基于電?熱特性的污穢絕緣子交流閃絡(luò)動(dòng)態(tài)模型優(yōu)化

王思華，徐婉麗

基于電?熱特性的污穢絕緣子交流閃絡(luò)動(dòng)態(tài)模型優(yōu)化

王思華1, 2，徐婉麗1

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室(蘭州交通大學(xué))，甘肅 蘭州 730070

對(duì)絕緣子污穢閃絡(luò)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行延伸研究，將電弧燃燒環(huán)境條件對(duì)電弧動(dòng)態(tài)參數(shù)(和)的影響及環(huán)境溫度對(duì)污閃電壓的影響引入交流動(dòng)態(tài)模型的研究，提出基于絕緣子電-熱特性的污穢絕緣子交流閃絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。該模型模擬了污閃發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，適用于不同環(huán)境溫度條件下的污閃發(fā)展預(yù)測(cè)，對(duì)深入研究不同環(huán)境條件下絕緣子的選型有參考價(jià)值。利用從文獻(xiàn)中提取的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)模型提供的臨界閃絡(luò)電壓值較現(xiàn)有交流污穢閃絡(luò)模型在一定程度上更為精確。

動(dòng)態(tài)模型；熱特性；絕緣子污閃；交流電弧

在電力系統(tǒng)中，絕緣子被廣泛用于絕緣及連接、固定各種電氣部件。戶外絕緣子受到各種運(yùn)行條件和環(huán)境的影響，表面會(huì)沉積多種導(dǎo)電污穢，當(dāng)空氣濕度較高時(shí)，絕緣子表面污穢將被濕潤(rùn)，從而導(dǎo)致其電氣特性降低甚至發(fā)生閃絡(luò)。這種電氣性能的降低取決于許多參數(shù)，例如絕緣子材料的性質(zhì)及其穩(wěn)定性，絕緣子形狀，污染層沉積物的類型及其分布(即分布均勻或不均勻)和環(huán)境條件(霧，露，雨，雪或冰，…)，局部加熱引起的泄漏電流和局部放電電弧。我國(guó)幅員遼闊，長(zhǎng)距離輸電線路常常需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的地理氣候環(huán)境，因此依據(jù)各地環(huán)境條件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕^緣子選型，對(duì)減少絕緣子污閃事故的發(fā)生有重要意義。通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)臨界閃絡(luò)電壓有助于優(yōu)化絕緣子結(jié)構(gòu)和選擇絕緣子材料，并且可以最大限度地減少耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和設(shè)備使用。在過(guò)去的幾十年中，針對(duì)絕緣子污閃過(guò)程，學(xué)者們提出了多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型。靜態(tài)模型雖能通過(guò)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)污閃電壓，卻不能描述污閃放電參數(shù)的瞬時(shí)變化，為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型的研究，郭裕鈞[1]提出以電位梯度判據(jù)為發(fā)展判據(jù)的直流動(dòng)態(tài)模型，Jabbari等[2]提出基于有限元方法的動(dòng)態(tài)模型，楊慶等[3]考慮了局部電弧通道下的表面污層對(duì)污穢閃絡(luò)的影響，提出了基于電路網(wǎng)絡(luò)的絕緣子污閃交流動(dòng)態(tài)模型。但是，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)模型均忽略了電弧和污層的熱特性，而大量實(shí)驗(yàn)研究證明，絕緣子運(yùn)行環(huán)境的溫度以及局部電弧發(fā)展過(guò)程中溫度的變化均對(duì)污閃情況有重要影響：Cherney等[4]提出當(dāng)溫度從 20 ℃上升到30 ℃時(shí)，污層電阻將會(huì)降低大約22%；Mizuno等[5]提出溫度每升高1 ℃，絕緣子交流和直流污穢閃絡(luò)電壓分別下降0.4%和0.66%。另一方面，研究動(dòng)態(tài)模型的多數(shù)文獻(xiàn)都根據(jù)Ayrton方程使用了電弧參數(shù)(和)，并且均將其視為不變的參數(shù)，但是根據(jù)Slama等[6]的研究表明：電弧參數(shù)是取決于電弧等效電路和熱特性的動(dòng)態(tài)參數(shù)。本文構(gòu)建一個(gè)基于電-熱特性的絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型，即在交流動(dòng)態(tài)模型各個(gè)部分考慮電弧溫度和環(huán)境溫度的影響，并在模型中計(jì)算電弧溫度的瞬時(shí)變化量，對(duì)污閃機(jī)制進(jìn)行更細(xì)致的研究。最后，將所得到的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與其他研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其他現(xiàn)有模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以證明新開(kāi)發(fā)模型的有效性。

1 絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型的分析與改進(jìn)

1.1　絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型的分析

Obenaus[7]提出定量分析污閃過(guò)程的等效電路，如圖1所示，其電氣方程可由式(1)表示：

其中：是外施電壓；E表示可被忽略的電極的電壓降[8]；表示泄漏電流；p()表示剩余污層電阻；為弧長(zhǎng)；arc表示電弧兩端電壓，根據(jù)Ayrton方程arc可由式(2)表示[6]：

其中：和是取決于電弧燃燒的環(huán)境條件(即溫度，壓力等)的電弧特征參數(shù)，在不同的文獻(xiàn)中[9?13]，由于電弧燃燒環(huán)境(即實(shí)驗(yàn)條件)不同，不同的學(xué)者所采用的和的值也不同，表1和表2為不同污閃文獻(xiàn)中采用的和的值。

圖1 污閃電路模型

表1 不同作者采用的電弧參數(shù)A和n

表2 不同類型電解液的電弧參數(shù)A和n

在交流電壓下，每個(gè)半周電流過(guò)零時(shí)電弧將會(huì)熄滅，但Obenaus 模型不能解釋交流污閃過(guò)程中電弧的熄滅與重燃現(xiàn)象。要使閃絡(luò)發(fā)生，交流污閃除滿足直流污閃條件外，外加電壓峰值m還應(yīng)滿足重燃條件。20世紀(jì)以來(lái)，不同的學(xué)者提出了不同的電弧重燃判據(jù)，基本可歸納為：

其中：和是取決于所施加電壓的性質(zhì)和極性的2個(gè)常數(shù)，m為泄漏電流峰值。

此類基于泄漏電流峰值m與電弧長(zhǎng)度的重燃條件作為交流電弧能否重燃的判據(jù)，被廣泛用于交流污閃動(dòng)態(tài)模型中。但是，此類條件忽略了環(huán)境溫度對(duì)電弧重燃的影響，只適用于標(biāo)準(zhǔn)溫度和大氣壓的環(huán)境。

1.2 基于電?熱特性的絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型改進(jìn)

1.2.1 電弧等效電路及電路參數(shù)的計(jì)算

采用如圖2 所示的等效電路，將已產(chǎn)生局部電弧的污染絕緣體模擬為長(zhǎng)度為的電弧和長(zhǎng)度為(-)的剩余污層。其電氣方程可由式(4)表示：

剩余污層電阻p()可由Wilkins推導(dǎo)出的函數(shù)關(guān)系式表示[15]：

其中：p表示污染層的線性電阻；arc表示污染層的弧半徑；=πe為污染層的寬度，e為絕緣子的等效直徑。

圖2 等效電路

1.2.2 電弧動(dòng)態(tài)參數(shù)和的計(jì)算

Slama等[6]分析了和的物理意義，并基于等效電路的參數(shù)和電弧放電的熱特性，對(duì)交流下的和進(jìn)行了重新定義：

其中：是頻率；p，p和p分別為污染層的線性電容，介電常數(shù)和截面積，表面污染層截面積p可簡(jiǎn)化處理為局部電弧截面積arc，arc=πarc；p為剩余污層線性電阻；熱導(dǎo)率(arc)取決于電弧溫度arc和構(gòu)成電弧柱的物質(zhì)[6]。

基于溫度方程和Mayr電弧模型，Hadjrioua 等[16]提出電弧溫度的瞬時(shí)變化計(jì)算公式—式(9)，并已驗(yàn)證該公式可充分反映絕緣子表面局部電弧發(fā)展過(guò)程中的溫度變化。

在動(dòng)態(tài)模型的每個(gè)時(shí)間間隔d計(jì)算電弧溫度的變化量，即可獲得局部電弧發(fā)展過(guò)程中電弧溫度的瞬時(shí)值。

1.2.3 環(huán)境溫度對(duì)污層電導(dǎo)率的影響

對(duì)于絕緣子濕污情況，絕緣子表面污穢部分溶解電離，使得其表面溶液相較于純凈水電導(dǎo)率顯著升高，且該變化具有較強(qiáng)的溫度依賴性，其根本原因?qū)嶋H上是由于溶液的黏度的變化產(chǎn)生的，并非溶液中離子本身的變化[19]。對(duì)于不同環(huán)境溫度，Hayashi[17]提出基于黏度對(duì)溫度的依賴性，可得不同環(huán)境溫度下剩余污層電導(dǎo)率σ的校正公式為：

其中：σ是溫度為時(shí)溶液的電導(dǎo)率，為溶液溫度；25為溶液矯正到溫度為25 ℃時(shí)的電導(dǎo)率；η為溫度為時(shí)溶液的黏度；25為溫度為25時(shí)溶液的黏度，等于0.000 890 3 N?s/m2；d為無(wú)量綱常數(shù)，其值在0.806~0.933之間，其平均值為0.877。

溫度為時(shí)溶液的黏度η可由式(11)得出[17]：

其中：為常數(shù)，等于1.127 8；為常數(shù)，等于0.001 895 ℃?1；為常數(shù)，等于88.93 ℃。

將式(11)代入式(10)就可以得到溫度為時(shí)溶液的電導(dǎo)率σ關(guān)于和25的函數(shù)：

在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，污層表面電導(dǎo)率可由式(13)計(jì)算[9]：

其中：ESDD為附鹽密度。

結(jié)合式(12)和式(13)可得溫度為時(shí)溶液的電導(dǎo)率σ關(guān)于和ESDD的函數(shù)：

根據(jù)式(14)繪制ESDD取不同值時(shí)電導(dǎo)率σ隨溫度的變化曲線。如圖3所示，電導(dǎo)率σ隨溫度升高而上升，并且附鹽密度越大電導(dǎo)率σ越大，曲線斜率也越大，即溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響越大。當(dāng)ESDD=0.03 mg/cm2時(shí)，溫度從?5 ℃上升到40 ℃，σ從0.000 015 S/cm上升到0.000 045 S/cm，增量為200%，可見(jiàn)即使在ESDD較小時(shí)，溫度依舊對(duì)電導(dǎo)率有極大影響。

圖3 溫度對(duì)電導(dǎo)率影響的預(yù)測(cè)值

1.2.4 環(huán)境溫度對(duì)交流重燃條件的影響

交流電弧的重燃過(guò)程是交流、直流污穢閃絡(luò)的根本區(qū)別。為維持污穢表面電弧的燃燒，外施電壓峰值m必須大于電弧重燃電壓峰值cx：

其中：d為殘余弧柱的最小擊穿電壓。

Rizk等[18]提出基于能量平衡準(zhǔn)則與均勻污層相串聯(lián)的交流電弧重燃數(shù)學(xué)模型：

其中：da為空氣擊穿電壓梯度；0為初始電弧溫度時(shí)的熱通量函數(shù)，即在3 000 K時(shí)為350.8 J/(m?s)；b為在環(huán)境溫度下的熱通量函數(shù)；*為擬合常數(shù)，3.78×10?6 m3/J；為擬合常數(shù)，1.778；b為電弧邊界半徑；d為達(dá)到交流波形峰值的時(shí)間。

環(huán)境溫度將對(duì)熱通量b產(chǎn)生影響，其影響可用式(17)表示[19]：

其中：T為以K為單位的溫度；Sb的單位為J/(m?s)。將相應(yīng)的S0和Sb值代入式(16)，并對(duì)不同溫度取對(duì)應(yīng)的Uda值，則可得以環(huán)境溫度為函數(shù)的重燃梯度。取溫度分別為0，20和40℃，Uda值分別對(duì)應(yīng)取5 620，5 233和4 900 V/cm繪制重燃電壓梯度預(yù) 測(cè)值。

如圖4所示，殘余弧柱的最小擊穿電壓隨交流前半周電弧電流峰值的增大而降低，且環(huán)境溫度越低最小擊穿電壓越高。當(dāng)泄漏電流峰值在0.01 ~0.1 A之間時(shí)，溫度對(duì)重燃電壓峰值影響較大，隨著泄漏電流的升高，這種影響逐漸減小。

1.3 交流污閃動(dòng)態(tài)模型仿真

電弧發(fā)展判據(jù)采用Dhahbimegriche等[20]的標(biāo)準(zhǔn)，如果等效電路的阻抗eq隨著放電長(zhǎng)度減小，則電弧發(fā)展，方程如式(18)所示：

根據(jù)Slama等[6]的分析，式(18)可轉(zhuǎn)化為：

如果滿足式(15)的條件，電弧將以速度d向前發(fā)展，d()可由式(20)計(jì)算[14]：

其中：q是每單位長(zhǎng)度的平均電荷，可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)[14]，代表單位長(zhǎng)度電弧的電量，其值可以由有相似閃絡(luò)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

圖5為交流污閃動(dòng)態(tài)模型流程圖，描述了計(jì)算污穢絕緣子的臨界閃絡(luò)電壓的過(guò)程，依舊分為2個(gè)部分：在升壓部分首先輸入=0時(shí)刻的初始化參數(shù)及電弧燃燒環(huán)境條件，基于等效電路和環(huán)境溫度計(jì)算電路參數(shù)，然后進(jìn)入升壓循環(huán)，升高外施電壓ap直到可滿足電弧發(fā)展的條件；則進(jìn)入電弧發(fā)展部分，電弧將以速度d增長(zhǎng)到x=x?1+d，并繼續(xù)判斷是否滿足此環(huán)境溫度條件下的電弧重燃條件。如果外施電壓ap不滿足電弧重燃條件，則認(rèn)為在泄漏電流過(guò)零時(shí)，電弧不會(huì)熄滅，而是變?nèi)鹾妥?短[21]。反之則直接進(jìn)行電弧閃絡(luò)判斷，如不滿足閃絡(luò)條件則增加時(shí)間，程序返回至計(jì)算模型參數(shù)，循環(huán)至電弧長(zhǎng)度等于爬電距離，即認(rèn)為發(fā)生閃絡(luò)。

2 交流污閃動(dòng)態(tài)模型仿真結(jié)果與對(duì)比分析

2.1 交流污閃動(dòng)態(tài)模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖5，采用與文獻(xiàn)[22]中的實(shí)驗(yàn)一致的條件作為仿真計(jì)算的參數(shù)，對(duì)長(zhǎng)度=10 cm，寬度= 4 cm的平板絕緣子模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)(圖6)。仿真中，電弧參數(shù)和分別根據(jù)式(7)和式(8)設(shè)置為動(dòng)態(tài)參數(shù)，環(huán)境溫度設(shè)為20℃，p=5 kΩ/cm，電弧初始長(zhǎng)度為泄漏距離的1/100，即起始弧長(zhǎng)0= 1/100。以=0 時(shí)刻作為電弧發(fā)展的起始時(shí)刻，計(jì)算圖 2中各個(gè)電路參數(shù)的初始值。其中起始電壓0=100 V，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 ms。根據(jù)上述所求電路參數(shù)初始值，依據(jù)電弧發(fā)展判據(jù)式(19)對(duì)電弧發(fā)展與否進(jìn)行判斷，如果不符合判據(jù)則升高外施電壓，直至滿足判據(jù)，外施電壓每次升高10 V。電弧發(fā)展判據(jù)滿足后，電弧以由式(20)計(jì)算所得的速度向前發(fā)展，局部電弧弧長(zhǎng)增加，然后由式(15)~(17)計(jì)算該環(huán)境溫度下的電弧重燃峰值，依據(jù)電弧重燃判據(jù)判斷電弧在電流過(guò)零后能否重燃，如果符合判據(jù)則電弧長(zhǎng)度保持原長(zhǎng)度反之則縮短電弧。最后依據(jù)電弧長(zhǎng)度是否達(dá)到泄漏距離進(jìn)行電弧閃絡(luò)判斷，如判據(jù)未滿足則增加時(shí)間進(jìn)行下一步循環(huán)，直至發(fā)生閃絡(luò)，輸出閃絡(luò)電壓。

(a) 平板模型實(shí)物舉例；(b) 平板模型試驗(yàn)原理圖

圖7 交流閃絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真圖

圖7~9為典型的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7為泄漏電流隨時(shí)間變化的過(guò)程，可分為3個(gè)階段：第1階段為放電開(kāi)始階段，電流迅速上升；第2階段為電弧伸長(zhǎng)階段，這一階段電流緩慢升高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；第3階段為閃絡(luò)階段，當(dāng)電弧伸長(zhǎng)至臨界弧長(zhǎng)時(shí)，泄漏電流由臨界值開(kāi)始劇增，直至弧長(zhǎng)超過(guò)爬電距離，發(fā)生閃絡(luò)。上述過(guò)程與實(shí)際電弧發(fā)展過(guò)程較為吻合。圖8、圖9分別為電弧參數(shù)和數(shù)值隨時(shí)間的變化，表明和在電弧發(fā)展過(guò)程中并非一個(gè)定值，而是受泄漏電流和電弧溫度變化影響的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

2.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 電弧靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)參數(shù)模型對(duì)比分析

為驗(yàn)證絕緣子污閃動(dòng)態(tài)模型的有效性，進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，繪制采用電弧動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算的本動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)值曲線和將電弧參數(shù)視為常數(shù)的預(yù)測(cè)值曲線，電弧靜態(tài)參數(shù)取值分別采用文獻(xiàn)[9,12,13]中的取值。

圖8 電弧參數(shù)A動(dòng)態(tài)仿真圖

圖9 電弧參數(shù)n動(dòng)態(tài)仿真圖

圖10 臨閃電壓與污層線性電阻的關(guān)系曲線

由圖10可知，臨界閃絡(luò)電壓隨污染層線性電阻增加而上升，本文提供的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值更接近，且由表3可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差基本都在10%以內(nèi)。證實(shí)了采用電弧動(dòng)態(tài)參數(shù)的本模型是有效的。

表3 模型預(yù)測(cè)閃絡(luò)電壓與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2.2.2 不同環(huán)境溫度下仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析

為驗(yàn)證本模型可用于不同環(huán)境溫度條件下的污閃電壓預(yù)測(cè)，采用與文獻(xiàn)[23]中的實(shí)驗(yàn)一致的條件作為仿真計(jì)算的參數(shù)，對(duì)環(huán)境溫度變化范圍在0~40 ℃之間的絕緣子交流污閃進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中不同環(huán)境溫度下的污層電導(dǎo)率由式(14)計(jì)算得出，重燃電壓峰值由式(15)~(17)計(jì)算，電弧參數(shù)和分別根據(jù)式(7)和式(8)設(shè)置為動(dòng)態(tài)參數(shù)。圖11所示為不同環(huán)境溫度下的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比。由圖11可知，臨界閃絡(luò)電壓隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低。預(yù)測(cè)值曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，證實(shí)了本模型可以在一定程度上反映環(huán)境溫度對(duì)絕緣子交流污閃電壓的影響。

圖11 臨閃電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

2.2.3 誤差分析

1) 本模型將電弧形狀視為圓柱形，但是根據(jù)過(guò)去的研究表明，電弧在其發(fā)展過(guò)程中不會(huì)保持完美的圓柱形狀。

2) 沒(méi)有考慮空間電荷之間的相互影響，使得本模型對(duì)電弧發(fā)展過(guò)程中放電特性預(yù)測(cè)值與實(shí)際有一定差距。

3) 構(gòu)建的模型不考慮電弧溫度對(duì)周?chē)h(huán)境溫度的加熱，仿真實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的溫度對(duì)污閃電壓的影響與實(shí)際污閃過(guò)程還有一定差距，仍需進(jìn)一步修正。

3 結(jié)論

1) 環(huán)境溫度的大小會(huì)影響剩余污層電導(dǎo)率和交流電弧重燃電壓峰值，從而影響絕緣子交流污閃電壓，構(gòu)建絕緣子污閃動(dòng)態(tài)模型應(yīng)考慮此類影響。

2) 基于電弧溫度動(dòng)態(tài)值，在交流污閃動(dòng)態(tài)模型中采用電弧動(dòng)態(tài)參數(shù)(和)是有效的。

3) 本文提出考慮電弧參數(shù)動(dòng)態(tài)變化、電弧溫度和環(huán)境溫度對(duì)污閃電壓的影響的絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型，為絕緣子交流污閃預(yù)測(cè)提供了一種新思路。

4) 本文提出的模型尚有許多不足與缺陷，仍需后續(xù)研究的修正。

[1] 郭裕鈞. 盤(pán)型懸式絕緣子基于污層電阻動(dòng)態(tài)變化的閃絡(luò)模型研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2017. GUO Yujun. Study on flashover model of disc suspension insulators based on dynamic variation of pollution layer resistance[D]. Chongqing: Chongqing University, 2017.

[2] Jabbari M, Volat C, Fofana I. Application of a new dynamic numerical model to predict polluted insulator flashover voltage[C]// IEEE Electrical Insulation Conference. IEEE, 2014: 102?106.

[3] 楊慶, 汪銳, 司馬文霞, 等. 基于電路網(wǎng)絡(luò)的絕緣子交流污閃動(dòng)態(tài)模型研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013(25): 204?212. YANG Qing, WANG Rui, SIMA Wenxia, et al. Study on the dynamic model of polluted insulators under AC voltage based on the circuit network[J]. Proceedings of the CSEE, 2013(25): 204?212.

[4] Cherney E A, Beausejour Y, Cheng T C, et al. The AC clean-fog test for contaminated insulators[J]. IEEE Power Engineering Review, 1983, PER-3(3): 29?30.

[5] Mizuno Y, Kusada H, Naito K. Effect of climatic conditions on contamination flashover voltage of insulators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2002, 4(3): 286?289.

[6] Slama M, Beroual A, Hadi H. Analytical computation of discharge characteristic constants and critical parameters of flashover of polluted insulators[J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2010, 17(6): 1764?1771.

[7] ObenausF. Contamination flashover and creepage path length[J]. Dtsch Elektrotechnik, 1958, 12: 135?136.

[8] Rumeli A, H?zal M, Demir Y. Analytical estimation of flashover performances of polluted insulators[J]. MADRAS, 1981, 2(1): 1?6.

[9] Topalis F V, Gonos I F, Stathopulos I A. Dielectric behaviour of polluted porcelain insulators[J]. IEE Proceedings-Generation, Transmission and Distribution, 2002, 148(4): 269?274.

[10] Hampton B F. Flashover mechanism of polluted insulation[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 2010, 111(5): 985?990.

[11] Wilkins R. Flashover voltage of high-voltage insulators with uniform surface-pollution films[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 2010, 116(3): 457? 465.

[12] ZHANG J, Farzaneh M. Propagation of AC and DC arcs on ice surfaces[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2000, 7(2): 269?276.

[13] Ghosh P S, Chatterjee N. Polluted insulator flashover model for ac voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 1995, 2(1): 128?136.

[14] Tavakoli C, Farzaneh M, Fofana I, et al. Dynamics and modeling of AC arc on surface of ice[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2007, 13(6): 1278?1285.

[15] Wilkins R. Flashover voltage of high-voltage insulators with uniform surface-pollution films[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 2010, 116(3): 457?465.

[16] Hadjrioua F, Mahi D, Slama E A. Electro-thermal dynamic model using the analytical arc parameters for the prediction of the critical flashover condition on the HVDC polluted insulator[J]. Iet Generation Transmission & Distribution, 2017, 11(2): 427?436.

[17] Hayashi Masaki. Temperature-electrical conductivity relation of water for environmental monitoring and geophysical data inversion[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2004, 96(1?3): 119.

[18] Rizk F A M, Rezazada A Q. Modeling of altitude effects on AC flashover of polluted high voltage insulators[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(2): 810?822.

[19] [加]Masoud Farzaneh, William A Chisholm. 覆冰與污穢絕緣子[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014. Farzaneh M, Chisholm W A. Insulators for Icing and polluted environments[M]. Beijing: China Machine Press, 2014.

[20] Dhahbimegriche N, Krahenbuhl L, Beroual A. A new proposal model for flashover of polluted insulators[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 1997, 30(5): 889?894.

[21] Dhahbimegriche N, Beroual A. Flashover dynamic model of polluted insulators under ac voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2002, 7(2): 283?289.

[22] Zmajkovi? P. Modélisation du contournement électrique et validation expérimentale du mécanisme proposé pour l’extension de la décharge[D]. University Paul Sabatier Toulouse, France, 1996.

[23] Mizuno Y, Kusada H, Naito K. Effect of climatic conditions on contamination flashover voltage of insulators[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2002, 4(3): 286?289.

[24] Dhahbimegriche N, Krahenbuhl L, Beroual A. A new proposal model for flashover of polluted insulators[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 2007, 30(5): 889? 894.

(編輯 陽(yáng)麗霞)

A new dynamic numerical model to predict polluted insulator flashover voltage under AC voltage based on the electro-thermal characteristics

WANG Sihua1, 2, XU Wanli1

(1. Academy of Automatic and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Rail Transit Electrical Automation Engineering Laboratory of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

This paper presents the continuation of a previous study regarding dynamic model of insulator flashover. The influence of arc combustion environmental conditions on arc dynamic parameters (,) and the influence of ambient temperature on pollution flashover voltage were introduced into the AC dynamic model. A new flashover dynamic model of polluted insulators under ac voltage based on insulator-thermal characteristics of insulators was proposed. The model simulated the dynamic change process of pollution flashover development, and was suitable for the prediction of development of pollution flashover under different environmental temperature conditions. It has reference value for in-depth study of insulator selection under different environmental conditions. The simulation results are verified by the experimental and theoretical results extracted from the literature. The improved dynamic model provides a critical flashover voltage value that is more accurate than the existing AC pollution flashover model.

dynamic model; thermal characteristics; insulator flashover; AC arc

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.026

U225.4+3

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1307 ? 08

2018?07?05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567014，51767014)；中國(guó)鐵路總公司科技研發(fā)資助項(xiàng)目(2017J010-C)；蘭州交通大學(xué)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(201701)

王思華(1968?)，男，江蘇南通人，教授，從事高電壓與絕緣技術(shù)方向研究；E?mail：ws_h@163.com