復(fù)合絕緣子污閃動(dòng)態(tài)發(fā)展過程與影響因素*

李 靜，許鵬娟，劉樹鑫，劉 偉，崔巨勇

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電器新技術(shù)與應(yīng)用研究所， 沈陽 110870； 2. 遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 沈陽 110006)

復(fù)合絕緣子的主要職能是電氣絕緣和機(jī)械支撐，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行.戶外絕緣子長期暴露于大氣中，受外界因素影響頗為嚴(yán)重.由污穢造成的絕緣子閃絡(luò)事故僅次于雷擊事故，在整個(gè)電網(wǎng)事故中處于第二位，但污閃事故造成的損失卻是雷害事故的10倍[1]，故對(duì)絕緣子污閃形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究具有實(shí)際意義.

針對(duì)絕緣子污閃的研究主要有試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算兩種方法.由于自然積污的絕緣子試品較難獲得，故現(xiàn)有試驗(yàn)通常采用等效試驗(yàn)方法.Chrzan等采用鹽霧室和人工涂污兩種試驗(yàn)方法研究污閃放電過程，發(fā)現(xiàn)污閃放電往往集中在絕緣子表面的一個(gè)地方或多個(gè)地方，且發(fā)生在頂部或底部的概率高于中間位置[2]；張志勁等[3]針對(duì)低氣壓下絕緣子污閃放電過程做了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)染污絕緣子串直流放電過程中出現(xiàn)局部飄弧現(xiàn)象；文獻(xiàn)[4]研究了簡單結(jié)構(gòu)下的交直流污閃電弧發(fā)展過程，但沒有考慮傘裙結(jié)構(gòu)對(duì)污閃電弧發(fā)展的影響；文獻(xiàn)[5]基于Ansoft有限元軟件計(jì)算了清潔及染污絕緣子的電場(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)不同形式干燥帶下的電場(chǎng)進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6]在Ansys中建立了染污絕緣子模型，比較了干燥帶出現(xiàn)前后電場(chǎng)和電位的變化情況，得出柱體較傘群部分易產(chǎn)生干燥帶的主要原因[7]；張盈利等借助COMSOL有限元軟件分析了復(fù)合絕緣子沿面電場(chǎng)的影響因素及空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變的主要原因[8]；文獻(xiàn)[9]分析了絕緣子間插大傘片對(duì)端部電場(chǎng)強(qiáng)度的影響.

現(xiàn)有研究多是建立在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上，沒有考慮干區(qū)擊穿、沿面電弧形成至閃絡(luò)的全部過程，以及整個(gè)過程中對(duì)應(yīng)的電參數(shù)變化，因此，本文以FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子為例進(jìn)行人工污穢試驗(yàn).不僅研究了絕緣子起暈電壓、閃絡(luò)電壓與鹽密的規(guī)律關(guān)系，并觀測(cè)記錄了從局部電弧產(chǎn)生、橋接及形成沿面閃絡(luò)的全部動(dòng)態(tài)過程，從物理機(jī)理上解釋污閃動(dòng)態(tài)過程的成因，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出不同污穢電導(dǎo)率、干區(qū)個(gè)數(shù)及大氣壓強(qiáng)對(duì)污閃的影響規(guī)律，為降低絕緣子發(fā)生污閃的概率提供了理論參考.

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置和試品

絕緣子污穢放電受到環(huán)境因素、絕緣子結(jié)構(gòu)及表面污穢情況等多種條件的影響，為了建立準(zhǔn)確的污閃等效模型，獲得仿真條件，提供合理的數(shù)據(jù)支持，本文搭建了復(fù)合絕緣子污閃試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)線路如圖1所示.主要試驗(yàn)設(shè)備有調(diào)壓器、試驗(yàn)變壓器(容量為100 kVA，輸出電壓最大值1 MV)、限流水電阻(2 MΩ)、過電壓保護(hù)球隙分壓比為1 000∶1的、FRC-150交、直流阻容分壓器.試品為FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 試驗(yàn)線路圖Fig.1 Experimental circuit diagram表1 FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters for FZSW-10/4 composite post insulators

額定電壓kV額定機(jī)械負(fù)荷kN結(jié)構(gòu)高度mm傘間距mm大傘伸出mm小傘伸出mm芯棒直徑mm電氣間隙mm10421520382834197

1.2 試驗(yàn)原理和方法

本試驗(yàn)采用GB/T 26218-2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)第5部分可適用于直流系統(tǒng)聚合物絕緣子.試驗(yàn)采用鹽霧閃絡(luò)方法，即基于等值鹽密法通過一定濃度的氯化鈉(NaCl)溶液來等效絕緣子自然界積污受潮的情況.試驗(yàn)步驟包括試品洗滌、鹽溶液配制、試品污染處理及試品加壓試驗(yàn)[10].

清洗絕緣子污穢物的自來水電導(dǎo)率應(yīng)小于等于0.001 S/m，用水量取決于絕緣子的表面積.本文由FZSW-10/4型號(hào)復(fù)合支柱絕緣子的實(shí)際尺寸計(jì)算出傘裙表面積為380 cm2，本次試驗(yàn)用水量為100 mL.加壓方式采用均勻升壓法避免升壓速度對(duì)局部電弧發(fā)展的影響[11]，鹽液濃度計(jì)算公式為

(1)

式中：NS為100 mL溶液中含鹽的毫克數(shù)；S為絕緣件表面單位面積含鹽量；AS為絕緣子絕緣部件總面積；QW為清洗污穢用的蒸餾水量.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文對(duì)起暈電壓和閃絡(luò)電壓進(jìn)行了多次測(cè)量并計(jì)算了平均值，得出了起暈電壓和閃絡(luò)電壓在不同鹽密條件下的關(guān)系，如圖2、3所示.起暈電壓、閃絡(luò)電壓都隨著鹽密的增大而降低，且下降指數(shù)在鹽密低于0.10 mg/cm2時(shí)較大.圖4為用DSC-RX10M3型高速照相機(jī)記錄的鹽密0.10 mg/cm2時(shí)絕緣子串閃絡(luò)全過程.

圖2 起暈電壓與等值鹽密的關(guān)系Fig.2 Relationship between corona voltage and equivalent salt density

圖3 閃絡(luò)電壓與等值鹽密的關(guān)系Fig.3 Relationship between flashover voltage and equivalent salt density

從圖4可以看出，最易產(chǎn)生局部電弧的位置是距離高壓端較近的立柱.隨著電壓的增加，傘裙間隙的立柱出現(xiàn)了干區(qū)，隨之多個(gè)局部短電弧形成，它們與剩余污層串聯(lián)分布在絕緣子表面.電壓升到22 kV時(shí)，局部電弧亮度更大，金具兩側(cè)局部電弧的長度也有了明顯增加；繼續(xù)增加電壓至28～31 kV時(shí)，各局部短電弧之間發(fā)生了橋接，形成長?。浑妷哼_(dá)到36 kV時(shí)，電弧沿著傘裙間的立柱發(fā)展到傘裙上、下表面，連成一條沿整個(gè)絕緣子表面的完整電弧，整個(gè)發(fā)展過程即為絕緣子的閃絡(luò)過程.

圖4 局部電弧形成至閃絡(luò)過程Fig.4 Local arc formation to flashover process

2 仿真計(jì)算

2.1 幾何模型和材料參數(shù)

本文仿真模型以FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子的實(shí)際尺寸為依據(jù)建立，絕緣子表面污層厚度設(shè)為1 mm.絕緣子表面污穢的分布有很強(qiáng)的不均勻性，本文基于奧本斯諾污閃放電模型，假設(shè)仿真模型中干污和濕污交替分布，幾何模型如圖5所示.仿真模型共用到6種材料，材料的具體參數(shù)如表2所示.

2.2 數(shù)學(xué)模型

絕緣子污閃局部電弧形成直至閃絡(luò)的過程涉及到復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合，本文主要計(jì)算了整個(gè)發(fā)展過程中的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度.由于整個(gè)過程是動(dòng)態(tài)發(fā)展的，滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，因此，選用MHD多物理場(chǎng)耦合模塊來進(jìn)行仿真，包括的各方程如下：

圖5 FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子仿真模型Fig.5 Simulation model for FZSW-10/4 composite post insulators表2 仿真材料基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters for simulation materials

材料相對(duì)介電常數(shù)電導(dǎo)率/(S·m-1)金具1×10105.998×107芯棒87.1×10-13硅橡膠3.510-13濕污81變量干污2.8變量空氣110-30

質(zhì)量守恒方程

(2)

式中：ρ為電弧等離子體密度；V為電弧等離子運(yùn)動(dòng)的速度矢量.

動(dòng)量守恒方程

(3)

式中：p為流體微元上的壓力；μ為流體的動(dòng)態(tài)粘度；I為單位矩陣.

能量守恒方程

(4)

(5)

2.3 絕緣子閃絡(luò)過程仿真分析

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度初始值為293.15 K條件下，對(duì)FZSW-10/4復(fù)合支柱絕緣子污閃的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真計(jì)算，污層電導(dǎo)率根據(jù)試驗(yàn)取值為0.072 1 S/m.根據(jù)絕緣子特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在直徑較小的地方，電流密度比較大(如絕緣子立柱)；在直徑較大的地方，電流密度會(huì)比較小(如傘裙)，立柱單位面積電流發(fā)熱功率可達(dá)傘裙外側(cè)的2～3倍，更易形成干燥帶，因此將絕緣子立柱視為干區(qū)，傘裙視為濕區(qū).

圖6、7分別為污閃動(dòng)態(tài)發(fā)展過程的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)分布云圖.污閃全過程分為3個(gè)階段：局部電弧產(chǎn)生階段、局部電弧橋接階段和沿面閃絡(luò)階段.

圖6 局部電弧發(fā)展過程中溫度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of temperature field during development process of local arc

圖7 局部電弧發(fā)展過程中電場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of electric field during development process of local arc

圖6中0.1 s最初產(chǎn)生局部電弧的地方是絕緣子上下金具的立柱處，且高壓側(cè)金具立柱較早產(chǎn)生，這是絕緣子金屬附近的高場(chǎng)強(qiáng)分布所導(dǎo)致的.隨著時(shí)間的增長，絕緣子表面泄漏電流在增大，因而烘干作用會(huì)越來越顯著，干區(qū)個(gè)數(shù)及長度都會(huì)增加，中間立柱上的干區(qū)位置由于承擔(dān)較高電壓，溫度開始升高并逐漸產(chǎn)生局部電弧.

隨著立柱上各局部電弧之間距離減小，相互之間的橋接產(chǎn)生，如圖6第2行圖片序列所示，緊隨立柱上干區(qū)發(fā)展之后，傘裙尖端及下表面溫度也漸漸升高，說明這些地方慢慢滿足了產(chǎn)生局部電弧的條件.圖7中第2行圖片剛開始傘裙尖端的電場(chǎng)較第1行圖片序列中有所降低，因?yàn)榫植侩娀‘a(chǎn)生后電阻率下降，同理傘裙下表面的電場(chǎng)也降低了.隨著電阻率的下降，漏電流開始增加，干區(qū)面積越來越大，干區(qū)分擔(dān)的電壓也增高，局部電弧的能量較之前有了很大提升，相互發(fā)生橋接.

橋接后的局部電弧繼續(xù)發(fā)展，形成圖6、7中1.1 s后的沿面閃絡(luò)階段.閃絡(luò)電弧貫通傘裙尖端路徑的概率大于沿面發(fā)展路徑的概率；根據(jù)電弧特性可知，此階段電弧通道電阻性很低，電流很大.整個(gè)仿真過程中的電弧形態(tài)與試驗(yàn)時(shí)高速攝像機(jī)記錄下的閃絡(luò)現(xiàn)象(見圖4)基本一致.

2.4 不同宏觀參數(shù)對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

根據(jù)絕緣子特殊結(jié)構(gòu)，從上金具側(cè)開始將沿面爬電距離標(biāo)記為9部分，如圖8所示.采集整個(gè)沿面爬電距離下電弧不同發(fā)展階段的溫度數(shù)據(jù)，其中局部電弧產(chǎn)生階段細(xì)分為金具側(cè)立柱起弧階段和傘間立柱起弧階段.

0-I：上金具側(cè)和上金具側(cè)立柱；Ⅰ-Ⅱ：大傘裙1；Ⅱ-Ⅲ：傘間立柱1；Ⅲ-Ⅳ：小傘裙1；Ⅳ-Ⅴ：傘間立柱2；Ⅴ-Ⅵ：大傘裙2；Ⅵ-Ⅶ：傘間立柱3；Ⅶ-Ⅷ：小傘裙2；Ⅷ-Ⅸ：下金具側(cè)和下金具側(cè)立柱.

圖8 數(shù)據(jù)截線標(biāo)記圖
Fig.8 Data line marking diagram

2.4.1 不同污穢電導(dǎo)率對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

為與實(shí)際污穢電導(dǎo)率值相對(duì)應(yīng)，選出不同污穢等級(jí)下的3組電導(dǎo)率作為仿真電導(dǎo)率進(jìn)行研究，相應(yīng)電導(dǎo)率分別是0.072 1、0.175 4、0.260 1 S/m.圖9為不同污穢電導(dǎo)率下各階段絕緣子表面溫度.

由圖9a～b可知，在起弧階段電導(dǎo)率對(duì)溫度值影響較大，污穢電導(dǎo)率越大，局部電弧的溫度越高.圖9a為最初的階段，整個(gè)絕緣子沿面的最大溫度值約為3 500 K，且三個(gè)傘間立柱Ⅱ-Ⅲ，Ⅳ-Ⅴ，Ⅵ-Ⅶ的位置也已開始起弧.圖9b與圖9a相類似，但溫度峰值有所升高，這是由于多個(gè)局部電弧形成，泄漏電流變大，電流的熱效應(yīng)增強(qiáng)所致，傘裙處溫度依然偏低，因?yàn)榇穗A段傘裙處還未形成局部電弧.圖9c～d表明電弧橋接之后，電導(dǎo)率對(duì)絕緣子沿面各處的溫度影響不再顯著，因?yàn)殡娀蚪又蟮臏囟戎饕蕾囉诘入x子體中的熱電離.如圖9c所示，傘裙起弧后局部電弧溫度上升，尖端結(jié)構(gòu)導(dǎo)致圖9d中完整電弧形成之后，弧柱通道主要分布在各傘裙尖端.小傘裙1的尖端位置(Ⅲ-Ⅳ的中間位置)較其他傘裙尖端溫度最大值低，這是因?yàn)橄噜弮蓚闳篂榇髠闳?，大傘裙尖端電弧橋接到小傘裙尖端需要的路徑比兩大傘裙尖端相橋接路徑長，途中有一部分能量會(huì)散失，而小傘裙2 Ⅶ-Ⅷ與高壓端金具相鄰，所以此小傘裙尖端的溫度較小，傘裙1的溫度較高.

圖9 不同污穢電導(dǎo)率下各階段絕緣子表面溫度Fig.9 Surface temperature of insulators at each stage under different pollution conductivities

2.4.2 干區(qū)個(gè)數(shù)對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

根據(jù)絕緣子積污規(guī)律，假設(shè)傘裙上下表面均為濕區(qū)，干區(qū)分布在立柱位置，且立柱上干區(qū)、濕區(qū)間隔分布.本文分別取干區(qū)10、14和18個(gè)進(jìn)行仿真分析，干區(qū)長度隨機(jī)取值2～7 mm.

圖10為不同干區(qū)個(gè)數(shù)時(shí)各階段絕緣子表面溫度，圖10a上金具側(cè)0-Ⅰ位置只有10個(gè)干區(qū)與14個(gè)干區(qū)情況下溫度曲線重合.由傘間立柱溫度可知，干區(qū)個(gè)數(shù)越多，局部高溫位置越多，且對(duì)相鄰位置濕區(qū)的烘干作用較干區(qū)少時(shí)明顯，但溫度最大值卻隨干區(qū)個(gè)數(shù)的增加而減小，這是因?yàn)殡S著干區(qū)個(gè)數(shù)的增多，單個(gè)干區(qū)分壓減少.圖10b為傘間起弧階段，此時(shí)干區(qū)數(shù)目少，單個(gè)干區(qū)分壓高，所以傘裙位置由于尖端結(jié)構(gòu)能較早被烘干，出現(xiàn)局部電弧溫度升高，局部電弧更容易發(fā)展.圖10c為局部電弧橋接階段，可見不同干區(qū)個(gè)數(shù)對(duì)傘裙上的電弧溫度無影響，但傘間立柱區(qū)電弧溫度在14個(gè)干區(qū)分布時(shí)最高，主要原因是干區(qū)數(shù)為10時(shí)，升溫速度快，但隨著局部電弧不斷發(fā)展，使周圍出現(xiàn)干區(qū)的概率較?。欢蓞^(qū)數(shù)為18時(shí)，立柱上局部電弧較多，但每個(gè)電弧的相對(duì)能量有所降低，因此溫度值沒有14個(gè)干區(qū)時(shí)大.圖10d為完整電弧形成階段，整個(gè)絕緣子沿面的溫度較之前各階段都有所升高，高溫區(qū)域仍處于各傘裙尖端，此時(shí)干區(qū)個(gè)數(shù)對(duì)局部電弧溫度無顯著影響.

2.4.3 大氣壓強(qiáng)對(duì)絕緣子閃絡(luò)的影響

結(jié)合絕緣子的實(shí)際運(yùn)行情況，考慮大氣壓強(qiáng)對(duì)絕緣子污閃的影響.一般針對(duì)高海拔地區(qū)低氣壓條件下的污閃放電特征，故本文選0.3、0.5及1倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作分析.

在金具側(cè)立柱起弧階段、傘間位置起弧階段和局部電弧橋接階段的溫度曲線在3種大氣壓強(qiáng)下基本重合，只是各階段的溫度值有所不同，但在完整電弧形成階段時(shí)的溫度曲線有了明顯差異，故圖11只列出起弧階段和完整電弧形成階段絕緣子表面溫度數(shù)據(jù)圖.如圖11a所示，壓強(qiáng)對(duì)絕緣子起弧和橋接階段影響不大，這是因?yàn)榫植侩娀“l(fā)展前期電弧形態(tài)還不穩(wěn)定，泄漏電流比較小，主要依靠靜電力沿絕緣子表面逐步發(fā)展，飄弧作用不顯著.閃絡(luò)階段如圖11b所示，0.5與1倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的絕緣子沿面溫度曲線變化規(guī)律一致.0.3倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，金具側(cè)及金具側(cè)立柱0-Ⅰ和3個(gè)傘間立柱Ⅱ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅴ、Ⅵ-Ⅶ溫度值變化規(guī)律相同，說明較低氣壓時(shí)電弧飄弧現(xiàn)象對(duì)絕緣子沿面溫度產(chǎn)生了一定影響，飄弧現(xiàn)象會(huì)使電弧之間的橋接更容易，使相鄰干區(qū)跨越過濕區(qū)直接橋接.傘裙位置溫度變化規(guī)律分為傘裙上下表面及尖端位置處的差異，傘裙尖端位置3種大氣壓強(qiáng)下溫度值基本相同，而傘裙上下表面溫度在0.3倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)比其他兩種情況時(shí)低很多，尖端位置3種情況一致是因?yàn)殡娏髅芏容^大，弧足向前延伸的作用明顯，飄弧現(xiàn)象會(huì)被削弱；而在傘裙上下表面飄弧現(xiàn)象顯著，從而使原本的高溫區(qū)域發(fā)生位移改變.

圖10 不同干區(qū)個(gè)數(shù)時(shí)各階段絕緣子表面溫度Fig.10 Surface temperature of insulators at each stage under different dry band number

圖11 不同大氣壓強(qiáng)下各階段絕緣子表面溫度Fig.11 Surface temperature of insulators at each stage under different atmospheric pressure

3 結(jié) 論

根據(jù)上述分析，可以得出結(jié)論如下：

1) 絕緣子污閃分為局部電弧產(chǎn)生、橋接與沿面閃絡(luò)3個(gè)階段，且高壓金具側(cè)立柱產(chǎn)生局部電弧的概率較大.

2) 污穢電導(dǎo)率在局部電弧產(chǎn)生階段對(duì)絕緣子沿面溫度影響較大，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生后絕緣子沿面溫度不再受污穢電導(dǎo)率的影響.

3) 局部電弧產(chǎn)生階段，干區(qū)個(gè)數(shù)增加，局部高溫區(qū)增多，但平均溫度下降；閃絡(luò)發(fā)生后，干區(qū)個(gè)數(shù)對(duì)沿面電弧溫度無顯著影響.

4) 局部電弧產(chǎn)生階段泄漏電流比較小，與大氣壓強(qiáng)關(guān)聯(lián)度不大；閃絡(luò)后由于低氣壓導(dǎo)致的飄弧現(xiàn)象使立柱上溫度值波動(dòng)較大，傘群上下表面溫度降低.