復(fù)合絕緣子表面霧滴對其閃絡(luò)路徑的影響

高 磊，蔡志遠(yuǎn)，周思宇，馮 堯

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

復(fù)合絕緣子表面霧滴對其閃絡(luò)路徑的影響

高 磊，蔡志遠(yuǎn)，周思宇，馮 堯

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

自制霧霾模擬試驗箱對復(fù)合絕緣子進(jìn)行人工噴霧試驗，模擬復(fù)合絕緣子在不同積污階段受污情況，用升壓法對其加壓測其閃絡(luò)電壓，觀察其閃絡(luò)路徑。根據(jù)所得試驗結(jié)果又進(jìn)一步設(shè)計了破壞憎水性試驗和噴純水試驗。研究表明絕緣子傘葉上下表面均積污時，所噴霧水鹽度越低其閃絡(luò)電壓值越高且發(fā)生空間擊穿的概率也越高，鹽度高時則相反。而僅傘葉上表面積污時，均發(fā)生空間擊穿。然后用有限元分析軟件對上述幾種污染情況進(jìn)行電場仿真，提出目前所謂的 “不明閃絡(luò)”也可能是水滴場致發(fā)射的作用所造成的。

鹽密；閃絡(luò)路徑；場致發(fā)射；電場仿真；不明閃絡(luò)

復(fù)合絕緣子因其耐污性能好、重量輕等優(yōu)點，在國內(nèi)輸電線路中的應(yīng)用越來越多，相關(guān)人員使用復(fù)合絕緣子的經(jīng)驗也越來越豐富［1］。但是當(dāng)復(fù)合絕緣子處在污濕環(huán)境中，使其表面不斷積污受潮時，其閃絡(luò)的概率會大大增加，且絕緣子表面各部位的積污程度與其暴露在霧霾環(huán)境中的時間長短有關(guān)。

霧是在沒有風(fēng)或風(fēng)速很小的情況下形成的，其主要受重力作用。在起初階段絕緣子上表面先濕潤，長時間后絕緣子全部受潮，在一些環(huán)境因素的影響下也可能出現(xiàn)下表面比上表面積污嚴(yán)重的現(xiàn)象［2］。

復(fù)合絕緣子污閃經(jīng)歷4個階段：污穢沉積，濕潤受潮，電弧發(fā)展，最終閃絡(luò)［3］。可見積污是絕緣子閃絡(luò)發(fā)生的先決條件。因此本文分別模擬復(fù)合絕緣子不同的積污階段，通過測其閃絡(luò)電壓，觀測閃絡(luò)路徑來分析其閃絡(luò)機理。其研究結(jié)果對預(yù)防輸變電線路中絕緣子的閃絡(luò)具有重大的意義。

1 試驗過程及分析

1.1 試驗設(shè)備及試品

試驗平臺是由調(diào)壓器、升壓變壓器、變壓器保護(hù)電阻、霧霾模擬試驗箱和電容分壓器構(gòu)成，見圖1。

所述的霧霾模擬試驗箱是1.5 m×1.5 m×2 m的玻璃箱體，符合絕緣要求［4］。

本試驗采用棒形懸式復(fù)合絕緣子，型號為FX?BW4-10/70。

1.2 試驗方案及結(jié)果

1.2.1 試驗前的準(zhǔn)備及試驗方法

文獻(xiàn) ［5］提出了對目前幾種染污方法的比較，文獻(xiàn) ［6］提出霾顆粒成分的吸水性及其含有的可溶鹽成分是降低復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的主要原因。因此用國家標(biāo)準(zhǔn)［7］所述的鹽霧法進(jìn)行試驗。鹽度的值由測量溶液的電導(dǎo)率來驗證。試驗時保持溫度為室溫（25±2）℃。試驗前對絕緣子用負(fù)離子水進(jìn)行清洗，并且在陰涼干燥的地方通風(fēng)晾干。本試驗采用的試驗試劑為純度99%的工業(yè)用鹽，測量采用精度為0.001 g的電子天平和精度為1 mL的量杯。根據(jù)國標(biāo)所述的鹽霧法分別配置了鹽度為7 kg/cm3，14 kg/cm3，28 kg/cm3和 56 kg/cm3的溶液。

分別對絕緣子上表面和上下表面噴灑鹽霧。

本試驗采用均勻升壓法，即先將電壓升至40%預(yù)期閃絡(luò)電壓，然后以每秒預(yù)期電壓的10%～20%速度升壓，直至絕緣子閃絡(luò)［8］。

在以上的兩種染污方式下，每種鹽度采用10只絕緣子，每只絕緣子閃絡(luò)3次。且這3次閃絡(luò)時間間隔不宜過長，間隔為3～5 min［9］。

被噴鹽霧后絕緣子表面情況如圖2所示。

圖1 試驗原理及人工氣室

圖2 噴霧后絕緣子表面

由圖2所示，絕緣子表面噴霧水后，其表面細(xì)小的水珠分離狀態(tài)良好，因為復(fù)合絕緣子具有憎水性。

1.2.2 試驗數(shù)據(jù)

各種鹽度在不同積污狀況下的閃絡(luò)路徑如表1所示，不同積污條件時平均起弧電壓及平均閃絡(luò)電壓數(shù)值如表2所示。

表1 不同噴霧條件下閃絡(luò)路徑分布

表2 不同積污條件下起弧電壓與閃絡(luò)電壓平均值

由以上數(shù)據(jù)可看出：①僅對絕緣子上表面噴霧時，隨著霧水鹽度的增加，閃絡(luò)電壓值逐漸降低且百分之百發(fā)生空間擊穿；②上下表面均噴霧時，隨著鹽度的增大，閃絡(luò)電壓逐漸降低，且基本均發(fā)生沿面閃絡(luò)；③上下表面均噴霧，鹽度越低，絕緣子發(fā)生空間擊穿的概率就越高，閃絡(luò)概率由低到高分別為60%，23.3%，20%和10%，由此可推斷內(nèi)陸城市發(fā)生 “不明閃絡(luò)”的概率高于沿海城市；④隨著絕緣子表面染污的鹽密逐漸加大，起弧電壓和絕緣子閃絡(luò)電壓均降低，但是起弧電壓降低的幅值更大。

1.3 進(jìn)一步試驗

絕緣子發(fā)生空間擊穿時，閃絡(luò)完成的速度很快。本文又設(shè)計了破壞絕緣子表面憎水性的試驗。

通過表3看出，僅傘裙上表面憎水性被破壞的復(fù)合絕緣子其閃絡(luò)電壓比正常情況時略低，而傘葉上下表面憎水性均被破壞的絕緣子，其閃絡(luò)電壓大幅降低，而且均是沿面閃絡(luò)。

為分析絕緣子上下表面均受潮時，鹽密越低，發(fā)生空間擊穿概率就越高的現(xiàn)象，本文又設(shè)計了在絕緣子表面噴低電導(dǎo)率溶液的試驗。

按上述方法向絕緣子表面噴上電導(dǎo)率小于10 μS/m的溶液。試驗數(shù)據(jù)和閃絡(luò)路徑如表4所示。

圖3 被破壞憎水性的復(fù)合絕緣子

表3 復(fù)合絕緣子憎水性被破壞后數(shù)據(jù)分布

表4 絕緣子表面噴上低電導(dǎo)率溶液時試驗數(shù)據(jù)分布

雖然上下表面均噴10 μS/m的溶液時均為空間擊穿，但其發(fā)生的過程與正常噴鹽霧時稍有不同。其閃絡(luò)過程為先在貼近金具的芯棒上或傘葉上起弧，然后電弧通過絕緣子表面向另一極金具方向攀爬，在爬升的過程中有的電弧會熄滅。隨著電壓的升高，又有新的電弧重燃，但未等到電弧貫穿兩極，就已發(fā)生空間擊穿。噴10 μS/m溶液的絕緣子閃絡(luò)過程較慢，試驗后原先細(xì)小的水珠積聚成了大水珠。

1.4 試驗現(xiàn)象分析

當(dāng)絕緣子全部受潮時，隨著鹽度的增大，溶液中導(dǎo)電的離子就會相應(yīng)增多。在電場的作用下，液滴層可能由極化作用引起電荷的堆積，結(jié)果會影響電場的畸變［9］。同時液滴中堆積的電荷會在電場力的作用下使液滴沿著電場方向拉長，與附近的水珠融合成大水珠或形成水帶。Ivan J.S.Lopes等［10］通過計算發(fā)現(xiàn)硅橡膠表面存在水珠時水-空氣-硅橡膠三重連接點處電場增強最明顯，此處將會有小電弧的出現(xiàn)。長時間作用可能會使絕緣子表面局部憎水性減弱。水帶被拉伸的過程中會形成細(xì)長水膜，隨著拉伸長度增加水帶的厚度將逐漸減小，又由于絕緣子表面泄漏電流的作用使水帶的邊緣先蒸發(fā)形成干區(qū)。而 “干區(qū)”也并非完全干燥未受潮，其中也有密集分布的水珠或較大的分離水珠。在電場的作用下水帶是沿各個方向發(fā)展的，如圖4（a）中所示。最后導(dǎo)致干區(qū)的范圍減小，此時電壓逐漸集中在干區(qū)上，隨著電壓的升高，產(chǎn)生橫跨干區(qū)的電弧。如果電壓足夠高，使電弧逐漸延伸，最終橫跨絕緣子兩極導(dǎo)致?lián)舸?/p>

而在鹽密較低時，出現(xiàn)空間擊穿的概率明顯增大，且絕緣子表面噴10 μS/m溶液發(fā)生閃絡(luò)時基本均為空間擊穿。但其與沿面閃絡(luò)相比，閃絡(luò)電壓有所升高。這可能由于大氣主要成分中，水的電離能為12.59 eV［11］，絕緣子表面的液滴會有場致發(fā)射［12］和光電發(fā)射過程［13-14］， 且水滴表面的場致發(fā)射和光電發(fā)射所需的能量（即逸出功）僅需6.1 eV。A.I.Grigor'ev和S.O.Shiry'aeva經(jīng)過計算得出直徑超過60 μm的水滴才可能是重要的自由電子來源［12，14］。因此在加壓的過程中絕緣子周圍不僅有空間電離產(chǎn)生的電子還有來源于水滴的電子，這些電子在電場的作用下發(fā)生碰撞電離，形成電子崩，最終形成流柱貫穿兩極使之閃絡(luò)。這就是10 μS/m溶液試驗下發(fā)生空間擊穿的原因。

霍鐵走過去，輕輕揭開遮蓋物，仔細(xì)觀察了一會兒。接著，他把江平叫到了存放蠟料的立柜前，問道：“小江哥哥，你覺得這里有什么變化？”

噴電導(dǎo)率低于10 μS/m溶液時，溶液中導(dǎo)電離子減少，在電場力的作用下水珠被拉伸的作用不明顯。僅能相互融合形成大水珠，但難以形成水帶。此時在泄漏電流作用下逐漸形成干區(qū)，所以起初其會產(chǎn)生電弧，因為難以形成水帶且泄漏電流的作用使干區(qū)不斷擴大如圖4（b）所示。此時的干區(qū)兩端的電壓不足以使其兩端產(chǎn)生電弧。而空間電荷和水珠場致發(fā)射作用等產(chǎn)生的電子不斷碰撞電離，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，形成流柱，造成空間擊穿。

對于僅上表面濕潤的絕緣子，下表面均是干區(qū)，電壓大部分集中在此處。雖然水珠的存在使絕緣子表面局部的場強增強，但集中在水珠附近的干區(qū)兩端的電壓不足以產(chǎn)生跨區(qū)使其兩端產(chǎn)生電弧。

而對于破壞憎水性的絕緣子，其閃絡(luò)的過程與傘裙上下表面均噴高電導(dǎo)率溶液時類似。水膜邊緣處也會使絕緣子表面場強增強，而不同之處在于，水膜的存在使絕緣子表面本身的干區(qū)小，電壓均集中在小的干區(qū)上。所以很容易起弧爬電直至閃絡(luò)。

圖4 閃絡(luò)后絕緣子表面水珠分布

2 電場仿真計算

針對以上幾種染污情況，本文通過Solidworks軟件分別對表面干凈絕緣子，傘裙上表面噴霧滴的絕緣子，傘裙上下表面均噴霧絕緣子和表面有水膜絕緣子進(jìn)行了建模，如圖5所示。

用Ansoft Maxwell10進(jìn)行電場仿真計算，圖6為4種染污條件下電位分布圖。

圖5 不同積污狀態(tài)下絕緣子模型

圖6 電位分布圖

局部放大高電位局部區(qū)域，如圖7所示。

由圖7可以看出來，水珠和水膜的存在會改變絕緣子表面的電位分布。圖7（d）中水膜使電位線向兩側(cè)擠壓，這是因為水的介電常數(shù)比較大，相當(dāng)于等電位體。

圖7 高電位區(qū)放大圖

4種染污情況下接近高壓側(cè)的傘葉上表面電場分布情況，如圖8所示。

可以看出水珠和水帶的存在畸變了絕緣子表面的電場。水珠中的場強顯著降低［14］，使水珠背離芯棒的一側(cè)電場加強明顯。

當(dāng)液滴電導(dǎo)率增大，最大場強有所增加。F＝Eq，場強變大，電場力作用變大，這就是噴鹽霧時絕緣子表面液滴容易形成水帶而噴低于10 μS/m的溶液時不容易形成水帶的原因。而且閃絡(luò)電壓的下降主要是由于水珠長度隨水珠體積的增大而增大引起的［15］，這就是上下均噴有水珠，且鹽度越大閃絡(luò)電壓越低的原因。

本文認(rèn)為目前電網(wǎng)中出現(xiàn)的所謂 “不明閃絡(luò)”的現(xiàn)象，其原因與傘裙上下表面均噴有鹽霧的情況相似。由于霧中受潮絕緣子在運行電壓的長時間作用下，表面水珠逐漸拉伸增大，空氣中的霧滴不斷融合，液滴由于場致發(fā)射和光電發(fā)射等原因，在絕緣子周圍不斷產(chǎn)生電子，這些電子逐漸積累且不斷的碰撞游離形成電子崩，電子崩向前發(fā)展成流柱導(dǎo)致最終的空間閃絡(luò)。

圖8 上傘葉電場分布

3 結(jié)論

a.絕緣子僅上表面積霧水時（或不均勻積污時），絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時，為空間擊穿。

b.絕緣子上下表面均積有霧水時，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時的閃絡(luò)電壓與閃絡(luò)路徑和霧水的電導(dǎo)率有關(guān)，霧水電導(dǎo)率越大，其閃絡(luò)電壓越低。此時發(fā)生沿面閃絡(luò)，同時也有一定的空間擊穿的概率。霧水電導(dǎo)率越低，發(fā)生空間擊穿概率越高。

c.內(nèi)陸城市發(fā)生 “不明閃絡(luò)”的概率高于沿海城市。

［1］劉澤洪.復(fù)合絕緣子使用現(xiàn)狀及其在特高壓輸電線路中的應(yīng)用前景 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：1-7.

［2］李武峰，范建斌，李 鵬，等.直流絕緣子串污穢閃絡(luò)特性研究 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（15）：21-24.

［3］苑 舜.線路絕緣子在大霧下閃絡(luò)機理中幾個關(guān)鍵問題的探討 ［J］.東北電力技術(shù)，2001，22（3）：19-21.

［4］關(guān)志成.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［5］蔡 煒，張 軍，劉毅軍，等.復(fù)合絕緣子人工污穢試驗方法比較 ［J］.高電壓技術(shù)，2003，29（5）：53-54.

［6］李恒真，劉 剛，李立浧，等.絕緣子表面自然污穢成分分析及其展望 ［J］.中國電機工程學(xué)報，2011，31（16）：128-137.

［7］交流系統(tǒng)用高壓絕緣子人工污穢試驗方法：GB/T 4585.1—1984［S］.

［8］董冰冰.霧對短空氣間隙與絕緣子交流放電特性影響研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014：25-26.

［9］楊津基.氣體放電 ［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［10］Ivan J.S.Lopes.A Study of Partial Discharges from Water

［11］楊長河.氣水混合兩相體放電現(xiàn)象及機制的理論與試驗研究 ［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2005：13-15.

［12］Grigor'ev A I，Shiry'aeva S O.The mechanism of corona dis?charge from a water droplet［J］.Journal of Engineering Physics，1991，60（4）：481-488.

［13］鄧鶴鳴.水滴大小對放電開始和發(fā)展過程的影響 ［J］.中國電機工程學(xué)報，2010，30（28）：120-125.

［14］Babaeva N Yu，Kushner M J.Streamer branching：the role of inhomogeneities and bubbles［J］ .IEEE Transactions on Plasma Science，2008，36（4）：892-893.

［15］司馬文霞，劉貞瑤，蔣興良，等.硅橡膠表面分離水珠放電特性的研究 ［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（2）：7-9.

Effect of Droplet on Composite Insulators for Flashover Path

GAO Lei，CAI Zhiyuan，ZHOU Siyu，F(xiàn)ENG Yao
（School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China）

In this paper，an artificial spray experiment is carried out on the composite insulator by using the simulated experiment box. The pollution situation of composite insulator in different stage is simulated.The flashover voltage is measured by the pressure boosting method and the flashover path is observed.Based on the experimental results，it is further designed to destroy hydrophobic experiment and pure water experiment.The results shows that when the insulator is contaminated，the higher the surface salinity is，the higher the flashover voltage is，the probability of space breakdown is higher.But only when the upper surface is polluted，the space breakdown occurs every time.The model is built and its electric field simulation is carried out.

salt density；flashover path；field emission；electric field simulation；unknown flashover

TM216；TM75

A

1004-7913（2017）03-0001-05

高 磊（1989），男 ，碩士，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。

2016-11-30）