影響絕緣子污閃電壓因素的分析

汪 洋，王志明

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

影響絕緣子污閃電壓因素的分析

汪 洋，王志明

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102）

總結(jié)了影響絕緣子污閃電壓的主要因素，并結(jié)合污閃發(fā)展過(guò)程和機(jī)理，分析絕緣子等值鹽、灰密度，交、直流電壓，絕緣子結(jié)構(gòu)，氣壓，氣象條件，不均勻積污等因素在污閃發(fā)展各階段對(duì)污閃造成的影響，為分析輸電線路污閃事故原因提供參考，以便改進(jìn)防污閃措施，合理地選擇輸電線路外絕緣配置。

輸電線路；絕緣子；等值鹽密度；污閃電壓

0　引言

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子污閃機(jī)理進(jìn)行了大量研究，沿絕緣子表面發(fā)生的污閃過(guò)程已基本形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。從宏觀上可以將污閃劃分為“絕緣子表面積污—污穢受潮濕潤(rùn)—干帶形成及局部放電—電弧發(fā)展直至閃絡(luò)”4個(gè)階段，氣象環(huán)境、絕緣子本身結(jié)構(gòu)以及電壓性質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生影響。

正是由于絕緣子污閃過(guò)程的復(fù)雜性，加之影響絕緣子污閃的各個(gè)因素之間又相互關(guān)聯(lián)，造成了對(duì)發(fā)生污閃的原因分析不夠全面。許多學(xué)者從1個(gè)角度研究了單一因素對(duì)絕緣子污閃的影響，成果豐碩。目前，主要研究方向包括鹽、灰密度與絕緣子污閃電壓的關(guān)系，交、直流電壓下絕緣子污閃特性，高海拔地區(qū)絕緣子污閃特性，絕緣子結(jié)構(gòu)對(duì)污閃的影響，氣象環(huán)境對(duì)污閃的影響，不均勻積污對(duì)污閃的影響等。

1　影響絕緣子污閃電壓的因素分析

1.1鹽、灰密度對(duì)絕緣子污閃的影響

1.1.1鹽、灰密度與污閃電壓的關(guān)系

測(cè)量絕緣子表面等值鹽密度和等值灰密度是被廣泛采用的用來(lái)表征絕緣子表面污穢程度的方法。等值鹽密度是用來(lái)反映絕緣子表面可溶于水的導(dǎo)電污穢物參數(shù)，等值灰密度是用來(lái)反應(yīng)絕緣子表面不溶于水的惰性污穢物參數(shù)。等值鹽密度和等值灰密度主要與絕緣子所處的污穢環(huán)境有關(guān)，例如沙漠及長(zhǎng)期干旱地區(qū)，絕緣子表面的污穢物以不溶于水的惰性物質(zhì)為主，灰密度較高；沿海地區(qū)，絕緣子表面的污穢物以高可溶性的速溶鹽為主，鹽密度較高。

等值鹽密度和等值灰密度是用來(lái)劃分環(huán)境污穢等級(jí)的重要參考數(shù)據(jù)，而污穢等級(jí)的劃分又是外絕緣配置選擇的重要參考數(shù)據(jù)。等值鹽密度和等值灰密度屬于一個(gè)中間媒介，它將環(huán)境污染程度與絕緣子的污閃電壓聯(lián)系起來(lái)。大量的研究表明，污閃電壓隨絕緣子表面等值鹽密度和等值灰密度的增大而降低，呈冪指函數(shù)關(guān)系，它們之間的關(guān)系可表示為：

式中，Uf表示污閃電壓，kV；A，B代表與絕緣子自身參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；ESDD，NSDD分別為等值鹽密度和等值灰密度，mg/cm2；a，b表示特征指數(shù)。圖1為絕緣子等值鹽、灰密度與污閃電壓關(guān)系曲線。

1.1.2等值鹽、灰密度與泄漏電流在污閃過(guò)程中的影響

等值鹽、灰密度和泄漏電流都是表征絕緣子表面污穢程度的參數(shù)，兩者的主要區(qū)別是：等值鹽、灰密度是靜態(tài)檢測(cè)，泄漏電流是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。測(cè)量等值鹽、灰密度最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備技術(shù)條件要求不高，適合運(yùn)維單位廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是不能動(dòng)態(tài)地反映運(yùn)行時(shí)絕緣子受潮及電壓作用下的污穢變化；泄漏電流被認(rèn)為是最能反應(yīng)污穢度的參數(shù)，缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)難度較大，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備要求高，難以廣泛應(yīng)用。

等值鹽、灰密度反映了絕緣子表面的污穢程度，污穢度是引起泄漏電流變化的最根本原因，而泄漏電流的增大是導(dǎo)致污閃發(fā)展過(guò)程中干帶形成的最直接原因。也就是說(shuō)，等值鹽、灰密度在整個(gè)污閃過(guò)程中只是作為一個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，定量地反映出污穢程度，而泄漏電流則是污閃發(fā)展過(guò)程中的一部分，它的增大或減小直接關(guān)系到污閃能否進(jìn)入下一個(gè)階段——干帶形成及局部放電。

圖1　LXY4-160型絕緣子鹽、灰密度與污閃電壓關(guān)系曲線

1.2電壓性質(zhì)對(duì)污閃的影響

1.2.1交、直流電壓污染特性

電壓性質(zhì)對(duì)污閃的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)階段，一是絕緣子的積污階段；二是電弧發(fā)展階段。

絕緣子積污階段，其周邊環(huán)境中的微粒受到以風(fēng)力為主、重力和電場(chǎng)力為輔的3個(gè)力的作用。在交流電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)呈周期變化，電場(chǎng)力方向也時(shí)刻變化，固體微粒振蕩運(yùn)動(dòng)。在直流電場(chǎng)中，固體微?？蓭щ?，容易吸附在絕緣子表面上，且直流電場(chǎng)恒定，固體微粒朝著固定電場(chǎng)力方向運(yùn)動(dòng)。因此，相較于交流電壓下的絕緣子，直流電壓下的絕緣子更易積污，發(fā)生污閃的概率更大。

電弧發(fā)展階段，由于交流電壓存在過(guò)零點(diǎn)，電弧發(fā)展可分為2類，一類是存在明顯的熄燃過(guò)程；另一類是作強(qiáng)弱周期變化。但是不管是哪一類，交流電壓下，電弧發(fā)展呈現(xiàn)出不可持續(xù)性。在直流電壓下，一點(diǎn)發(fā)生擊穿，形成電弧，由于直流電流的恒定性，直流電弧難以熄滅，發(fā)展速度快，且易發(fā)生飄弧現(xiàn)象。所以，相較于交流污閃電壓，直流污閃電壓更低。

1.2.2直流電壓正負(fù)極性污閃特性

直流線路正、負(fù)極污閃特性的區(qū)別，主要是正、負(fù)電弧極性效應(yīng)的區(qū)別。正極性電弧沿絕緣子表面放電的過(guò)程，形成大量的自由電子和正離子。大量的自由電子迅速向正電極移動(dòng)，而正離子移動(dòng)速度相對(duì)緩慢，堆積在正電極周圍，正電極周圍聚集大量電荷，電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，促進(jìn)了正極性電弧的發(fā)展。在負(fù)極性電弧沿絕緣子表面的放電過(guò)程中，自由電子迅速向外移動(dòng)，但正離子向負(fù)電極聚集速度緩慢，減弱了負(fù)極性周圍電場(chǎng)強(qiáng)度，使得負(fù)極性電弧發(fā)展緩慢。

上述正、負(fù)電弧特性描述只是針對(duì)單電弧而言，實(shí)際運(yùn)行中，需要對(duì)整串絕緣子的電弧特性進(jìn)行分析。在懸式絕緣子串中，每片絕緣子的上、下表面引發(fā)的電弧極性是不同的，在負(fù)極性電壓下，絕緣子上表面為正極性電弧，下表面為負(fù)極性電弧，正極性電壓下與之相反。絕緣子上、下表面的正、負(fù)極性電弧串聯(lián)，導(dǎo)致在絕緣子串中的電弧極性發(fā)展的差異不明顯。但是，正極性電弧在絕緣子表面會(huì)產(chǎn)生潔凈區(qū)，導(dǎo)致處于上表面的正極性電弧更易發(fā)生飄弧作用，使其脫離絕緣子表面，引發(fā)傘間橋接，減小了爬電距離的利用率；而由于處于懸垂串絕緣子下表面正極性電弧的飄弧作用，及懸式絕緣子的垂直排列方式，使其緊貼絕緣子下表面，反而導(dǎo)致其爬電距離得到充分利用。綜上考慮，在懸垂絕緣子串中，負(fù)極性污閃電壓要小于正極性污閃電壓。圖2、圖3分別為負(fù)、正極性污閃初期電弧分布示例。

圖2　負(fù)極性污閃初期電弧分布

圖3　正極性污閃初期電弧分布

1.3絕緣子結(jié)構(gòu)對(duì)污閃的影響

目前，絕緣子的爬電距離是在污穢區(qū)選擇使用絕緣子的主要參數(shù)，但是根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在爬電距離大于污穢等級(jí)要求的情況下，依然會(huì)發(fā)生污閃事故。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是對(duì)污穢等級(jí)評(píng)估、劃分以及其與爬電距離之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步完善；另一方面是絕緣子發(fā)生污閃不僅僅與其爬電距離有關(guān)，可以肯定的是，在絕緣子結(jié)構(gòu)高度確定的情況下，爬電距離與污閃電壓并非是線性關(guān)系。

通過(guò)對(duì)幾組爬電距離近似，傘裙布置不同的復(fù)合絕緣子進(jìn)行污閃試驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單的絕緣子，污閃電壓越高。通過(guò)對(duì)幾種不同傘型結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子的電壓分布進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，等徑傘裙的絕緣子電壓分布較均勻。絕緣子結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，電場(chǎng)分布就越均勻。在污閃過(guò)程中，當(dāng)泄漏電流導(dǎo)致干帶形成后，電場(chǎng)分布越均勻，電流就越難以沿絕緣子表面發(fā)生擊穿而形成電??；反之，絕緣子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，電場(chǎng)分布越不均勻，越容易導(dǎo)致泄漏電流發(fā)生擊穿，跨干區(qū)形成電弧，導(dǎo)致污閃的發(fā)生。

1.4氣壓對(duì)絕緣子污閃的影響

1.4.1氣壓與污閃電壓的關(guān)系

我國(guó)幅員遼闊，地勢(shì)東低西高，西電東送工程大量輸電線路要穿越高海拔地區(qū)。因高海拔地區(qū)環(huán)境相對(duì)惡劣，空氣稀薄、氣壓低、晝夜溫差大，傳統(tǒng)的輸電線路外絕緣配置標(biāo)準(zhǔn)不適用于該地區(qū)。對(duì)高海拔地區(qū)絕緣子放電特性研究有助于線路運(yùn)維單位選擇合適的絕緣配置，降低污閃事故的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)大量研究表明，高海拔地區(qū)絕緣子的放電特性主要受大氣壓的影響，研究高海拔地區(qū)絕緣子放電特性本質(zhì)就是研究低氣壓下絕緣子的放電特性。普遍結(jié)論認(rèn)為：隨氣壓降低，染污絕緣子的直流和交流閃絡(luò)電壓都會(huì)降低，污閃電壓U與氣壓P之間呈非線性關(guān)系，可以用下式表示：

式中P0為海拔為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；U0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0時(shí)的絕緣子污閃電壓，kV；n為反映氣壓對(duì)于污閃電壓影響程度的下降指數(shù)。

1.4.2氣壓變化對(duì)電弧發(fā)展的影響

污閃電壓隨氣壓下降的機(jī)理，可以從低氣壓下電弧發(fā)展特性的角度來(lái)解釋。低氣壓條件下空氣稀薄，密度低，導(dǎo)熱能力下降，電弧產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)散發(fā)，促進(jìn)了電弧的發(fā)展，使得低氣壓下電弧的弧柱直徑增大，導(dǎo)致污層表面局部電弧的伏安特性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。國(guó)外學(xué)者對(duì)直流電弧在不同氣壓條件的伏安特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明不同氣壓下直流電弧的伏安特性可表示為：

式中E為單位長(zhǎng)度電弧電壓，I為電弧電流，A為污層表面的電弧常數(shù)，n為系數(shù)。日本學(xué)者對(duì)污層表面電弧常數(shù)A進(jìn)行的研究表明，隨著氣壓降低，電弧常數(shù)A會(huì)減小。系數(shù)n主要與絕緣子結(jié)構(gòu)有關(guān)，前蘇聯(lián)學(xué)者的研究表明，隨著氣壓的降低，形狀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的絕緣子，n值相對(duì)較高，即電氣強(qiáng)度下降越嚴(yán)重，這主要是在低氣壓下直流電弧更容易發(fā)生飄弧，在傘棱間發(fā)生閃絡(luò)的概率更大。

研究表明，低氣壓對(duì)交流電壓污閃的影響要比直流電壓污閃更大，其原因可以概括為：低氣壓不僅促進(jìn)了交流電弧的發(fā)展，也促進(jìn)了交流電弧的復(fù)燃過(guò)程；而對(duì)直流電弧而言，它不存在復(fù)燃過(guò)程，低氣壓只是促進(jìn)了直流電弧的發(fā)展過(guò)程。

1.5溫度對(duì)絕緣子污閃電壓的影響

環(huán)境溫度對(duì)絕緣子污閃電壓的影響主要體現(xiàn)在對(duì)絕緣子材質(zhì)的影響。由于電瓷和玻璃絕緣子的絕緣部件是無(wú)機(jī)材料，其材料中的原子由離子鍵結(jié)合在一起，正負(fù)離子產(chǎn)生的靜電吸引力使它們具備優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，因此環(huán)境溫度對(duì)電瓷和玻璃絕緣子影響不大。復(fù)合絕緣子的絕緣部件主要由有機(jī)材料組成，目前復(fù)合絕緣子的傘裙主要采用高溫SiS2材料，其材料中的分子通過(guò)共享電子形成共用電子對(duì)，才能形成化合物，這導(dǎo)致分子的結(jié)合力較弱，容易受環(huán)境因素影響，這也是復(fù)合絕緣子抗老化能力較弱的主要原因。因此，環(huán)境溫度變化主要對(duì)復(fù)合絕緣子產(chǎn)生影響，而溫度變化對(duì)復(fù)合絕緣子污閃特性的影響主要反映在對(duì)憎水遷移性的影響。

復(fù)合絕緣子材料的憎水遷移性隨溫度升高，遷移速度加快，耐污閃能力得到提升。但是從另一方面來(lái)看，溫度升高加速了硅氧烷分子的遷移，同時(shí)也加速了硅橡膠材料表面硅氧烷分子的流失，即加快了硅橡膠材料的老化。

1.6不均勻積污對(duì)絕緣子污閃的影響

1.6.1絕緣子污穢分布特性

絕緣子在自然積污條件下，其污穢分布存在不均勻現(xiàn)象，具體可從3個(gè)角度分析。

（1） 沿串分布不均，整串絕緣子污穢量分布呈“U”型，即絕緣串兩頭污穢度較中間部分大，這與絕緣子串的電壓分布類似，也就是說(shuō)絕緣子串電場(chǎng)分布特性造成了其積污量的分布特性。

（2） 絕緣子上下表面污穢分布不均，這既與絕緣子結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受自然因素影響。以鐘罩型絕緣子為例，其下表面深棱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其自潔性能較差，下表面積污量大于上表面，同時(shí)在自然條件下，受風(fēng)雨影響，絕緣子上表面清洗情況要好于下表面，導(dǎo)致上表面積污量小于下表面。

（3） 絕緣子扇面污穢分布不均，造成這種現(xiàn)象的主要原因是受自然風(fēng)向的影響，即絕緣子迎風(fēng)面更易受到風(fēng)力清掃，導(dǎo)致其積污量小于背風(fēng)面。

1.6.2不均勻積污與污閃發(fā)展的關(guān)聯(lián)

不均勻積污是導(dǎo)致干帶形成的條件之一。由于絕緣子的積污量不均勻，導(dǎo)致了絕緣子各部位的泄漏電流大小不一。積污量大的部位，導(dǎo)電率高，泄漏電流大，電流熱效應(yīng)明顯，最先形成干帶，當(dāng)干帶兩端的電壓滿足擊穿條件時(shí)，就會(huì)形成跨干帶的電弧。

大量的研究表明，絕緣子污閃電壓隨著上下表面不均勻積污T/B值（T代表上表面污穢度，B代表下表面污穢度）的增大而減小，且不均勻積污對(duì)直流電壓污閃的影響明顯大于交流電壓污閃。美國(guó)EPRI提出絕緣子上下表面積污不均勻分布對(duì)直流污閃電壓影響的修正公式為：

式中：K為系數(shù)。

2　結(jié)論

綜上所述，不難看出，影響絕緣子污閃的各個(gè)因素之間也存在相互影響，如絕緣子結(jié)構(gòu)與其不均勻積污也有很大關(guān)聯(lián)，而且也反映到絕緣子鹽、灰密度上。由此可見(jiàn)，絕緣子污閃過(guò)程是復(fù)雜的，最終導(dǎo)致污閃發(fā)生的原因是多重因素共同作用的結(jié)果。在污閃事故的分析過(guò)程中，要結(jié)合多重因素對(duì)污閃的發(fā)生進(jìn)行綜合分析，這樣才能采取有效措施防止類似事故的發(fā)生。

在采取防污閃措施時(shí)，要多管齊下，一方面要提升設(shè)備自身的耐污閃能力，主要方式包括對(duì)絕緣子進(jìn)行合成化改造、更換大爬距空氣動(dòng)力型防污閃絕緣子等；另一方面也要加強(qiáng)對(duì)絕緣子的監(jiān)測(cè)，包括鹽密度的監(jiān)測(cè)、泄漏電流的在線監(jiān)測(cè)、紅外紫外絕緣子檢測(cè)以及零值絕緣子測(cè)量等，其目的是時(shí)刻關(guān)注運(yùn)行絕緣子的染污變化，以便及時(shí)優(yōu)化外絕緣配置。

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2015-09-10；

2016-03-04。

汪 洋（1988-），男，工程師，主要從事輸電線路運(yùn)維檢修工作，email：2355315353@qq.com。

王志明（1972-），男，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路運(yùn)維檢修工作。