自然積污絕緣子表面污穢分布特性研究

王勝輝，劉鵬，謝堂文，汪兆奇，戴輝

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003；2.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830000）

0 引 言

絕緣子是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電氣元件之一，線路中的絕緣子一般處于室外，受環(huán)境影響較大。但近幾年京津冀地帶及新疆烏魯木齊市在冬季出現(xiàn)大范圍的霧霾現(xiàn)象，春季也會出現(xiàn)不同程度的沙塵天氣，致使戶外絕緣子表面積污嚴(yán)重，當(dāng)遇到雨、霧及化雪天時絕緣子表面易發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，絕緣子污閃電壓不僅受現(xiàn)場污穢度影響，而且絕緣子的材質(zhì)，結(jié)構(gòu)，污穢的分布等亦具有不可忽略的影響，當(dāng)絕緣子上下表面鹽密比為1：5時其污閃電壓比 1：1時提高 30%［1］，單片 XP-70瓷絕緣子在飽和濕度下表面污穢分布不均勻度的增大會減小表面泄漏電流［2］，文獻(xiàn)［3］經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)XP-160瓷絕緣子串上下表面污穢分布不均度越大，其污閃電壓越大。但上述研究均以人工污穢為基礎(chǔ)，與自然積污仍有一定的偏差，不能真實(shí)反映自然污穢特性，并且區(qū)域性對絕緣子表面積污也有一定影響，因此本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)及仿真研究了不同類型絕緣子的自然積污的污穢分布特性。

本研究所用的絕緣子為35 kV玻璃和瓷懸式絕緣子，110 kV復(fù)合絕緣子。三種絕緣子原運(yùn)行于保定某220 kV變電站多年，表面污穢源主要為空氣中灰塵、鹽分及郊區(qū)工廠排放的粉塵。實(shí)驗(yàn)采樣時間在冬末春初，采樣前無雨雪，采樣時對絕緣子各個傘裙表面污穢進(jìn)行采樣，為研究其積污特性，實(shí)驗(yàn)對絕緣子上表面及下表面分別測量鹽密及灰密，并對結(jié)果進(jìn)行了表、圖處理及分析。此外，本文運(yùn)用ANSYS對玻璃及瓷絕緣子在不同鹽密分布下的電場及電流密度進(jìn)行了仿真分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究發(fā)現(xiàn)，鹽密一定時，絕緣子閃絡(luò)電壓與灰密呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，并且絕緣子的污閃電壓最低值出現(xiàn)在灰密為 1 mg/cm2～2 mg/cm2時［4-6］，此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灰密不同可導(dǎo)致污區(qū)等級相差3個等級［7］，因此對積污特性影響不能忽略灰密的影響。本文實(shí)驗(yàn)采用等值鹽密法和灰密測量研究絕緣子表面的污穢特性。污穢收集方法本文按照國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 152-2006《電力系統(tǒng)污區(qū)分級與外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定進(jìn)行采樣。

1.1 等值鹽密的測量

現(xiàn)場測量鹽密使用工具如表1所示。

表1 鹽密測量工具Tab.1 Salt density measurement tools

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擦拭法采集污穢，具體步驟如下：

（1）規(guī)定普通型絕緣子所用蒸餾水水量為300 ml，在燒杯中取大概300 m l蒸餾水，將脫脂棉浸入蒸餾水中；

（2）分別從絕緣子的上下表面用鑷子夾著脫脂棉擦洗污穢物；

（3）帶有污穢物的脫脂棉放回?zé)校瑪D壓使污穢溶于水中；

（4）重復(fù)擦洗，直至絕緣子表面無殘留污穢，對于沾粘的污穢再用小刀將其刮下，放入溶液中，中間無擦洗液損失，清洗完絕緣子后將得到的清洗液攪拌均勻測其等值鹽密。實(shí)驗(yàn)所用ZDYM-II型直讀式等值鹽密儀可以測出溶液的電導(dǎo)率以及20°以下等值鹽密。

1.2 等值灰密的測量方法

等值灰密測量所使用的工具見表2。

表2 灰密測量工具Tab.2 NSDD measurement tools

首先對過濾紙稱重，重量M1；將測試等值鹽密后的污穢溶液用漏斗濾紙過濾，再將濾紙和殘?jiān)娓珊蠓Q重得到M2，記錄數(shù)據(jù)；最后依照式（2）計(jì)算出灰密 NSDD（mg/cm2）為：

式中A為清理絕緣子的面積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 玻璃絕緣子

論文使用的玻璃絕緣子串由三片絕緣子構(gòu)成，由低壓到高壓依次編號為1、2、3號，得到的鹽密與灰密計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 玻璃絕緣子串鹽密結(jié)果Tab.3 Glass insulator string salt density results

表4 玻璃絕緣子串灰密結(jié)果Tab.4 Glass insulator string NSDD results

對表3及表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到絕緣子上下表面等值鹽密及灰密分布圖，如圖1所示。

圖1 玻璃絕緣子鹽密、灰密、灰鹽比分布圖Fig.1 Comparison chart of glass insulators ESDD，NSDD and their ratio

由圖1可以得出玻璃絕緣子串中1號絕緣子上表面鹽密和灰密均遠(yuǎn)小于其他片，此外，三片絕緣子下表面的鹽密與灰密值相近。從圖1（c）看出下表面的灰鹽比遠(yuǎn)小于上表面，其灰密與鹽密最大比值為11左右。

2.2 XWP2-70瓷絕緣子

XWP2-70為雙傘瓷絕緣子，同樣從低壓到高壓依次編號為1號、2號和3號。每片絕緣子分為上、中、下三部分，如圖2所示。

圖2 一片瓷絕緣子上、中、下表面積測量Fig.2 Porcelain insulators upper，middle and lower surface areameasurement

測量三片絕緣子的鹽密、灰密結(jié)果如表5、表6所示。

表5 瓷絕緣子鹽密結(jié)果Tab.5 Porcelain insulators salt density results

表6 瓷絕緣子灰密結(jié)果Tab.6 Porcelain insulators NSDD results

對表5及表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到絕緣子上下表面等值鹽密及灰密分布圖，如圖3所示。由圖3可以看出瓷絕緣子整體污穢度大于玻璃絕緣子，污穢等級可達(dá)4。2號和3號絕緣子上表面鹽密、灰密均大于1號，其余表面三片絕緣子污穢分布相近；1號的下表面鹽密、灰密高于上表面，2號自上到下依次降低，上表面與中部相對嚴(yán)重。從灰鹽比圖3（c）中看出除1號上表面，其余灰鹽比遞減，在積污嚴(yán)重時，灰鹽比大約為9。

圖3 瓷絕緣子鹽密、灰密、灰鹽比分布圖Fig.3 Comparison chart of porcelain insulators ESDD，NSDD and their ratio

2.3 FXBW-110/100復(fù)合絕緣子

本文選用FXBW-110/100復(fù)合絕緣子。大小傘裙為一片絕緣子，則取低壓側(cè)第一片、中間一片、高壓側(cè)第一片，共三片絕緣子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依次編號為1號、2號、3號，如圖4所示。

分別對1、2、3號絕緣子的上下表面進(jìn)行鹽密及灰密測量，結(jié)果如表7、表8所示。

圖4 復(fù)合絕緣子取樣示意圖Fig.4 Sampling schematic diagram of composite insulators

表7 FXBW-110/100復(fù)合絕緣子鹽密結(jié)果表Tab.7 FXBW-110/100 composite insulators salt density results

表8 FXBW-110/100復(fù)合絕緣子灰密結(jié)果表Tab.8 FXBW-110/100 composite insulators NSDD results

對表7及表8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到絕緣子上下表面等值鹽密及灰密分布圖，如圖5所示。

由圖5表明FXBW-110/100復(fù)合絕緣子鹽密除大傘裙上表面均較小外，其他部位鹽密分布較均勻，但鹽密平均值較大，整個絕緣子串傘裙上的污穢等級多數(shù)達(dá)到4級，積污嚴(yán)重；灰密分布不同部位間差別較大。從單個絕緣子片上看，大傘裙的上表面鹽密及灰密都小于小傘裙上表面，而大小傘裙的下表面積污程度差別不大；圖5（c）顯示大傘裙的灰鹽比值大于小傘裙的，最大比值為11左右。

圖5 FXBW-110/100復(fù)合絕緣子鹽密、灰密、灰鹽比分布圖Fig.5 Comparison chart of FXBW-110/100 composite insulators ESDD，NSDD and their ratio

通過對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得到瓷與玻璃絕緣子的污穢度小于復(fù)合絕緣子，玻璃絕緣子污穢度最輕；三種絕緣子除1號外，其他上表面鹽密和灰密均大于下表面，由文獻(xiàn)［8］可知該地區(qū)絕緣子污穢受風(fēng)的影響較小，因此多為污穢自然沉落。

3 ANSYS仿真分析

為了能夠分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與絕緣子上下表面污穢分布均勻時對其電場與泄漏電流的影響，以玻璃絕緣子及雙傘瓷絕緣子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對象運(yùn)用ANSYS進(jìn)行了電場及泄漏電流密度仿真，仿真做了如下假設(shè)：

（1）只針對鹽密的分布進(jìn)行仿真分析，即忽略灰密的不同，模型的污穢水膜厚度相同；

（2）污穢處于飽和濕度；

（3）不考慮接地體及導(dǎo)線對絕緣子的影響。

該仿真使用PLANE230單元，該單元是基于電流分析的二維八節(jié)點(diǎn)四邊形單元，可進(jìn)行靜態(tài)、諧態(tài)及瞬態(tài)電磁仿真，由于濕污絕緣子電場是阻容性電場，因此采用諧響應(yīng)分析中低頻準(zhǔn)靜態(tài)電場分析法［8-9］。計(jì)算結(jié)果包括各節(jié)點(diǎn)等電位、電場、磁場及電流密度。其中仿真的相關(guān)材料屬性定義如表9所示。

表9 相關(guān)材料屬性Tab.9 Related material properties

污穢水膜的相對介電常數(shù)在不同鹽密時取81［9］，表10為每片玻璃絕緣子的上下表面的電阻率。

表10 玻璃絕緣子污穢水膜的電阻率Tab.10 Glass insulators pollution layer film resistivity

由于三片絕緣子運(yùn)行于35 kV線路，因此施加邊界條件為鐵腳施加電壓，鋼帽施加0 kV電壓，軸對稱線施加磁失位AZ為0，懸浮導(dǎo)體設(shè)置為高介電常數(shù)材料。為了對比絕緣子污穢分布均勻時電場及電流密度，將上述每片的測量結(jié)果進(jìn)行了以下處理：

（1）將每片的總鹽量與總面積的比值作為絕緣子整片的鹽密，即上下表面鹽密均勻時的鹽密。處理結(jié)果為：玻璃絕緣子：1號鹽密為0.03 mg/cm2，2號鹽密為0.05 mg/cm2，3號鹽密為0.06 mg/cm2；瓷絕緣子：1號鹽密0.08 mg/cm2，2號鹽密0.15 mg/cm2，3號鹽密 0.15 mg/cm2；

（2）將三片絕緣子的總鹽量與三片的總面積的比值作為整串絕緣子的鹽密。處理結(jié)果玻璃絕緣子整串絕緣子的鹽密為0.05 mg/cm2；瓷絕緣子整串絕緣子的鹽密為0.13 mg/cm2；

根據(jù)上述參數(shù)及鹽密大小分別得到不同鹽密分布下的玻璃及瓷絕緣子串的等電位分布仿真圖，如圖6、圖7所示，仿真得到的最大泄漏電流密度及場強(qiáng)結(jié)果見表11。

圖6 鹽密不同分布時玻璃絕緣子電位分布圖Fig.6 Distribution chart of the potential of glass insulators in different salt densities

由圖6、圖7看出絕緣子的表面鹽密小的其周圍等勢線較密，電勢梯度大，即在相同沿面距離下，鹽密小的壓降大，絕緣子表面電壓低，此外，雙傘瓷絕緣子的中部鹽密對其上表面的電勢梯度有影響，如圖7（a）中由于1號絕緣子的中部鹽密大，其周圍電勢梯度小，導(dǎo)致1號絕緣子的上表面雖鹽密雖小但其表面的電勢梯度亦小。從表11結(jié)果得到隨著鹽密的分布不均勻其泄漏電流密度在減小，最大場強(qiáng)值與高壓第一片的下表面鹽密有關(guān)，鹽密越大，絕緣子表面最大場強(qiáng)越大，因此污穢分布的不均勻有助于降低絕緣子的表面泄漏電流，提高絕緣子的閃絡(luò)電壓，電場的最大值受高壓第一片絕緣子下表面的鹽密影響大。

圖7 鹽密不同分布時瓷絕緣子電位分布圖Fig.7 Distribution chart of the potential of porcelain insulators in different salt densities

表11 仿真最大泄漏電流密度及場強(qiáng)結(jié)果Tab.11 Result of simulation maximum of current density and electric field

4 結(jié)束語

通過對自然積污的絕緣子表面污穢分布研究，可以得到：

（1）同一片傘的同一表面的鹽密與灰密具有一定的關(guān)系。玻璃絕緣子下表面的灰鹽比遠(yuǎn)小于上表面，其灰密與鹽密最大比值為11左右；瓷絕緣子除1號傘上表面，其余灰鹽比遞減，在積污嚴(yán)重時，灰密與鹽密的比值大約為9；復(fù)合絕緣子大傘裙的灰鹽比值大于小傘裙的，最大比值為11左右；

（2）對三種絕緣子的鹽密及灰密測試結(jié)果看，積污程度由輕到重依次為玻璃絕緣子，瓷懸式絕緣子，復(fù)合絕緣子，其中，復(fù)合絕緣子的最大鹽密是玻璃的10倍，瓷的2～3倍，灰密最大是玻璃的6倍，瓷的1～2倍；

（3）污穢分布方面，對于受環(huán)境影響大的傘裙，其上下表面鹽密比為1：3～1：5，影響較小的傘裙表面鹽密分布較均勻；

（4）ANSYS仿真結(jié)果分析得出污穢分布的不均勻有助于降低絕緣子的表面泄漏電流，提高絕緣子的閃絡(luò)電壓，電場的最大值受高壓第一片絕緣子下表面鹽密的影響較大。