表面粗糙度對(duì)變電站絕緣子沖擊閃絡(luò)特性的影響*

姚 鑫， 張長(zhǎng)勝， 譚向宇， 馬 儀， 王 科， 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

表面粗糙度對(duì)變電站絕緣子沖擊閃絡(luò)特性的影響*

姚 鑫1， 張長(zhǎng)勝1， 譚向宇2， 馬 儀2， 王 科2， 李 川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

為了研究表面粗糙度對(duì)絕緣子閃絡(luò)特性的影響，使用了不同目數(shù)的砂紙對(duì)絕緣子表面進(jìn)行均勻打磨，并利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)絕緣子表面粗糙度進(jìn)行了量化處理。利用陡前沿沖擊試驗(yàn)裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊，并對(duì)不同粗糙度的絕緣子施加正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波，觀察了在不同極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下絕緣子沿面閃絡(luò)電壓和表面粗糙度的關(guān)系，并從實(shí)驗(yàn)得出，隨著絕緣子表面粗糙度增大，絕緣子50 %閃絡(luò)電壓逐漸降低，在正、負(fù)極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波下，新絕緣子即未經(jīng)過(guò)砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，分別為424.9，429.1 kV，各個(gè)粗糙度下的絕緣子的閃絡(luò)電壓與未打磨的絕緣子的閃絡(luò)電壓的比值在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下與粗糙度呈線性關(guān)系。

表面粗糙度； 絕緣子； 閃絡(luò)； 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊； 陡前沿沖擊試驗(yàn)

0 引 言

電力設(shè)備內(nèi)絕緣污閃，是阻礙電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的難題之一[1～11]。經(jīng)機(jī)械加工形成的電極表面的缺陷,裝配時(shí)殘留的金屬導(dǎo)電微粒、電極的凸緣毛刺以及支撐絕緣子與電極交界面處的氣隙等因素均會(huì)造成很強(qiáng)的電場(chǎng)集中。發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，由于微機(jī)保護(hù)交流采樣算法數(shù)據(jù)窗的存在，使得故障切除時(shí)間在斷路器開(kāi)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上增加了延時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成影響。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)沖擊閃絡(luò)進(jìn)行研究[12～15]，張璐等人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于SF6棒—板極不均勻電場(chǎng)間隙，存在正極性快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO) 和雷電沖擊50 %放電電壓比負(fù)極性高的情況[16]。日本Shigemitsu Okabe等人實(shí)驗(yàn)研究了其定義的數(shù)種非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下油紙絕緣的擊穿特性，但其中單脈沖波形波前時(shí)間范圍較小，波形持續(xù)時(shí)間短，波形振蕩頻率范圍為400 kHz～1 MHz[17～19]。

本文利用了陡前沿沖擊試驗(yàn)裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊，并對(duì)不同粗糙度的絕緣子施加正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波，觀察了在不同極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下，絕緣子沿面閃絡(luò)電壓和表面粗糙度的關(guān)系，并由實(shí)驗(yàn)得出各個(gè)粗糙度下的絕緣子的閃絡(luò)電壓與未打磨的絕緣子的閃絡(luò)電壓的比值在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下與粗糙度的關(guān)系呈線性關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)設(shè)備在氣體絕緣與固體絕緣配合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以固體絕緣設(shè)計(jì)為主，這是因?yàn)闅怏w絕緣可通過(guò)更新恢復(fù)其絕緣與滅弧能力。與敞開(kāi)式斷路器相比，主絕緣度要縮小4～6倍，那么固體絕緣中的任何缺陷就更容易暴露并擴(kuò)大成事故，絕緣子表面粗糙度產(chǎn)生尤為重要的影響。

本文搭建了一種全封閉小型化沖擊電壓發(fā)生裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Marx發(fā)生器、GIS短母線兩者同軸連接起來(lái)，用有機(jī)玻璃做成的油氣隔離絕緣子隔開(kāi)。另外，最終輸出波形的測(cè)量采用錐形電壓傳感器，安裝在試驗(yàn)腔體內(nèi)。裝置通過(guò)沖擊電壓發(fā)生器(由充電觸發(fā)裝置和Marx組成)提供沖擊電壓波形，然后通過(guò)自擊穿陡化間隙來(lái)進(jìn)行陡化和實(shí)現(xiàn)電壓控制，陡化得到的波形在回路電感電容的振蕩及短母線的折反射作用下形成疊加在陡波上的高頻振蕩?；谏鲜鲈?，最終在試驗(yàn)腔體內(nèi)形成符合要求的VFTO波形。若將陡化間隙短接，則通過(guò)前端的沖壓裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)雷電波的輸出。裝置具有緊湊，小型化、小電感及接線符合實(shí)際的特點(diǎn)。同時(shí)，既能產(chǎn)生陡波頭VFTO波形，也能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電波。

圖1 快前沿沖擊發(fā)生器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沖擊電壓發(fā)生器應(yīng)調(diào)整使之產(chǎn)生所需要的波形。然后選取接近于50 %擊穿電壓水平的一個(gè)電壓Uk作為起始點(diǎn)，再選取一個(gè)約為Uk的3 %電壓間距ΔU。在Uk水平上施加一次電壓，如果不發(fā)生擊穿，則下次施加Uk+ΔU的電壓；如果在Uk水平上發(fā)生擊穿，則下次施加Uk-ΔU的電壓。該程序重復(fù)約40次。每次沖擊水平由前次沖擊結(jié)果來(lái)確定，記錄在每個(gè)Uk電壓下施加沖擊的次數(shù)Nv。確定第一個(gè)有用的起始電壓值，應(yīng)是在隨后的試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)2次或更多次數(shù)沖擊的那個(gè)電壓值，以避免由于Uk取得太高或太低而引起的誤差。50 %擊穿電壓由式(1)確定

U50 %=∑NvUv/∑Nv

(1)

實(shí)驗(yàn)間隙可能在VFTO波頭或波尾處擊穿。圖2為對(duì)應(yīng)的沖擊電壓發(fā)生器輸出雷電波形圖。

圖2 沖擊電壓發(fā)生器輸出波形

2 表面粗糙度對(duì)絕緣子沖擊閃絡(luò)特性的影響

利用不同目數(shù)的砂紙對(duì)72.5 kV支撐絕緣子進(jìn)行打磨，打磨后將絕緣子用無(wú)水酒精擦拭干凈防止臟污影響表面粗糙度的觀察和測(cè)量，再使用激光共聚焦顯微鏡對(duì)打磨過(guò)的絕緣子進(jìn)行觀察并計(jì)算了絕緣子表面的平均粗糙度。經(jīng)激光共聚焦顯微鏡測(cè)量可知：未經(jīng)打磨的絕緣子的表面最光滑，其平均粗糙度也最??；使用80#砂紙打磨過(guò)的絕緣子，表面最粗糙，其平均表面粗糙度也最大。絕緣子表面粗糙度與砂紙目數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 絕緣子表面粗糙度與砂紙目數(shù)關(guān)系

由于沖擊電壓具有分散性，在研究中通常以50 %放電電壓，即在多次施加電壓時(shí)，半數(shù)導(dǎo)致放電的電壓作為在設(shè)計(jì)與運(yùn)行工作中的參考。尤其是在非均勻電場(chǎng)中，50 %沖擊放電電壓與靜態(tài)放電電壓的相差較大，更有必要進(jìn)行此項(xiàng)研究。用升降法在正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下不同粗糙度絕緣子的平均50 %閃絡(luò)電壓值如圖3、圖4所示。

圖3 正雷電波作用下不同粗糙度絕緣子平均50 %閃絡(luò)電壓

由圖3可知，在正極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波新絕緣子即未經(jīng)過(guò)砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，為424.9 kV；經(jīng)過(guò)1 500# 砂紙打磨過(guò)后，絕緣子的平均50 %閃絡(luò)電壓為423.5 kV；150# 砂紙打磨過(guò)的絕緣子的閃絡(luò)電壓的平均50 %擊穿電壓為419.6 kV；經(jīng)過(guò)80#砂紙打磨過(guò)絕緣子的平均50 %擊穿電壓變?yōu)榱?17.3 kV，即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子平均50 %擊穿電壓逐漸降低。

圖4 負(fù)雷電波作用下不同粗糙度絕緣子平均50 %閃絡(luò)電壓

由圖4可知，在負(fù)極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下新絕緣子即未經(jīng)過(guò)砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，為429.1 kV；經(jīng)過(guò)1 500#砂紙打磨過(guò)后，絕緣子的平均50 %閃絡(luò)電壓為414.8 kV；150#砂紙打磨過(guò)的絕緣子的閃絡(luò)電壓的平均50 %擊穿電壓為411.8 kV；經(jīng)過(guò)80#砂紙打磨過(guò)的絕緣子的平均50 %擊穿電壓變?yōu)榱?03.7 kV。即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子平均50 %擊穿電壓逐漸降低。

3 不同粗糙度對(duì)絕緣子沖擊閃絡(luò)的影響分析

由表2分析可知，不論是在正標(biāo)準(zhǔn)雷電波還是負(fù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下，絕緣子的閃絡(luò)電壓均隨著絕緣子表面粗糙度的增大而降低。將表面粗糙度進(jìn)行量化處理可以得到絕緣子閃絡(luò)電壓與平均表面粗糙度的關(guān)系，如圖5所示。

表2 絕緣子閃絡(luò)電壓與表面粗糙度關(guān)系

圖5 絕緣子閃絡(luò)電壓與表面粗糙度的關(guān)系

從圖6絕緣子平均50 %閃絡(luò)電壓與平均表面粗糙度的關(guān)系可以看出，絕緣子的閃絡(luò)電壓隨著粗糙度的增大而降低，該結(jié)果與國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)研究結(jié)果基本吻合，即不論是在正雷電波還是負(fù)雷電波作用下，表面粗糙度增大會(huì)使GIS支撐絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓降低。

圖6 絕緣子平均50 %閃絡(luò)電壓與平均表面粗糙度關(guān)系

將沒(méi)有經(jīng)過(guò)砂紙打磨的絕緣子即新絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓作為基準(zhǔn)值，將用砂紙打磨過(guò)的絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓與基準(zhǔn)值相比，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下該比值與粗糙度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 絕緣子閃絡(luò)電壓和基準(zhǔn)值比值與表面粗糙度關(guān)系

圖7中縱坐標(biāo)是不同砂紙打磨絕緣子后絕緣子閃絡(luò)電壓值與未經(jīng)砂紙打磨過(guò)的絕緣子的閃絡(luò)電壓值的值，橫坐標(biāo)為在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的表面粗糙度。從圖7可以看出，不論是在正極性還是在負(fù)極性雷電波下，絕緣子表面的平均粗糙度增大時(shí)絕緣子的閃絡(luò)電壓會(huì)降低，即將絕緣子打磨后絕緣子的閃絡(luò)電壓會(huì)降低，并且降低基本呈線性關(guān)系，圖中的兩條直線就是基于這兩者關(guān)系的線性擬合直線。

4 結(jié) 論

1)對(duì)不同粗糙度的絕緣子施加正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)雷電波，觀察了在不同極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波的作用下絕緣子沿面閃絡(luò)電壓與表面粗糙度的關(guān)系，即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子50 %閃絡(luò)電壓逐漸降低。

2)在正、負(fù)極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波新絕緣子即未經(jīng)過(guò)砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，分別為424.9，429.1 kV。

3)各個(gè)粗糙度下的絕緣子的閃絡(luò)電壓與未打磨的絕緣子的閃絡(luò)電壓的比值在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下與粗糙度的關(guān)系基本呈線性關(guān)系。

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Influence of surface roughness on impulse flashover characteristics of substation insulator*

YAO Xin1, ZHANG Chang-sheng1, TAN Xiang-yu2, MA Yi2, WANG Ke2, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd，Kunming 650217,China)

In order to study the effect of surface roughness on the insulator flashover characteristic, using different mesh uniform sand paper on the insulator surface with grinding and using laser confocal microscopy to quantify the insulator surface roughness.Using the steep front impulse test device to produce standard lightning shock, and the different roughness of insulator on the positive and negative standard thunder electric wave,observed in the standard of different polarity thunder electric wave along the surface under the action of insulator flashover voltage and the relationship between the surface roughness,and from the experiment with the increase of insulator surface roughness insulator flashover voltage decreases 50 %,the positive and negative polarity standard ray waves new insulator without sanding the highest average 50 % breakdown voltage of the insulator,424.9 kV,429.1 kV,the roughness of insulator flashover voltage and has not polishing the insulator flashover voltage ratio under semilog coordinate system of the relationship with the roughness of a linear relationship.

surface roughness; insulator; flashover;standard lightning impulse; steep impact test

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0080—03

2016—05—13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助(一等資助)項(xiàng)目(2014M552552XB)

TM 853

A

1000—9787(2017)05—0080—03

姚 鑫(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用等。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究工作，E—mail:boatriver@eyou,com。