長棒形瓷絕緣子交流污閃特性的試驗(yàn)研究

張佰慶，鄭秋瑋，劉 洋，楊 帥，高 嵩，崔艷東，周文俊

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，南京211102；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京211103）

長棒形瓷絕緣子交流污閃特性的試驗(yàn)研究

張佰慶1，鄭秋瑋2，劉 洋3，楊 帥2，高 嵩3，崔艷東1，周文俊2

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，南京211102；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京211103）

為研究長棒形瓷絕緣子的污閃特性，指導(dǎo)線路絕緣配置與選型，采用交流人工污穢試驗(yàn)方法，研究了鹽密、污穢不均勻度對單節(jié)長棒形瓷絕緣子交流污閃特性的影響，得到了長棒形瓷絕緣子的爬電距離有效系數(shù)。試驗(yàn)表明：長棒形瓷絕緣子污閃電壓與鹽密值之間滿足負(fù)冪指數(shù)關(guān)系；長棒形瓷絕緣子表面污穢含量一定時，隨著傘裙上下表面污穢不均勻度的增加，其污閃電壓先增加后減??；絕緣子迎背風(fēng)面不均勻積污時，其污閃電壓高于均勻積污的情況。以雙傘型瓷絕緣子串為基準(zhǔn)時，灰密1.0 mg/cm2的長棒形瓷絕緣子的爬電距離有效系數(shù)為K1=0.611 6S-0.11。

長棒形瓷絕緣子；交流污閃特性；鹽密；污穢不均勻度；爬電距離有效系數(shù)

0 引言

長棒形瓷絕緣子是一種特殊結(jié)構(gòu)的輸電線路絕緣子[1]，具有自潔性能好、爬電比距大、不可擊穿性、無零值問題、機(jī)電性能好、免維護(hù)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[2]。在我國江蘇、湖北、安徽、浙江等地的220 kV、500 kV交流線路以及±500 kV直流線路中得到廣泛使用[3]。近年來隨著工業(yè)快速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重[4]，長棒形瓷絕緣子也出現(xiàn)了多起嚴(yán)重污閃跳閘事故，例如江蘇蘇北地區(qū)，2011年春冬季發(fā)生了若干起長棒形瓷絕緣子污閃跳閘事故。但國內(nèi)相關(guān)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)不足，同時由于環(huán)境巨大差異，國外運(yùn)行方式并不完全適用，因此長棒形瓷絕緣子污閃特性研究十分必要。

目前長棒形瓷絕緣子的研究還不充分，清華大學(xué)王黎明教授等研究了長棒形懸式瓷絕緣子的機(jī)械特性，發(fā)現(xiàn)長棒形懸式瓷絕緣子可以應(yīng)用在高壓直流輸電線路耐張串上[5]。華南理工大學(xué)陽林等在沙塵暴條件下進(jìn)行了長棒形瓷絕緣子的風(fēng)洞帶電積污試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與三傘型瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子相比，長棒形瓷絕緣子具有最優(yōu)良的空氣動力學(xué)特性[6-8]。華南理工大學(xué)郝艷捧教授等研究了涂覆H-PRTV后長棒形瓷絕緣子的直流污閃特性，發(fā)現(xiàn)涂覆HPRTV后，其直流污閃電壓明顯提高，整個污穢閃絡(luò)過程有延緩的趨勢[9]。江蘇電科院高嵩等通過人工污穢試驗(yàn)研究了長棒形瓷絕緣子的污閃特性和積污規(guī)律，發(fā)現(xiàn)長棒形瓷絕緣子交流污閃電壓與串長呈線性關(guān)系，與等值鹽密呈負(fù)冪指函數(shù)關(guān)系[10]。K.L.Chrzan等研究了不同傘形的棒形瓷絕緣子的污閃特性，發(fā)現(xiàn)階梯式傘和大小傘明顯好于等徑傘和螺旋傘棒形瓷絕緣子，且以階梯式傘最優(yōu)[11]。德國Seifert研究小組通過人工污穢試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長棒形瓷絕緣具有與盤形瓷絕緣子相近的直流污閃特性[12]。現(xiàn)有關(guān)于長棒形瓷絕緣子污閃特性的研究并不全面，特別是污穢不均勻度的影響和爬電距離有效系數(shù)研究較少。

為此本文采用交流人工污穢試驗(yàn)，研究分析鹽密、污穢不均勻度（上下表面、迎背風(fēng)面）對長棒形瓷絕緣子交流污閃特性的影響。同時對比單節(jié)長棒形瓷絕緣子和雙傘型瓷絕緣子串的試驗(yàn)結(jié)果，計算長棒形瓷絕緣子的爬電距離有效系數(shù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試品

試品為無錫某公司生產(chǎn)的LP75/18+17/1500型長棒形瓷絕緣子（以下簡稱LP75）。該型號絕緣子的結(jié)構(gòu)高度為1 500 mm，電弧距離1 455 mm，公稱爬電距離5 000 mm，芯棒直徑75 mm，大小傘裙的直徑分別為215 mm和185 mm，單節(jié)絕緣子的重量為56 kg，絕緣子瓷表面積12 570 cm2，額定機(jī)械破壞負(fù)荷160 kN。用于對照的基準(zhǔn)絕緣子采用是大連某廠生產(chǎn)的XWP2-160型雙傘型瓷絕緣子（以下簡稱XWP2），單片絕緣子結(jié)構(gòu)高度為155 mm，公稱爬電距離450 mm，傘徑為300 mm，絕緣子瓷表面積2 786 cm2，額定機(jī)械破壞負(fù)荷160 kN。為與單節(jié)長棒形瓷絕緣子形成對照，本文采用XWP2絕緣子7片串。試品絕緣子見圖1。

圖1 試品絕緣子Fig.1 Sample insulator

1.2 試驗(yàn)方法

交流人工污穢試驗(yàn)在江蘇省電力科學(xué)研究院污穢試驗(yàn)室進(jìn)行，霧室大小為17 m×15 m×15 m，試驗(yàn)電源為YDTW-2400/600工頻試驗(yàn)變壓器，其額定電壓為600 kV。試驗(yàn)采用蒸汽霧，試品的污層電導(dǎo)率一般在起霧后20 min達(dá)到最大值，最大值濕度為99%，霧水量約為5 g/m3。電源與霧室參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。電壓測量采用有源數(shù)字式峰值電壓表與電容分壓器并聯(lián)，試驗(yàn)接線原理圖見圖2。采用固體層法制作染污絕緣子[13]，人工污穢成分為NaCl和高嶺土。試驗(yàn)時將試品先受潮后加壓，采用均勻升壓法測量絕緣子的平均閃絡(luò)電壓。

圖2 試驗(yàn)接線原理圖Fig.2 Test principle diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鹽密的影響

保持灰密為1.0 mg/cm2，鹽密分別取0.02 mg/cm2、0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2、0.3 mg/cm2， 對不同鹽密的長棒形瓷絕緣子和雙傘型瓷絕緣子串進(jìn)行污閃試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖3所示。長棒形瓷絕緣子和雙傘型瓷絕緣子串的污閃電壓都隨著鹽密的增加而下降，兩種絕緣子污閃電壓與鹽密值之間都滿足負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，分別表示為式（1）和式（2）。

式中：Uflp、Ufxwp分別為兩種絕緣子的污閃電壓，kV；S為鹽密，mg/cm2。

根據(jù)式（1）和式（2），長棒形瓷絕緣子 LP75 和雙傘型瓷絕緣子XWP2串的鹽密對污閃電壓影響的特征指數(shù)分別為0.34和0.23，長棒形瓷絕緣子LP75相比雙傘型瓷絕緣子XWP2串，其影響特征指數(shù)較大，即隨著污穢度的升高，長棒形瓷絕緣子的污閃電壓下降更快。

表1 不同鹽密下兩種絕緣子的污閃試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Pollution flashover test results of two kinds of insulator of different SDD

圖3 不同鹽密下兩種絕緣子的污閃電壓擬合曲線Fig.3 Pollution flashover voltage curve of two kinds of insulator of different SDD

2.2 污穢不均勻度的影響

2.2.1 上下表面不均勻污穢的影響

取長棒形瓷絕緣子的平均鹽密為0.1 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2，傘裙上下表面污穢比分別按1∶1，1∶2，1∶3，1∶5 的比值進(jìn)行涂污并試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。當(dāng)長棒形瓷絕緣子表面污穢含量一定時，隨著傘裙上下表面污穢不均勻度的增加，其污閃電壓先增加后減小。相對于污穢均勻分布的情況，當(dāng)絕緣子上、下表面污穢不均勻比例不太大時，其污閃電壓有一定比例的升高。上下表面污穢比1∶2時比均勻污穢升高了4.29%，1∶3時升高了13.2%。但是當(dāng)上、下表面污穢不均勻比例進(jìn)一步加大時，污閃電壓反而降低，且低于污穢均勻分布的情況，上下表面污穢比1∶5的污閃電壓比均勻污穢情況降低了2.91%。

表2 上下表面不同污穢比絕緣子的污閃試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Pollution flashover test results of unevenness of contaminants of top and bottom surface of insulator

2.2.2 迎背風(fēng)面不均勻污穢的影響

對絕緣子進(jìn)行迎背風(fēng)面不均勻涂污，將單節(jié)長棒形瓷絕緣子沿徑向分成兩部分，污穢程度較輕的一半模擬絕緣子的迎風(fēng)面，污穢程度較重的一半模擬絕緣子的背風(fēng)面，如圖4所示。取長棒形瓷絕緣子的平均鹽密為0.1 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2，迎背風(fēng)面污穢比分別按 1∶1，1∶3，1∶5 的比值進(jìn)行涂污并試驗(yàn)，結(jié)果見表3。絕緣子迎背風(fēng)面不均勻積污時，其污閃電壓高于均勻積污的情況。1∶3污穢比時，其污閃電壓比均勻污穢情形高11.57%；1∶5污穢比時，其污閃電壓比均勻污穢情形高3.85%。

圖4 迎背風(fēng)面不均勻涂污示意圖Fig.4 Schematic diagram of unevenness of contaminants of windward and lee side of insulator

表3 迎背風(fēng)面不同污穢比絕緣子的污閃試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Pollution flashover test results of unevenness of contaminants of windward and lee side of insulator

迎、背風(fēng)面不均勻積污的污閃過程相當(dāng)于不同電導(dǎo)率污層表面電阻的并聯(lián)，迎風(fēng)面的表面電導(dǎo)率較小，背風(fēng)面的表面電導(dǎo)率較大。理論上電弧從表面電導(dǎo)率較大的背風(fēng)面部分開始產(chǎn)生，電弧發(fā)展時會在傘裙間發(fā)生滑動，當(dāng)移動到迎風(fēng)面的部分，其表面電導(dǎo)率低于電弧產(chǎn)生的背風(fēng)面，若電弧不足以繼續(xù)維持，則會造成熄弧[14]，如此電弧的發(fā)展將受到迎、背風(fēng)面不均勻積污情形的影響，會一定程度地提高污閃電壓。

2.3 污閃試驗(yàn)現(xiàn)象

長棒形瓷絕緣子在加壓后一般從靠近高壓端的小傘裙處開始出現(xiàn)電弧，然后絕緣子其他地方的小傘裙附近也紛紛出現(xiàn)電?。浑S著干帶的形成，電弧逐漸減少并變成間歇性電弧，電弧一般在小傘裙附近，很少出現(xiàn)有電弧跨接兩片大傘裙；經(jīng)過一段時間的發(fā)展，整只絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。閃絡(luò)后的絕緣子上，小傘裙的污穢幾乎全部干燥，部分大傘裙上的污穢干燥，且干燥的大傘裙的位置沒有固定規(guī)律，見圖5。

圖5 污閃試驗(yàn)后的長棒形瓷絕緣子Fig.5 Porcelain long rod insulator after pollution flashover tests

3 長棒形瓷絕緣子的爬電距離有效系數(shù)

爬電距離對污閃電壓的影響比較明顯，外形復(fù)雜的絕緣子的污閃電壓與爬電距離之間可能是非線性關(guān)系，因此有效爬電距離La和爬電距離有效系數(shù)Kx能更好地指導(dǎo)線路絕緣配置與選型[15-16]。我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，線路防污設(shè)計時需采用有效爬電距離[17-18]。由于鹽密對絕緣子污閃電壓影響較大，爬電距離有效系數(shù)Kx的求取主要考慮不同鹽密下的閃絡(luò)電壓梯度變化[19-20]。在相同人工污穢試驗(yàn)條件下，采用被試絕緣子和基準(zhǔn)絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度相比較的方法求Kx，即

式中：E0為基準(zhǔn)絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度，kV/cm；Ec為被試絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度，kV/cm。

單節(jié)長棒形瓷絕緣子電弧距離1 455 mm、爬電距離5 000 mm，雙傘型瓷絕緣子7片串總電弧距離1 085 mm、總爬電距離3 150 mm。將表1中的污閃電壓分別按電弧距離和爬電距離區(qū)分，以電弧閃絡(luò)梯度和爬電閃絡(luò)梯度表示，得到不同鹽密下兩種絕緣子串的閃絡(luò)梯度見表4，并繪制擬合曲線見圖6。

表4 不同鹽密下兩種絕緣子串的閃絡(luò)梯度Table 4 Flashover gradient of two kinds of insulator string of different SDD

圖6 不同鹽密下兩種絕緣子串的閃絡(luò)梯度擬合曲線Fig.6 Flashover gradient curve of two kinds of insulator string of different SDD

根據(jù)爬電閃絡(luò)梯度擬合曲線，灰密為1.0 mg/cm2情況下，長棒形瓷絕緣子與雙傘型瓷絕緣子串的爬電閃絡(luò)梯度分別為

式中：ELP為長棒形瓷絕緣子爬電閃絡(luò)梯度，kV/cm；EXWP為雙傘型瓷絕緣子串的爬電閃絡(luò)梯度，kV/cm；S為鹽密，mg/cm2。

由式（4）和式（5）可得，以雙傘型瓷絕緣子串為基準(zhǔn)時，灰密為1.0 mg/cm2的長棒形瓷絕緣子的爬電距離有效系數(shù)為

4 結(jié)論

1）長棒形瓷絕緣子和雙傘型瓷絕緣子串的污閃電壓與鹽密值之間都滿足負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，隨著污穢度的增加，長棒形瓷絕緣子的污閃電壓下降更快。

2）長棒形瓷絕緣子表面污穢含量一定時，隨著傘裙上下表面污穢不均勻度的增加，其污閃電壓先增加后減小；絕緣子迎背風(fēng)面不均勻積污時，其污閃電壓高于均勻積污的情況。

3）以雙傘型（XWP2-160型）瓷絕緣子串為基準(zhǔn)時，灰密為1.0 mg/cm2的長棒形瓷絕緣子（LP75/18+17/1500型）的爬電距離有效系數(shù)為K1=0.611 6S-0.11。

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Research on AC Pollution Flashover Performance Test of Porcelain Long Rod Insulators

ZHANG Baiqing1， ZHENG Qiuwei2， LIU Yang3， YANG Shuai2， GAO Song3，CUI Yandong1，ZHOU Wenjun2
（1.Jiangsu Electrical Power Company Maintenance Branch， Nanjing 211102， China； 2.School of Electrical Engineering，Wuhan University， Wuhan 430072， China； 3.Jiangsu Electrical Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

In order to study the pollution flashover performance of porcelain long rod insulator，and guide insulation configuration and selection of transmission line.Based on AC artificial pollution tests，the influences of SDD and unevenness of contaminants on AC pollution flashover performance of porcelain long rod insulator are studied and creepage distance effective coefficient of porcelain long rod insulator is obtained.Test results show that the pollution flashover voltage of porcelain long rod insulator has a negative power function relationship with SDD.When the surface contaminants of porcelain long rod insulator are certain，with the increase of contaminants unevenness on top and bottom surface of sheds，the pollution flashover voltage increases first and then decreases.When contaminants unevenness of windward and lee side of insulator The pollution flashover voltage is higher than the case of contaminants evenness.If double sheds porcelain insulator is taken as standard insulator， when， the creepage distance effective coefficient of porcelain long rod insulator with NSDD of 1.0 mg/cm2is K1=0.611 6 S-0.11.

porcelain long rod insulator； AC pollution flashover performance； SDD； contaminants unevenness；creepage distance effective coefficient

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.025

2015-12-22

張佰慶 （1978—），男，高級工程師，長期從事輸變電運(yùn)行維護(hù)及檢修管理工作。