鹽霧條件下染污絕緣子交流污閃特性

郭裕鈞 蔣興良 孟志高 李源軍 高 標(biāo)

（1. 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（重慶大學(xué)） 重慶 400030 2. 國網(wǎng)杭州供電公司 杭州 310002）

鹽霧條件下染污絕緣子交流污閃特性

郭裕鈞1蔣興良1孟志高1李源軍2高 標(biāo)2

（1. 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（重慶大學(xué)） 重慶 400030 2. 國網(wǎng)杭州供電公司 杭州 310002）

染污絕緣子表面污穢在鹽霧中吸濕受潮，霧中的鹽分沉積在絕緣子表面增大了其表面電導(dǎo)率，使得絕緣子閃絡(luò)特性降低，絕緣子可能在較低電壓甚至工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)瓷、玻璃、復(fù)合三種典型絕緣子在不同鹽密（SDD）和霧水電導(dǎo)率（γ20）下的交流閃絡(luò)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出附加鹽密（ASDD）的概念，分析了附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導(dǎo)率的關(guān)系及其對(duì)交流閃絡(luò)特性的影響。結(jié)果表明：隨著鹽密和霧水電導(dǎo)率的增大絕緣子交流霧閃電壓均降低，且與鹽密呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，與霧水電導(dǎo)率呈線性關(guān)系?？梢杂酶郊欲}密表征霧水電導(dǎo)率和鹽密對(duì)絕緣子霧閃電壓的綜合影響，即附加鹽密與霧水電導(dǎo)率和絕緣子鹽密之積成正比。同時(shí)絕緣子閃絡(luò)電壓與絕緣子表面鹽密和附加鹽密之和呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，絕緣子霧閃的本質(zhì)是一種特殊的污穢閃絡(luò)。

霧水電導(dǎo)率 附加鹽密 污染 交流閃絡(luò)特性 鹽霧

Keywords：Fog water conductivity, additional salt deposit density, pollution, AC flashover characteristics, salt fog

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求日益增大，電力系統(tǒng)輸電線路的電壓等級(jí)不斷提高，這對(duì)輸電線路外絕緣提出了更高的要求[1,2]。沿海地區(qū)由于海水激烈擾動(dòng)、漲落潮時(shí)海水相互間的沖擊以及海浪拍岸，致使海浪水滴及泡沫進(jìn)入空氣中，水分蒸發(fā)后鹽粒在空氣中擴(kuò)散開來形成鹽霧。同時(shí)，城市現(xiàn)代化和工業(yè)發(fā)展所導(dǎo)致的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，大范圍霧霾天氣頻發(fā)，霧水電導(dǎo)率和絕緣子污穢程度增大，絕緣子串的電氣強(qiáng)度下降，因絕緣子串閃絡(luò)導(dǎo)致電網(wǎng)大范圍、長時(shí)間的停電事故時(shí)有發(fā)生，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行[3-6]。

絕緣子霧閃是一個(gè)復(fù)雜的過程。在鹽霧環(huán)境中，絕緣子表面污穢吸濕受潮，導(dǎo)電物質(zhì)溶解。與此同時(shí)，霧中的鹽分在絕緣子表面吸潮濕潤過程中會(huì)沉積在絕緣子表面，使得絕緣子表面的導(dǎo)電離子增多。絕緣子可能在較低電壓甚至工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)[7,8]。然而目前對(duì)于絕緣子霧閃特性的研究將霧水電導(dǎo)率和絕緣子表面鹽密分別進(jìn)行分析，認(rèn)為絕緣子霧閃電壓隨著污穢程度和霧水電導(dǎo)率的增大而下降，卻忽視了其對(duì)于絕緣子閃絡(luò)的綜合影響，沒有揭示絕緣子霧閃的本質(zhì)[9-12]。

絕緣子人工霧閃試驗(yàn)常用方法主要是冷霧法、蒸汽霧法和混合霧法[13-15]。IEC[16]推薦蒸汽霧的試驗(yàn)方法，但由于蒸汽霧溫度較高，會(huì)導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)電壓降低，且蒸汽霧的霧水電導(dǎo)率難以進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能有效模擬鹽霧條件下絕緣子的實(shí)際運(yùn)行情況，所得試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差[15]。本文采用冷霧法對(duì)瓷、玻璃、復(fù)合三種典型絕緣子進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了附加鹽密（Additional Salt Deposit Density，ASDD）的概念，分析了附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導(dǎo)率的關(guān)系及其對(duì)交流閃絡(luò)特性的綜合影響。絕緣子霧閃這一復(fù)雜過程可簡化為一種特殊的污穢閃絡(luò)，可以幫助更好地理解絕緣子霧閃的機(jī)理，為鹽霧和霧霾高發(fā)地區(qū)超特高壓輸電線路絕緣子的選擇和設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置、試品與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置和試品

試驗(yàn)在長4.0m、寬3.7m、高4.0m的人工霧室內(nèi)進(jìn)行，試品交流試驗(yàn)接線如圖1所示。試驗(yàn)電源由TDJY-1000/10移圈式調(diào)壓器（T1）和YDJ-900/ 150試驗(yàn)變壓器（T2）組成。試驗(yàn)變壓器輸出電壓在0～150kV之間可調(diào)，額定電流為6A，最大短路電流30A，滿足IEC 60507[16]和GB/T 4584—2004[17]交流污穢試驗(yàn)電源的要求。試驗(yàn)電壓經(jīng)過保護(hù)電阻（R0），通過穿墻套管（H）接入人工霧室（K）。S為絕緣子試品。D為SGB-200A電容式分壓器，分壓比為1∶10 000。F為YC-G030T型超聲波水霧發(fā)生器。

圖1 交流試驗(yàn)接線Fig.1 AC test circuit

本文試品為FZBW4-35/70復(fù)合絕緣子、5片XP-160瓷絕緣子串和5片LXY4-160玻璃絕緣子串。其結(jié)構(gòu)示意圖及基本技術(shù)參數(shù)如圖2和表1所示，其中，H、D、d、L、A分別為試品結(jié)構(gòu)高度、絕緣子盤徑或大傘直徑、小傘直徑、爬電距離和表面積。

圖2 試品絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of test insulators

1.2 霧水電導(dǎo)率參數(shù)

本試驗(yàn)采用在純凈水（20℃下霧水電導(dǎo)率γ20約為0.01mS/cm）中添加一定量氯化鈉的方式，利用超聲波水霧發(fā)生器產(chǎn)生人工鹽霧，其工作原理是利用帶有高頻振蕩電路的陶瓷霧化片高頻諧振將液態(tài)水打碎而產(chǎn)生水霧。不同地區(qū)自然霧霧水電導(dǎo)率的差異較大，表2為近年我國部分地區(qū)的最大霧水電導(dǎo)率[18,19]。因此，綜合考慮輕度鹽霧到重度鹽霧的變化范圍，與我國自然霧霧水電導(dǎo)率情況相吻合，本文試驗(yàn)采用的霧水電導(dǎo)率分別為0.01mS/cm、0.50mS/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm。

表1 試品絕緣子參數(shù)Tab.1 Parameters of test insulator

表2 我國部分地區(qū)自然霧最大霧水電導(dǎo)率Tab.2 The maximum natural fog water conductivity in some regions of China

1.3 絕緣子霧閃試驗(yàn)程序

（1）試品預(yù)處理。每次試驗(yàn)前用清潔劑及蒸餾水清除絕緣子表面的油跡和污穢，然后將清潔后的絕緣子懸掛在絕緣子架上自然陰干，待試品干燥后方可進(jìn)行染污。復(fù)合絕緣子需要在表面均勻涂敷一層很薄的干燥硅藻土，去掉其憎水性。

（2）試品染污。本文試驗(yàn)采用固體涂層法預(yù)染污，模擬絕緣子在霧濕潤前已染污的情況，即試驗(yàn)前先采用定量涂刷方式對(duì)絕緣子分別涂以0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2、0.30mg/cm2的鹽密，試驗(yàn)中污穢的鹽密和灰密之比為1∶6，分別采用氯化鈉和硅藻土進(jìn)行模擬。

（3）污穢濕潤。將染污并自然陰干24h的試品絕緣子按照其布置方式放置在人工霧室，將四個(gè)超聲波霧發(fā)生器分別放置在人工霧室的四個(gè)角落，讓超聲波水霧能夠快速均勻地布滿整個(gè)人工霧室，使試驗(yàn)在飽和受潮（相對(duì)濕度100%）的條件下進(jìn)行。大約50min后絕緣子表面電導(dǎo)率達(dá)到最大值，用激光粒度儀測得該超聲波水霧發(fā)生器產(chǎn)生的霧的平均粒徑為1～10μm，與自然環(huán)境中實(shí)際霧水粒徑分布基本相同，滿足模擬自然霧的要求[18]。

（4）絕緣子霧閃試驗(yàn)。本文采用IEC 60507[16]和GB/T 4585[17]推薦的“恒壓升降法”獲得絕緣子50%霧閃交流電壓U50%。具體試驗(yàn)方法如下：絕緣子濕潤達(dá)到預(yù)期要求后，停止噴霧，對(duì)絕緣子施加預(yù)期閃絡(luò)電壓U的50%，此后每次施加電壓值由前一次試驗(yàn)結(jié)果決定，若前一次閃絡(luò)，則下一次降低ΔU；若前一次未閃絡(luò)，則下一次升高ΔU，ΔU取預(yù)期電壓的5%。每只試品只能加壓一次，并且如果沒有發(fā)生閃絡(luò)則耐受時(shí)間至少為30min。每種條件下共進(jìn)行不少于10次有效試驗(yàn)，所謂的有效試驗(yàn)，是從與前一次試驗(yàn)結(jié)果不同的那一次開始計(jì)算。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，絕緣子的U50%及標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 為

式中，Ui為某一次試驗(yàn)施加電壓（kV）；N為總有效試驗(yàn)次數(shù)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)研究絕緣子表面鹽密和霧水電導(dǎo)率對(duì)絕緣子交流霧閃電壓U50%的影響，鹽密分別為0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2和0.30mg/cm2，霧水電導(dǎo)率分別在0.01mS/cm、0.50S/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm條件下變化。三種試品的試驗(yàn)結(jié)果見表3，試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 均小于6%。分析表3可知：

（1）對(duì)于三種試品，隨著鹽密的增加絕緣子50%交流霧閃電壓均下降。相同霧水電導(dǎo)率下鹽密從0.05mg/cm2增加至0.30mg/cm2，A、B、C三種試品的50%交流霧閃電壓分別下降了35.9%～37.8%、49.3%～50.4%和48.3%～49.0%。

（2）對(duì)于三種試品，隨著霧水電導(dǎo)率γ20的增加，絕緣子50%交流霧閃電壓均下降。相同鹽密下，霧水電導(dǎo)率從0.01mS/cm增加至3.00mS/cm，A、B、C三種試品的50%交流霧閃電壓分別下降了11.5%～14.1%、15.4%～17.8%和14.6%～16.6%。

表3 試品試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of specimens

2.2 不同霧水電導(dǎo)率下鹽密對(duì)霧閃電壓的影響

大量研究結(jié)果表明，隨著鹽密的增大，污穢絕緣子閃絡(luò)電壓U50%降低。絕緣子污穢閃絡(luò)電壓與鹽密的關(guān)系可表示為[20-24]

式中，A為與絕緣子結(jié)構(gòu)、材料等相關(guān)的系數(shù)；SDD為絕緣子鹽密（mg/cm2）；a為絕緣子鹽密影響U50%的特征指數(shù)。

在鹽霧條件下，利用式（2）對(duì)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表4，擬合方差的二次方R2均大于0.99。

分析擬合結(jié)果可得：

（1）在不同霧水電導(dǎo)率下，隨著鹽密的增加，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。并且三種不同絕緣子霧閃電壓的變化趨勢相同，50%霧閃電壓與鹽密呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)A和a的擬合Tab.4 Test data fitting of A and a

（2）對(duì)于A、B、C三種絕緣子，不同霧水電導(dǎo)率下的平均特征指數(shù)aave分別為0.256、0.389和0.372。B、C兩種絕緣子的特征指數(shù)較為接近，均明顯大于A型絕緣子，說明鹽密對(duì)瓷和玻璃絕緣子的影響大于對(duì)復(fù)合絕緣子的影響，復(fù)合絕緣子在鹽霧條件下仍具有較好的耐污特性。

（3）對(duì)于A、B、C三種絕緣子，不同霧水電導(dǎo)率下特征指數(shù)a與平均特征指數(shù)aave間的最大絕對(duì)偏差分別為2.73%、2.31%和1.34%，霧水電導(dǎo)率對(duì)a的影響很小，閃絡(luò)電壓降低是由于污穢絕緣子在鹽霧中濕潤后，絕緣子表面的導(dǎo)電離子增多。

2.3 不同鹽密下霧水電導(dǎo)率對(duì)霧閃電壓的影響

污穢絕緣子表面在鹽霧中濕潤后，由于導(dǎo)電離子增多，表面電導(dǎo)率增大；隨著霧水電導(dǎo)率的增大，絕緣子50%交流污閃電壓U50%降低。在不同鹽密下，絕緣子閃絡(luò)電壓與霧水電導(dǎo)率的關(guān)系可表示為

式中，B為與絕緣子結(jié)構(gòu)、材料等相關(guān)的系數(shù)；U0為絕緣子不同鹽密下潔凈霧（γ20近似為0）中的閃絡(luò)電壓（kV）。

根據(jù)式（3）對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表5，擬合方差的二次方R2均大于0.97。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)B和U0的擬合Tab.5 Test data fitting of B and U0

分析擬合結(jié)果可知：

（1）在不同的鹽密下，隨著霧水電導(dǎo)率的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與霧水電導(dǎo)率呈線性關(guān)系。

（2）對(duì)于三種試品絕緣子，隨著鹽密的增大，霧水電導(dǎo)率影響系數(shù)B逐漸減小，說明鹽密較小時(shí)霧水電導(dǎo)率對(duì)絕緣子50%霧閃電壓的影響更顯著。U0同樣隨著鹽密的增大而逐漸減小。

2.4 鹽霧條件下附加鹽密模型的驗(yàn)證及分析

由2.3節(jié)分析可以看出，隨著絕緣子鹽密和霧水電導(dǎo)率的增大，絕緣子閃絡(luò)電壓均降低。染污絕緣子在鹽霧中吸濕受潮過程中，霧中的鹽分會(huì)沉積在絕緣子表面，使得絕緣子表面電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率增大，即增大絕緣子表面污穢的鹽密。為了表征濕潤過程中由于鹽霧中鹽分沉積絕緣子表面增大的這部分鹽密，本文提出了附加鹽密的概念，定義為吸濕受潮后絕緣子表面每平方厘米面積上所附加導(dǎo)電物質(zhì)的含量所相當(dāng)?shù)穆然c的量（mg/cm2），即吸濕受潮前后絕緣子表面鹽密間的差值。

附加鹽密與絕緣子表面鹽密/灰密（試驗(yàn)中鹽密與灰密之比為1∶6）和霧水電導(dǎo)率均相關(guān)。絕緣子表面鹽密/灰密越大，即表面污穢物質(zhì)越多，其吸潮能力越好，即吸收的霧水越多，使其附加鹽密越大；霧水電導(dǎo)率越高，霧水中所含的導(dǎo)電物質(zhì)越多，從而使沉降在絕緣子表面的導(dǎo)電物質(zhì)越多，同樣使絕緣子附加鹽密增大。附加鹽密與鹽密和霧水電導(dǎo)率的關(guān)系可以表示為

式中，k為鹽密和霧水電導(dǎo)率對(duì)絕緣子附加鹽密的影響系數(shù)，k值與絕緣子材料、結(jié)構(gòu)相關(guān)。則

式中，A為清潔霧（γ20近似為0）中絕緣子的交流污穢閃絡(luò)系數(shù)，可近似取為表3中霧水電導(dǎo)率為0.01mS/cm的對(duì)應(yīng)值。

三種絕緣子試品的50%交流霧閃電壓可表示為

為了對(duì)鹽霧條件下的附加鹽密模型進(jìn)行驗(yàn)證，利用式（5）對(duì)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，三種試品的附加鹽密影響系數(shù)k和擬合方差的二次方R2見表6。擬合結(jié)果如圖3所示。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)k和R2的擬合Tab.6 Test data fitting of k and R2

圖3 不同霧水電導(dǎo)率下50%霧閃電壓和鹽密的關(guān)系Fig.3 U50%vs. SDD at various salt fog conductivities

附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導(dǎo)率之積成正比。為了研究附加鹽密與霧水電導(dǎo)率的關(guān)系，將三種絕緣子試品根據(jù)式（4）的附加鹽密計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果（表3）按式（5）反推得到的附加鹽密試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鹽密下50%霧閃電壓和霧水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.4 U50%vs. γ20at various equivalent salt deposit densities

通過分析表6、圖3和圖4，可知：

（1）鹽霧條件下，F(xiàn)ZBW4-35/70復(fù)合絕緣子、5片XP-160瓷絕緣子串和5片LXY4-160玻璃絕緣子串的50%霧閃電壓均滿足式（6）所示關(guān)系（擬合方差的二次方R2＞0.99），絕緣子霧中閃絡(luò)的本質(zhì)是一種特殊的污穢閃絡(luò)。

（2）絕緣子附加鹽密與鹽密和霧水電導(dǎo)率之積成正比。其原因是鹽密越大，即表面污穢物質(zhì)越多，其吸潮能力越好，即吸收的霧水越多，導(dǎo)致其附加鹽密越大；霧水電導(dǎo)率越高，霧水中所含的導(dǎo)電物質(zhì)越多，從而濕沉降在絕緣子表面的導(dǎo)電物質(zhì)越多，同樣使得附加鹽密增大。

（3）FZBW4-35/70復(fù)合絕緣子、XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子的附加鹽密影響系數(shù)分別為0.232、0.180和0.190。附加鹽密影響系數(shù)與絕緣子材料、形狀和結(jié)構(gòu)相關(guān)。XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子材料特性和形狀結(jié)構(gòu)相近，附加鹽密影響系數(shù)接近，低于FZBW4-35/70復(fù)合絕緣子。

3 結(jié)論

1）在不同霧水電導(dǎo)率下，隨著鹽密的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與鹽密呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，瓷、玻璃絕緣子的鹽密影響特征指數(shù)接近，均明顯大于復(fù)合絕緣子，并且霧水電導(dǎo)率對(duì)a的影響很小。

2）在不同的鹽密下，隨著霧水電導(dǎo)率的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與霧水電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，鹽密較小時(shí)霧水電導(dǎo)率對(duì)絕緣子霧閃電壓的影響更顯著。

3）鹽霧中絕緣子霧閃電壓可以表示為U50%= A(SDD+ASDD)-a，與絕緣子表面鹽密和附加鹽密之和呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，絕緣子霧閃的本質(zhì)是一種特殊的污閃。

4）絕緣子附加鹽密與鹽密和霧水電導(dǎo)率之積成正比，附加鹽密影響系數(shù)與絕緣子材料、形狀和結(jié)構(gòu)相關(guān)。FZBW4-35/70復(fù)合絕緣子、XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子的附加鹽密影響系數(shù)分別為0.232、0.180和0.190。

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（編輯 張洪霞）

AC Pollution Flashover Characteristics of Polluted Insulators under Salt Fog Conditions

Guo Yujun1Jiang Xingliang1Meng Zhigao1Li Yuanjun2Gao Biao2
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. State Grid Hangzhou Power Supply Company Hangzhou 310002 China）

The surface pollution of polluted insulators absorbs fog water and damps in the salt fog. Meanwhile, the salt in the salt fog deposits on insulators surface, which increases the surface conductivity and degrades the flashover performance of insulators. Insulators may flashover under lower voltage level even under operating voltage. This will threaten the safe and stable operation of the power grid. In this paper, experiments on three typical insulators, i.e. porcelain, glass and composite insulators, were conducted in different salt deposit densities (SDD) and fog water conductivities (γ20). The concept of additional salt deposit density (ASDD) was proposed to analyze the relationship among ASDD, SDD and fog water conductivity. The test results show that the ac flashover voltage decreases with the increases of both SDD and fog water conductivity, which has a negative exponential relationship with SDD while a linear relationship with fog water conductivity. The ASDD can be applied to analyze the combined effects of SDD and fog water conductivity. The relation between the fog flashover voltage and SDD and ASDD is a negative power exponent. The fog flashover can be treated as a special kind of pollution flashover.

TM852

郭裕鈞 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜大氣環(huán)境中輸電線路外絕緣、輸電線路覆冰及防護(hù)。

E-mail： gyjcqu@126.com（通信作者）

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)雜大氣環(huán)境中輸電線路外絕緣、輸電線路覆冰及防護(hù)。

E-mail： xljiang@cqu.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151720

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2014CB260401），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)室自主重點(diǎn)項(xiàng)目（2007DA10512714101）和國家創(chuàng)新研究群體基金（51021005）資助。

2015-10-20 改稿日期 2016-01-29