚴格按照標準GB/T 26218.1-2010進行。

2 復合絕緣子污穢度沿串分析

2.1 3#絕緣子等值鹽密和灰密的沿串分布

本文重點研究污穢的沿串分布規(guī)律，污穢度用等值鹽密和灰密表征。因為不同傘形的上表面和下表面在污穢的沉積和自清洗這2個過程中有不同的特點，因此以傘形結(jié)構(gòu)最復雜的3#絕緣子為例，分析了不同傘上下表面的等值鹽密和灰密的沿串分布特征。具體結(jié)果如圖2所示。

自然積污的影響因素很多，積污量有著很大的分散性，相鄰傘裙單元可能出現(xiàn)污穢值相差很大的情況。為了更清楚的表現(xiàn)其沿串規(guī)律，圖中加入二次曲線擬合。

從圖2可以看出：3#絕緣子大、中、小傘上下表面的等值鹽密和灰密大多表現(xiàn)出U形的沿串分布，即污穢重的點更多出現(xiàn)在高壓端和低壓端。

圖1 降雨天數(shù)統(tǒng)計

圖2中二次曲線擬合的結(jié)果多為開口向上的拋物線，表3給出了擬合優(yōu)度R2的結(jié)果。圖2中12條二次曲線擬合的R2都很小，說明污穢的沿串分布不是嚴格的U形，只是表現(xiàn)出U形的大致趨勢。應(yīng)用R2的大小比較沿串的U形趨勢強弱。

從表3可以看出：等值鹽密比灰密表現(xiàn)出更強的U形分布規(guī)律；對于不同傘形，中傘和小傘比大傘表現(xiàn)出更明顯的U形分布；上下表面的區(qū)別在等值鹽密結(jié)果中并不明顯，而灰密下表面比上表面U形分布規(guī)律明顯更強。

2.2 1#和2#絕緣子等值鹽密的沿串分布

上文以3#絕緣子為例分析了不同污穢類型（污穢度測量中表現(xiàn)為等值鹽密和灰密的兩類污穢）、不同傘形對沿串污穢度分布的影響，下面就U形分布規(guī)律更強的等值鹽密，結(jié)合1#和2#絕緣子的試驗結(jié)果，主要分析不同運行環(huán)境對污穢沿串分布的影響。

圖2 3#絕緣子污穢的沿串分布

表3 3#絕緣子不同傘上下表面U形趨勢擬合優(yōu)度

從圖3可以看出，1#和2#絕緣子大傘、小傘上下表面的等值鹽密大多表現(xiàn)出U形的沿串分布。分析表4中擬合優(yōu)度R2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：運行于城鎮(zhèn)地區(qū)的1#絕緣子的小傘比大傘表現(xiàn)出更明顯的U形分布，與3#絕緣子的結(jié)果相同；而2#絕緣子大傘和小傘下表面的U性分布規(guī)律明顯強于上表面，考慮到2#絕緣子所在地區(qū)年降雨量較大，認為這是由強降雨對上表面污穢的隨機性沖洗造成的。

3 討論

分析污穢沉積到復合絕緣子表面的過程，主要受到空氣流場的作用力、電場作用力和重力。而絕緣子污穢度的沿串U形分布主要與電場作用力有關(guān)，尤其對于直流絕緣子，其軸向場強的U形分布是造成沿串污穢U形分布的主要原因。±500kV復合絕緣子的沿串電場仿真見圖4，仿真所選模型為3#絕緣子，1#和2#絕緣子也表現(xiàn)出相同的沿串電場分布規(guī)律。

圖3 1#、2#絕緣子等值鹽密的沿串分布

表4 1#和2#絕緣子不同傘上下表面U形趨勢擬合優(yōu)度

從污穢沉積的角度，具體討論等值鹽密和灰密在沿串分布上的差異。等值鹽密和灰密是在污穢度測試中得出的概念，而實際積污過程中的污穢顆粒很可能既包括等值鹽密的一部分，也包括灰密的一部分。但是在統(tǒng)計上根據(jù)粒徑大小可以對污穢顆粒進行一定的區(qū)分，有研究結(jié)果表明在我國南方地區(qū)對應(yīng)“鹽成分”的Ca2+、Cl-粒徑主要在1.8～10μm，對應(yīng)“灰成分”的SiO2、Al2O3粒徑主要在30～50μm范圍內(nèi)[6]。而污穢顆粒靜電帶電的方式主要有接觸帶電、擴散荷電、場致荷電，在絕緣子周圍的空間內(nèi)，當顆粒粒徑大于2.0μm時，場致荷電起主要作用。因為荷電后的顆粒會出現(xiàn)對離子的排斥電場，所以隨著荷電量增加，排斥電場增大，會出現(xiàn)飽和荷電狀態(tài)[4]。在飽和荷電狀態(tài)下，隨著顆粒粒徑增大，其電荷質(zhì)量比會下降。而且粒徑大的顆粒更容易帶上異種電荷，從而在整體上呈現(xiàn)電中性。綜合以上分析，認為在直流復合絕緣子周圍空間內(nèi)粒徑小的顆粒更容易出現(xiàn)較大的電荷質(zhì)量比，有學者在情況相近的模型試驗和仿真計算中也得出了同樣的結(jié)論[7]。將上述討論應(yīng)用于等值鹽密和灰密的沉積過程分析，認為統(tǒng)計上粒徑更小的污穢“鹽成分”容易出現(xiàn)較大的電荷質(zhì)量比，電場對此類污穢的積污作用更明顯，所以電場的沿串U形分布使等值鹽密表現(xiàn)出較為明顯的U形分布規(guī)律。

圖4 3#絕緣子沿串強場分布

從自清潔的角度，關(guān)注不同傘及同一片傘上下表面，討論污穢沿串分布的差異。絕緣子掛網(wǎng)運行時在雨水和風的作用下會將表面一部分污穢清潔掉，由于風的作用隨機性較強，主要分析雨的沖洗作用。上文中二次曲線的擬合優(yōu)度不高，原因在于污穢沉積和自清洗的隨機性，而雨的沖洗作用是其中比較重要的隨機因素。比較不同傘形，大傘相比于中傘和小傘更容易受到隨機因素作用，1#、3#絕緣子的大傘U形分布規(guī)律較弱；比較上下表面，降雨量大的2#絕緣子上表面U形分布規(guī)律較弱，降雨量小的3#絕緣子上、下表面規(guī)律相似。

因為很難全面分析積污和自清潔過程中的隨機性，只能定性說明等值鹽密的沿串U形分布強于灰密，大傘及強降雨地區(qū)的傘裙上表面U形分布規(guī)律較弱。

4 結(jié)論

1）絕緣子周圍的環(huán)境條件和地區(qū)降雨量對絕緣子積污有很大影響，結(jié)合環(huán)境條件和氣候信息能對污穢度測量結(jié)果進行更有效的分析。

2）由于電場力的作用，直流復合絕緣子的污穢大多呈現(xiàn)U形的沿串分布。

3）等值鹽密的沿串U形分布強于灰密，大傘及強降雨地區(qū)的傘裙上表面U形分布規(guī)律較弱，通過積污和自清洗過程定性解釋了上述結(jié)論。

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Study on the Contamination Distribution Along ±500k VDC Composite Insulator

WU Ming-lei1, XI Xiao-guang1, WANG Yong-fu1, YANG Zhao-xiang2, JIA Zhi-dong2, CHEN Can2DONG Yan-wei1, ZHANG Chun-hui1
（1. State Gr id Tianj in Elect ric Power Research Insti tute, Tianjin 300022;
2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055）

The contamination character istics of composite insulators are different with porcelain and glass insulators and research about its contamination character istics is of great significance to prevent pollution flashover. Thus, three ±500kV DC composite insulators in service were selected for test. The contamination density of different places along the insulators was measured and characterized by ESDD and NSDD. Experimental results indicate that the ESDD and NSDD of upper and lower sur faces of different sheds along the insulators commonly distribute as U-shape, especially for ESDD, and the regularities of different places on the insulators are different. With the discussion about the influence of electric fields in the contamination process and the influence of rainfall in the cleaning process, the regularity of contamination along DC composite insulators is better explained.

DC composite insulator; contamination; ESDD (equivalent salt deposit density); NSDD (non soluble deposit density); distribution regularity; electric field

TM216

A

1004-7204（2014）03-0006-05

項目：特高壓工程技術(shù)（昆明、廣州）國家工程實驗室開放基金

吳明雷，1982年2月出生，男，畢業(yè)于山東大學高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，研究生，工程師，現(xiàn)從事輸電線路及外絕緣專業(yè)工作。