氣壓對絕緣子串直流污閃特性影響

張志勁 蔣興良 孫才新 胡建林 舒立春 毛 峰

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

隨著海拔高度的增加，絕緣子的電氣性能均將降低。低氣壓下絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓降低越來越引起人們重視。日本、前蘇聯(lián)、加拿大和我國等均對低氣壓下絕緣子的污閃特性開展了研究。研究結(jié)果表明，隨著氣壓降低，絕緣子的交、直流污穢閃絡(luò)電壓均將降低，污閃電壓Uf與氣壓p之間呈非線性關(guān)系，可表示為

式中，U0為標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件（p0=101.32kPa）的污閃電壓；n為污閃電壓的氣壓影響特征指數(shù)，國內(nèi)外目前對n的取值尚未達(dá)成共識，n值有較大差異，如日本的T. Kawamura研究結(jié)果表明負(fù)極性直流下n值為0.35，正極性直流下n值為0.40[1]。V. M.Rudakova和N. N. Tikhodeev研究結(jié)果得出，交、直流電壓下普通絕緣子的n值均為0.5左右，棱間距或傘間隙很小的絕緣子的 n值可達(dá) 0.8或更高[2]。V. I. Bergman和O. I. Kolobova研究結(jié)果得出，標(biāo)準(zhǔn)懸式絕緣子串的n值為0.5，耐污型懸式絕緣子串的n值為0.6[3]。瑞典的J. Frywell和A. Schei的研究提出，直流下的n值為0.50，交流下的n值為0.29[4]。加拿大的H. P. Mercure研究得出負(fù)極性直流下的n值為0.35，正極性直流下的n值為0.4，交流下的n值為0.5[5]。重慶大學(xué)研究得出：染污絕緣子的氣壓影響特征指數(shù)n與絕緣子型式、絕緣子材料、電壓類型、污穢度等有關(guān)；懸式瓷、玻璃絕緣子在交流下的n值在0.36～0.90之間；負(fù)極性直流下的n值在0.14～0.30之間；支柱絕緣子在負(fù)極性直流下的n值在0.23～0.63之間，交流下的n值大于直流[6-14]。清華大學(xué)研究結(jié)論是：在交流下懸式瓷、玻璃絕緣子的n值在0.37～0.60之間，負(fù)極性直流下的n值在 0.23～0.77之間；支柱絕緣子交流下的 n值在0.40～0.84之間，負(fù)極性直流下的n值在0.60～0.72之間；復(fù)合絕緣子交流下的 n值在 0.18～0.52之間[15-19]，此結(jié)論與重慶大學(xué)得到的結(jié)論一致，交流下的n值大于直流。云南電力試驗(yàn)研究所研究結(jié)論是CA-580EY型瓷絕緣子的n值為0.63[20]。

以上研究結(jié)果主要是根據(jù)短串絕緣子的試驗(yàn)結(jié)果得出的，n值有較大差異，甚至有些結(jié)論互相矛盾。例如瑞典認(rèn)為交流下的n值為0.29（小于直流時的0.5），中國、日本、前蘇聯(lián)、加拿大等認(rèn)為交流下的n值大于直流下的n值。n與電壓類型、污穢程度、絕緣子結(jié)構(gòu)型式、絕緣子材料等有關(guān)，如何取值是高海拔地區(qū)絕緣子串污穢外絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。而國內(nèi)外對絕緣子的污閃機(jī)理的研究主要是基于一般海拔地區(qū)Obenaus的平板模型，低氣壓下絕緣子的污閃機(jī)理研究相對較少，對于污閃電壓隨氣壓變化的規(guī)律，絕緣子形狀、污穢、電壓類型等對污閃電壓的影響仍待進(jìn)一步研究。

本文采用高速攝像機(jī)，對7片串XP-160絕緣子和FXBZ-±800/530-S特高壓復(fù)合絕緣子短樣的直流污閃放電過程進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上分析了氣壓對絕緣子污穢閃絡(luò)特性的影響。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置及試品

本文的試驗(yàn)研究是在內(nèi)徑φ 為7.8m，凈空高H為11.6m的人工氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行的。人工模擬氣壓最低可達(dá)30kPa，溫度控制范圍為-45～50℃，相對濕度在 10%～100%可調(diào)，可模擬海拔 7000m及以下高海拔地區(qū)的大氣條件。

本試驗(yàn)采用±600kV/0.5A晶閘管控制的電壓電流雙反饋倍壓整流直流試驗(yàn)電源，其額定電壓為±600kV，額定電流為0.5A。在泄漏電流為0.5A時，其動態(tài)壓降小于 5%，閃絡(luò)時電壓的紋波系數(shù)小于3%，滿足 IEC 1245等標(biāo)準(zhǔn)[21-23]對直流污穢試驗(yàn)的電源要求。

試品采用 XP-160瓷絕緣子和 FXBZ-±800/530-S特高壓復(fù)合絕緣子短樣，其基本技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖見表1，其中：D為公稱直徑，h為結(jié)構(gòu)高度，L為爬距。

表1 試品的參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖Tab.1 The parameters and profiles of tested insulator

2.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)方法如下：

（1）試品預(yù)處理：首先用磷酸三鈉溶液仔細(xì)清洗絕緣子，除去污物和油脂，然后用自來水徹底沖洗，然后干燥待用。對于復(fù)合絕緣子還需用干燥棉團(tuán)在其表面均勻涂敷一層干燥硅藻土，再用洗耳球吹掉表面多余硅藻土，使其表面附著一層很薄的親水性物質(zhì)。

（2）試品染污：采用浸污法，用NaCl模擬導(dǎo)電物質(zhì)，硅藻土模擬不溶性物質(zhì)。

（3）陰干：將染污的試品放置陰涼處自然陰干24h。

（4）試品的布置：試驗(yàn)時將陰干的試品垂直懸掛于人工氣候室內(nèi)。試品絕緣子的任一部分與任何接地物體之間的最小間距均大于每100kV試驗(yàn)電壓不小于0.5m的要求，且最小距離均大于3.5m。

（5）霧的產(chǎn)生：蒸汽霧由1.5t/h鍋爐產(chǎn)生，放氣孔霧氣出口方向與試品絕緣子串軸心線成 90°夾角，距離＞3.5m，蒸汽霧輸入速率為（0.05±0.01）kg/（h·m3），試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度控制在30～35℃以內(nèi)。

（6）海拔高度模擬：由文獻(xiàn)[24-25]可得p與海拔H的關(guān)系為

式中，p0為零海拔下的大氣壓，p0=101.3kPa。根據(jù)式（2）可計(jì)算不同海拔對應(yīng)的氣壓。

（7）絕緣子濕潤：由于蒸汽霧的輸入和內(nèi)外氣壓差將使人工氣候室的氣壓上升和蒸汽霧的輸入速率提高。因此需進(jìn)行如下處理：

首先用真空泵抽氣將人工氣候室內(nèi)的氣壓抽至比預(yù)定模擬海拔高度下的氣壓低 5～7kPa，然后打開霧發(fā)生器的閥門將蒸汽霧輸送到氣候室內(nèi)。為了控制蒸汽霧的輸入速率，此時霧發(fā)生器的閥門應(yīng)只開正常海拔下的 1/3～1/2。當(dāng)污穢層充分濕潤且氣壓到達(dá)預(yù)定模擬海拔后，進(jìn)行人工污穢試驗(yàn)。根據(jù)測量污層電導(dǎo)率確定污層的濕潤，當(dāng)絕緣子表面污層電導(dǎo)率達(dá)到最大值時立即加壓。采用均勻升壓法，升壓速度為3kV/s。

3 直流污閃放電過程

采用HG—100K超高速攝像機(jī)記錄直流放電過程，其最大分辨率為 1504×1108，最高采樣率為100 000幀/s，機(jī)載內(nèi)存為4GB，拍攝放電過程的速度設(shè)置為1000幀/s，以局部電弧開始產(chǎn)生為t=0時刻，高壓端為1#絕緣子，接地端絕緣子為7#，典型拍攝結(jié)果如圖1所示。

圖1 絕緣子直流污閃放電過程Fig.1 DC pollution flashover process of insulators

由圖1可知：

（1）低氣壓下直流絕緣子串污閃過程中局部電弧并不是完全沿絕緣子串縱向向前延伸發(fā)展的，部分局部電弧會飄離絕緣子表面而形成空氣間隙電弧，如圖1a中t=2.639s時刻，1#～3#絕緣子主要是以空氣間隙電弧為主。對于復(fù)合絕緣子，甚至在零海拔下也會發(fā)生明顯的飄弧現(xiàn)象，如圖1b中約60%的局部電弧為空氣間隙電弧。

（2）拍攝結(jié)果（見文獻(xiàn)[26]）還表明，海拔高度越高，局部電弧的飄弧情況有加劇的現(xiàn)象，文獻(xiàn)[18-19]的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了低氣壓下污層表面局部電弧存在明顯飄弧現(xiàn)象。

低氣壓下直流絕緣子串污閃過程中局部電弧存在漂移的原因是：由文獻(xiàn)[26-27]可知，局部電弧的發(fā)展方向主要決定于靜電力（其方向是近似平行于絕緣子表面[28]的）和熱浮力（方向是垂直向上的）的綜合作用，靜電力F1、熱浮力F2（單位為N）可按下式表示為

由式（3）和式（4）可知，隨著氣壓的降低，靜電力將減小，熱浮力將增大，即低氣壓下熱浮力的主導(dǎo)作用將加強(qiáng)，因此，海拔越高，局部電弧的飄弧越明顯。

4 氣壓對絕緣子直流污閃放電特性影響分析

4.1 直流污閃放電模型

由高速攝像機(jī)拍攝到的低氣壓下直流放電過程可知：局部電弧的產(chǎn)生和發(fā)展過程中存在明顯的電弧飄移現(xiàn)象，即局部電弧包含有沿面電弧和空氣間隙電弧。而試驗(yàn)結(jié)果表明[26]，由于散熱媒質(zhì)的不同，空氣間隙電弧的 E-I特性與沿面電弧的 E-I特性有明顯差異，因此根據(jù)Obenaus模型，采用剩余污層電阻和沿面電弧構(gòu)成簡單的電路模型來描述染污直流絕緣子串放電過程與實(shí)際情況（如圖2所示）存在較大差異。分析表明，低氣壓下直流染污絕緣子放電過程中，放電過程是沿面電弧和空氣間隙電弧與剩余污層電阻的動態(tài)變化過程，其電路模型可簡化為圖3所示。

由圖3可知

其中

式中，U為外施電壓，kV；Ux1為沿面電弧電壓，kV；Ux2為空氣間隙電弧電壓，kV；Ux3為剩余污層電阻電壓，kV；I為泄漏電流或局部電弧電流，A；A1，m1，n1為反映沿面電弧特性的常數(shù)；A2，m2，n2為反映空氣間隙電弧特性的常數(shù)；rp為絕緣子串上單位長度污層電阻。

圖2 低氣壓下染污絕緣子串放電過程Fig.2 Flashover process of polluted insulator strings under low air pressure

圖3 低氣壓絕緣子串直流污閃放電模型Fig.3 DC pollution model of insulator string under low air pressure

4.2 氣壓影響特征指數(shù)的分析

為了分析氣壓對絕緣子污閃放電特性的基本規(guī)律，對式（3）按兩種極端條件進(jìn)行分析，即低氣壓下絕緣子放電過程中產(chǎn)生的局部電弧均為沿面電?。▁2=0）或空氣間隙電弧（x1=0），現(xiàn)分析如下。

4.2.1 局部電弧均為沿面電?。▁2=0）

設(shè)直流污閃放電過程中，所產(chǎn)生的局部電弧均為沿面電弧，則式（5）可寫成

對式（6）求偏導(dǎo)[15]

則可得在此條件下絕緣子串直流污穢閃絡(luò)的臨界泄漏電流Ic、臨界電壓Uc為

4.2.2 局部電弧均為空氣間隙電?。▁1=0）

設(shè)染污絕緣子串直流污閃放電過程中，所產(chǎn)生的局部電弧均為空氣間隙電弧，且所產(chǎn)生的空氣間隙電弧長度為其對應(yīng)所短接的絕緣子串爬電距離長度的k倍（0＜k＜1），則式（5）可寫成

同樣，對式（10）按式（7）進(jìn)行求解，則可得在此條件下絕緣子串直流污穢閃絡(luò)的臨界泄漏電流Ic、臨界電壓Uc為

由式（9）和式（12）可知：

（1）低氣壓下絕緣子串直流臨界閃絡(luò)電壓與氣壓、污穢度、絕緣子型式等有關(guān)。

（2）氣壓對絕緣子串閃絡(luò)電壓的影響與放電過程中產(chǎn)生的局部電弧的特性有關(guān)，即沿面電弧和空氣間隙電弧所占的比例將影響氣壓影響特征指數(shù)和污穢影響特征指數(shù)。表 2列出了氣壓（p/p0）對染污絕緣子直流閃絡(luò)電壓Uc影響的極值情況。

表2 氣壓影響特征指數(shù)n的極值Tab.2 Extreme value of n

由表2可知：直流污閃電壓受氣壓影響的特征指數(shù)為0.33～0.72。放電過程中局部電弧的特性（即局部電弧中沿面電弧和空氣間隙電弧所占的比例）將決定氣壓影響特征指數(shù)，局部電弧中空氣間隙電弧的比例越大，氣壓影響特征指數(shù)越靠近0.72，表明氣壓影響特征指數(shù)受氣壓影響的程度越大。反之，局部電弧中沿面電弧的比例越大，氣壓影響特征指數(shù)越靠近0.33，表明氣壓影響特征指數(shù)受氣壓影響的程度越小。

對 7片串 XP-160絕緣子和 FXBZ-±800/530-S特高壓復(fù)合絕緣子短樣進(jìn)行不同海拔高度（232～4000m）、不同鹽密（0.03～0.15mg/cm2）下的直流污閃特性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到其氣壓影響特征指數(shù)值范圍分別為0.42～0.63和0.53～0.70。由此可見，本文所提出的低氣壓直流污閃放電模型的理論分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。

4.3 氣壓影響特征指數(shù)與絕緣子型式關(guān)系分析

氣壓影響特征指數(shù)的大小與污閃放電過程中局部電弧的特性有關(guān)，由文獻(xiàn)[29]可知，絕緣子表面污層電阻與絕緣子形狀有關(guān)，即相同污穢條件下，不同型式絕緣子的表面污層電阻存在差異。使得在相同電壓作用下，不同型式絕緣子表面的泄漏電流存在差異，由式（3）和式（4）可知，泄漏電流的差異使得不同型式絕緣子所產(chǎn)生的局部電弧受靜電力和熱浮力綜合作用效果也不同，從而導(dǎo)致各種型式絕緣子串局部電弧漂移的程度不同，即空氣間隙電弧所占比例不一樣，因此不同型式絕緣子的氣壓影響特征指數(shù)是不同的。

5 結(jié)論

（1）低氣壓下直流染污絕緣子放電過程是沿面電弧和空氣間隙電弧與剩余污層電阻的動態(tài)變化過程。

（2）建立了描述低氣壓下絕緣子直流污閃放電模型，提出氣壓對絕緣子串直流污穢閃絡(luò)電壓的影響與局部電弧的特性有關(guān)，且直流污閃電壓受氣壓影響的特征指數(shù)為0.33～0.72。

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