配電線路針式絕緣子早期故障動態特性研究

余 穎 劉亞東 李 維 叢子涵 嚴英杰

配電線路針式絕緣子早期故障動態特性研究

余 穎1劉亞東1李 維2叢子涵1嚴英杰1

（1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240 2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院 昆明 650217）

針式絕緣子在配電線路上廣泛應用，由其導致的故障占比約為10%。從機理上探究早期故障的電弧動態發展過程、捕捉其波形特征，是實現針式絕緣子早期故障的檢測與辨識基礎。該文分析針式絕緣子裂縫內部放電發生機理，基于磁流體動力學仿真建模，同時試驗模擬針式絕緣子裂縫內部放電，探究裂縫內部電弧的發展過程和電流電壓波形特征。結果表明：絕緣子內部燃弧與熄弧交替，電流電壓波形符合早期故障間歇性起弧的特征；相比絕緣子外部，裂縫內部形成沿面閃絡用時短、閃絡瞬間電流變化率大；裂縫內部放電具有明顯的極性效應，鋁導線施加正電壓時起弧概率更大。該文研究結果為進一步實現針式絕緣子早期故障的檢測與辨識奠定了基礎。

配電線路 早期故障 針式絕緣子 磁流體動力學 電弧特性 波形特征

0 引言

針式絕緣子廣泛運用在郊區、農村的中壓配電線路，其頂部凹槽和鐵腳之間瓷體較薄，易開裂，在裂縫內部會產生間歇性電弧。裂縫故障為高阻接地故障，電流幅值小，不會引起保護動作，且該故障具有自清除特性，稱為針式絕緣子早期故障[1]。早期故障間歇性發生、電氣量特征微弱，其信號湮沒在大量擾動事件中，容易被忽視[2]。間歇性電弧產生的高溫、熱應力會對瓷體表面造成不可逆損傷，損傷累積使早期故障逐漸轉化為炸裂、掉線等永久性故障[3]。某省2019年數據顯示，配電網中壓線路跳閘停運有11.2%由針式絕緣子永久性故障引起，配網的安全可靠運行受到巨大威脅。在永久性故障前及時排查隱患，實現由事后故障處理到事前主動預防的轉變，是降低配電網故障率、提高供電可靠性的關鍵[1]。為實現該故障的事前預防，首要工作是結合針式絕緣子早期故障發展過程與電弧的內外特性，捕捉針式絕緣子裂縫故障獨有特征量。

隨著電網信息化程度提高，早期故障電流電壓波形可被智能終端設備檢測記錄，為早期故障辨識提供數據基礎。現有早期故障檢測方法主要分為機器學習法[2,4-6]、波形特征法[7-3]和模型法[14-16]。文獻[4]提出了基于復合判據的小電流接地系統接地型早期故障檢測算法，文獻[2,6]提出基于類人概念學習的人工智能方法，通過對波形進行分解以及分層概率學習進行早期故障辨識，文獻[8]提出了基于行波反演的故障重演方法，獲取故障暫態波形信息，但是早期故障因為故障位置、設備參數、負載電流、噪聲等問題而具有強隨機性，無法利用暫態波形特征進行故障辨識。文獻[10]主要通過故障波形時頻特征和電弧特征來辨識故障類型，識別率高達90%。但配電設備早期故障案例較少，不能滿足上述辨識方法需大量數據樣本集的要求。文獻[11-12]提出了基于波形分布特性、相似度計算等高靈敏的擾動檢測算法，有較高的精度與魯棒性，但此算法對硬件條件要求高，無法大范圍推廣至實際應用。文獻[13]結合單相接地故障模型與Prony算法，提取電流電壓暫態波形衰減因子作為電纜接頭故障狀態監測的特征量。文獻[14]在PSCAD中建立電纜早期故障模型，利用電弧電壓波形畸變特性來進行早期故障檢測與定位，文獻[15-16]建立樹線早期故障模型模擬放電過程，研究樹線閃絡電弧的發展特性與影響因素，但未從故障發生機理上建立故障發展過程與電弧特征的聯系，難以實現具體故障類型辨識。

針對上述問題，本文基于故障發生機理，采用仿真與試驗交互驗證的方式研究針式絕緣子早期故障。建立磁流體動力學電弧模型，通過裂縫內部電弧形態、溫度、長度等動態變化特性，探究裂縫結構對放電的影響，提取針式絕緣子早期故障獨有的特征量；并在人工試驗平臺對仿真結果進行分析驗證。研究結果可指導針式絕緣子裂縫早期故障的檢測與識別，為針式絕緣子裂縫早期故障辨識奠定基礎。

1 故障分析

1.1 裂縫內部放電發展過程

圖1所示為PL1.4/60CL16/150型號針式絕緣子實物圖，其傘裙與柱式絕緣子的外傘裙不同，為“鐘罩型”的內凹結構，下方不易積污，難以形成污穢沿面閃絡。

圖1 10kV針式絕緣子實物圖

針式絕緣子頂部凹槽和鐵腳之間的瓷體較薄，長期的機械負荷、冷熱變換的外部環境以及化學物質的腐蝕等因素易導致瓷體出現裂縫[17]。根據現場數據統計，裂縫多出現在頂部凹槽與鐵腳之間，為一道或多道貫穿性裂縫。晴朗天氣下，裂縫絕緣子仍有良好的絕緣性能，不會產生放電；但雨霧天氣時，水分從頂部滲入裂縫內部，在裂縫內產生分布不均勻的泄漏電流。

裂縫內部放電發展過程如圖2所示，水分滲入裂縫后，沿粗糙表面分散成多股細流，靠近鐵腳的部分形成高阻值干區，兩端的電壓幾乎都施加于此。外施電壓達到擊穿電壓時，出現局部電弧，隨后電弧向兩極拓展延伸，形成閃絡。電弧燃燒產生的高溫在短時間內即可蒸干裂縫內部水分，干區長度增加，電壓過零點時交流電弧熄滅，下一半波電弧重燃與否需重新考慮外加電壓峰值和電弧重燃電壓re的大小關系[18-19]。

圖2 裂縫內部放電發展過程

re值取決于干區長度，同時受到裂縫內殘留熱氣柱的影響。

配電網10kV電壓能夠擊穿的干區較短[20]，電弧燃燒產生高溫使干區長度增加，長度超過可擊穿長度時電弧熄滅，因此電弧難以持續，通常燃燒1～2個工頻周期后自行熄滅。當水分滲入裂縫時，干區變短被擊穿，電弧重燃。因此在雨霧天氣，裂縫內部不斷重復“形成干區—局部擊穿—沿面閃絡—電弧熄滅”的過程，形成熄弧與重燃交替的間歇性放電。此類故障不能觸發保護動作，也難以自行消除。間歇性放電是早期故障的典型表現，本文重點討論此階段裂縫內部電弧的動態發展過程。

1.2 裂縫內部放電與絕緣子外部放電對比

電弧發展速度快慢由局部電弧發展為閃絡所用時間長短比較得出，用時越短表明電弧發展速度越快。裂縫內部故障電弧發展速度遠大于外部沿面放電，原因有四點，具體分析如下。

絕緣子裂縫內部為“固體-氣體-固體”的結構，裂縫內部對流散熱和輻射散熱占比小，主要依靠瓷體傳導散熱，瓷體熱導率較低，僅為2.00W/(m·K)。電弧產熱功率相對穩定，當產熱與散熱達到平衡時，電弧整體溫度高。電弧在裂縫內部難以形成飄弧，扭曲程度低，高溫區域集中，有利于電弧拓展延伸，加快電弧發展速度。

相較于裂縫內部放電，絕緣子外部沿面電弧的散熱以對流散熱為主，開放環境中空氣對流帶走大部分熱量，表達式[21]為

式中，為與氣流運動速度相關的系數；為電弧長度；為電弧直徑；h為弧柱溫度；0為外部環境溫度。對流散熱功率受到溫度差的影響，并且與電弧直徑、電弧長度成正比。外部沿面電弧在開放空間中受到外界氣流熱浮力影響，脫離放電表面形成飄弧，彎曲程度高導致長度增加，電弧等離子體與周圍環境的輻射熱量和傳導熱量均增大。電弧燃燒產熱功率相對穩定，達到平衡時弧柱溫度較低，抑制電弧延伸，減慢電弧發展速度。

然后，從界面組成來看，絕緣子外部為固-氣單界面；裂縫內部為固-氣-固雙界面。在瓷體與空氣的交界面上有電荷積聚[22]，能促進放電的發生。裂縫內部兩固-氣交界面均存在電荷積聚，其對瓷體表面放電初期的促進效果更突出[23]，加快了電弧發展速度。

最后，在爬電距離方面，絕緣子裂縫內爬電距離短，局部電弧可迅速發展為沿面閃絡，絕緣子外部存在傘裙，爬電距離遠大于裂縫內部。總結以上四點，裂縫內部放電與絕緣子外部放電對比見表1。

表1 裂縫內部放電與絕緣子外部放電對比

Tab.1 The comparison of internal discharge with external discharge along the surface

1.3 極性效應

針式絕緣子豎直安裝，雨霧天氣下水分從頂部凹槽滲入裂縫，形成電解液。裂縫內部放電電極分別為電解液和金屬鐵腳，其示意圖如圖3所示，鋁導線電壓為正時，金屬鐵腳為陰極，電解液為陽極；鋁導線電壓為負時，金屬鐵腳為陽極，電解液為陰極。

圖3 裂縫沿面極性電弧示意圖

電弧由陰極區、弧柱和陽極區組成，陰極完成電子發射，弧柱處于中間位置，陽極被動接收電子。陰極的差異對起弧的影響更大[24]，陰極的電子發射機制包括熱電子發射和強場電子發射，其電流密度表示為

式中，1、2為常數。陰極溫度、逸出功函數、電極表面電場強度為影響電流密度的三個關鍵參數。

鐵腳作為陰極比電解液作為陰極時的電流密度更大，原因有三點。首先，電解液沸點較低，作為陰極時溫度上升慢，熱電子發射能力弱；反之，當鐵腳作為陰極時，陰極溫度上升快，熱電子發射能力強。其次，鐵腳表面凹凸不平，電場畸變易形成高電場強度區域，強場電子發射能力強。最后，金屬內有大量自由電子，且逸出功較小。

由于鐵腳作為陰極時電流密度更大，裂縫內部故障具有極性效應，鋁導線為正電壓時，裂縫內部起弧比鋁導線加負電壓時更容易。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

本文以10kV配網廣泛使用的PL1.4/60CL16/ 150型號針式絕緣子為例進行研究，提取針式絕緣子側面視角，在COMSOL仿真軟件中建立針式絕緣子裂縫放電二維模型。

國標[25]中規定PL1.4/60CL16/150針式絕緣子尺寸如圖4所示。測量不同批次該型號絕緣子，瓷體中央厚度均為18mm，本文仿真模型與試驗所用絕緣子尺寸保持一致，頂部瓷體厚度設置為18mm。裂縫內部放電仿真幾何圖如圖5所示，計算域高240mm，寬300mm，包括整個針式絕緣子以及部分鋁導線，有鋁導線、瓷體、瓷體裂縫、空氣域、水泥和鐵腳六部分。絕緣子瓷體上方是直徑為12mm的鋁導線，裂縫設置在瓷體最薄處，寬度設置為0.5mm。10kV配網能擊穿的干區較短，故在瓷體下方靠近鐵腳處設置一小段干區，裂縫其余處均為濕區，干區設置為2mm。

圖4 PL1.4/60CL16/150針式絕緣子尺寸（單位：mm）

圖5 裂縫內部放電仿真幾何圖

網格劃分時將裂縫處電弧通道細化處理，遠離電弧的部分網格劃分稀疏，兼顧模型的收斂性、精確性和高效性。

2.2 模型假設與控制方程

電弧燃燒的過程視為流場、溫度場、電磁場等在時間和空間上的耦合變化過程，耦合關系如圖6所示。

為了降低模型復雜度，提高計算效率，針對絕緣子裂縫內部電弧引入下列假設[26]：

圖6 電弧多物理場耦合關系

（1）電弧等離子體處于局域熱力學平衡狀態。

（2）忽略電弧的起始過程，認為在仿真初始，裂縫內2mm干區表面存在一段穩定電弧。

（3）等離子體流是非可壓縮的，流動為層流，黏性耗散對流體的影響可忽略不計。

（4）忽略其他雜質離子對電弧等離子體的影響，即視電弧為純空氣等離子體。

裂縫內部電弧模型基于磁流體動力學理論建立，控制方程包括流體動力學方程和電磁場方程。流體動力學方程由流體質量守恒方程式（7）、動量守恒方程式（8）和式（9）與能量守恒方程式（10）～式（12）組成。

電磁場方程由電場方程式（13）～式（15）和磁場方程式（16）和式（17）組成。

式中各符號的含義見表2。

表2 控制方程符號含義

Tab.2 The meaning of the symbols in the MHD equation

2.3 初始值與邊界條件

建模過程涉及電場、磁場、層流、流體傳熱、電路物理場模塊，多物理場模塊采用洛倫茲力、平衡放電熱源、靜態電流密度分量、流動耦合和溫度耦合?？紤]實際工況和模型的收斂性，各物理場模塊的邊界條件設置如下。

流場設置為層流，應用流體傳熱模塊耦合溫度場。根據流場計算中常用的處理方法，絕緣子壁邊界均設置為非滑移邊界，流固邊界處速度法向分量和切向分量均為零。絕緣子故障發生在開放環境中，模型中外圍邊界均設為開放邊界，氣壓為一個標準大氣壓，溫度設置為293.15K，模型計算過程中根據外圍邊界上壓力和溫度分布情況確定氣體流動方向。求解域溫度設為大氣溫度，即293.15K。求解域內空氣電弧的密度、熱導率、粘滯系數、電導率等參數設為溫度的函數[27]。在電極與氣體的交界面處采用熱守恒定律，能量由高溫等離子體向低溫電極傳輸。

電場的邊界條件設置中，鐵腳設置為接地，鋁導線設置為電路終端，絕緣子上部鋁導線對應節點a，鐵腳對應節點b，從而將絕緣子接入圖7所示外部電路中。形成沿面閃絡后，電路經電桿電阻接地，為高阻接地故障，經過極短的暫態過程快速過渡到穩態階段[28]，因此本文忽略暫態僅考慮穩態階段。以中性點不接地系統為例，健全線路在特征頻帶內可用集總參數電容進行簡化，而故障線路的阻感抗與絕緣子裂縫故障接地的高接地電阻相比可忽略不計[29]，等效電路中僅考慮線路對地電容。圖中A、B、C分別為10kV工頻系統三相電壓，幅值為8 165V，Σ為各相等效對地電容，中性點不接地系統對地電容電流通常小于10A，在此將Σ設為1.6mF，對應系統電容電流約為9A。設置C相為故障相，故障相串聯2000W阻值的G來等效電桿電阻，故障電流約為3A。

圖7 仿真模型外接電路

2.4 仿真結果分析

本文通過仿真計算裂縫內部放電發展過程；綜合裂縫內部故障的特點，對比了絕緣子裂縫內部放電故障與絕緣子外部放電故障。

2.4.1 裂縫內部放電

裂縫電弧所在區域電流密度分布放大如圖8所示，圖8電流密度分布清晰地展現電弧的形態發展。初始時刻僅在鐵腳附近存在局部電弧，電弧在絕緣子表面發展的過程中，受到向前的靜電力和氣流渦旋壓力，以及向后的空氣粘滯阻力的共同作用，發展速度慢，裂縫內其他區域仍有良好的絕緣性能，表面僅通過少許泄漏電流，弧柱區電流密度均維持在104數量級。隨著外部電壓升高，局部電弧向電極兩邊延伸，閃絡時刻電流陡增，弧柱區域電流密度達到107數量級。

圖8 裂縫內部放電電流密度分布

0～60ms三個周期的電流電壓波形如圖9所示。從單次起弧波形來看，電壓波形有燃弧尖峰和輕微的熄弧尖峰，電流波形在過零點附近出現持續2～3ms的平肩部，且在燃弧尖峰附近電弧電流由mA級別的泄漏電流突增至4A。閃絡瞬間電流波形陡峭，電流變化率可達382.47kA/s，隨后在熄弧尖峰附近，電流減小為0，波形特征符合交流電弧電壓電流波形。從多周期波形來看，第一個半周期起弧，電弧產生的高溫蒸干濕區，使干區長度增加，此時，外施電壓峰值小于電弧重燃電壓數值，因此第二個半周期干區未擊穿。隨后濕區電導率隨溫度降低而增大，干區縮短至可擊穿長度，在1=20ms、2=30ms處擊穿起弧，間隔半周期后在3=50ms處再次擊穿，總體呈現間歇性起弧放電的狀態，符合早期故障熄弧與重燃交替的特征。

圖9 0～60ms電弧電流電壓波形

2.4.2 裂縫內部放電與絕緣子外部沿面放電對比

絕緣子外部沿面放電與裂縫內部放電機理相似，但在電弧動態發展方面存在差異。

裂縫內部狹窄，由固體-氣體-固體組成，限制了電弧形態發展，外部沿面是固體-氣體的組成結構，電弧延伸發展隨機性更大。在外部條件相同的情況下，控制爬電距離為18mm，移除一半瓷體，模擬半開放空間沿面電弧，對比裂縫內部放電與外表面沿面放電的異同。外部沿面放電仿真結構如圖10所示，其余設置與絕緣子裂縫內部仿真保持一致。

圖10 外部沿面放電仿真結構

圖11為外部沿面電弧電流密度分布，展現電弧形態發展。與裂縫內部電弧相比，外部電弧脫離瓷體表面形成飄弧，扭曲程度高，長度更長。

圖11 外部沿面電弧電流密度

裂縫內部電弧與外部沿面電弧仿真得到的特征量對比見表3。兩種結構放電在弧柱溫度、電弧形態、閃絡瞬間電流變化率、形成閃絡所用時間有較大差異。

表3 裂縫內部放電與外部沿面放電對比

Tab.3 Comparison of internal discharge and external surface discharge in simulation

固-氣界面上的電弧，在外界氣流的作用下，散熱功率大，電弧整體溫度低。熱浮力的作用使電弧脫離瓷體表面，形態扭曲，弧長增加，導致局部電弧發展成閃絡的時間增加，電弧發展速度慢。

外部沿面放電閃絡瞬間電流變化率為172kA/s，比同等厚度固-氣-固裂縫情況低54%，仿真表明閃絡瞬間電流變化率可以作為針式絕緣子裂縫內部故障的特征量。

3 真型試驗驗證

針式絕緣子早期故障等效模型進一步簡化為圖12所示單相電路[30]。負載電容根據仿真參數設為3×1.6μF=4.8μF，電阻設置為2 000W。根據簡化的單相電路搭建真型實驗平臺。

圖12 針式絕緣子早期故障單相等效模型

試驗裝置與試品布置如圖13所示，包括試驗系統和測量系統。試驗系統由200kV×A/6kV的工頻試驗變壓器、限流電阻和人工氣候室組成，試品絕緣子豎直立在人工氣候室內的支架上，裸導線固定在絕緣子凹槽處，噴頭沿著支撐架固定在絕緣子正上方。通過調節水泵的功率改變噴頭出水量的大小，模擬雨霧天氣。測量系統由分壓器、錄波器組成，電流線和電壓線從絕緣子頂部導線處引出，電壓經過電壓比為1:195的分壓器接入錄波器，電流直接接入。錄波器的型號是MR1200，錄波頻率為100kHz。

圖13 試驗裝置與試品布置

與仿真相對應，試品裂縫損傷設置為凹槽部位垂直向下延伸至鐵腳的貫穿性裂縫，圖13中試品的截面圖對應圖15中立體模型的正視角度。實驗結果分析如下。

3.1 裂縫內部放電

每次試驗進行約10min，放電發展過程可分為泄漏電流階段和間歇性起弧階段。

開始噴霧時，裂縫沿面出現持續的泄漏電流，幅值在100mA以下，無明顯特征，波形信息難以用于故障檢測。隨著水分進一步滲入，局部電弧發展至沿面閃絡，進入間歇性起弧階段，每次起弧僅持續0.5～2個周期。

圖14a～圖14c是間歇性起弧階段幾種典型的電流、電壓波形。圖14a中電弧持續時間僅4ms230ms，間歇性起弧前期階段，以此類波形為主；圖14b中a處起弧，b處電弧未能重燃，在c處又重新起弧，兩次電弧間隔時間短，a處電弧燃燒殘留的高溫氣體促進c處電弧的重燃，降低了c處燃弧尖峰的數值。圖14c中一個周期內同時存在正負半波。圖14d中兩次起弧間隔半周期，且第二次電弧持續了三個半波。瓷體的絕緣性能隨著電弧造成的損傷累積而下降，圖14b～圖14d中的電弧更多出現在間歇性電弧階段后期。

圖14 間歇性起弧階段電流電壓波形

從單個電弧波形來看，電流波形在正弦波的基礎上畸變，電壓波形有燃弧尖峰、平臺期和熄弧尖峰。起弧瞬間，電壓值驟降形成燃弧尖峰，電流瞬間增大；電弧穩定燃燒時，電流波形接近正弦波形，電弧產熱與散熱達到動態平衡，電弧等離子體的電導率維持穩定，電壓數值變化幅度??；電流數值在0A左右時，電弧熄滅，電壓波形出現熄弧尖峰，電弧進入零休期。從多個周期波形來看，裂縫內部間歇性放電，電弧重燃和熄滅交替，與理論分析相吻合。試驗采集的電流電壓波形與圖8仿真波形有著相同的變化特點，驗證了仿真模型的準確性。

3.2 裂縫內部放電與絕緣子外部放電對比

從電弧形態和閃絡瞬間電流變化率兩方面將裂縫內部放電與絕緣子外部放電進行對比，總結見表4。

表4 真型試驗裂縫內部放電與外部沿面放電對比

Tab.4 Comparison of internal and external discharge in test

放電后試品截面如圖15所示。放電過程中電弧在裂縫內部發展，難以通過高速攝像機捕捉電弧形態變化，但電弧產生的高溫灼燒瓷體表面留下的放電痕跡可以表征電弧的形態。

圖15 試品截面放電痕跡

圖15a是絕緣子裂縫內部放電留下的多條清晰放電通道。間歇性燃弧熄弧過程中，單次電弧燃燒持續時間短于5ms，對瓷體表面造成微小損傷，但多次起弧損傷逐漸積累形成熔融放電通道，這些放電通道即為電弧發展路徑。試品截面是正視角度，二維仿真模型平面是側面視角，故試驗結果可見多條放電通道，而仿真可見一條放電通道。圖15 b是絕緣子外部沿面放電，電弧飄弧嚴重，在表面隨機產生，沒有固定放電通道；且外部氣流對流帶走電弧大部分熱量，電弧燃燒對瓷體的損傷小，因此未留下清晰的放電通道，僅在鐵腳部分有雜亂的灼燒痕跡。真型試驗電弧形態與仿真所得電弧形態相符。

在電流變化率方面，提取電流波形數據，計算300個周期內電流變化率，電流變化率隨時間的變化如圖16所示，圖16中出現峰值時刻為閃絡瞬間，其余時刻電流變化率近似為0。裂縫內部放電，電流變化率峰值均在250kA/s以上；外部沿面放電，電流變化率峰值均在80kA/s以下。閃絡瞬間裂縫內部故障電流變化率遠大于外部沿面故障，與仿真所得大小關系一致。兩種情況的數值都低于仿真所得數值，主要原因是試驗電弧因為弧道輕微扭曲導致爬電距離比仿真大，局部電弧發展至閃絡所用時間長。此外，試驗中采用噴水的方法模擬雨霧情況，水霧蒸發過程帶走電弧的部分熱能，降低了弧柱的溫度，一定程度上抑制了電弧的發展。

圖16 試驗電流變化率

兩種情況閃絡瞬間電流變化率的大小關系與仿真保持一致，驗證了仿真的合理性，說明閃絡瞬間電流變化率可以作為針式絕緣子裂縫內部故障的特征量。

3.3 極性效應

由于仿真軟件計算的局限性，難以模擬長時間早期故障發展的情況，且磁流體電弧模型主要反映電弧流體的整體宏觀屬性，不能體現粒子微觀屬性，因此極性效應只能通過真型試驗體現，不能由仿真得到。

分析試驗波形數據，統計正負極性起弧情況得到表5。以試驗1的結果為例，此次試驗錄波時間為7min 47s 349ms，共23 367個周期，其中，有2 195次起弧發生在鋁導線施加正電壓時，占總起弧次數的72.18%，而鋁導線側電壓為負電壓時，僅有846次起弧。試驗結果表明鋁導線施加正電壓時放電更易發生，與第1節故障分析中裂縫內部放電具有極性效應的結論相符。

表5 正負極性起弧統計表

Tab.5 Statistics of positive and negative polarity arc

4 結論

本文對針式絕緣子早期故障進行理論分析，結合仿真和真型試驗驗證，得到如下結論：

1）雨霧天氣下，針式絕緣子裂縫內部潮濕，絕緣性能下降，易發生間歇性起弧的早期故障。裂縫內部燃弧、熄弧交替，電流電壓波形符合間歇性起弧特點。

2）裂縫內部故障形成閃絡用時短，閃絡瞬間電流變化率數值遠高于絕緣子外部放電故障。可提取閃絡瞬間電流變化率為針式絕緣子早期故障的一個特征量，為早期故障辨識提供一個思路。

3）絕緣子裂縫內部故障具有明顯的極性效應。同一間隙距離下，相較于鋁導線施加負電壓，鋁導線為正電壓時，裂縫內部電弧電流密度更大，間隙更容易被擊穿而形成閃絡。

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Simulation and Experimental Research on Pin Insulator Incipient Fault Dynamic Characteristic in the Distribution Network

Yu Ying1Liu Yadong1Li Wei2Cong Zihan1Yan Yingjie1

（1. School of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 2. Yunnan Grid Electric Power Research Institute Yunnan Power Gird Co. Ltd Kunming 650217 China）

Pin insulators are widely used in distribution lines, and the faults caused by them account for about 10%. The thin porcelain between the top groove and the iron feet is prone to cause crack faults. Crack faults are high-resistance ground faults with low current amplitude, which will not trigger protection devices, it has self-clearing characteristics. We call it incipient fault of pin insulators, and one of its typical features is intermittent arcing. The high temperature and thermal stress generated by arc cause irreversible damage to the porcelain, thus the incipient faults gradually transform into permanent faults. Timely detecting the hidden dangers before the permanent failure is the key to lower the fault rate of the distribution lines. In order to realize the pre-fault prevention, the primary work is to research the incipient fault development process and extract the unique characteristics of the pin insulators’ incipient fault.

The paper explores the dynamic development process and waveform characteristics of pin insulator incipient faults by theoretical exploration, simulation and experiment. Arcing and extinction occur alternately inside the crack of the pin insulator according to the theory of arc re-ignition. The mechanism of external discharge on the surface of the insulator is similar to that of the internal discharge inside the crack, but there are differences in the dynamic development of the arc. The speed of arc development is decided by comparing the time it takes for a partial arc to develop into a flashover. The shorter time it takes, the arc develops faster. The development speed of the internal discharge is much faster than that of the external discharge. The property of the two electrodes of the pin insulator discharge is quite different, which cause the differences of the positive and negative arcs in the fault.We establish multi-physics model of arc by COMSOL to obtain the dynamic development process of arc, temperature distribution, electro-magnetic field distribution and current and voltage waveforms. The different characteristics of internal discharge and external discharge arc are compared to get unique characteristics, which are consistent with the theoretical analysis. In addition, we simplify the three-phase system into a single-phase circuit, and build an artificial test platform. The pin insulator sample is placed in an artificial climate chamber for testing, the collected current and voltage waveforms verify the simulation results.

Based on Magnetic Hydro Dynamics arc simulations and validation experiments, we get several characteristics of pin insulators’ incipient faults. ①Crack faults occurs in rainy and foggy weather, arc burn and extinguish alternately inside the crack, and waveforms of current and voltage conform to this feature. ②It takes a short time for the internal arc forming the flashover in the crack, thus the current change ratio at the instant of the flashover is much higher than that of the external discharge, which provides an idea for incipient fault identification. ③The fault has an obvious polarity effect. At the same gap distance, when the aluminum wire is at a positive voltage, the gap is more likely to be broken down compared with the negative voltage applied to the aluminum wire.The research results provide a guidance for the detection and identification of pin insulators’ incipient fault.

Power distribution line, incipient fault, pin insulator, Magneto Hydro Dynamics, characteristics of arc, features of waveform

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221013

TM501.2

余 穎 女，1999年生，碩士，研究方向為配電網早期故障檢測與辨識。E-mail: yuying@sjtu.edu.cn

劉亞東 男，1982年生，博士，副研究員，主要從事輸配電設備故障檢測與診斷方面的研究工作。E-mail: lyd@sjtu.edu.cn（通信作者）

國家重點研發計劃資助項目（2019YFE0102900）。

2022-04-14

2013-05-14

（編輯 郭麗軍）