溫度、溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響研究綜述

張永濤

（國網(wǎng)河南省電力公司周口供電公司，河南 周口 466000）

0 引言

國內(nèi)電網(wǎng)互聯(lián)使得輸電線路分布十分廣泛，由于地理環(huán)境存在差異，絕緣子運(yùn)行狀況也各不相同，且不可避免地經(jīng)過河流、池塘、農(nóng)田、山區(qū)低洼處以及重工業(yè)污染地區(qū)，極端天氣下經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些污穢閃絡(luò)事故，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。

污閃可以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(fā)展直至閃絡(luò)4 個(gè)階段［2］，其中，絕緣子表面污層受潮是污閃發(fā)生的重要因素。污閃事故的發(fā)生經(jīng)常伴隨著惡劣天氣狀況［3-4］，有關(guān)學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向污閃發(fā)生前后環(huán)境溫度變化對絕緣子污層受潮的影響，并取得了一定的成果。

1 試驗(yàn)平臺與試驗(yàn)方法

目前，相關(guān)研究試驗(yàn)環(huán)境的選擇主要分為兩類，一是在戶外自然環(huán)境下開展［5-7］，主要用來分析環(huán)境溫度與絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)說服力強(qiáng)，但試驗(yàn)周期較長、變量參數(shù)不可控；二是采用恒溫恒濕箱、溫濕度可控試驗(yàn)平臺［8-12］，以滿足試驗(yàn)的需要。該方案可以進(jìn)行溫度、溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響研究，可自主設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對相關(guān)變量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，試驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)，但試驗(yàn)過程容易受到設(shè)備帶來的干擾。

溫濕度可控試驗(yàn)平臺通常采用風(fēng)循環(huán)方式控制溫度［8-9］，內(nèi)置風(fēng)機(jī)和加濕管道，如圖1 所示。使用該試驗(yàn)平臺首先要解決兩個(gè)問題：1）如何建立無風(fēng)或者低風(fēng)環(huán)境。試驗(yàn)過程中要維持恒溫恒濕的狀態(tài)，風(fēng)的存在會(huì)影響絕緣子的受潮過程，風(fēng)速過大甚至?xí)蹈山^緣子污穢；2） 如何使試驗(yàn)平臺內(nèi)溫度保持均勻、穩(wěn)定。相關(guān)文獻(xiàn)中試驗(yàn)裝置體積較大，很難保證內(nèi)部溫度分布均勻，且周圍環(huán)境溫度對裝置內(nèi)溫度的維持有一定影響。設(shè)置多個(gè)制冷源或者加熱源可以一定程度上解決上述問題，相關(guān)文獻(xiàn)還未見報(bào)道。

圖1 溫濕度可控實(shí)驗(yàn)裝置

此外，研究溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響時(shí)，采用的方法通常有兩種，一是將絕緣子放置于恒溫恒濕試驗(yàn)裝置中，在低溫低濕環(huán)境下放置一段時(shí)間，然后提高裝置溫度、濕度至設(shè)定值，以模擬絕緣子表面凝露的產(chǎn)生條件［11-12］；二是配備恒溫恒濕箱和較大尺寸且溫濕度可控的霧室，將絕緣子放置于低溫低濕試驗(yàn)箱中，一段時(shí)間后快速轉(zhuǎn)移到高溫高濕的霧室內(nèi)，用來研究溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響［9-10］。將絕緣子從試驗(yàn)箱往霧室轉(zhuǎn)移的過程中，絕緣子表面濕潤狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，造成試驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，可采用在霧室內(nèi)放置恒溫恒濕箱的方法解決。

2 溫度對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響

2.1 絕緣子泄漏電流與環(huán)境溫度的相關(guān)性分析

有學(xué)者在自然環(huán)境下搭建試驗(yàn)平臺，分析環(huán)境溫度與絕緣子泄漏電流之間的關(guān)系。文獻(xiàn)［5］以XP-160 瓷絕緣子串為研究對象，采集環(huán)境溫度、濕度、雨量和絕緣子泄漏電流數(shù)據(jù)，在無雨、無凝露的條件下，絕緣子串泄漏電流的變化與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

文獻(xiàn)［6］利用灰關(guān)聯(lián)算法計(jì)算葉面濕度、環(huán)境濕度、溫度、溫度變化率與直流絕緣子串（瓷、玻璃、復(fù)合材料） 泄漏電流的關(guān)聯(lián)度，葉面濕度的關(guān)聯(lián)度最大，其次為環(huán)境相對濕度和溫度變化率，溫度的關(guān)聯(lián)度最小。

利用非線性回歸法，文獻(xiàn)［7］對單片XP-70 型絕緣子的溫度、鹽密、灰密、相對濕度與泄漏電流進(jìn)行擬合，其關(guān)系式為

式中：Im為泄漏電流；ρESDD為絕緣子上的鹽密；Rh為絕緣子所處環(huán)境的相對濕度；r 為絕緣子表面電阻；ρNSDD為絕緣子灰密；θ 為絕緣子表面溫度。

未考慮相對濕度的作用，單一的溫度變化對絕緣子泄漏電流的作用較小。溫度變化通過間接改變環(huán)境相對濕度和絕緣材料性能對污層受潮產(chǎn)生影響。

2.2 溫度對瓷絕緣子的影響

當(dāng)相對濕度固定時(shí)，環(huán)境溫度越高，空氣中含水量越大，水分子運(yùn)動(dòng)加快，絕緣子表面污穢越容易受潮。相關(guān)學(xué)者研究了環(huán)境相對濕度固定為65%、75%、85%，溫度在20～55 ℃變化時(shí)，XP-70 絕緣子泄漏電流隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。當(dāng)環(huán)境溫度介于20～40 ℃時(shí)，溫度變化對泄漏電流的影響不明顯；當(dāng)溫度超過40 ℃后，泄漏電流隨溫度的升高而增大［13］。

方春華等人的研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度在20～35 ℃變化時(shí)，在相對濕度為65%、75%的情況下，絕緣子的泄漏電流基本相同；在相對濕度為85%的情況下，絕緣子的泄漏電流有一定的差別；當(dāng)環(huán)境溫度在35～50 ℃變化時(shí)，隨著溫度升高，絕緣子泄漏電流幅值明顯增加［7］。

絕緣子表面溫度梯度場的存在將影響絕緣子沿面絕緣強(qiáng)度。文獻(xiàn)［14］搭建的氣體絕緣系統(tǒng)可以在絕緣支柱上形成有效的溫度梯度場，隨著溫差的增大，絕緣支柱平均閃絡(luò)電壓有下降的趨勢。仿真結(jié)果表明絕緣支柱表面溫度高的區(qū)域氣體密度小，而閃絡(luò)電壓與氣體密度呈線性正相關(guān)關(guān)系。

2.3 溫度對復(fù)合絕緣子的影響

復(fù)合絕緣子硅橡膠材料具有良好的憎水性以及憎水遷移性，有優(yōu)良的耐污閃能力。復(fù)合絕緣子運(yùn)行溫度較低時(shí)，憎水性下降，表面易發(fā)生閃絡(luò)；當(dāng)溫度回升時(shí)，硅橡膠的憎水性恢復(fù)，閃絡(luò)現(xiàn)象逐漸消失。文獻(xiàn)［10］研究了硅橡膠試片污層表面水珠浸潤區(qū)域平均直徑與溫度的關(guān)系：隨著溫度的升高，污層表面憎水性逐漸加強(qiáng)，水珠浸潤區(qū)域逐漸減小，浸潤區(qū)域平均直徑與溫度近似呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)［15］利用半導(dǎo)體制冷方式調(diào)節(jié)復(fù)合絕緣子試驗(yàn)樣品溫度為常溫（25 ℃）和低溫（1 ℃），溫度降低時(shí)，水珠與復(fù)合絕緣子表面的液固相界面張力減小，前進(jìn)接觸角和后退接觸角減小，復(fù)合絕緣子表面憎水性下降，1 ℃下復(fù)合絕緣子憎水性等級均比25 ℃下復(fù)合絕緣子憎水性等級低。

溫度對復(fù)合絕緣子憎水性遷移的影響顯著大于濕度的作用。溫度越高，憎水性遷移速度越快，靜態(tài)接觸角趨于穩(wěn)定的時(shí)間也越短。由于溫度的變化未改變污層吸附小分子聚合物的數(shù)量，穩(wěn)態(tài)接觸角基本不變［16］。

3 溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響

3.1 正、負(fù)溫差的產(chǎn)生條件及影響

當(dāng)絕緣子運(yùn)行在環(huán)境濕度較大的農(nóng)田、池塘及河流附近時(shí)，快速降溫氣象條件下，空氣相對濕度迅速增加，水分析出并積聚在污穢絕緣子表面，導(dǎo)致污層受潮，增加了絕緣子閃絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對水源、田地、山區(qū)低洼處附近輸電線路的巡視。快速降溫氣象條件下，絕緣子與周邊環(huán)境之間出現(xiàn)正溫差，絕緣子所處環(huán)境可用恒體積變溫試驗(yàn)箱來模擬。

由于絕緣子的比熱容比空氣大，在凌晨氣溫回升時(shí)，絕緣子表面溫度上升較慢，與環(huán)境溫度之間存在逆溫差，若此時(shí)周圍環(huán)境的濕度較大，絕緣子表面容易形成凝露從而導(dǎo)致污層均勻受潮，污閃電壓降低。

絕緣子表面凝露是否發(fā)生取決于環(huán)境溫度和相對濕度，露點(diǎn)溫度的計(jì)算公式為［9］

式中：θDP為露點(diǎn)溫度；Hr為相對濕度；θf為環(huán)境溫度。

不同濕度條件下露點(diǎn)差與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 露點(diǎn)差隨環(huán)境溫度變化關(guān)系

從圖2 中可以看出，環(huán)境溫度不變時(shí)，相對濕度越大，露點(diǎn)溫度越接近環(huán)境溫度；相對濕度不變時(shí)，溫度越低，露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度之間的差值越小。在環(huán)境溫度較低、濕度較大的情況下，更容易發(fā)生凝露。

3.2 凝露對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的影響

當(dāng)絕緣子表面溫度低于環(huán)境露點(diǎn)溫度時(shí)，絕緣子表面形成凝露，污層加速受潮，受潮程度與溫差大小、空氣中水分含量、絕緣材料的比熱容及散熱面積有關(guān)。

宋思齊等［11］將涂污ZSW-126／6-3 型支柱絕緣子置于低溫、低濕氣候室內(nèi)，通過提高室內(nèi)溫度和濕度來模擬支柱絕緣子表面發(fā)生凝露的過程。在相同溫度差下，相對濕度越大，試品凝露時(shí)的閃絡(luò)電壓越低；在相同濕度條件下，溫度差越大，絕緣子閃絡(luò)電壓越低。

戴罕奇等［9］通過恒溫箱調(diào)節(jié)XP-70 型懸式電瓷絕緣子放入霧室時(shí)的初始溫度，研究表明：當(dāng)絕緣子初始溫度低于霧室露點(diǎn)溫度時(shí)，絕緣子表面泄漏電流最大值隨著溫差的增大而升高，且出現(xiàn)顯著的飽和效應(yīng)；從不同組的試驗(yàn)結(jié)果來看，溫差相同的情況下，絕緣子初始溫度越高，泄漏電流越大。

霧室相對濕度未飽和時(shí)，溫差對污層受潮過程的影響大于相對濕度的作用。從玻璃片的涂污受潮試驗(yàn)來看，溫差僅在污層受潮的初始階段起作用，其作用維持時(shí)間與試品的比熱容及散熱面積有關(guān)。比熱容越小、散熱面積越大，溫差發(fā)揮作用的時(shí)間越短。

王凱琳等［17］研究了不同環(huán)境濕度下試品（玻璃平板）表面電導(dǎo)率最大值隨溫差的變化規(guī)律，當(dāng)環(huán)境濕度偏低時(shí)，溫差對試品受潮過程的影響較大；隨著環(huán)境濕度的增加，試品表面電導(dǎo)率最大值顯著增加，溫差對試品受潮的作用減小。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，即使試品溫度高于環(huán)境露點(diǎn)溫度，只要存在溫差，就會(huì)對污層受潮過程產(chǎn)生影響。

復(fù)合絕緣子表面溫差對直流污閃電壓的影響大于憎水性遷移的作用，溫差越小，污層越不容易受潮，污閃電壓越高［10］。環(huán)境溫度與傘裙試樣初始溫度差越大，傘裙表面凝露質(zhì)量越大；隨著溫差的增加，傘裙試樣表面凝露質(zhì)量非線性上升、斜率增大；相同溫差條件下，初始溫度對凝露質(zhì)量的作用不明顯［12］，該結(jié)果與上文戴罕奇等人的研究成果有較大差異。空氣中水分含量有限，傘裙試樣表面凝露質(zhì)量不會(huì)無限制增加，樣本數(shù)量過少或未有效控制試驗(yàn)變量會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語

綜述近年來相關(guān)學(xué)者在溫度、溫差對絕緣子運(yùn)行狀態(tài)影響方面的研究成果，由于試驗(yàn)方法以及研究人員對相關(guān)變量的控制程度不同，研究結(jié)果存在一定的差異。參數(shù)精度高、方便實(shí)用的溫、濕度可控試驗(yàn)平臺的研制、快速降溫氣象的模擬及其對絕緣子污層受潮過程的影響仍需進(jìn)一步研究。