不同外絕緣材料避雷器表面自然積污規律研究

師 偉，盧思翰，張 皓，李鵬飛，李 杰

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國家電力投資集團，北京 100032）

0 引言

變電站設備的外絕緣要求在大氣過電壓、內部過電壓和長期運行電壓下均能可靠運行，但沉積在電力設備外絕緣表面的污穢層在雨、雪、霧等惡劣氣象條件的作用下會提高外絕緣表面的電導率，使電力設備外絕緣的電氣強度大大降低，可能導致電力系統外絕緣在運行電壓下發生污穢閃絡，造成停電事故。為避免和減少變電站設備污穢事故給電力系統帶來的危害，須研究設備表面污穢分布特性，對其外絕緣配置進行驗證，以尋求防止污閃事故發生的改良措施［1-5］。學者們對設備外絕緣積污特性研究通常采用自然積污試驗、人工污穢試驗和仿真模擬等方式，其中，自然積污試驗耗時一般較長，通過對已經積污過的外絕緣表面的污穢度進行測量，根據污穢度對影響外絕緣積污程度的相關因素進行分析，其結果可以直觀真實地反映設備外絕緣積污規律，由該方式得出的相關結論是標準制修訂的重要依據，也為電力設備外絕緣設計、運行和維護提供了重要參考；人工污穢試驗的試驗條件控制方便、試驗耗時短，但涂污方式相對較為簡單，由此得到的試驗結論和實際運行中設備積污情況的等效性有待商榷，多用來開展外絕緣積污影響因素的針對性研究；仿真模擬是一種較為高效的輔助研究方法，得到的結論一般需要通過自然積污試驗或人工污穢試驗進行驗證。

金屬氧化物避雷器性能的優劣直接影響電力系統過電壓和絕緣配合，關系到整個電力系統的經濟性和運行可靠性。作為輸變電設備外絕緣保護中必須面臨的一個特殊問題，表面積污情況對避雷器運行可靠性有重要影響，并且由于內部閥片的存在，避雷器在污穢條件下的運行工況更加復雜，如果避雷器的耐污能力設計不當，可能導致避雷器的外絕緣閃絡或內部失去熱平衡，影響電力系統的正常運行。近年來，與避雷器表面積污特性相關的研究主要集中在人工污穢試驗、污穢條件下避雷器性能仿真等方面。涉及避雷器人工污穢試驗方法的國內外標準主要有3 個：IEC 60099-4 附錄F 規定的固體層法［6］和鹽霧法、IEEE Std C 62.11 規定的不均勻污穢法［7］以及中國國家標準GB/T 11032 中規定的均勻污穢法［8］。學者們基于這3個標準開展了人工污穢條件下復合外套避雷器或瓷外套避雷器的相關性能研究［9-13］。然而，人工污穢試驗中針對復合外套避雷器或瓷外套避雷器的外絕緣傘裙上表面和下表面均按同一配置污漿進行涂污，未考慮不同外絕緣材料避雷器表面污穢分布的差異化影響。同樣，對于污穢條件下避雷器性能的仿真研究，也鮮有區分避雷器不同位置表面積污分布的差異［14-15］。目前國內外學者對避雷器在運行狀態下的自然積污特性試驗相對較少，避雷器表面污穢分布情況一般參照支柱絕緣子的實測數據。文獻［16］對特高壓淮南站主變壓器1 000 kV 側瓷外套避雷器表面自然污穢分布情況進行了研究，指出避雷器絕緣傘裙的位置會影響其表面的積污程度；文獻［17］開展的自然積污試驗研究表明，降雨和帶電情況會影響絕緣子表面污穢的積聚，且污穢中70%～80%的可溶鹽是溶解度很低的硫酸鈣；文獻［18］對站內支柱絕緣子表面自然積污進行了現場測試，指出帶電情況下絕緣子不同位置傘裙積污情況存在差異，且上表面積污普遍比下表面嚴重。鑒于避雷器表面自然污穢分布情況可以真實地反映實際運行中避雷器外絕緣積污特性，對避雷器表面自然積污規律的研究有助于制定合理的避雷器人工污穢試驗方法，提高耐污型避雷器的設計水平，具有重要的學術意義和工程價值。

避雷器按外絕緣材料劃分為復合外套避雷器和瓷外套避雷器，在污穢情況較嚴重地區，瓷外套避雷器一般在其表面噴涂RTV以提高其外絕緣性能［19-20］。為掌握不同外絕緣材料避雷器表面在自然條件下的積污規律，在某特高壓變電站選取了1 000 kV 主變壓器1 000 kV側復合外套避雷器與500 kV噴涂RTV瓷外套避雷器作為積污試驗點，對避雷器不同位置處的表面污穢進行采樣和分析，為深入研究污穢條件下的避雷器性能奠定了良好的基礎。

1 試驗采樣點

某特高壓交流變電站為山東電網首座裝有1 000 kV復合外套避雷器的變電站，站內1 000 kV避雷器為復合外套避雷器，500 kV 避雷器為噴涂RTV的瓷外套避雷器，避雷器絕緣配置具有一定代表性，且投運時間相對較長。選取該特高壓站作為試驗點，該站所處區域的污染源主要是郊區工廠排放的粉塵、農田施肥等。在站內1 000 kV 主變壓器停電檢修期間，試驗人員分別選取主變壓器高壓側一支1 000 kV 復合外套避雷器和中壓側一支500 kV 噴涂RTV 的瓷外套避雷器作為研究對象進行表面污穢采集工作，這兩支避雷器的自然積污周期均為1 年。1 000 kV 復合外套避雷器由4節元件串聯而成，為區分自上而下編號依次為Ⅰ—Ⅳ，500 kV 噴涂RTV 的瓷外套避雷器由3 節元件串聯而成，自上而下編號依次為Ⅰ—Ⅲ，如圖1所示。

圖1 試驗現場避雷器

避雷器污穢收集采取分組且傘裙上、下表面區分的方式進行，傘裙面朝上部分規定為上表面，傘裙面朝下部分規定為下表面。從1 000 kV 復合外套避雷器的每個元件自上而下均勻選取5 個傘裙作為一組取樣點，4 節元件共計20 個傘裙取樣點，自上而下編號依次為1—20，每個取樣點的傘裙上表面和下表面污穢分開取樣，1 000 kV 復合外套避雷器傘裙表面積如表1 所示；從500 kV 噴涂RTV 瓷外套避雷器的每個元件自上而下均勻選取4 個傘裙作為一組取樣點，3 節元件共計12 個傘裙取樣點，自上而下編號依次為1—12，每個取樣點的傘裙上表面和下表面污穢分開取樣，500 kV 噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙表面積如表2所示。

表1 1 000 kV復合外套避雷器絕緣傘裙參數

表2 500 kV噴涂RTV瓷外套避雷器絕緣傘裙參數

2 污穢測量

設備外絕緣自然污穢的污穢度通常用等值鹽密和灰密表示，等值鹽密為單位絕緣表面上的等值附鹽量，電導率等同于溶解后絕緣表面自然污穢水溶物的鹽量與絕緣表面面積之比；灰密為絕緣表面上清洗的不溶于水的殘留物總量除以表面積。本文采用IEC 60815-1 推薦的污穢采樣和測量方法［21］對自然條件下避雷器表面污穢的等值鹽密和灰密進行測量，并采用DL/T 1884.3 推薦的離子色譜法［22］對污穢中離子成分進行分析。

2.1 等值鹽密、灰密測量

測量避雷器表面等值鹽密和灰密的主要工具如表3所示。

表3 主要工具和試劑

取樣時，戴好清潔的醫用手套用污穢專用采樣布分別擦拭避雷器取樣點上下表面至清潔，將擦拭完的采樣布放回容器內并做好標記。在容器中放入與避雷器取樣點表面積相對應的適量蒸餾水對采樣布進行清洗，通過搖擺和擠壓使污穢物溶于水中，蒸餾水用量如表4所示。

表4 蒸餾水用量與取樣點表面積對應關系

將清洗完采樣布的液體攪拌10～15 min，至可溶性污穢充分溶解，得到污穢溶液，采用直讀式等值鹽密測量儀測量污穢溶液的等值鹽密，該測量儀原理是通過測量污穢溶液的電導率，將其代入IEC 60815-1 推薦的等值鹽密計算公式得到污穢的等值鹽密。由于一定鹽量水溶液的電導率隨溫度變化而變化，需將實驗溫度下測到的電導率換算成標準溫度20 ℃下的電導率。

為防止濾紙在空氣中的吸濕作用，先將濾紙放入干燥箱中烘干，試驗中保持干燥箱內溫度為95～100 ℃，取出后迅速放入高精度電子天平中，待示值穩定后記錄數據m0，單位為g；等值鹽密測量完成后，通過漏斗和預先干燥并稱重的濾紙過濾污穢溶液，將過濾后含有污穢的濾紙放入干燥箱中烘干，再次放入高精度電子天平中測量，讀數m1，單位為g，則灰密可通過式（1）計算。

式中：ρNSDD為避雷器表面灰密，mg/cm2；A為避雷器取樣點傘裙表面積，cm2。

2.4 化學成分測定

污穢中成分測定的主要工具和試劑有離子色譜儀（色譜柱分離能力R≥1.3）、0.45 μm 一次性針筒微膜過濾器、單一離子儲備液（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-等）、淋洗液（酒石酸和草酸）等。

將得到的污穢溶液進行高速離心處理，待上層清液與下層不溶物完全分離后，使用干凈的一次性針筒抽取約4 mL上層清液，透過0.45 μm微膜過濾器注射約1.5 mL液體至潔凈的樣品瓶中，采用離子色譜法對上層清液中陽離子、陰離子的濃度進行測定。

3 試驗結果及分析

3.1 等值鹽密、灰密

根據上述污穢測量方法，得到自然條件下避雷器取樣點上表面和下表面的等值鹽密及灰密，測量結果如圖2和圖3所示。

圖2 復合外套避雷器取樣點表面污穢度

圖3 噴涂RTV瓷外套避雷器取樣點表面污穢度

可以看出，復合外套避雷器傘裙上表面和下表面等值鹽密的分布范圍分別為0.029～0.055 mg/cm2和0.040～0.053 mg/cm2，灰密的分布范圍分別為0.253～0.455 mg/cm2和0.107～0.307 mg/cm2；瓷外套避雷器傘裙上表面和下表面等值鹽密的分布范圍分別為0.042～0.058 mg/cm2和0.042～0.057 mg/cm2，灰密分布范圍分別為0.224～0.424 mg/cm2和0.186～0.465 mg/cm2。無論是復合外套避雷器還是噴涂RTV 瓷外套避雷器，其等值鹽密和灰密的較大值在避雷器兩端位置附近，而最小值均在避雷器中間位置附近，整體上呈“中間低、兩頭高”的特點，與文獻［16］中瓷外套避雷器自然污穢分布趨勢一致；避雷器積污情況與其高壓端附近電場強度較高、接地端次之、中間位置相對較低的空間電場分布規律有一定相關性［23］，表明避雷器在運行過程中受電場集塵效應影響，不同位置處的場強差異導致避雷器表面污穢分布不均勻。值得一提的是，以往學者們在人工污穢試驗中，一般對整支避雷器統一均勻涂污，或采用上半部分潔凈、下半部分涂污等相對簡單、從嚴考慮的方式，與自然條件下避雷器表面污穢分布的等價性有待商榷。

3.2 污穢不均勻度

進一步分析了避雷器取樣點污穢不均勻度，傘裙上表面和下表面等值鹽密之比，用不均勻系數KESDD表示，而傘裙上表面和下表面灰密之比，用不均勻系數KNSDD表示，自然條件下避雷器各取樣點的污穢不均勻度如圖4—圖5所示。

圖4 復合外套避雷器表面污穢不均勻度

圖5 噴涂RTV瓷外套避雷器表面污穢不均勻度

由圖4 可以看出，復合外套避雷器傘裙表面的等值鹽密不均勻系數較小，KESDD在0.6～1.2 之間，其均值約為1；而灰密的不均勻系數相對較大，KNSDD在1.6～3.1之間，其均值約為2，即傘裙上表面的灰密約為下表面灰密的2 倍。可能的原因為避雷器的上端為1 000 kV 高壓電極導致傘裙上表面更容易積灰，同時上表面受到雨水沖刷、硅橡膠憎水性等因素的影響，其等值鹽密與下表面的測量結果較為接近。

由圖5 可以看出，噴涂RTV 瓷外套避雷器表面的等值鹽密、灰密不均勻系數較小，其均值都約為1，即傘裙上表面與下表面污穢情況近似一致，可能的原因為避雷器的上端為500 kV 高壓電極，在電場作用下傘裙上表面容易積灰，同時傘裙下表面所受雨水沖刷作用較弱。

人工污穢試驗標準中規定污漿的體積電阻率應控制在400～500 Ω·cm，絕緣傘裙采用同一配置污漿進行涂污，其上、下表面污穢程度較為一致；而自然條件下避雷器表面污穢受多種因素的影響，絕緣傘裙上、下表面污穢分布可能存在差異。從本文的測量結果來看，自然條件下復合外套避雷器絕緣傘裙上表面的灰密遠大于下表面。

3.3 灰鹽比

灰鹽比定義為同一表面灰密與等值鹽密的比值，避雷器各取樣點的灰鹽比如圖6和圖7所示。

圖6 復合外套避雷器取樣點位置灰鹽比

圖7 噴涂RTV瓷外套避雷器取樣點位置灰鹽比

從圖6可以看出，自然條件下復合外套避雷器傘裙上表面灰鹽比分布在7.0～11.6之間，下表面灰鹽比分布在2.5～5.8之間，上表面的灰鹽比約為下表面灰鹽比的2倍。對于復合外套避雷器，建議在人工污穢試驗中對傘裙上表面和下表面所涂污漿進行區分配置。

從圖7 可以看出，自然條件下噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上表面灰鹽比分布在5.0～9.0 之間，下表面灰鹽比分布在4.4～8.8 之間，其均值都約為6，上表面灰鹽比與下表面的灰鹽比相差不大。對于噴涂RTV 瓷外套避雷器，在人工污穢試驗中對傘裙上表面和下表面所涂污漿可統一配置。

3.4 污穢成分

為分析避雷器表面污穢的化學成分，采用離子色譜法對表面污穢溶解液中的陽離子和陰離子成分濃度進行了測量。以自然條件下1 000 kV 復合外套避雷器表面污穢為樣本進行研究，測量結果如圖8所示，其中污穢陽離子和陰離子僅展示濃度最高的3種成分。

圖8 復合外套避雷器主要污穢成分濃度

如圖8 所示，避雷器污穢溶液中陽離子主要有Ca2+、Na+、Mg2+，陰離子主要有SO42-、NO3-、Cl-；其中，Ca2+的濃度遠大于其他幾種陽離子的濃度，SO42-的濃度遠大于其他幾種陰離子的濃度，且Ca2+和SO42-的含量存在一定相關性，可知CaSO4為主要成分之一。污穢溶液中亦含有較多的NO3-、Cl-和Na+，說明試樣污穢中含有NaCl和NaNO3，經過雨季沖刷后，相較于難溶性的CaSO4，NaCl、NaNO3等易溶性鹽的含量較少。

人工污穢試驗標準中規定污漿采用的可溶物質是易溶于水的一價鹽NaCl，而自然污穢中含有多種鹽類，且以不易溶于水的二價鹽CaSO4為主，由于避雷器絕緣傘裙表面能附著的水分較少，則鹽種類的差異導致人工污穢和自然污穢對表面污層電導率的貢獻不一樣，可能引起絕緣污閃電壓不一致。

4 結語

復合外套避雷器和噴涂RTV瓷外套避雷器的高壓端和接地端積污較為嚴重，而中間部分積污相對較輕，污穢分布整體呈“中間低、兩頭高”的特點。

復合外套避雷器傘裙上、下表面等值鹽密較為接近，而上表面的灰密及灰鹽比約為下表面灰密及灰鹽比的2 倍；噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上、下表面的積污程度近似一致。在人工污穢試驗中，復合外套避雷器傘裙上、下表面所涂污漿建議區分配置，噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上、下表面所涂污漿可統一配置。

試驗選取變電站的避雷器表面污穢主要成分之一是難溶性的CaSO4，而NaCl、NaNO3等易溶性鹽的含量較少。

避雷器表面自然污穢與現有標準中人工污穢在污穢不均勻度、鹽的種類等方面存在差異，避雷器人工污穢試驗與自然污穢試驗的等價性需要進一步研究。