鹽密變化對不同材質絕緣子閃絡特性的影響

李 靜,劉 偉

(沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870)

近年來，隨著社會經濟的發展，大氣中的污染物種類越來越復雜，絕緣子表面的污染程度也高，使得污穢對電力系統的安全運行造成了極大的威脅[1]。鹽密是表征絕緣子表面污穢程度的特征參數，研究鹽密變化對絕緣子閃絡特性的影響，對于電網的防污工作以及電力系統的安全穩定運行具有一定的指導意義[2]。

中外學者對絕緣子串長與污閃電壓之間的關系進行了大量試驗研究。文獻[3]在鹽密0.03 mg/cm2條件下，通過3種不同串長的瓷絕緣子污閃試驗結果表明在串長14.15 m，最高電壓1 100 kV范圍內，串長與閃絡電壓呈線性關系；文獻[4]通過對不同串長的XWP2-160型瓷絕緣子表明，污閃電壓與絕緣子串的串長成線性關系，且隨著串長的增加，污閃電壓成正比例增加。中國電力科學院進行了與日本NGK絕緣子公司、加拿大魁北克電力研究(Hydro-Quebec Research Institute，IREQ)兩個實驗室的比對試驗，驗證了玻璃、瓷絕緣子污穢耐受電壓與絕緣子串長的線性關系[5]。文獻[6]指出在不同模擬海拔高度下，染污絕緣子串的U50%與串長呈線性關系，但由于大型人工環境氣候實驗室長串絕緣子潤濕的非均勻性，可導致長串絕緣子的試驗值偏高。

中外學者對絕緣子飽和鹽密閃絡特性也進行了大量研究。絕緣子表面污穢程度直接影響輸電線路絕緣設備的污耐壓水平。《電力系統污區分布圖繪制方法》(DL/T 374—2010)中規定，應按飽和污穢度劃分電網污穢等級[7]。《浙江電網污穢區域分布圖(2007版)》的繪制基礎就是絕緣子的飽和等值鹽密(ESDD)。羅毅等[1]認為對等值鹽密安全范圍的研究是確定絕緣子清掃、維護周期的重要工作，通過理論分析計算和ANSYS 熱仿真及試驗驗證，確定了在特定環境下，滿足絕緣子不覆冰且不出現污閃和冰閃的在線監測絕緣子等值鹽密度安全范圍；汪濤等[8]通過對絕緣子鹽密測試數據的統計分析總結出了絕緣子積污增長速率公式；另外對表面電導率和污閃電壓與鹽密相關性進行了試驗研究，提出了絕緣子鹽密控制值的估算方法。

綜上所述，現有的研究對于串長與閃絡電壓的研究大多是針對玻璃、瓷絕緣子，而對同一傘型不同串長的復合絕緣子的研究較少；另外對于鹽密與閃絡電壓的關系的研究多是基于整體，而沒有對于單一飽和鹽密下的閃絡特性進行分析。

基于此，對XP-160、LXZP-210、FXBW-10/70型絕緣子展開人工污穢試驗，分析這三種材質絕緣子的閃絡電壓、閃絡電壓梯度隨鹽密變化的規律以及不同鹽密下串長與閃絡電壓的關系；同時對鹽密與閃絡電壓之間的關系進行了相關的研究，建立了不同鹽密下絕緣子閃絡電壓與飽和鹽密下絕緣子閃絡電壓的對應關系，據此可在不同的現場污穢情況下測得的閃絡電壓來估算飽和污穢度下的閃絡電壓，從而對絕緣子表面污穢狀態和外絕緣安全事故進行提前評估，預防污閃事故的發生。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

試驗采用三種不同材質的絕緣子，分別為懸式瓷絕緣子XP-160、懸式玻璃絕緣子LXZP-210、懸式復合絕緣子FXBW10-70(兩傘)，這三種絕緣子均選取2～5片，其基本技術參數如表1所示。

表1 試品參數Table 1 Parameters of samples

FXBW10-70的2～5傘的爬電距離分別為270、410、520、620 mm。

1.2 試驗設備

試驗在人工霧室中進行的，試驗電壓由150 kV/900 kVA試驗變壓器提供，最大短路電流為30 A，滿足IEC 61245[9]對污穢試驗電源的要求。接線原理圖如圖1所示。

圖1 試驗線路圖Fig.1 Test circuit diagram

2 試驗方法

2.1 試品準備

試驗前，首先清洗絕緣子，去除其表面污穢，再用潔凈水沖洗絕緣子，自然陰干備用。由于復合絕緣子具有憎水性，因此在進行染污前，需要用脫脂棉在絕緣子表面涂敷一層薄薄的硅藻土以降低其憎水性。

2.2 試品涂污與濕潤

試驗參照《交流系統用高壓絕緣子的人工污穢試驗》(GB/T 4585—2004)推薦的固體涂層法中的定量涂刷法染污[10]，用NaCl模擬導電物質，用硅藻土模擬不溶性物質。選擇的污染鹽密分別為0.03、0.05、0.1、0.2、0.25、0.3 mg/cm2，灰密固定為1.0 mg/cm2。根據試品表面積和所試驗的鹽密/灰密，計算并稱量出所需NaCl和硅藻土的量，將配置好的污穢物均勻涂刷于試品絕緣子絕緣表面，刷涂過程在1 h內完成，然后讓其自然陰干24 h后進行試驗，使其憎水性得到一定恢復和遷移。試驗時霧室溫度控制在35 ℃以內，試品在人工霧室中污穢濕潤10～15 min后其表面即形成水膜，水滴即將下滴，然后立即加壓進行試驗。

2.3 升壓方法

試驗采用均勻升壓法[11]。對每串絕緣子進行4～5次閃絡試驗；在同一污穢度下進行染污3次，取其與平均值誤差不超過10%的所有點平均值作為該污穢度下的閃絡電壓Uf：

(1)

(2)

式中：Uf為絕緣子污閃電壓，kV；Ui為第i次污閃電壓，kV；N為試驗次數；σ為試驗結果的相對標準差，%。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

大量試驗表明，絕緣子污閃電壓Uf與鹽密ρSDD成負冪函數關系[12-14]，可表示為

Uf=AρSDD-a

(3)

式(3)中：A為擬合系數，與絕緣子結構和材質等有關；ρSDD為等值附鹽密度，mg/cm2；a為表征ρSDD對絕緣子污閃電壓影響的特征指數。

將試驗結果按照式(3)進行擬合，由于FXBW-10/70的傘裙為大小傘結構，故求取三種材質絕緣子平均兩片污閃電壓Uf與鹽密ρSDD的關系如圖2所示。擬合后得到的系數A、污穢影響特征指數a與擬合方差R2如表2所示。

圖2 各種絕緣子閃絡電壓與鹽密的關系Fig.2 Relationship between flashover voltage and ρSDD of various insulators

表2 不同鹽密下的擬合系數值

分析圖2、表2可知，從擬合結果來看，復合絕緣子的污穢影響特征指數a均小于玻璃、瓷絕緣子，這表明復合絕緣子受鹽密的影響程度小于玻璃、瓷絕緣子。這正印證了由于復合絕緣子材料的憎水性，其在高污穢條件下具有較優的耐污閃性能。

不同材質的絕緣子隨鹽密的變化趨勢是一致的，閃絡電壓Uf隨著鹽密的增大逐漸減小，當鹽密較小時，閃絡電壓Uf下降很快；當鹽密較大時，閃絡電壓Uf下降很慢，逐漸基本保持不變，此時的鹽密可以認為是飽和鹽密。

試驗表明，當鹽密達到0.3 mg/cm2時，閃絡電壓基本保持不變；另外根據《污染條件下使用的高壓絕緣的選擇和尺寸確定 第1部分：定義、信息和一般原則》(GB/T 26218.1—2010)中現場污穢度(SPS)對污穢等級的劃分可知，當鹽密達到0.3 mg/cm2時，污穢程度已經達到最高污穢e等級，因此將鹽密達到0.3 mg/cm2時定義為飽和鹽密。

3.2 不同材質絕緣子的閃絡電壓梯度

由于三種絕緣子的型式材質不同，為了便于對比分析，通過引入污閃電壓梯度的概念對絕緣子的污穢閃絡特性進行分析解釋。其定義為

(4)

式(4)中：EL為絕緣子的污閃電壓梯度,kV/m；L為絕緣子沿面總爬電距離,m。

根據式(4)可以求出三種材質的絕緣子的閃絡電壓梯度，如圖3所示。

圖3 各種絕緣子的閃絡電壓梯度Fig.3 EL of various insulators

由圖3可知，閃絡電壓梯度與鹽密仍然呈負冪函數關系；并且不同材質的絕緣子隨鹽密的變化趨勢相同，隨著鹽密的增大，閃絡電壓梯度逐漸減小。由圖3可以看出，復合絕緣子的閃絡電壓梯度EL大于玻璃和瓷絕緣子，并且其隨鹽密增大而下降趨勢較為平緩。這主要是由于復合絕緣子的硅橡膠材料具有憎水性，當其表面污穢受潮時會形成單個獨立的水帶，各個水帶之間的干區大大提高了污層電阻，抑制了局部電弧的發展，進而提高了污閃電壓。

3.3 絕緣子串長與閃絡電壓的關系

為了研究絕緣子在不同鹽密、不同材質下串長與污閃電壓的關系，采用玻璃、瓷、復合絕緣子，在鹽密分別為0.03、0.1、0.3 mg/cm2，傘裙數均為2～5片條件下研究了串長與污閃電壓的關系。

由于FXBW-10/70復合絕緣子的傘裙為大小傘結構，其不像玻璃、瓷絕緣子每片傘裙大小一樣，若以結構高度來表征串長與閃絡電壓的關系會帶來一定的誤差。在絕緣子閃絡過程中，電弧所經過的路徑為爬電距離，故此三種絕緣子統一以爬電距離來研究串長與污閃電壓的關系。試驗結果如圖4所示。

圖4 絕緣子串長與污閃電壓的關系Fig.4 Relationship between insulator string length and pollution flashover voltage

由圖4可以看出，在不同污穢條件下，三種絕緣子的線性擬合相關系數均大于0.98，因此在同一鹽密下，對于不同材質的絕緣子，其污閃電壓均與串長成線性關系。

為了更加完整地看到絕緣子隨鹽密與爬距共同作用下的變化趨勢，求取了該三種材質的絕緣子污閃電壓隨鹽密與爬電距離變化規律的三維圖如圖5所示。

圖5 閃絡電壓與爬距和鹽密的變化關系三維圖Fig.5 Three-dimensional diagram of the alternative relation between flashover voltage and creepage distance and ESDD

由圖5可知，三種材質的絕緣子污閃電壓隨鹽密與爬距的變化趨勢是一樣的。在任一鹽密下，閃絡電壓與爬電距離大致呈線性關系，隨著爬距的增加，閃絡電壓大致呈線性增大；在任一爬距下，鹽密與閃絡電壓均呈負冪函數關系，隨著鹽密的增加，閃絡電壓逐漸降低。這三種絕緣子可以根據各自的三維圖曲面，在已知閃絡電壓與爬距的情況下，估計絕緣子的有效鹽密。

4 絕緣子飽和鹽密下污閃電壓計算

4.1 絕緣子飽和鹽密理論

絕緣子表面在長期積污過程中經歷積污→清洗→再積污→再清洗……這一循環往復過程，使得其表面鹽密逐漸增加。一般若干年后可達到動態平衡狀態，該狀態下的鹽密值可視為飽和鹽密[15]。

從統計角度來看，絕緣子表面的平均年度最大積污量和年自清洗能力均可視為常數。若平均年度最大鹽密用S1表示，雨水清洗后絕緣子表面剩余鹽密為CS1；(C為反映自清洗能力的絕緣子表面年度鹽密的殘余率)，則第2年絕緣子表面的鹽密為S1+CS1；第n年的累計鹽密可表示為

Sn=S1+CS1+…+CnS1=S1(1-Cn)/(1-C)

(5)

式(5)中：n為積污時間,a。由于絕緣子表面的鹽密殘余率<1，式(5)收斂，可求得飽和鹽密Sb為

Sb=S1/(1-C)

(6)

式(6)中：1-C為絕緣子的自清洗率。

絕緣子表面SDD隨時間的增長趨勢也可用指數函數描述：

(7)

式(7)中：A為飽和鹽密，mg/cm2；K為常數；t為積污時間，a；τ為積污時間常數，表征積污速率。

通過對絕緣子積污過程中SDD與積污時間t擬合可以求得飽和鹽密A、常數K、時間常數τ。

4.2 利用不同鹽密下的閃絡電壓來估算飽和鹽密下的閃絡電壓

分析可知，絕緣子可以通過記錄其鹽密的逐漸累積來求取飽和鹽密，進而通過飽和鹽密進行污穢等級的劃分；那么也可以通過記錄鹽密累積過程中的閃絡電壓，求取飽和鹽密下的閃絡電壓，進而對污穢地區的電壓等級進行劃分。

鹽密是表征絕緣子表面污穢程度的特征參數，隨著污穢程度的增加，絕緣子的鹽密隨之增大，污閃電壓則會降低，造成低鹽密下有較高裕度的絕緣子，在飽和污穢度時卻有可能發生污閃。因此，有必要研究如何利用低鹽密下的閃絡電壓來預測飽和鹽密下的閃絡電壓值，從而預測絕緣子在高污穢度時的絕緣狀態，以便提前防備污閃事故的發生。

圖6為FXBW-10/70絕緣子在鹽密為0.03、0.05、0.1、0.2、0.25 mg/cm2下的閃絡電壓與飽和鹽密下閃絡電壓的關系，根據這五條曲線關系可知，兩者關系的表達式為

Ufm=aρUfρ

(8)

式(8)中：Ufm為絕緣子表面達到飽和污穢度時發生閃絡的閃絡電壓；aρ為鹽密為ρ時的估算系數；Ufρ為絕緣子表面鹽密為ρ時對應的閃絡電壓。

圖6 不同鹽密下絕緣子閃絡電壓與飽和鹽密下絕緣子閃絡電壓的關系Fig.6 Relationship between flashover voltage of insulator under different ESDD and flashover voltage of insulator under saturated ESDD

試驗結果表明，對于瓷絕緣子XP-160及玻璃絕緣子LXZP-210，仍有與復合絕緣子FXBW-10/70相同的規律。這三種材質的絕緣子在不同鹽密下的估算系數如表3所示。從表3可以看出，在同一鹽密下，這三種絕緣子的估算系數大致相同。為了將規律適應于不同材質的絕緣子，進行不同鹽密下的閃絡電壓到飽和鹽密下閃絡電壓的推算，通過求取平均估算系數進行計算。

為了進行不同鹽密下的閃絡電壓到飽和鹽密下閃絡電壓的推算，通過最小二乘法擬合求取了平均估算系數與不同鹽密之間的關系，如式(9)所示：

aρ=36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1

(9)

將式(9)代入式(8)，可以得出從不同鹽密到飽和鹽密閃絡電壓的估算公式，如式(10)所示：

Ufm=(36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1)Ufρ

(10)

利用該估算方法，對于不同材質的絕緣子，可以通過不同鹽密下測得的閃絡電壓來估算飽和鹽密下絕緣子的閃絡電壓。鹽密的大小是污穢度的體現，因此可以根據某一污穢度下絕緣子運行的狀態，來估算當其達到飽和污穢下的閃絡電壓；也可以用來評價在低污穢區正常運行的某一型號絕緣子，如果放在高污穢區時能否正常運行，這對判斷絕緣子是否符合某一地區電網的安全穩定運行，預防絕緣子的污閃事故發生具有一定的參考價值。

5 結論

通過對不同材質的絕緣子污閃特性進行了試驗和分析，得到以下結論。

(1)復合絕緣子與玻璃、瓷絕緣子的污閃電壓隨鹽密的變化趨勢是一致的，其串長(爬電距離)與污閃電壓大致成線性關系；復合絕緣子受污穢的影響程度小于玻璃、瓷絕緣子，且其閃絡電壓梯度較高。

(2)不同鹽密下的閃絡電壓與飽和鹽密下的閃絡電壓滿足線性關系，不同材質絕緣子的估算系數aρ大致相同。

(3)通過估算方法，對于不同材質的絕緣子，可以通過監測得出的任一鹽密對應的閃絡電壓值，來預估其飽和鹽密下的閃絡電壓。