影響絕緣子污閃電壓因素的分析

汪 洋，王志明

（國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

影響絕緣子污閃電壓因素的分析

汪 洋，王志明

（國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

總結了影響絕緣子污閃電壓的主要因素，并結合污閃發展過程和機理，分析絕緣子等值鹽、灰密度，交、直流電壓，絕緣子結構，氣壓，氣象條件，不均勻積污等因素在污閃發展各階段對污閃造成的影響，為分析輸電線路污閃事故原因提供參考，以便改進防污閃措施，合理地選擇輸電線路外絕緣配置。

輸電線路；絕緣子；等值鹽密度；污閃電壓

0　引言

多年來，國內外學者對絕緣子污閃機理進行了大量研究，沿絕緣子表面發生的污閃過程已基本形成統一的觀點。從宏觀上可以將污閃劃分為“絕緣子表面積污—污穢受潮濕潤—干帶形成及局部放電—電弧發展直至閃絡”4個階段，氣象環境、絕緣子本身結構以及電壓性質等因素都會對這個過程產生影響。

正是由于絕緣子污閃過程的復雜性，加之影響絕緣子污閃的各個因素之間又相互關聯，造成了對發生污閃的原因分析不夠全面。許多學者從1個角度研究了單一因素對絕緣子污閃的影響，成果豐碩。目前，主要研究方向包括鹽、灰密度與絕緣子污閃電壓的關系，交、直流電壓下絕緣子污閃特性，高海拔地區絕緣子污閃特性，絕緣子結構對污閃的影響，氣象環境對污閃的影響，不均勻積污對污閃的影響等。

1　影響絕緣子污閃電壓的因素分析

1.1鹽、灰密度對絕緣子污閃的影響

1.1.1鹽、灰密度與污閃電壓的關系

測量絕緣子表面等值鹽密度和等值灰密度是被廣泛采用的用來表征絕緣子表面污穢程度的方法。等值鹽密度是用來反映絕緣子表面可溶于水的導電污穢物參數，等值灰密度是用來反應絕緣子表面不溶于水的惰性污穢物參數。等值鹽密度和等值灰密度主要與絕緣子所處的污穢環境有關，例如沙漠及長期干旱地區，絕緣子表面的污穢物以不溶于水的惰性物質為主，灰密度較高；沿海地區，絕緣子表面的污穢物以高可溶性的速溶鹽為主，鹽密度較高。

等值鹽密度和等值灰密度是用來劃分環境污穢等級的重要參考數據，而污穢等級的劃分又是外絕緣配置選擇的重要參考數據。等值鹽密度和等值灰密度屬于一個中間媒介，它將環境污染程度與絕緣子的污閃電壓聯系起來。大量的研究表明，污閃電壓隨絕緣子表面等值鹽密度和等值灰密度的增大而降低，呈冪指函數關系，它們之間的關系可表示為：

式中，Uf表示污閃電壓，kV；A，B代表與絕緣子自身參數有關的系數；ESDD，NSDD分別為等值鹽密度和等值灰密度，mg/cm2；a，b表示特征指數。圖1為絕緣子等值鹽、灰密度與污閃電壓關系曲線。

1.1.2等值鹽、灰密度與泄漏電流在污閃過程中的影響

等值鹽、灰密度和泄漏電流都是表征絕緣子表面污穢程度的參數，兩者的主要區別是：等值鹽、灰密度是靜態檢測，泄漏電流是動態監測。測量等值鹽、灰密度最大的優點是對設備技術條件要求不高，適合運維單位廣泛應用，缺點是不能動態地反映運行時絕緣子受潮及電壓作用下的污穢變化；泄漏電流被認為是最能反應污穢度的參數，缺點是監測難度較大，對監測設備要求高，難以廣泛應用。

等值鹽、灰密度反映了絕緣子表面的污穢程度，污穢度是引起泄漏電流變化的最根本原因，而泄漏電流的增大是導致污閃發展過程中干帶形成的最直接原因。也就是說，等值鹽、灰密度在整個污閃過程中只是作為一個轉換參數，定量地反映出污穢程度，而泄漏電流則是污閃發展過程中的一部分，它的增大或減小直接關系到污閃能否進入下一個階段——干帶形成及局部放電。

圖1　LXY4-160型絕緣子鹽、灰密度與污閃電壓關系曲線

1.2電壓性質對污閃的影響

1.2.1交、直流電壓污染特性

電壓性質對污閃的影響主要體現在2個階段，一是絕緣子的積污階段；二是電弧發展階段。

絕緣子積污階段，其周邊環境中的微粒受到以風力為主、重力和電場力為輔的3個力的作用。在交流電場中，由于電場呈周期變化，電場力方向也時刻變化，固體微粒振蕩運動。在直流電場中，固體微粒可帶電，容易吸附在絕緣子表面上，且直流電場恒定，固體微粒朝著固定電場力方向運動。因此，相較于交流電壓下的絕緣子，直流電壓下的絕緣子更易積污，發生污閃的概率更大。

電弧發展階段，由于交流電壓存在過零點，電弧發展可分為2類，一類是存在明顯的熄燃過程；另一類是作強弱周期變化。但是不管是哪一類，交流電壓下，電弧發展呈現出不可持續性。在直流電壓下，一點發生擊穿，形成電弧，由于直流電流的恒定性，直流電弧難以熄滅，發展速度快，且易發生飄弧現象。所以，相較于交流污閃電壓，直流污閃電壓更低。

1.2.2直流電壓正負極性污閃特性

直流線路正、負極污閃特性的區別，主要是正、負電弧極性效應的區別。正極性電弧沿絕緣子表面放電的過程，形成大量的自由電子和正離子。大量的自由電子迅速向正電極移動，而正離子移動速度相對緩慢，堆積在正電極周圍，正電極周圍聚集大量電荷，電場強度進一步增強，促進了正極性電弧的發展。在負極性電弧沿絕緣子表面的放電過程中，自由電子迅速向外移動，但正離子向負電極聚集速度緩慢，減弱了負極性周圍電場強度，使得負極性電弧發展緩慢。

上述正、負電弧特性描述只是針對單電弧而言，實際運行中，需要對整串絕緣子的電弧特性進行分析。在懸式絕緣子串中，每片絕緣子的上、下表面引發的電弧極性是不同的，在負極性電壓下，絕緣子上表面為正極性電弧，下表面為負極性電弧，正極性電壓下與之相反。絕緣子上、下表面的正、負極性電弧串聯，導致在絕緣子串中的電弧極性發展的差異不明顯。但是，正極性電弧在絕緣子表面會產生潔凈區，導致處于上表面的正極性電弧更易發生飄弧作用，使其脫離絕緣子表面，引發傘間橋接，減小了爬電距離的利用率；而由于處于懸垂串絕緣子下表面正極性電弧的飄弧作用，及懸式絕緣子的垂直排列方式，使其緊貼絕緣子下表面，反而導致其爬電距離得到充分利用。綜上考慮，在懸垂絕緣子串中，負極性污閃電壓要小于正極性污閃電壓。圖2、圖3分別為負、正極性污閃初期電弧分布示例。

圖2　負極性污閃初期電弧分布

圖3　正極性污閃初期電弧分布

1.3絕緣子結構對污閃的影響

目前，絕緣子的爬電距離是在污穢區選擇使用絕緣子的主要參數，但是根據以往的運行經驗，在爬電距離大于污穢等級要求的情況下，依然會發生污閃事故。造成這種現象的原因，一方面是對污穢等級評估、劃分以及其與爬電距離之間的關系還有待進一步完善；另一方面是絕緣子發生污閃不僅僅與其爬電距離有關，可以肯定的是，在絕緣子結構高度確定的情況下，爬電距離與污閃電壓并非是線性關系。

通過對幾組爬電距離近似，傘裙布置不同的復合絕緣子進行污閃試驗，結果表明，結構越簡單的絕緣子，污閃電壓越高。通過對幾種不同傘型結構的復合絕緣子的電壓分布進行仿真試驗，結果表明，等徑傘裙的絕緣子電壓分布較均勻。絕緣子結構越簡單，電場分布就越均勻。在污閃過程中，當泄漏電流導致干帶形成后，電場分布越均勻，電流就越難以沿絕緣子表面發生擊穿而形成電弧；反之，絕緣子結構越復雜，電場分布越不均勻，越容易導致泄漏電流發生擊穿，跨干區形成電弧，導致污閃的發生。

1.4氣壓對絕緣子污閃的影響

1.4.1氣壓與污閃電壓的關系

我國幅員遼闊，地勢東低西高，西電東送工程大量輸電線路要穿越高海拔地區。因高海拔地區環境相對惡劣，空氣稀薄、氣壓低、晝夜溫差大，傳統的輸電線路外絕緣配置標準不適用于該地區。對高海拔地區絕緣子放電特性研究有助于線路運維單位選擇合適的絕緣配置，降低污閃事故的發生。

國內大量研究表明，高海拔地區絕緣子的放電特性主要受大氣壓的影響，研究高海拔地區絕緣子放電特性本質就是研究低氣壓下絕緣子的放電特性。普遍結論認為：隨氣壓降低，染污絕緣子的直流和交流閃絡電壓都會降低，污閃電壓U與氣壓P之間呈非線性關系，可以用下式表示：

式中P0為海拔為0時的標準大氣壓，MPa；U0為標準大氣壓P0時的絕緣子污閃電壓，kV；n為反映氣壓對于污閃電壓影響程度的下降指數。

1.4.2氣壓變化對電弧發展的影響

污閃電壓隨氣壓下降的機理，可以從低氣壓下電弧發展特性的角度來解釋。低氣壓條件下空氣稀薄，密度低，導熱能力下降，電弧產生的熱量難以及時散發，促進了電弧的發展，使得低氣壓下電弧的弧柱直徑增大，導致污層表面局部電弧的伏安特性呈現下降趨勢。國外學者對直流電弧在不同氣壓條件的伏安特性進行了測試，結果表明不同氣壓下直流電弧的伏安特性可表示為：

式中E為單位長度電弧電壓，I為電弧電流，A為污層表面的電弧常數，n為系數。日本學者對污層表面電弧常數A進行的研究表明，隨著氣壓降低，電弧常數A會減小。系數n主要與絕緣子結構有關，前蘇聯學者的研究表明，隨著氣壓的降低，形狀結構越復雜的絕緣子，n值相對較高，即電氣強度下降越嚴重，這主要是在低氣壓下直流電弧更容易發生飄弧，在傘棱間發生閃絡的概率更大。

研究表明，低氣壓對交流電壓污閃的影響要比直流電壓污閃更大，其原因可以概括為：低氣壓不僅促進了交流電弧的發展，也促進了交流電弧的復燃過程；而對直流電弧而言，它不存在復燃過程，低氣壓只是促進了直流電弧的發展過程。

1.5溫度對絕緣子污閃電壓的影響

環境溫度對絕緣子污閃電壓的影響主要體現在對絕緣子材質的影響。由于電瓷和玻璃絕緣子的絕緣部件是無機材料，其材料中的原子由離子鍵結合在一起，正負離子產生的靜電吸引力使它們具備優異的化學穩定性，因此環境溫度對電瓷和玻璃絕緣子影響不大。復合絕緣子的絕緣部件主要由有機材料組成，目前復合絕緣子的傘裙主要采用高溫SiS2材料，其材料中的分子通過共享電子形成共用電子對，才能形成化合物，這導致分子的結合力較弱，容易受環境因素影響，這也是復合絕緣子抗老化能力較弱的主要原因。因此，環境溫度變化主要對復合絕緣子產生影響，而溫度變化對復合絕緣子污閃特性的影響主要反映在對憎水遷移性的影響。

復合絕緣子材料的憎水遷移性隨溫度升高，遷移速度加快，耐污閃能力得到提升。但是從另一方面來看，溫度升高加速了硅氧烷分子的遷移，同時也加速了硅橡膠材料表面硅氧烷分子的流失，即加快了硅橡膠材料的老化。

1.6不均勻積污對絕緣子污閃的影響

1.6.1絕緣子污穢分布特性

絕緣子在自然積污條件下，其污穢分布存在不均勻現象，具體可從3個角度分析。

（1） 沿串分布不均，整串絕緣子污穢量分布呈“U”型，即絕緣串兩頭污穢度較中間部分大，這與絕緣子串的電壓分布類似，也就是說絕緣子串電場分布特性造成了其積污量的分布特性。

（2） 絕緣子上下表面污穢分布不均，這既與絕緣子結構有關，也受自然因素影響。以鐘罩型絕緣子為例，其下表面深棱結構導致其自潔性能較差，下表面積污量大于上表面，同時在自然條件下，受風雨影響，絕緣子上表面清洗情況要好于下表面，導致上表面積污量小于下表面。

（3） 絕緣子扇面污穢分布不均，造成這種現象的主要原因是受自然風向的影響，即絕緣子迎風面更易受到風力清掃，導致其積污量小于背風面。

1.6.2不均勻積污與污閃發展的關聯

不均勻積污是導致干帶形成的條件之一。由于絕緣子的積污量不均勻，導致了絕緣子各部位的泄漏電流大小不一。積污量大的部位，導電率高，泄漏電流大，電流熱效應明顯，最先形成干帶，當干帶兩端的電壓滿足擊穿條件時，就會形成跨干帶的電弧。

大量的研究表明，絕緣子污閃電壓隨著上下表面不均勻積污T/B值（T代表上表面污穢度，B代表下表面污穢度）的增大而減小，且不均勻積污對直流電壓污閃的影響明顯大于交流電壓污閃。美國EPRI提出絕緣子上下表面積污不均勻分布對直流污閃電壓影響的修正公式為：

式中：K為系數。

2　結論

綜上所述，不難看出，影響絕緣子污閃的各個因素之間也存在相互影響，如絕緣子結構與其不均勻積污也有很大關聯，而且也反映到絕緣子鹽、灰密度上。由此可見，絕緣子污閃過程是復雜的，最終導致污閃發生的原因是多重因素共同作用的結果。在污閃事故的分析過程中，要結合多重因素對污閃的發生進行綜合分析，這樣才能采取有效措施防止類似事故的發生。

在采取防污閃措施時，要多管齊下，一方面要提升設備自身的耐污閃能力，主要方式包括對絕緣子進行合成化改造、更換大爬距空氣動力型防污閃絕緣子等；另一方面也要加強對絕緣子的監測，包括鹽密度的監測、泄漏電流的在線監測、紅外紫外絕緣子檢測以及零值絕緣子測量等，其目的是時刻關注運行絕緣子的染污變化，以便及時優化外絕緣配置。

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2015-09-10；

2016-03-04。

汪 洋（1988-），男，工程師，主要從事輸電線路運維檢修工作，email：2355315353@qq.com。

王志明（1972-），男，高級工程師，主要從事輸電線路運維檢修工作。