應(yīng)用硅橡膠材料附件提高瓷支柱絕緣子外絕緣強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究

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(1.國網(wǎng)新疆電力公司 烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830011； 2.湖北鑫德賽絕緣技術(shù)有限公司，武漢 430072； 3.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

瓷支柱絕緣子是高壓變電站設(shè)備的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于變電站中，是一種常見的戶外絕緣子。在目前的輸電電壓日益提高和運(yùn)行環(huán)境日趨惡劣的情況下，絕緣子的外絕緣強(qiáng)度在運(yùn)行中會(huì)遇到許多的挑戰(zhàn)，下面只是討論這些眾多挑戰(zhàn)中的一小部分[1-2]。戶外絕緣子的運(yùn)行性能，在很大程度上，取決于其傘裙表面在潮濕或者積污環(huán)境下的表現(xiàn)，而積污和濕潤(rùn)的綜合作用，可以引發(fā)絕緣子表面出現(xiàn)放電現(xiàn)象。而瓷支柱絕緣子屬于無機(jī)材料，具有親水性，會(huì)使得絕緣子在工作電壓下發(fā)生污穢閃絡(luò)[3-5]。此外，對(duì)于傳統(tǒng)絕緣子，當(dāng)絕緣子從制造廠生產(chǎn)出來后，再要提高其工頻干閃絡(luò)電壓是非常困難的[6-8]。濕閃絡(luò)電壓也是戶外絕緣子最重要的性能指標(biāo)，特別是對(duì)于戶外支柱絕緣子，其上部的傘裙邊緣流下的雨水很容易短路傘緣之間的空氣間隙，因此它們的濕閃絡(luò)電壓不高，常常在運(yùn)行中出現(xiàn)問題，這在大雨時(shí)特別明顯，而對(duì)于傳統(tǒng)絕緣子，當(dāng)絕緣子從制造廠生產(chǎn)出來后，絕緣子的傘裙形狀和傘裙數(shù)目已經(jīng)確定確定，因此它的濕閃絡(luò)電壓幾乎很難提高[9]。

傳統(tǒng)的提高絕緣子污穢閃絡(luò)電壓的手段并不多，通常的方法就是對(duì)絕緣子進(jìn)行清掃、覆蓋硅橡膠材料(RTV)和增加爬電距離以延長(zhǎng)污穢閃絡(luò)的路徑。其中的第二種方法是應(yīng)用非常普遍的一個(gè)方法，但是RTV涂層遇到的挑戰(zhàn)是：盡管它們一開始具有不錯(cuò)的憎水性，但是這些涂料通常與絕緣子的運(yùn)行環(huán)境息息相關(guān)，包括電暈、溫度和濕度、還有紫外線強(qiáng)度等，所有這些因素，無論是單獨(dú)存在或是綜合作用，都會(huì)影響到涂層的憎水性能。此外從用戶的觀點(diǎn)看來，其中的一個(gè)關(guān)鍵問題是：何時(shí)應(yīng)該對(duì)帶涂層的絕緣子進(jìn)行清潔或再涂覆，但是這個(gè)要求難以定量，難以為涂覆絕緣子的維護(hù)建立可靠的標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)問題是：在超高壓、特高壓的情況下，由于絕緣子此時(shí)多處存在高場(chǎng)強(qiáng)，由于高場(chǎng)強(qiáng)引發(fā)的流注放電，也可能在某些污穢條件下造成絕緣子閃絡(luò)，因此僅僅依靠泄漏距離將無法阻止這些閃絡(luò)。因此污閃機(jī)理還需要進(jìn)行深入研究，還需要進(jìn)一步對(duì)污閃現(xiàn)象進(jìn)行完整清晰的解釋[10-12]。

綜上所述，我們應(yīng)該從科技創(chuàng)新的角度出發(fā)，嘗試一些新的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路線，不應(yīng)該一直停留在傳統(tǒng)絕緣子的結(jié)構(gòu)上，去應(yīng)付在絕緣子表面出現(xiàn)的各種復(fù)雜的情況[13-15]。絕緣子的外絕緣強(qiáng)度基本上是由它的3種閃絡(luò)電壓來判定，雖然這3種閃絡(luò)電壓的路徑有所不同，但是它們基本上最終都是沿絕緣子表面空氣放電的結(jié)果，所以為了更好地從細(xì)節(jié)上去考慮提高絕緣子的外絕緣問題，應(yīng)該深入研究氣體放電理論。本研究將在充分考慮氣體放電理論、沿面放電理論以及絕緣子電場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有絕緣子的結(jié)構(gòu)形式為基底，考慮空間電荷的因素，在絕緣子兩電極上、或者在兩電極之間設(shè)置一重和多重主要由硅橡膠材料組成的附件系統(tǒng)，將傳統(tǒng)絕緣子的二元素結(jié)構(gòu)(電極和絕緣體)改變?yōu)槿亟Y(jié)構(gòu)，即本研究的絕緣子是由電極、絕緣體和主要以硅橡膠材料組成的附件系統(tǒng)3部分組成[16-17]。

筆者對(duì)110 kV瓷支柱絕緣子進(jìn)行了3種閃絡(luò)電壓的試驗(yàn)性研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，硅橡膠材料附件可以提高絕緣子的外絕緣強(qiáng)度。

1 附件系統(tǒng)可以提高絕緣子的起始電暈電壓和工頻干閃絡(luò)電壓

絕緣子的干閃絡(luò)電壓，主要取決于絕緣子的兩個(gè)電極間沿空氣的最短距離。當(dāng)絕緣子生產(chǎn)出來之后，其干閃距離已經(jīng)確定，所以再想提高其干閃電壓，是一件比較困難的事情。但是通過一些理論分析，還是可以尋找出一些新的思路。絕緣子外絕緣強(qiáng)度出現(xiàn)問題，本質(zhì)上是因?yàn)樵趶?qiáng)電場(chǎng)下產(chǎn)生的氣體放電破壞了這部分的絕緣，所以我們應(yīng)該從氣體放電理論入手，來分析影響放電發(fā)展的因素。絕緣子一般都屬于極不均勻電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而在極不均勻電場(chǎng)中，放電的第一個(gè)階段一定是發(fā)生在電極附近的高場(chǎng)強(qiáng)的狹窄區(qū)域內(nèi)，這種現(xiàn)象稱之為電暈放電。所以想提高絕緣子的干閃電壓，首先需要提高絕緣子的起始電暈電壓，而有效的措施之一就是減小絕緣子電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，而通過在絕緣子的電極上設(shè)置附件系統(tǒng)就可以達(dá)到這種目的。

不帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子見圖1，帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子見圖2，附件系統(tǒng)由高壓電極附件和接地極附件組成，基本材料由硅橡膠制成。附件由絕緣部分和導(dǎo)電部分組成，導(dǎo)電部分與電極相連，絕緣部分與導(dǎo)電部分緊密接觸。

圖1 不帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子Fig.1 110 kV porcelain post insulator without accessories system

圖2 帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子Fig.2 110 kV porcelain post insulator withaccessories system

為了分析附件系統(tǒng)能否改善絕緣子的電場(chǎng)，用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算了高壓電極附近的電場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4。從圖3可看出，110 kV支柱絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)的位置是高壓電極的上邊緣和下邊緣，第一片瓷傘裙的上表面同樣是電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)的地方之一。從圖4可看出，有了附件系統(tǒng)之后，第一片瓷傘裙的上表面電場(chǎng)最大強(qiáng)度有明顯的減弱，計(jì)算數(shù)據(jù)為：從圖3的1.6 kV/mm下降到約1.1 kV/mm,下降幅度為45.5%，因此附件系統(tǒng)可以提高絕緣子的電暈起始電壓。

圖3 不帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子高壓電極附件的電場(chǎng)分布Fig.3 Electrical field distribution along high voltage electrode of 110 kV porcelain post insulator without accessories system

圖4 帶附件系統(tǒng)的110 kV瓷支柱絕緣子高壓電極附件的電場(chǎng)分布Fig.4 Electrical field distribution along high voltage electrode of 110 kV porcelain post insulator with accessories system

另外從氣體放電理論中知道，在放電的發(fā)展過程中氣體中還會(huì)產(chǎn)生光子，而光子的能量足以使絕緣子電極的表面釋放出電子。氣體的光電離和電極表面的光電效應(yīng)所產(chǎn)生的自由電子，使放電形成自持，造成氣體放電可以繼續(xù)發(fā)展下去，直至絕緣子閃絡(luò)。而上述的附件系統(tǒng)將高壓電極的大部分表面與空氣隔絕，可以減少電極表面的光電效應(yīng)，而且可以進(jìn)一步提高絕緣子的電暈起始電壓。此外附件系統(tǒng)將絕緣子通常產(chǎn)生放電的起點(diǎn)(電極下邊緣)轉(zhuǎn)移到電極上邊緣，延長(zhǎng)了放電距離，可以提高絕緣子的干閃絡(luò)電壓。這從圖1和圖2看出，圖2的B處，是絕緣子產(chǎn)生放電的起點(diǎn)，它高于圖1傳統(tǒng)絕緣子開始放電的A處，即附件系統(tǒng)使得放電距離延長(zhǎng)了。

根據(jù)氣體放電理論，氣體放電是帶電粒子在電場(chǎng)作用下從一個(gè)電極趨向另一個(gè)電極的過程。除了上述高壓電極附件系統(tǒng)之外，我們?cè)诮拥貥O也設(shè)置了附件系統(tǒng)，其基本材料也由硅橡膠制成。當(dāng)氣體放電進(jìn)入主放電階段時(shí)，放電的發(fā)展將以貫通電極間的電弧告終，而絕緣子兩端的附件系統(tǒng)在電弧從高壓電極到達(dá)接地電極的路徑上設(shè)置了屏障，它改變了傳統(tǒng)絕緣子的閃絡(luò)路徑，可以提高絕緣子的干閃絡(luò)電壓。

傳統(tǒng)絕緣子的工頻干閃路徑見圖5。圖5的D、E是傳統(tǒng)絕緣子工頻干閃電弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

圖5 傳統(tǒng)絕緣子的工頻干閃路徑Fig.5 Power frequencydryflashover path along the traditional insulator

圖6的F、G是帶附件系統(tǒng)的絕緣子工頻干閃電弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)，顯然這兩點(diǎn)的距離大于圖5中的D、E兩點(diǎn)，這說明附件系統(tǒng)可以提高傳統(tǒng)絕緣子的干閃電壓。

圖6 帶附件系統(tǒng)的絕緣子的工頻干閃路徑Fig.6 The power frequency dry flashover path alongthe insulator with accessories system

無附件系統(tǒng)的工頻干閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 無附件系統(tǒng)時(shí)的工頻閃絡(luò)電壓Table 1 Power frequency flashover voltage without accessories system kV

帶有附件系統(tǒng)的工頻干閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 帶有附件系統(tǒng)時(shí)的工頻閃絡(luò)電壓Table 2 Power frequency flashover voltage with accessories system kV

從上述結(jié)果中可看出，加入圖2的附件系統(tǒng)后，工頻干閃絡(luò)電壓提高5.9%。

2 附件系統(tǒng)可以提高絕緣子的工頻濕閃絡(luò)電壓

潔凈絕緣子在淋雨時(shí)的閃絡(luò)電壓，是戶外絕緣子最重要的性能指標(biāo)，該閃絡(luò)電壓由絕緣子傘的形狀和數(shù)目決定。當(dāng)傘裙表面被雨水淋濕時(shí)，雨水形成的導(dǎo)電層會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，使得絕緣子的外絕緣強(qiáng)度大大下降。絕緣子的濕閃絡(luò)，實(shí)際上是沿著被雨淋濕的傘裙表面和潤(rùn)濕程度小的絕緣子干表面之間的空氣間隙相串聯(lián)的放電。當(dāng)絕緣子定型后，其外形結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，所以它的濕閃絡(luò)電壓也隨之確定。而在定型絕緣子上安裝附件系統(tǒng)，就可以增加絕緣在淋雨?duì)顟B(tài)下的外絕緣強(qiáng)度。我們?cè)诒疚?中所論述的附件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，均可以提高絕緣子的濕閃電壓，而且附件系統(tǒng)還可以有效擋住外界的雨水對(duì)兩個(gè)電極附近傘裙的直接侵襲，增加了防雨淋的區(qū)域，這也是提高絕緣子的濕閃電壓的因素之一。

圖7是傳統(tǒng)絕緣子在做工頻濕閃絡(luò)試驗(yàn)時(shí)，剛剛發(fā)生放電的情況。

圖7 傳統(tǒng)絕緣子的工頻濕閃絡(luò)(絕緣子剛剛放電)Fig.7 Power frequency wet flashover along the traditional insulator(The insulator just discharged.)

從圖7的H看到，濕閃絡(luò)路徑沿第1片傘裙的表面運(yùn)動(dòng)。

圖8是帶附件系統(tǒng)的絕緣子在工頻濕閃絡(luò)試驗(yàn)時(shí)，剛剛發(fā)生放電的情況。

圖8 帶附件系統(tǒng)的絕緣子的工頻濕閃絡(luò)(絕緣子剛剛放電)Fig.8 Power frequency wet flashover along the insulatorwith accessories system(The insulator just discharged.)

從圖8的I看到，濕閃絡(luò)路徑沿高壓電極附件系統(tǒng)的表面運(yùn)動(dòng)，該附件系統(tǒng)既擋住了其附近絕緣子傘裙免遭雨水的淋濕，又改變了傳統(tǒng)絕緣子的濕閃絡(luò)路徑，這在傳統(tǒng)絕緣子的外形結(jié)構(gòu)下，是不容易實(shí)現(xiàn)的。

無附件系統(tǒng)的工頻濕閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 無附件系統(tǒng)時(shí)的工頻濕閃絡(luò)電壓Table 3 Power frequency wet flashover voltage without accessories system kV

帶有附件系統(tǒng)1的工頻濕閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 帶有附件系統(tǒng)1時(shí)的工頻濕閃絡(luò)電壓Table 4 Power frequency wet flashover voltage with first accessories system kV

從上述結(jié)果中可看出，加入圖2的附件系統(tǒng)后，工頻濕閃絡(luò)電壓提高5.33%。

我們還對(duì)另一種附件系統(tǒng)(附件的數(shù)目多于圖2的附件系統(tǒng)，我們稱之為附件系統(tǒng)2，同時(shí)將圖2的附件系統(tǒng)稱為附件系統(tǒng)1)進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)。

此時(shí)無附件系統(tǒng)的工頻濕閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 無附件系統(tǒng)時(shí)的工頻濕閃絡(luò)電壓Table 5 Power frequency wet flashover voltage without accessories system kV

帶有附件系統(tǒng)2的工頻濕閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 帶有附件系統(tǒng)2時(shí)的工頻濕閃絡(luò)電壓Table 6 Power frequency wet flashover voltage with second accessories system kV

從上述結(jié)果中可看出，加入附件系統(tǒng)2后，工頻濕閃絡(luò)電壓提高12.37%。

3 附件系統(tǒng)可以提高絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，目前電網(wǎng)中許多跳閘是因?yàn)榻^緣子表面的污穢受潮濕而引起的。實(shí)踐證明，改進(jìn)絕緣子的表面形狀，能夠提高外絕緣在污穢和潮濕情況下工作的可靠性。我們知道，絕緣子表面的污穢層是因?yàn)楣腆w或者液體懸浮微粒從氣流中降落而形成的。過去的研究結(jié)果告訴我們，微粒從氣流中降落的強(qiáng)度與氣流經(jīng)過絕緣子表面附近的速度梯度成正比。此外無傘裙的光滑棒形絕緣子的受污性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸式盤型絕緣子的受污性，而且前者的污穢程度隨其直徑的增大而減少。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還告訴我們，電網(wǎng)中的絕緣子發(fā)生污穢閃絡(luò)，往往是直線塔上的絕緣子，而耐張塔上的絕緣子幾乎很少發(fā)生污穢閃絡(luò)的，這說明后者的絕緣子傘裙的方向便于雨水洗刷絕緣子上沉積的物質(zhì)。本文的附件系統(tǒng)的形狀設(shè)計(jì)，充分考慮和吸收了以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析，可以有效減少污穢在附件表面的沉積，也便于雨水沖洗附件上的污穢層。同時(shí)附件系統(tǒng)的絕緣部分為憎水性的硅橡膠材料制成，而且附件系統(tǒng)也增加了原有絕緣子的爬電距離，再加上在本文1中所論述的附件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，這些因素都能夠有效提高絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)在國家電網(wǎng)中國電科院高壓所的小型人工霧室中進(jìn)行。

絕緣子染污采用IEC-60507—1991(GB/T4585—2004)中固體層法進(jìn)行。采用定量涂刷法對(duì)絕緣子進(jìn)行染污，即根據(jù)污穢度和絕緣子表面積稱量可溶性和不可溶性物質(zhì)，加入適量電導(dǎo)率小于10 μS/cm的去離子水，配成污穢液，并將污穢液均勻地完全涂覆于試品表面。

試驗(yàn)采用閃絡(luò)法，待霧室內(nèi)濃度達(dá)到一定程度，觀測(cè)絕緣子表面潤(rùn)濕情況，在絕緣子表面飽和受潮開始加壓至絕緣子閃絡(luò)，間隔5 min后再次加壓至閃絡(luò)，共重復(fù)3次，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。閃絡(luò)電壓取3次數(shù)據(jù)平均值。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

110 kV瓷支柱絕緣子4支，2支帶附件與2支不帶附件的污穢閃絡(luò)的對(duì)比試驗(yàn)。污穢試驗(yàn)鹽密、灰密分別為附件部分0.06 mg/cm2、0.24 mg/cm2，瓷件部分0.125 mg/cm2、0.5 mg/cm2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表7和表8。

表7 附件系統(tǒng)1污閃電壓的對(duì)比Table 7 Comparison of pollution flashover voltage withandwithoutfirst accessories system kV

從表7中可看出，加入附件系統(tǒng)1后，污穢閃絡(luò)電壓提高11.91%。

表8 附件系統(tǒng)2污閃電壓的對(duì)比Table 8 Comparison of pollution flashover voltage withandwithoutsecond accessories system kV

從表8中可看出，加入附件系統(tǒng)2后，污穢閃絡(luò)電壓提高22.06%。

4 結(jié)論

1)對(duì)110 kV瓷支柱絕緣子進(jìn)行了3種閃絡(luò)電壓的實(shí)驗(yàn)性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：加入附件系統(tǒng)1后，工頻干閃絡(luò)電壓提高5.9%，工頻濕閃絡(luò)電壓提高5.33%，污穢閃絡(luò)電壓提高11.91%。加入附件系統(tǒng)2后，工頻濕閃絡(luò)電壓提高12.37%，污穢閃絡(luò)電壓提高22.06%。

2)本次試驗(yàn)只是證明附件系統(tǒng)對(duì)提高干閃絡(luò)電壓、工頻濕閃絡(luò)電壓和污穢閃絡(luò)電壓均有作用，在實(shí)際中可以通過改變附件系統(tǒng)的材質(zhì)、形狀、尺寸以及厚度等因素來達(dá)到所需要的閃絡(luò)電壓值。

3)研究結(jié)果對(duì)提高瓷支柱絕緣子的外絕緣強(qiáng)度有一定的指導(dǎo)意義。