寧夏地區(qū)換流站用絕緣子積污特性研究

2022-09-13 07:32:48何紫涵郝金鵬朱靈芝胡秀雷

中國(guó)測(cè)試 2022年8期

何紫涵，伍弘，郝金鵬，朱靈芝，胡秀雷

(1. 邁阿密大學(xué)文理學(xué)院，俄亥俄州牛津 45056; 2. 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750001;3. 重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

0 引言

高壓直流輸電在輸送相同功率時(shí)，線路的有功損耗較小、造價(jià)低、調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行可靠以及能限制系統(tǒng)的短路電流，在遠(yuǎn)距離輸電中優(yōu)勢(shì)明顯。換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)中電能變換的重要場(chǎng)所，在高壓直流輸電系統(tǒng)中起著重要作用[1-2]。在沙塵暴和霧霾等極端惡劣大氣條件下，換流站內(nèi)絕緣子可能發(fā)生積污，導(dǎo)致其電氣性能下降，威脅換流站的安全運(yùn)行。寧夏所屬地區(qū)地表形態(tài)復(fù)雜多樣，干旱少雨、風(fēng)大沙多，霜凍、局地暴雨洪澇等災(zāi)害性天氣比較頻繁[3]。和其他地區(qū)相比，寧夏地區(qū)絕緣子積污更嚴(yán)重，已積污的絕緣子無法靠自然的雨水沖刷來減緩。因此寧夏地區(qū)的換流站內(nèi)絕緣子更易積污，引發(fā)污穢閃絡(luò)故障，威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行[4-5]。

近年來由污穢閃絡(luò)引起的輸電線路故障率降低，主要得益于電力部門采取了有效的防污和治污措施，而掌握絕緣子的積污現(xiàn)狀和積污特性是防污和治污的關(guān)鍵。為防止絕緣子污閃，許多學(xué)者對(duì)絕緣子積污特性和規(guī)律開展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[6]研究了極干旱、半干旱、半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)四種典型氣候下特高壓直流線路絕緣子長(zhǎng)期積污特性。為不同環(huán)境下外絕緣設(shè)計(jì)的差異化選擇提供了參考。文獻(xiàn)[7]研究了支柱絕緣上下表面不均勻污穢對(duì)直流電壓的閃絡(luò)特性，其研究結(jié)果表明支柱絕緣子上下表面的不均勻污穢會(huì)影響最表層污穢的電導(dǎo)率，閃絡(luò)電壓也因?yàn)殡妼?dǎo)率的改變受到影響，為不均勻污穢閃絡(luò)電壓變化提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[8]研究了電場(chǎng)對(duì)運(yùn)行支柱絕緣子積污規(guī)律的影響，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支柱絕緣子的積污數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)用仿真軟件對(duì)不同積污情況進(jìn)行仿真，對(duì)于支柱絕緣子積污特性有一定的參考意義。文獻(xiàn)[9]研究了在無降雨的環(huán)境下絕緣子積污情況，絕緣子的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對(duì)積污的不同影響可以為無雨的絕緣子防污工作提供理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[10]基于圖像處理技術(shù)，研究了不同污穢度的絕緣子的形貌，找到了兩種聯(lián)合判據(jù)更加精準(zhǔn)地掌握復(fù)合絕緣子污穢的情況。文獻(xiàn)[11]采用了人工積污試驗(yàn)和仿真分析模型，研究了重污少雨環(huán)境下長(zhǎng)棒形瓷絕緣子積污特性，對(duì)徐州地區(qū)少雨環(huán)境中絕緣子防污工作提供了理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[12]對(duì)寧夏典型地區(qū)的輸電桿塔的復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的積污特性做了測(cè)量和對(duì)比分析，為積污嚴(yán)重地區(qū)的絕緣子選擇提供了指導(dǎo)。

絕緣子的積污過程較為復(fù)雜，絕緣子結(jié)構(gòu)、絕緣子材質(zhì)、電壓類型和各種環(huán)境因素等都會(huì)對(duì)絕緣子表面的積污造成一定的影響。而絕緣子的性能的衰退會(huì)造成絕緣劣化，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[13]。目前，許多學(xué)者對(duì)絕緣子積污做了很多研究，但對(duì)于寧夏地區(qū)特殊環(huán)境下的絕緣子積污研究較少，而換流站作為電能變換的重要場(chǎng)所，站中有不同種類的絕緣子的積污特性還未有系統(tǒng)的研究，絕緣子積污特性的規(guī)律影響到防污治污的工作。處于我國(guó)西北內(nèi)陸的寧夏地區(qū)換流站內(nèi)的交直流絕緣子積污特性還需要進(jìn)一步的研究。本文研究了寧夏地區(qū)一處換流站積污一年的站用絕緣子的積污特性，對(duì)站內(nèi)普通支柱絕緣子、中性場(chǎng)支柱絕緣子、穿墻套管、避雷器和互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)積污特性測(cè)試和仿真分析研究，獲得了換流站內(nèi)絕緣子積污特性和規(guī)律。本文的研究結(jié)果可以為寧夏地區(qū)換流站站內(nèi)絕緣子防污工作提供參考。

1 絕緣子污穢取樣及污穢度測(cè)試方法

1）污穢取樣方法

絕緣子污穢的取樣方法可以分為直接取樣和間接取樣，直接取樣是將絕緣子更換下來之后按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，間接取樣是用取樣布取樣進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于低電壓等級(jí)輸電線路，宜采用直接取樣，通過更換絕緣子串中的單片絕緣子來獲得絕緣子污穢樣品。在超高壓、特高壓直流線路中，所使用的是大噸位絕緣子，絕緣子質(zhì)量比較大，絕緣子的更換耗時(shí)，技術(shù)難度較大，一般采用間接取樣。本文采用間接取樣的方法對(duì)換流站的交直流絕緣子進(jìn)行污穢測(cè)量，即采用絕緣子污穢取樣布來采集污穢，將現(xiàn)場(chǎng)采集的積污樣本保存并且在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣本進(jìn)一步測(cè)量與研究。

2）污穢度測(cè)試方法

交、直流絕緣子污穢測(cè)量最常用的方法均為等值附鹽密度法，即分別對(duì)污穢的鹽密和灰密進(jìn)行測(cè)量。等值附鹽密度常簡(jiǎn)稱為等值鹽密（ESDD）或灰密（NSDD），由于部分絕緣子需要到現(xiàn)場(chǎng)采污，因此把等值附鹽密度法中的水洗絕緣子表面更換為采樣布擦拭。本文污穢度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 26218.1—2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子選擇和尺寸》進(jìn)行。①將脫脂棉花浸入200 cm3水中（水的電導(dǎo)率小于0.001 S/m）；②壓擠棉花分別擦洗絕緣子上表面和下表面；③擠壓棉花，使污穢物溶解在水中。當(dāng)?shù)攘康葴氐暮鄯x物溶液和NaCl溶液的電導(dǎo)率相等時(shí)，NaCl的量即等效為污層鹽量。

式中：ESDD——等值鹽密，mg/cm2；

Wo——NaCl中等值鹽量，g；

A——被擦拭絕緣子污穢的表面積，m2。

等值灰密的測(cè)量，需要將清洗污液進(jìn)行過濾，為了加速過濾過程，試驗(yàn)中使用灰密測(cè)量?jī)x器，能夠利用真空泵加速過濾過程，并對(duì)難溶物進(jìn)行烘干和精確稱量。

式中：NSDD——等值灰密，mg/cm2；

Wf——干燥條件下含污穢過濾紙的質(zhì)量，g；

Wi——干燥條件下過濾紙自身的質(zhì)量，g；

A——被擦拭絕緣子污穢的表面積，m2。

本文在寧夏某換流站內(nèi)進(jìn)行±660 kV穿墻套管污穢測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1 ±660 kV穿墻套管現(xiàn)場(chǎng)圖

2 站用絕緣子積污特性分析

2.1 ±660 kV穿墻套管沿串積污特性

換流站內(nèi)±660 kV直流穿墻套管一半安裝在戶內(nèi)，一半安裝在戶外，安裝在戶外的穿墻套管積污較嚴(yán)重，故對(duì)±660 kV外側(cè)穿墻套管沿串的ESDD和NSDD進(jìn)行測(cè)試。對(duì)沿串的ESDD和NSDD進(jìn)行二次擬合得到變化趨勢(shì)和套管上、下表面的污穢度如圖2和圖3所示。

圖2 沿串污穢度分布

由圖2和圖3可知，穿墻套管沿串的污穢度具有明顯的特征，ESDD和NSDD的上表面和下表面經(jīng)二次擬合得出的相關(guān)系數(shù)分別為0.985 6、0.864 6、0.981 1和0.915 1。上表面受傘裙編號(hào)、高低壓端影響密切；下表面受電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響較小，尤其是ESDD下表面。±660 kV穿墻套管的等值鹽密和等值灰密整體積污分布規(guī)律基本一致。其ESDD和NSDD分布曲線的趨勢(shì)差異不大，波動(dòng)幅度也基本一致。高壓端電場(chǎng)強(qiáng)度最高，不同部位的場(chǎng)強(qiáng)差異導(dǎo)致污穢度分布不均勻，電場(chǎng)的集塵效應(yīng)影響著污穢物的分布[14]，污穢物的分布也會(huì)使電場(chǎng)發(fā)生畸變，污穢物的分布與電場(chǎng)作用相互影響。在靠近出線高壓端的位置高于中壓端和低壓端的位置，且上表面高于下表面，套管沿串呈現(xiàn)U型分布。考慮到穿墻套管放置的方式接近水平，上下表面的差異應(yīng)該是傘裙朝向?qū)е隆?/p>

圖3 ±660 kV穿墻套管污穢度

2.2 330 kV互感器沿串積污特性

本文對(duì)換流站內(nèi)330 kV互感器的硅橡膠護(hù)套進(jìn)行了沿串污穢度的測(cè)試。該電流互感器的結(jié)構(gòu)由大小傘裙構(gòu)成，分別測(cè)試了大、小傘裙的上、下表面的污穢度，并對(duì)其沿串的分布進(jìn)行分析。對(duì)電流互感器沿串的污穢度進(jìn)行二次擬合得到的污穢度分布特點(diǎn)如圖4所示。

從圖4中可知，電流互感器沿串的鹽密分布比較均勻，大傘裙的等值鹽密分布于0.13～0.14 mg/cm2，小傘裙的等值鹽密分布于0.08～0.10 mg/cm2。灰密分布呈現(xiàn)微弱的倒U型分布，大傘裙的灰密分布于 0.3～0.4 mg/cm2，小傘裙的灰密分布于 0.4～0.6 mg/cm2。其中經(jīng)二次擬合得到互感器ESDD和NSDD的上表面和下表面的相關(guān)系數(shù)分別為0.980 6、0.252 9、0.942 5和 0.169 5。上表面的積污在一定程度上受電場(chǎng)分布影響；下表面的積污與電場(chǎng)分布相關(guān)性不大。

圖4 330 kV電流互感器沿串污穢分布

330 kV互感器高壓端、中壓端和低壓端的污穢度如圖5所示。小傘裙的等值鹽密和灰密都比大傘裙大。互感器的平均等值鹽密大于等值灰密，可能是該型號(hào)絕緣子的硅橡膠吸附可溶鹽的能力較強(qiáng)。小傘裙被大傘裙遮擋，受風(fēng)力作用較弱，由于寧夏地區(qū)少雨干旱，也無法受到雨水沖刷的作用，因此可能導(dǎo)致小傘裙的ESDD和NSDD較高。330 kV互感器的等值鹽密和等值灰密在不同位置的污穢度差異無明顯的規(guī)律。

圖5 330 kV互感器不同位置污穢度對(duì)比

2.3 330 kV避雷器套管積污特性

避雷器是換流站中免受雷擊過電壓和操作過電壓而引起故障的重要設(shè)備，絕緣子積污會(huì)導(dǎo)致其絕緣性能的下降，易發(fā)生污閃事故。為了探究避雷器（大小傘裙結(jié)構(gòu)）的積污特性，本文分別對(duì)大傘和小傘的上表面和下表面進(jìn)行污穢度的測(cè)試，得到高壓端、中壓端和低壓端的ESDD和NSDD如圖6所示。

圖6 330 kV避雷器不同位置污穢度對(duì)比

避雷器上下表面污穢度對(duì)比如圖7所示，330 kV避雷器套管傘裙較密集，污穢易在傘裙間積聚，導(dǎo)致整體的污穢度較高。從圖中可以看出，在同一個(gè)避雷器設(shè)備上，上下表面的污穢度雖略有差別，但無一致性的規(guī)律，不同位置小傘裙的污穢度都高于大傘裙。小傘的等值鹽密和灰密都略高于大傘裙，小傘裙隱蔽在大傘裙之間，受到降雨、風(fēng)等因素的影響小，因此污穢容易在小傘裙上得以保留。

圖7 避雷器上下表面污穢度對(duì)比

2.4 330 kV支柱絕緣子套管積污特性

本文對(duì)330 kV支柱絕緣子進(jìn)行污穢度測(cè)試，得到330 kV支柱絕緣子高壓端、中壓端和低壓端的ESDD和NSDD值如圖8所示。在高壓端和低壓端部位，支柱絕緣子大傘裙的等值鹽密高于小傘裙，支柱絕緣子的大傘裙的等值灰密普遍高于小傘裙，并且沿串分布比較均勻。

圖8 330 kV支柱絕緣子積污特性對(duì)比

2.5 中性場(chǎng)支柱絕緣子套管積污特性

中性場(chǎng)支柱絕緣子是換流站內(nèi)特殊的一組絕緣子，運(yùn)行電壓低于換流站內(nèi)其他交直流的輸變電設(shè)備。本文對(duì)換流站中性場(chǎng)的支柱絕緣子的高壓端、中壓端和低壓端進(jìn)行了污穢度的測(cè)試。測(cè)試絕緣子的ESDD和NSDD如圖9所示。

圖9 支柱絕緣子污穢度對(duì)比

換流站中的中性場(chǎng)的支柱絕緣子一年清掃一次，絕緣子整體傘裙間距較大，因此所測(cè)得的污穢度較低。從圖中可以看出，在為期一年的積污中，對(duì)比發(fā)現(xiàn)中性場(chǎng)支柱絕緣子下表面的等值鹽密高于上表面，而上下表面的等值灰密比較接近。絕緣子沿串高壓端、中壓端和低壓端的污穢度也比較相似，受電場(chǎng)的影響較小。

2.6 站內(nèi)絕緣子積污特性分析

為了更直觀展現(xiàn)換流站內(nèi)絕緣子的積污特性，本文將站內(nèi)絕緣子的上下表面污穢度作對(duì)比分析，如圖10所示。可以看出，交流絕緣子傘裙下表面比上表面更易積污，直流絕緣子傘裙上表面比下表面更易積污。絕緣子的污穢物沉積主要受到電場(chǎng)力、風(fēng)力和重力的共同作用，由于交流絕緣子污穢物的運(yùn)動(dòng)受到交變電場(chǎng)力的作用，顆粒物運(yùn)動(dòng)和受到恒定的電場(chǎng)力作用的直流絕緣子相比更頻繁，且直流套管管徑較大，傘裙伸出較短導(dǎo)致直流絕緣子的等值鹽密和灰密基本低于交流絕緣子；換流站內(nèi)避雷和支柱絕緣子較站內(nèi)其他絕緣子更易積污。由于寧夏地區(qū)的特殊環(huán)境，絕緣子的積污未受到雨水沖刷的效果，較其他地區(qū)的換流站更易積污。

圖10 換流站內(nèi)上下表面污穢度對(duì)比

3 換流站內(nèi)套管積污特性仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)積污情況所得出的結(jié)論，選擇換流站中交流互感器和直流穿墻套管作為代表來進(jìn)行仿真分析。建模仿真分析互感器和穿墻套管的污穢物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出的積污特性規(guī)律再與和現(xiàn)場(chǎng)積污所得出的規(guī)律對(duì)比是否一致，以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)采集的積污數(shù)據(jù)的有效性。

3.1 仿真模型與計(jì)算條件

1）交、直流套管模型

以交流330 kV瓷套管電流互感器為例，建立相應(yīng)交流套管仿真模型。瓷套管絕緣距離3 400 mm，爬電距離12 380 mm，直徑300 mm，仿真模型簡(jiǎn)化了安裝底座和互感器本體；以直流±660 kV出線復(fù)合套管為例，建立相應(yīng)直流套管仿真模型。出線套管室外部分絕緣距離9 575 mm，爬電距離42 500 mm，外徑816 mm。傘裙為大小傘結(jié)構(gòu)，大傘傘裙伸出95 mm，小傘傘裙伸出75 mm。均壓環(huán)外徑2 200 mm，直徑600 mm。套管的三維模型如圖11所示。

圖11 套管三維模型

2）流場(chǎng)計(jì)算域與計(jì)算條件

瓷套管和復(fù)合套管都為上下等徑結(jié)構(gòu)，傘裙沿套管軸向方向具有周期性特點(diǎn)，即一大一小傘裙為一組，上下組傘裙幾何結(jié)構(gòu)相同。因此可認(rèn)為傘裙附近流場(chǎng)也具有周期性特點(diǎn)，計(jì)算流場(chǎng)時(shí)不需要包含大量的傘裙結(jié)構(gòu)，建立的流場(chǎng)計(jì)算域包裹了兩組共4片大小傘裙。因?yàn)樘坠苤徒Y(jié)構(gòu)也具有左右對(duì)稱性，計(jì)算域也只需包裹1/2套管柱面。計(jì)算域上下表面設(shè)置為平移周期性邊界條件，與套管軸向截面重合的計(jì)算域側(cè)表面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。330 kV瓷套傘裙和±660 kV出線復(fù)合套管傘裙附近流場(chǎng)計(jì)算域分別如圖12所示。

圖12 傘裙附近流場(chǎng)計(jì)算域

空氣來流方向垂直于套管軸線，來流速率3 m/s，氣流出口為零壓力擴(kuò)散條件。湍流場(chǎng)采用穩(wěn)態(tài)求解方式。加入離散相顆粒模擬污穢粉塵在傘裙附近的運(yùn)動(dòng)和碰撞吸附，離散相顆粒直徑20 μm，套管柱面和傘裙表面設(shè)置為顆粒捕捉表面，計(jì)算域的其他面為顆粒逃逸表面，當(dāng)離散相顆粒與傘裙表面接觸時(shí)，即停留在接觸位置。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

330 kV瓷套管傘裙和±660 kV復(fù)合套管傘裙附近顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示。圖中顆粒軌跡的顏色代表顆粒運(yùn)動(dòng)速度。從圖中可以看出，無論是瓷套管還是復(fù)合套管，其寬大的套管本體對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡造成了很大程度的偏轉(zhuǎn)，套管直徑越大，造成的顆粒運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈。

圖13 傘裙附近顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

部分顆粒物與套管傘裙發(fā)生正面碰撞，滯留在傘裙迎風(fēng)面；另一部分顆粒物會(huì)隨著空氣湍流繞行至背風(fēng)面?zhèn)闳垢浇暂^低的速度與背風(fēng)面?zhèn)闳拱l(fā)生接觸。直流復(fù)合套管管徑更大，在背風(fēng)側(cè)形成了長(zhǎng)度更長(zhǎng)，寬度更大的湍流區(qū)，而交流瓷套管附近的顆粒運(yùn)動(dòng)速度比直流套管附近的稍大。

3.3 套管積污特性分析

330 kV交流瓷套管和±660 kV直流復(fù)合套管接觸的顆粒物分布情況分別如圖14和圖15所示，圖中紫色、藍(lán)色的色塊即表示污穢顆粒與傘裙接觸的區(qū)域。流場(chǎng)仿真加入了離散相顆粒，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析結(jié)果表明，與330 kV瓷套管發(fā)生接觸的顆粒物多數(shù)分布在傘棱迎風(fēng)面和傘裙下表面；與±660 kV復(fù)合套管發(fā)生接觸的顆粒物在傘裙上、下表面均有廣泛接觸，且迎風(fēng)面?zhèn)闳股系念w粒多于背風(fēng)面。

圖14 330 kV瓷套管表面接觸顆粒分布

圖15 ±660 kV瓷套管表面接觸顆粒分布

為了更直觀地量化對(duì)比交直流套管傘裙的積污特性，提出顆粒沉積率這一特征參數(shù)。顆粒沉積率與顆粒接觸概率類似，也是間接表示傘裙表面的積污程度，用于對(duì)比大、小傘，上、下表面的積污差異。顆粒沉積率的單位為kg/（m2·s），表示單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上所接觸顆粒物的質(zhì)量。

330 kV瓷套管大小傘裙，±660 kV復(fù)合套管大小傘裙上下表面的污穢顆粒沉積率如圖16所示。顆粒物的運(yùn)動(dòng)受到電場(chǎng)力、風(fēng)力以及重力的綜合作用。直流套管的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是套管管徑大，傘裙伸出短，無傘棱。顆粒物由于重力下沉的較少，±660 kV復(fù)合套管的小傘裙和下表面平均積污程度較重。330 kV瓷套管瓷面棱槽多,瓷面粗糙，不利于風(fēng)速通過，易形成旋渦，因此下表面的積污程度也較嚴(yán)重。330 kV瓷套管和±660 kV復(fù)合套管的仿真數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)出來的是相符的。其中，絕緣子的積污規(guī)律的差異與絕緣子的結(jié)構(gòu)型式和電場(chǎng)分布等存在一定關(guān)系。