霧霾環境下微細導電顆粒誘發復合絕緣子沿面放電特征

劉勇，張迪，杜伯學，劉寶成（.天津大學電氣與自動化工程學院，天津30007；.天津市電力公司電力科學研究院，天津3000）

霧霾環境下微細導電顆粒誘發復合絕緣子沿面放電特征

劉勇1，張迪1，杜伯學1，劉寶成2
（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.天津市電力公司電力科學研究院，天津300022）

針對當前霧霾大氣環境對輸變電設備外絕緣運行可靠性的影響，在實驗室條件下采用微米級鐵粉模擬霧霾中微細導電顆粒，研究交流電壓下鐵粉顆粒直徑、含量以及位置對復合絕緣子沿面放電特征的影響，運用高速攝像機觀察分析沿面閃絡過程中導電顆粒物動態變化及其誘發的沿面放電現象，獲取電暈放電、電暈和沿面流注放電共存、沿面流注放電3個主要階段的放電特征，建立了閃絡電壓、放電發光亮度與導電顆粒物粒徑、含量與位置的變化規律。研究結果有助于掌握霧霾環境下絕緣子放電機理，對提高污染新形勢下電力系統外絕緣可靠性具有重要意義。

復合絕緣子；霧霾環境；微細導電顆粒物；沿面放電；沿面閃絡

絕緣子在電力系統中發揮電氣絕緣與機械連接的雙重作用，是輸變電設備的重要組成部分[1-4]。目前掛網運行的絕緣子依據主體絕緣材料的不同主要有3種類型：陶瓷、玻璃與復合絕緣子，其中復合絕緣子以其耐污性能好、重量輕等優點得到了日益廣泛的應用，特別是在超、特高壓輸電線路中，大量使用了復合絕緣子[5-7]。然而，隨著人類工農業的發展和自然環境的惡化，礦粉、煤粉、金屬粉塵和水泥等不斷懸浮于大氣，導致空氣細微顆粒物的污染狀況逐年加劇，大范圍持續性霧霾天氣不斷發生，造成了電力系統的安全可靠運行新的染污形式[8-10]。

當粒徑不同的飄塵隨空氣漂浮在電氣設備的周圍時，會以碰撞、擴散和沉積等方式滯留在電氣設備的不同部位。滯留在設備背風側的飄塵，不但會腐蝕設備金屬表面，而且會由于持續不斷地作用而導致絕緣子表面形成連續的飄塵鏈，并逐步發展成通道，引發局部放電與電弧。飄塵在大氣污染物中還起到載體作用，累積到一定程度時，就不可避免地發生空氣放電。雖然國內外研究人員針對大氣中顆粒物染污絕緣子引發的放電、絕緣問題開展了一些研究，但所模擬的污染物多為尺寸較大的有機、無機以及金屬顆粒，對于霧霾天氣下微細（粒徑μm級）的顆粒物對絕緣子絕緣特性影響仍鮮有研究[11-16]。因此，開展微細顆粒物對電力系統外絕緣運行影響的研究工作，對防止輸變電設備在新型霧霾染污形式下發生閃絡事故，保障電力系統安全可靠運行具有重要的理論意義與工程價值。

1 霧霾典型組分分析

圖1為霧霾環境的典型大氣組合（以北京地區為例），其重要來源與比例分別為：土壤塵15%，燃煤18%，生物質燃燒12%，汽車尾氣與垃圾焚燒4%，工業污染25%和二次無機氣溶膠26%（一般由汽車尾氣和燃煤排放物等轉化而來）。其本質就是細微顆粒物污染，高濃度細顆粒物是霧霾天氣污染的主要誘因與重要指標，根據粒徑大小和沉降速度可分為3類：①總懸浮顆粒物TSP（粒徑＜l00 μm），即分散在大氣中的顆粒物的總稱；②PM10，即空氣動力學直徑小于10μm的懸浮顆粒物；③PM2.5，即空氣動力學直徑小于2.5μm的懸浮顆粒物。用電鏡檢測發現，在飄塵顆粒表面富含有鎳、鉻、鋅等金屬元素，并以顆粒狀態存在于大氣中。

圖1 霧霾主要組分（北京地區）Fig.1 Ingredients offog-haze environment（Beijing area）

本文在實驗室條件下采用微米級粒徑的鐵粉模擬霧霾環境下導電細微顆粒物，以平板復合絕緣子為試樣，將不同粒徑的微細導電顆粒按照不同位置與含量分布在試樣表面，在常溫常壓實驗環境中采用勻速升壓法在試樣表面施加交流電壓直至發生閃絡，并通過高速攝像機記錄閃絡過程中表面微細顆粒物的動態變化過程及其誘發放電的特征，建立閃絡電壓與沿面放電光學特征隨微細顆粒物參數的變化規律，揭示霧霾環境下細微顆粒物對復合絕緣子沿面放電的影響機理。

2 實驗過程與方法

2.1 實驗試樣

圖2為實驗采用的試樣與電極結構示意。實驗試樣為RTV硅橡膠復合絕緣子，取自未投入運行的復合絕緣子制成平板試樣，其尺寸為50 mm× 30 mm×5 mm，如圖2（a）所示；實驗電極為“平板-平板”不銹鋼電極，由電極和絕緣支架兩部分組成，如圖2（b）所示，絕緣支架采用環氧樹脂絕緣材料，通過連接螺栓把電極和試樣固定在一起，采用彈簧通過機械緊壓方式把電極固定在試樣表面，左側電極接地，右側電極接高壓電源，電極間隙為30 mm。實驗前將制備好的試樣表面用無水乙醇擦拭，然后在干燥容器內室溫干燥24 h。

圖2 實驗試樣與電極結構Fig.2 Experimentalspecimen and electrode pattern

2.2 實驗裝置與方法

實驗電源的額定容量為100 kV·A，輸出電壓為0～100 kV，經過100 kΩ的水電阻接入高壓電極。將微細鐵粉分別均勻置于地電極側（0 mm）、1/4位置（7.5 mm）處、中間位置（15 mm）、3/4位置（22.5mm）以及高壓側（30 mm），鐵粉的粒徑分別為38 μm（400目）、32μm（500目）、28μm（600目）和24 μm（700目），鐵粉質量10、20、30、40和50 mg。采用勻速升壓法在試樣上施加交流電壓，升壓速率為1.0 kV/s，待試樣發生沿面閃絡時，此時施加的電壓值記為閃絡電壓。每個條件下實驗重復10次，閃絡電壓取為10次電壓的平均值。為觀察分析加壓過程中試樣表面微細顆粒的動態變化及其引發的沿面放電、閃絡過程與特征，所有實驗均在暗室中開展，以便降低周圍環境光源對放電光學檢測的干擾，并采用5 000幀/s的高速攝像機對實驗過程進行記錄，進而通過圖像特征提取技術建立放電可見光特征與微細鐵粉參數的對應關系，揭示微細導電顆粒誘發絕緣子沿面放電、閃絡過程及機理。

3 放電可見光特征提取

電氣設備中產生的放電現象是一個引起空氣分子電離，帶電質點中和、復合的過程，通常伴有電、光、聲等特征的出現。本文通過高速攝像機記錄微細導電顆粒誘發絕緣子沿面放電的可見光特征，通過Matlab軟件將獲取的三維全彩色圖像轉變成一維矩陣的灰度圖，其像素值在0～255之間且與放電可見光亮度相對應，0表征未發生放電以及實驗背景的像素值，255表征試樣表面發生了最強烈放電的像素值，像素值從0到255的變化表征了沿面放電強度逐漸增強，故通過對放電圖像亮度特征進行分析可以反映沿面放電情況[17]，其計算方法為

式中：S為灰度值總和；I（i，j）為放電灰度圖像中第i行第j列的像素點的灰度值。

通過提取放電灰度圖像的灰度值總和，能夠定量反映出該時刻下絕緣子沿面放電強度。灰度值總和越大表明放電電弧發光越劇烈，放電強度越大。

4 結果與討論

4.1 沿面放電、閃絡過程分析

圖2為微細顆粒置于地電極側（0 mm）、含量為30 mg、粒徑為38μm時，試樣的沿面放電閃絡過程及其特征分析。

當復合絕緣子表面存在微細導電顆粒物時，在外加交流電壓作用下，微細導電顆粒物在交變電場作用下附著在試樣表面運動，并吸附一定的電荷形成帶電體，形成大量表面電荷，改變了表面電場分布并引發局部電場畸變產生局部放電，隨著電壓的升高，局部電弧進一步延伸發展，進而形成貫穿兩極的電弧放電，引發沿面閃絡，如圖3（a）所示，其過程可以按照放電現象分為4個階段：起始階段，即電暈放電階段；發展階段，即電暈放電和沿面流注放電共存階段；臨閃階段和閃絡階段。各個放電階段的現象及特征如下。

（1）起始階段：如圖3中a1所示，絕緣子表面放電通道尚未明顯形成，主要呈現電暈放電特征。放電主要為表面金屬顆粒端部對空氣的電暈放電以及對絕緣子表面的電暈放電。放電次數少，強度較弱，放電產生的可見光較少，亮度較弱。

（2）發展階段：如圖3中a2所示，沿面放電通道開始逐漸形成，出現較為明顯的爬電現象，放電主要呈現在表面金屬顆粒端部電暈放電和絕緣子沿面流注放電共存的特征。放電逐漸增強，產生的可見光較多，亮度較強。

（3）臨閃階段：如圖3中a3所示，隨著電壓的進一步升高，放電通道逐漸增長，爬電電弧增長，放電面積增大，主要呈現沿面流注放電特征，放電可見光增多，亮度進一步加強。

（4）閃絡階段：如圖3中a4所示，隨著爬電電弧的進一步增長，最終形成了貫穿性放電通道，引發沿面閃絡。

與沿面閃絡過程相對應，得出了放電發展各個階段與放電發光亮度的對應關系，如圖3（b）所示。從圖中可知，隨著放電過程的發展，放電發光亮度顯著增強，特別是在臨閃與閃絡階段，放電發光亮度出現突變與突增。

4.2 微細顆粒位置對沿面閃絡的影響

在微細鐵粉粒徑38μm時，不同微細顆粒物含量下，顆粒物位置對絕緣子沿面閃絡電壓的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨著顆粒物位置從地電極側向高壓電極側變化，閃絡電壓呈現先增大后減小的變化趨勢，在中間位置時出現最大值。

當微細顆粒置于兩側電極時，由于顆粒物自身的導電特性，可以等效為電極，從而縮短了電極間隙，增強了絕緣子沿面電場強度，導致陰極場致發射電子以及電子與空氣碰撞電離較容易發生，從而在較低的電壓下發生沿面閃絡，同時由于微細導電顆粒物在地電極時能夠有效吸附且阻止電子在電場下的加速移動，從而導致微細顆粒物在地電極側時的閃絡電壓高于其在高壓電極側時的閃絡電壓。

圖3 微細顆粒置于地電極側（0 mm）、含量30 mg、粒徑38 μm時試樣的沿面放電閃絡過程及其特征分析Fig.3 Process and characteristics analysis of surface flashover with the fine particles placed at the grounded electrode，content of 30 mg and size of 38μm

圖4 粒徑38μm時，不同顆粒物含量下試樣沿面閃絡電壓與微細顆粒物位置的關系Fig.4 Relationship between surface flashover voltage and position offine particle with the size of38μm under differentcontents

在微細顆粒物含量50 mg、粒徑38μm時，微細顆粒物位置對沿面閃絡各個階段放電發光亮度的影響如圖5所示。雖然顆粒物置于不同位置時沿面放電發光亮度隨著閃絡發展階段呈現顯著增大的趨勢，但是在起始和發展階段，顆粒物位置對放電發光亮度影響較小，主要因為在這兩個階段放電主要為電暈放電與微小流注放電共存狀態，放電發光亮度較弱，變化相對較小。在臨閃與閃絡階段，放電電弧增強，發光亮度增大，顆粒物位置的影響較為明顯，顆粒物在高壓側時較易引發沿面閃絡，放電發光亮度較小。

圖5 微細顆粒物含量50 mg、粒徑38μm時，試樣沿面閃絡過程中發光亮度與微細顆粒物位置的關系Fig.5 Relationship between light intensity emitted by surface discharge and position of fine particle with contentof50 mg and the size of38μm under differentprocesses

圖6 粒徑38μm時，不同顆粒物位置下試樣沿面閃絡電壓與微細顆粒物含量的關系Fig.6 Relationship between surface flashover voltage and contentoffine particle with the size of38μm under different positions

圖7 微細顆粒物粒徑38μm、置于中間位置時，試樣沿面閃絡發光亮度與微細顆粒物含量的關系Fig.7 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and contentoffine particle with the size of38μm at the middle position

4.3 微細顆粒含量對沿面閃絡的影響

在微細鐵粉粒徑38μm時，不同微細顆粒物位置下，顆粒物含量對絕緣子沿面閃絡電壓的影響如圖6所示。隨著顆粒物含量的增大，閃絡電壓逐漸減小，主要是由于顆粒物含量越多導致絕緣子表面電場發生畸變的程度越強，表面電場分布越不均勻，導致閃絡電壓顯著下降。

在微細顆粒物粒徑38μm、置于中間位置時，微細顆粒物含量對沿面閃絡發光亮度的影響如圖7所示。隨著顆粒物含量的增加，閃絡發光亮度增大，主要是顆粒物含量越多引發的局部場強集中較為明顯，局部放電電弧增多，放電亮度較高。

4.4 微細顆粒粒徑對沿面閃絡的影響

在微細鐵粉含量30 mg時，不同微細顆粒物位置下，顆粒物粒徑對絕緣子沿面閃絡電壓的影響如圖8所示。隨著顆粒物粒徑的增大，沿面閃絡電壓呈現增大的趨勢。由于較大粒徑的顆粒物對電子從電極中逸出以及遷移的阻礙作用較大，需要較高的電場強度引發沿面閃絡。圖9為微細顆粒物含量30 mg、置于高壓電極側時，微細顆粒物粒徑對沿面閃絡發光亮度的影響。隨著顆粒物粒徑的增大，沿面閃絡發光強度減弱。

圖8 微細顆粒含量30 mg時，不同位置下試樣沿面閃絡電壓與微細顆粒物粒徑的關系Fig.8 Relationship between surface flashover voltage and size offine particle with the content of 30 mg under differentpositions

圖9 微細顆粒含量30 mg時，置于高壓電極側時，沿面閃絡發光亮度與微細顆粒物粒徑的關系Fig.9 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and size offine particle with the contentof30 mg atthe HV-electrode position

5 結論

（1）微細導電顆粒在絕緣表面引發的閃絡過程主要呈現電暈放電、電暈放電和沿面流注放電共存、沿面流注放電3個階段。

（2）隨著微細導電顆粒從地電極側向高壓電極側變化，沿面閃絡電壓呈現先增大后減小的變化趨勢，在中間位置時出現最大值，并且在地電極側時的閃絡電壓高于高壓電極側的閃絡電壓。

（3）隨著微細導電顆粒物含量的增加，沿面閃絡電壓呈現明顯的下降趨勢，放電發光亮度增強。

（4）隨著微細導電顆粒物粒徑的減小，沿面閃絡電壓呈現減小的趨勢，放電發光亮度變強。

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Surface Discharge Characteristics Induced by Fine Conductive Particles on Polymer Insulator in Fog-haze Environment

LIU Yong1，ZHANG Di1，DU Boxue1，LIU Baocheng2
（1.SchoolofElectricalEngineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Electric Power Science and Research Institute，Tianjin 300022，China）

The frequent occurence of fog-haze weather is becoming one of hazard conditions to affect the insulation reliability of outdoor insulator in electrical devices.In this paper，concentrating on the influence of fine conductive particles in the fog-haze environmenton the insulation characteristics ofoutdoor insulator，the iron powders atdifferent micro sizes are selected to simulate different sized fine conductive particles.Effects of the fine particle parameters，including particle sizes，contents and relative locations，on surface discharge characteristics of polymer insulator are investigated under AC high voltage.During the whole experimental process，both the dynamic morphology of fine particles and the induced discharge phenomena on the insulator surface are captured via a high-speed camera.It is indicated thatthe process of surface discharges triggered by fine conductive particles on polymer insulators is mainly divided into three stages，which are corona discharges，coexistence of corona discharges，and streamer discharges. And the relationship among surface flashover voltage，discharge light intensity and the size，content and relative location of conductive particles can be obtained.The results are beneficial to further investigation on flashover mechanism of outdoor insulator under fog-haze conditions，which can enhance the operating reliability of outdoor insulator in powersystem with new contaminated conditions.

polymerinsulator；fog-haze environment；fine conductive particle；surface discharge；surface flashover

TM615

A

1003-8930（2015）03-0048-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.09

劉勇（1980—），男，博士，講師，研究方向為輸變電設備外絕緣狀態檢測與評估。Email：tjuliuyong@tju.edu.cn

2014-09-17；

2014-10-09

張迪（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統外絕緣狀態評估。Email：178286676@qq.com

杜伯學（1961—），男，博士，教授，研究方向為高電壓與絕緣技術。Email：duboxue@126.com