霧霾環(huán)境下微細(xì)導(dǎo)電顆粒誘發(fā)復(fù)合絕緣子沿面放電特征

劉勇，張迪，杜伯學(xué)，劉寶成（.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津30007；.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津3000）

霧霾環(huán)境下微細(xì)導(dǎo)電顆粒誘發(fā)復(fù)合絕緣子沿面放電特征

劉勇1，張迪1，杜伯學(xué)1，劉寶成2
（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300022）

針對(duì)當(dāng)前霧霾大氣環(huán)境對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣運(yùn)行可靠性的影響，在實(shí)驗(yàn)室條件下采用微米級(jí)鐵粉模擬霧霾中微細(xì)導(dǎo)電顆粒，研究交流電壓下鐵粉顆粒直徑、含量以及位置對(duì)復(fù)合絕緣子沿面放電特征的影響，運(yùn)用高速攝像機(jī)觀察分析沿面閃絡(luò)過程中導(dǎo)電顆粒物動(dòng)態(tài)變化及其誘發(fā)的沿面放電現(xiàn)象，獲取電暈放電、電暈和沿面流注放電共存、沿面流注放電3個(gè)主要階段的放電特征，建立了閃絡(luò)電壓、放電發(fā)光亮度與導(dǎo)電顆粒物粒徑、含量與位置的變化規(guī)律。研究結(jié)果有助于掌握霧霾環(huán)境下絕緣子放電機(jī)理，對(duì)提高污染新形勢(shì)下電力系統(tǒng)外絕緣可靠性具有重要意義。

復(fù)合絕緣子；霧霾環(huán)境；微細(xì)導(dǎo)電顆粒物；沿面放電；沿面閃絡(luò)

絕緣子在電力系統(tǒng)中發(fā)揮電氣絕緣與機(jī)械連接的雙重作用，是輸變電設(shè)備的重要組成部分[1-4]。目前掛網(wǎng)運(yùn)行的絕緣子依據(jù)主體絕緣材料的不同主要有3種類型：陶瓷、玻璃與復(fù)合絕緣子，其中復(fù)合絕緣子以其耐污性能好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)得到了日益廣泛的應(yīng)用，特別是在超、特高壓輸電線路中，大量使用了復(fù)合絕緣子[5-7]。然而，隨著人類工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和自然環(huán)境的惡化，礦粉、煤粉、金屬粉塵和水泥等不斷懸浮于大氣，導(dǎo)致空氣細(xì)微顆粒物的污染狀況逐年加劇，大范圍持續(xù)性霧霾天氣不斷發(fā)生，造成了電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行新的染污形式[8-10]。

當(dāng)粒徑不同的飄塵隨空氣漂浮在電氣設(shè)備的周圍時(shí)，會(huì)以碰撞、擴(kuò)散和沉積等方式滯留在電氣設(shè)備的不同部位。滯留在設(shè)備背風(fēng)側(cè)的飄塵，不但會(huì)腐蝕設(shè)備金屬表面，而且會(huì)由于持續(xù)不斷地作用而導(dǎo)致絕緣子表面形成連續(xù)的飄塵鏈，并逐步發(fā)展成通道，引發(fā)局部放電與電弧。飄塵在大氣污染物中還起到載體作用，累積到一定程度時(shí)，就不可避免地發(fā)生空氣放電。雖然國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)大氣中顆粒物染污絕緣子引發(fā)的放電、絕緣問題開展了一些研究，但所模擬的污染物多為尺寸較大的有機(jī)、無(wú)機(jī)以及金屬顆粒，對(duì)于霧霾天氣下微細(xì)（粒徑μm級(jí)）的顆粒物對(duì)絕緣子絕緣特性影響仍鮮有研究[11-16]。因此，開展微細(xì)顆粒物對(duì)電力系統(tǒng)外絕緣運(yùn)行影響的研究工作，對(duì)防止輸變電設(shè)備在新型霧霾染污形式下發(fā)生閃絡(luò)事故，保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

1 霧霾典型組分分析

圖1為霧霾環(huán)境的典型大氣組合（以北京地區(qū)為例），其重要來源與比例分別為：土壤塵15%，燃煤18%，生物質(zhì)燃燒12%，汽車尾氣與垃圾焚燒4%，工業(yè)污染25%和二次無(wú)機(jī)氣溶膠26%（一般由汽車尾氣和燃煤排放物等轉(zhuǎn)化而來）。其本質(zhì)就是細(xì)微顆粒物污染，高濃度細(xì)顆粒物是霧霾天氣污染的主要誘因與重要指標(biāo)，根據(jù)粒徑大小和沉降速度可分為3類：①總懸浮顆粒物TSP（粒徑＜l00 μm），即分散在大氣中的顆粒物的總稱；②PM10，即空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm的懸浮顆粒物；③PM2.5，即空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的懸浮顆粒物。用電鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在飄塵顆粒表面富含有鎳、鉻、鋅等金屬元素，并以顆粒狀態(tài)存在于大氣中。

圖1 霧霾主要組分（北京地區(qū)）Fig.1 Ingredients offog-haze environment（Beijing area）

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下采用微米級(jí)粒徑的鐵粉模擬霧霾環(huán)境下導(dǎo)電細(xì)微顆粒物，以平板復(fù)合絕緣子為試樣，將不同粒徑的微細(xì)導(dǎo)電顆粒按照不同位置與含量分布在試樣表面，在常溫常壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境中采用勻速升壓法在試樣表面施加交流電壓直至發(fā)生閃絡(luò)，并通過高速攝像機(jī)記錄閃絡(luò)過程中表面微細(xì)顆粒物的動(dòng)態(tài)變化過程及其誘發(fā)放電的特征，建立閃絡(luò)電壓與沿面放電光學(xué)特征隨微細(xì)顆粒物參數(shù)的變化規(guī)律，揭示霧霾環(huán)境下細(xì)微顆粒物對(duì)復(fù)合絕緣子沿面放電的影響機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)過程與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)試樣

圖2為實(shí)驗(yàn)采用的試樣與電極結(jié)構(gòu)示意。實(shí)驗(yàn)試樣為RTV硅橡膠復(fù)合絕緣子，取自未投入運(yùn)行的復(fù)合絕緣子制成平板試樣，其尺寸為50 mm× 30 mm×5 mm，如圖2（a）所示；實(shí)驗(yàn)電極為“平板-平板”不銹鋼電極，由電極和絕緣支架兩部分組成，如圖2（b）所示，絕緣支架采用環(huán)氧樹脂絕緣材料，通過連接螺栓把電極和試樣固定在一起，采用彈簧通過機(jī)械緊壓方式把電極固定在試樣表面，左側(cè)電極接地，右側(cè)電極接高壓電源，電極間隙為30 mm。實(shí)驗(yàn)前將制備好的試樣表面用無(wú)水乙醇擦拭，然后在干燥容器內(nèi)室溫干燥24 h。

圖2 實(shí)驗(yàn)試樣與電極結(jié)構(gòu)Fig.2 Experimentalspecimen and electrode pattern

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)電源的額定容量為100 kV·A，輸出電壓為0～100 kV，經(jīng)過100 kΩ的水電阻接入高壓電極。將微細(xì)鐵粉分別均勻置于地電極側(cè)（0 mm）、1/4位置（7.5 mm）處、中間位置（15 mm）、3/4位置（22.5mm）以及高壓側(cè)（30 mm），鐵粉的粒徑分別為38 μm（400目）、32μm（500目）、28μm（600目）和24 μm（700目），鐵粉質(zhì)量10、20、30、40和50 mg。采用勻速升壓法在試樣上施加交流電壓，升壓速率為1.0 kV/s，待試樣發(fā)生沿面閃絡(luò)時(shí)，此時(shí)施加的電壓值記為閃絡(luò)電壓。每個(gè)條件下實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，閃絡(luò)電壓取為10次電壓的平均值。為觀察分析加壓過程中試樣表面微細(xì)顆粒的動(dòng)態(tài)變化及其引發(fā)的沿面放電、閃絡(luò)過程與特征，所有實(shí)驗(yàn)均在暗室中開展，以便降低周圍環(huán)境光源對(duì)放電光學(xué)檢測(cè)的干擾，并采用5 000幀/s的高速攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行記錄，進(jìn)而通過圖像特征提取技術(shù)建立放電可見光特征與微細(xì)鐵粉參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示微細(xì)導(dǎo)電顆粒誘發(fā)絕緣子沿面放電、閃絡(luò)過程及機(jī)理。

3 放電可見光特征提取

電氣設(shè)備中產(chǎn)生的放電現(xiàn)象是一個(gè)引起空氣分子電離，帶電質(zhì)點(diǎn)中和、復(fù)合的過程，通常伴有電、光、聲等特征的出現(xiàn)。本文通過高速攝像機(jī)記錄微細(xì)導(dǎo)電顆粒誘發(fā)絕緣子沿面放電的可見光特征，通過Matlab軟件將獲取的三維全彩色圖像轉(zhuǎn)變成一維矩陣的灰度圖，其像素值在0～255之間且與放電可見光亮度相對(duì)應(yīng)，0表征未發(fā)生放電以及實(shí)驗(yàn)背景的像素值，255表征試樣表面發(fā)生了最強(qiáng)烈放電的像素值，像素值從0到255的變化表征了沿面放電強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，故通過對(duì)放電圖像亮度特征進(jìn)行分析可以反映沿面放電情況[17]，其計(jì)算方法為

式中：S為灰度值總和；I（i，j）為放電灰度圖像中第i行第j列的像素點(diǎn)的灰度值。

通過提取放電灰度圖像的灰度值總和，能夠定量反映出該時(shí)刻下絕緣子沿面放電強(qiáng)度?；叶戎悼偤驮酱蟊砻鞣烹婋娀“l(fā)光越劇烈，放電強(qiáng)度越大。

4 結(jié)果與討論

4.1 沿面放電、閃絡(luò)過程分析

圖2為微細(xì)顆粒置于地電極側(cè)（0 mm）、含量為30 mg、粒徑為38μm時(shí)，試樣的沿面放電閃絡(luò)過程及其特征分析。

當(dāng)復(fù)合絕緣子表面存在微細(xì)導(dǎo)電顆粒物時(shí)，在外加交流電壓作用下，微細(xì)導(dǎo)電顆粒物在交變電場(chǎng)作用下附著在試樣表面運(yùn)動(dòng)，并吸附一定的電荷形成帶電體，形成大量表面電荷，改變了表面電場(chǎng)分布并引發(fā)局部電場(chǎng)畸變產(chǎn)生局部放電，隨著電壓的升高，局部電弧進(jìn)一步延伸發(fā)展，進(jìn)而形成貫穿兩極的電弧放電，引發(fā)沿面閃絡(luò)，如圖3（a）所示，其過程可以按照放電現(xiàn)象分為4個(gè)階段：起始階段，即電暈放電階段；發(fā)展階段，即電暈放電和沿面流注放電共存階段；臨閃階段和閃絡(luò)階段。各個(gè)放電階段的現(xiàn)象及特征如下。

（1）起始階段：如圖3中a1所示，絕緣子表面放電通道尚未明顯形成，主要呈現(xiàn)電暈放電特征。放電主要為表面金屬顆粒端部對(duì)空氣的電暈放電以及對(duì)絕緣子表面的電暈放電。放電次數(shù)少，強(qiáng)度較弱，放電產(chǎn)生的可見光較少，亮度較弱。

（2）發(fā)展階段：如圖3中a2所示，沿面放電通道開始逐漸形成，出現(xiàn)較為明顯的爬電現(xiàn)象，放電主要呈現(xiàn)在表面金屬顆粒端部電暈放電和絕緣子沿面流注放電共存的特征。放電逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生的可見光較多，亮度較強(qiáng)。

（3）臨閃階段：如圖3中a3所示，隨著電壓的進(jìn)一步升高，放電通道逐漸增長(zhǎng)，爬電電弧增長(zhǎng)，放電面積增大，主要呈現(xiàn)沿面流注放電特征，放電可見光增多，亮度進(jìn)一步加強(qiáng)。

（4）閃絡(luò)階段：如圖3中a4所示，隨著爬電電弧的進(jìn)一步增長(zhǎng)，最終形成了貫穿性放電通道，引發(fā)沿面閃絡(luò)。

與沿面閃絡(luò)過程相對(duì)應(yīng)，得出了放電發(fā)展各個(gè)階段與放電發(fā)光亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3（b）所示。從圖中可知，隨著放電過程的發(fā)展，放電發(fā)光亮度顯著增強(qiáng)，特別是在臨閃與閃絡(luò)階段，放電發(fā)光亮度出現(xiàn)突變與突增。

4.2 微細(xì)顆粒位置對(duì)沿面閃絡(luò)的影響

在微細(xì)鐵粉粒徑38μm時(shí)，不同微細(xì)顆粒物含量下，顆粒物位置對(duì)絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨著顆粒物位置從地電極側(cè)向高壓電極側(cè)變化，閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在中間位置時(shí)出現(xiàn)最大值。

當(dāng)微細(xì)顆粒置于兩側(cè)電極時(shí)，由于顆粒物自身的導(dǎo)電特性，可以等效為電極，從而縮短了電極間隙，增強(qiáng)了絕緣子沿面電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致陰極場(chǎng)致發(fā)射電子以及電子與空氣碰撞電離較容易發(fā)生，從而在較低的電壓下發(fā)生沿面閃絡(luò)，同時(shí)由于微細(xì)導(dǎo)電顆粒物在地電極時(shí)能夠有效吸附且阻止電子在電場(chǎng)下的加速移動(dòng)，從而導(dǎo)致微細(xì)顆粒物在地電極側(cè)時(shí)的閃絡(luò)電壓高于其在高壓電極側(cè)時(shí)的閃絡(luò)電壓。

圖3 微細(xì)顆粒置于地電極側(cè)（0 mm）、含量30 mg、粒徑38 μm時(shí)試樣的沿面放電閃絡(luò)過程及其特征分析Fig.3 Process and characteristics analysis of surface flashover with the fine particles placed at the grounded electrode，content of 30 mg and size of 38μm

圖4 粒徑38μm時(shí)，不同顆粒物含量下試樣沿面閃絡(luò)電壓與微細(xì)顆粒物位置的關(guān)系Fig.4 Relationship between surface flashover voltage and position offine particle with the size of38μm under differentcontents

在微細(xì)顆粒物含量50 mg、粒徑38μm時(shí)，微細(xì)顆粒物位置對(duì)沿面閃絡(luò)各個(gè)階段放電發(fā)光亮度的影響如圖5所示。雖然顆粒物置于不同位置時(shí)沿面放電發(fā)光亮度隨著閃絡(luò)發(fā)展階段呈現(xiàn)顯著增大的趨勢(shì)，但是在起始和發(fā)展階段，顆粒物位置對(duì)放電發(fā)光亮度影響較小，主要因?yàn)樵谶@兩個(gè)階段放電主要為電暈放電與微小流注放電共存狀態(tài)，放電發(fā)光亮度較弱，變化相對(duì)較小。在臨閃與閃絡(luò)階段，放電電弧增強(qiáng)，發(fā)光亮度增大，顆粒物位置的影響較為明顯，顆粒物在高壓側(cè)時(shí)較易引發(fā)沿面閃絡(luò)，放電發(fā)光亮度較小。

圖5 微細(xì)顆粒物含量50 mg、粒徑38μm時(shí)，試樣沿面閃絡(luò)過程中發(fā)光亮度與微細(xì)顆粒物位置的關(guān)系Fig.5 Relationship between light intensity emitted by surface discharge and position of fine particle with contentof50 mg and the size of38μm under differentprocesses

圖6 粒徑38μm時(shí)，不同顆粒物位置下試樣沿面閃絡(luò)電壓與微細(xì)顆粒物含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between surface flashover voltage and contentoffine particle with the size of38μm under different positions

圖7 微細(xì)顆粒物粒徑38μm、置于中間位置時(shí)，試樣沿面閃絡(luò)發(fā)光亮度與微細(xì)顆粒物含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and contentoffine particle with the size of38μm at the middle position

4.3 微細(xì)顆粒含量對(duì)沿面閃絡(luò)的影響

在微細(xì)鐵粉粒徑38μm時(shí)，不同微細(xì)顆粒物位置下，顆粒物含量對(duì)絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的影響如圖6所示。隨著顆粒物含量的增大，閃絡(luò)電壓逐漸減小，主要是由于顆粒物含量越多導(dǎo)致絕緣子表面電場(chǎng)發(fā)生畸變的程度越強(qiáng)，表面電場(chǎng)分布越不均勻，導(dǎo)致閃絡(luò)電壓顯著下降。

在微細(xì)顆粒物粒徑38μm、置于中間位置時(shí)，微細(xì)顆粒物含量對(duì)沿面閃絡(luò)發(fā)光亮度的影響如圖7所示。隨著顆粒物含量的增加，閃絡(luò)發(fā)光亮度增大，主要是顆粒物含量越多引發(fā)的局部場(chǎng)強(qiáng)集中較為明顯，局部放電電弧增多，放電亮度較高。

4.4 微細(xì)顆粒粒徑對(duì)沿面閃絡(luò)的影響

在微細(xì)鐵粉含量30 mg時(shí)，不同微細(xì)顆粒物位置下，顆粒物粒徑對(duì)絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的影響如圖8所示。隨著顆粒物粒徑的增大，沿面閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由于較大粒徑的顆粒物對(duì)電子從電極中逸出以及遷移的阻礙作用較大，需要較高的電場(chǎng)強(qiáng)度引發(fā)沿面閃絡(luò)。圖9為微細(xì)顆粒物含量30 mg、置于高壓電極側(cè)時(shí)，微細(xì)顆粒物粒徑對(duì)沿面閃絡(luò)發(fā)光亮度的影響。隨著顆粒物粒徑的增大，沿面閃絡(luò)發(fā)光強(qiáng)度減弱。

圖8 微細(xì)顆粒含量30 mg時(shí)，不同位置下試樣沿面閃絡(luò)電壓與微細(xì)顆粒物粒徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between surface flashover voltage and size offine particle with the content of 30 mg under differentpositions

圖9 微細(xì)顆粒含量30 mg時(shí)，置于高壓電極側(cè)時(shí)，沿面閃絡(luò)發(fā)光亮度與微細(xì)顆粒物粒徑的關(guān)系Fig.9 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and size offine particle with the contentof30 mg atthe HV-electrode position

5 結(jié)論

（1）微細(xì)導(dǎo)電顆粒在絕緣表面引發(fā)的閃絡(luò)過程主要呈現(xiàn)電暈放電、電暈放電和沿面流注放電共存、沿面流注放電3個(gè)階段。

（2）隨著微細(xì)導(dǎo)電顆粒從地電極側(cè)向高壓電極側(cè)變化，沿面閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在中間位置時(shí)出現(xiàn)最大值，并且在地電極側(cè)時(shí)的閃絡(luò)電壓高于高壓電極側(cè)的閃絡(luò)電壓。

（3）隨著微細(xì)導(dǎo)電顆粒物含量的增加，沿面閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，放電發(fā)光亮度增強(qiáng)。

（4）隨著微細(xì)導(dǎo)電顆粒物粒徑的減小，沿面閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，放電發(fā)光亮度變強(qiáng)。

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Surface Discharge Characteristics Induced by Fine Conductive Particles on Polymer Insulator in Fog-haze Environment

LIU Yong1，ZHANG Di1，DU Boxue1，LIU Baocheng2
（1.SchoolofElectricalEngineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Electric Power Science and Research Institute，Tianjin 300022，China）

The frequent occurence of fog-haze weather is becoming one of hazard conditions to affect the insulation reliability of outdoor insulator in electrical devices.In this paper，concentrating on the influence of fine conductive particles in the fog-haze environmenton the insulation characteristics ofoutdoor insulator，the iron powders atdifferent micro sizes are selected to simulate different sized fine conductive particles.Effects of the fine particle parameters，including particle sizes，contents and relative locations，on surface discharge characteristics of polymer insulator are investigated under AC high voltage.During the whole experimental process，both the dynamic morphology of fine particles and the induced discharge phenomena on the insulator surface are captured via a high-speed camera.It is indicated thatthe process of surface discharges triggered by fine conductive particles on polymer insulators is mainly divided into three stages，which are corona discharges，coexistence of corona discharges，and streamer discharges. And the relationship among surface flashover voltage，discharge light intensity and the size，content and relative location of conductive particles can be obtained.The results are beneficial to further investigation on flashover mechanism of outdoor insulator under fog-haze conditions，which can enhance the operating reliability of outdoor insulator in powersystem with new contaminated conditions.

polymerinsulator；fog-haze environment；fine conductive particle；surface discharge；surface flashover

TM615

A

1003-8930（2015）03-0048-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.09

劉勇（1980—），男，博士，講師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備外絕緣狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估。Email：tjuliuyong@tju.edu.cn

2014-09-17；

2014-10-09

張迪（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)外絕緣狀態(tài)評(píng)估。Email：178286676@qq.com

杜伯學(xué)（1961—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。Email：duboxue@126.com