直流復(fù)合支柱絕緣子淋雨特性研究

郝艷捧，毛桂云，廖一帆,，陽林，念路鵬，張福增，譚傲

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

能源資源與生產(chǎn)力呈逆向分布是我國(guó)的現(xiàn)實(shí)國(guó)情，特高壓直流輸電以其輸電距離遠(yuǎn)、輸送容量大、有功損耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為我國(guó)大范圍資源優(yōu)化配置的重要手段。目前我國(guó)已建成向家壩—上海、哈密南—鄭州、滇西北—廣東等14條特高壓直流輸電線路，總輸送容量達(dá)110.6 GW，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的保障[2]。

支柱絕緣子是換流站重要的絕緣設(shè)備，起到機(jī)械支撐和電氣絕緣作用，在霧、雨、覆冰等氣象條件下，其絕緣水平將出現(xiàn)一定程度下降，可能導(dǎo)致閃絡(luò)事故發(fā)生[3-6]，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來，受溫室效應(yīng)和厄爾尼諾現(xiàn)象影響，全球氣候變化加劇，暴風(fēng)、強(qiáng)降雨等極端天氣頻發(fā)，國(guó)內(nèi)外電站外絕緣設(shè)備在雨天發(fā)生閃絡(luò)事故的報(bào)道屢見不鮮。加拿大McDermid W[7]統(tǒng)計(jì)了尼爾遜河直流輸電工程換流站1975年至2007年原因明確的閃絡(luò)事故，雨閃約占50%。2003年9月，法國(guó)通往意大利高壓輸電工程因暴雨發(fā)生故障。2009年11月，巴西電網(wǎng)發(fā)生復(fù)合絕緣子雨閃事故，導(dǎo)致2/3的州停電。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)電力科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)表明，截至1997年，我國(guó)交流300 kV、500 kV變電站和直流±500 kV換流站共發(fā)生閃絡(luò)事故84次，由降雨引起的占83.3%[8]。2000年后，江陵、龍泉、天生橋、高坡、興仁、穗東等換流站均發(fā)生雨閃事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[9-10]。由降雨引起的外絕緣閃絡(luò)已成為超/特高壓直流輸電的薄弱環(huán)節(jié)之一。

文獻(xiàn)[7-10]發(fā)現(xiàn)，雨閃發(fā)生時(shí)天氣多為大到暴雨且常伴有大風(fēng)，閃絡(luò)發(fā)生時(shí)間多為降雨初始的前幾分鐘，設(shè)備表面有染污但不一定很嚴(yán)重。發(fā)生雨閃的站用設(shè)備其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(如傘間距、傘伸出、剖面系數(shù)等)和技術(shù)指標(biāo)(如工頻濕耐受電壓、操作沖擊濕耐受電壓)均滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 60815[11]要求，爬電比距已按污穢等級(jí)選擇且未發(fā)生過污閃事故。

針對(duì)外絕緣雨閃問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。在傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，華東電力試驗(yàn)院通過結(jié)構(gòu)分析及試驗(yàn)研究得出：外絕緣設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)偏于標(biāo)準(zhǔn)推薦值下限、所留裕度較小可能導(dǎo)致雨閃事故；按污穢等級(jí)選擇絕緣子時(shí)應(yīng)考慮絕緣子型式、結(jié)構(gòu)對(duì)爬電比距有效系數(shù)的影響[12]。中國(guó)電力科學(xué)研究院通過人工雨閃試驗(yàn)得出，支柱絕緣子傘間距較小時(shí)，相鄰的2個(gè)傘裙容易被雨水橋接，導(dǎo)致單位爬距雨閃電壓減小[13]。華南理工大學(xué)利用有限元軟件ANSYS 對(duì)復(fù)合支柱絕緣子建模仿真，以傘裙沿面電場(chǎng)、空氣間隙電場(chǎng)作為傘裙優(yōu)化判據(jù)，研究了傘裙參數(shù)對(duì)淋雨?duì)顟B(tài)下絕緣子電場(chǎng)分布的影響[14]。清華大學(xué)在高海拔地區(qū)開展了復(fù)合支柱絕緣子污閃和污雨閃試驗(yàn)，得到了雨水電導(dǎo)率、淋雨率和傘形結(jié)構(gòu)對(duì)雨閃電壓的影響規(guī)律[5,15-17]，但未指出傘裙間水柱和水滴的分布及其對(duì)雨閃電壓的影響。

在電弧發(fā)展和水滴放電方面，美國(guó)DELA O A[18]通過多種形式的閃絡(luò)試驗(yàn)指出，電弧和水滴形成的傘裙間放電使爬電距離未得到有效利用是雨閃的主要原因，雨閃在機(jī)理上與污閃有本質(zhì)區(qū)別。美國(guó)LAN L通過仿真計(jì)算指出，絕緣子傘裙間水簾(水柱+水滴)對(duì)電場(chǎng)分布影響較大[19]。清華大學(xué)結(jié)合污雨閃放電特點(diǎn)，考慮了水柱放電引起傘間空氣間隙放電，提出了直流污雨閃放電模型[15]。重慶大學(xué)測(cè)量了硅橡膠上表面存在分離水珠時(shí)的局部放電，得出分離水珠最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在硅橡膠、空氣和水珠三者交界處[20-21]。華北電力大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴受重力作用懸在傘裙邊緣時(shí)，水滴表面最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在水滴圓弧頂點(diǎn)附近[22]。天津大學(xué)研究復(fù)合絕緣子表面水滴形貌對(duì)閃絡(luò)電壓的影響表明，復(fù)合絕緣子表面附水質(zhì)量不能表征閃絡(luò)電壓變化[23]。

綜上所述，絕緣子傘裙間水柱和水滴的存在會(huì)影響電場(chǎng)分布和閃絡(luò)電壓，若傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理導(dǎo)致傘裙間水柱和水滴分布較差，甚至出現(xiàn)傘裙被水柱橋接的現(xiàn)象，導(dǎo)致雨閃電壓大幅降低。目前，傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傘裙間水柱和水滴分布影響的研究鮮有報(bào)道。鑒于理論研究和工程應(yīng)用的需要，本文以特高壓換流站常用復(fù)合支柱絕緣子為試品，開展了淋雨特性試驗(yàn)，提出了淋雨特性表征參數(shù)，系統(tǒng)研究了傘裙參數(shù)、淋雨率等因素對(duì)淋雨特性的影響規(guī)律；此外用瓷支柱絕緣子試品，對(duì)比分析了材質(zhì)對(duì)淋雨特性的影響。研究結(jié)果可為直流輸電工程復(fù)合支柱絕緣子參數(shù)選型及設(shè)計(jì)、雨閃防治提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)地點(diǎn)為特高壓工程技術(shù)(昆明)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)基地交直流人工污穢試驗(yàn)室[24-25]，試驗(yàn)室位置海拔高度為2 100 m，試驗(yàn)室長(zhǎng)寬高尺寸為26 m×26 m×30 m。人工淋雨系統(tǒng)包含可調(diào)電動(dòng)機(jī)、水泵、淋雨架、蓄水箱、控制及保護(hù)系統(tǒng)等。淋雨架噴嘴采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 775.2—2003[26]推薦的形狀結(jié)構(gòu)，出水量可調(diào)且噴出的雨滴細(xì)密、均勻，符合人工淋雨試驗(yàn)要求。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)室溫度為10 ～14 ℃，相對(duì)濕度為76%～92%。試驗(yàn)用相機(jī)拍攝絕緣子淋雨照片，相機(jī)型號(hào)為尼康D700。

1.2 試品

圖1 支柱絕緣子試品傘裙單元示意圖Fig.1 Diagram of one umbrella skirt unit of post insulator sample

此外，試品A16為瓷支柱絕緣子，其傘裙參數(shù)與試品A15復(fù)合支柱絕緣子的參數(shù)相近，用來對(duì)比絕緣子材質(zhì)對(duì)淋雨特性的不同影響。

各復(fù)合絕緣子試品憎水性良好，均為HC1級(jí)。每次試驗(yàn)前，將試品表面仔細(xì)清洗干凈，并自然干燥。

1.3 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)布置如圖2所示。將試品垂直放置在淋雨架正前方水平空地上，絕緣子與淋雨架水平距離約6 m。2臺(tái)相機(jī)均架設(shè)在三腳架上，并分別放置于絕緣子左右兩側(cè)。2臺(tái)相機(jī)的三腳架與試品在一條直線上，且與淋雨架所在平面平行。相機(jī)與試品距離根據(jù)相機(jī)鏡頭焦距和成像效果調(diào)整，調(diào)節(jié)三腳架使鏡頭正對(duì)絕緣子。

表1 復(fù)合支柱絕緣子試品參數(shù)Tab.1 Parameters of composite post insulator sample mm

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Diagram of test arrangement

用自來水模擬雨水，電導(dǎo)率為157 μs/cm，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 775.2—2003[26]調(diào)節(jié)和測(cè)量淋雨率，使之達(dá)到預(yù)定的降雨條件。為模擬風(fēng)的情況，使淋雨角度為45°，水平與垂直淋雨率相同，且整支試品淋雨率上下分布均勻。調(diào)節(jié)好后將淋雨系統(tǒng)關(guān)閉，待需要時(shí)打開。

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)布置完畢后打開調(diào)節(jié)好的淋雨系統(tǒng)，待絕緣子表面充分濕潤(rùn)，用相機(jī)對(duì)淋雨的絕緣子拍照。相機(jī)曝光時(shí)間為1/2 000 s，調(diào)整焦距、光圈、感光度、白平衡等參數(shù)使照片清晰。為減少分散性，每次試驗(yàn)兩相機(jī)拍攝照片數(shù)均多于20。

本文提出將淋雨?duì)顟B(tài)下絕緣子大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)、大傘水柱數(shù)及長(zhǎng)度作為絕緣子淋雨特性表征參數(shù)，如圖3所示。大傘邊水滴和大傘水柱均懸垂在大傘邊緣，本文定義長(zhǎng)度小于5 mm的為水滴，長(zhǎng)度不小于5 mm的為水柱。此外，大傘間水滴大小不一，體積較小的水滴對(duì)電場(chǎng)影響有限，本文只統(tǒng)計(jì)直徑不小于2 mm的水滴。各表征參數(shù)用Photoshop和ImageJ計(jì)算，某條件下的淋雨參數(shù)取該條件下所有淋雨照片的平均值。

總而言之，數(shù)學(xué)同其他學(xué)科一樣，都具有一定的人文性與藝術(shù)性，需引起廣大教師與學(xué)生的關(guān)注。在小學(xué)數(shù)學(xué)課堂教學(xué)活動(dòng)中，教師要善于有針對(duì)性、有目的性地對(duì)數(shù)學(xué)文化加以整理，并將其滲透到具體的課堂教學(xué)實(shí)踐中去，讓學(xué)生能在掌握數(shù)學(xué)知識(shí)、提升能力的同時(shí)，深層次地了解數(shù)學(xué)這門學(xué)科產(chǎn)生以及演變的過程。數(shù)學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)階段重要的基礎(chǔ)學(xué)科，在教師進(jìn)行教學(xué)時(shí)要善于對(duì)數(shù)學(xué)文化進(jìn)行合理地滲透，讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)并且掌握運(yùn)用這種數(shù)學(xué)文化。數(shù)學(xué)文化可以幫助學(xué)生更為合理高效地解決問題，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)素養(yǎng)，并在這一過程中喜歡上數(shù)學(xué)，了解數(shù)學(xué)利用數(shù)學(xué)解決生活中的問題。

圖3 絕緣子淋雨特性表征參數(shù)示意圖Fig.3 Characterization parameters of rain characteristics of insulator

2 結(jié)果及分析

2.1 傘間距的影響

傘間據(jù)不同的試品A3、A6、A7、A8、A9在5 mm/min淋雨率條件下試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：淋雨率為5 mm/min時(shí)，隨著傘間距增大，大傘水柱數(shù)、大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)均增大，單位絕緣高度大傘間水滴數(shù)、大傘水柱長(zhǎng)度及其大傘間距占比均減??；傘間距增大時(shí)，傘裙間相互遮擋作用減弱，桿徑及傘裙受雨面積均增大，受雨量增多，有更多的雨水從大傘邊緣滴落，大傘水柱數(shù)、大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)均有所增大；傘間距增大幅度高于大傘間水滴數(shù)增大幅度，因此單位絕緣高度大傘間水滴數(shù)減小，即大傘間水滴在空間中垂直方向分布較稀疏；大傘水柱數(shù)增多，由傘間距增大導(dǎo)致的受雨量增多不能為每個(gè)水柱提供較充足水量，部分水柱因水量不足導(dǎo)致斷裂，使得水柱長(zhǎng)度略有減小。

綜上所述，傘間距增大時(shí)，大傘水柱長(zhǎng)度占大傘間距明顯減小，大傘間水滴在空間中垂直方向分布較為稀疏。絕緣子在此種淋雨特性下，電弧不容易將傘裙橋接，從而提高了爬電距離有效利用率，使得雨閃不易發(fā)生；在結(jié)構(gòu)高度固定的情況下，傘間距增大時(shí)傘裙數(shù)量減少，爬電距離減小。因此對(duì)于強(qiáng)降雨地區(qū)，在滿足爬電距離等技術(shù)指標(biāo)下，可適當(dāng)增大復(fù)合絕緣子的傘間距。

圖4 傘間距對(duì)復(fù)合支柱絕緣子淋雨特性的影響Fig.4 Effects of shed spacing on rain characteristics of composite post insulator

2.2 平均傘伸出的影響

平均傘伸出不同的試品A1、A2、A3、A4、A5在5 mm/min淋雨率條件下試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：淋雨率為5 mm/min時(shí)，隨著平均傘伸出增大，大傘水柱數(shù)及其平均值、大傘邊水滴數(shù)均增大，大傘間水滴數(shù)先減小后增大；平均傘伸出增大時(shí)，每個(gè)傘裙單元的受雨面積變大，受雨量增多，大傘水柱數(shù)及其長(zhǎng)度、大傘邊水滴數(shù)均增大。對(duì)于大傘間水滴數(shù)的變化，其原因可能是在平均傘伸出增加的過程中，大傘伸出增加的幅度大于小傘伸出，大傘對(duì)相鄰下方小傘的遮擋作用增強(qiáng)，影響了雨水在絕緣子傘裙表面的匯聚、流淌、滴落等過程，需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

綜上所述，平均傘伸出70 mm以上時(shí)，各淋雨參數(shù)值整體呈增大趨勢(shì)，淋雨特性變差。對(duì)于強(qiáng)降雨地區(qū)，在滿足爬電距離等技術(shù)指標(biāo)前提下，可適當(dāng)減小復(fù)合支柱絕緣子的平均傘伸出。

圖5 復(fù)合支柱絕緣子淋雨特性表征參數(shù)隨平均傘伸出變化Fig.5 Effects of averageshed overhang on characterization parameters of rain characteristics

2.3 桿徑的影響

不同桿徑的試品A3、A10、A11、A12、A13、A14在5 mm/min淋雨率下試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 桿徑對(duì)淋雨特性的影響Fig.6 Effects of rod diameter on rain characteristics

由圖6可知：淋雨率為5 mm/min時(shí)，隨著桿徑增大，大傘水柱數(shù)、大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)均增大，大傘水柱長(zhǎng)度先減小后增大。絕緣子傘裙為圓環(huán)形，桿徑增大時(shí)，圓環(huán)形傘裙受雨面積增大，受雨量增多；此外，桿徑增大導(dǎo)致傘裙面積和周長(zhǎng)增大，大傘水柱、大傘邊水滴、大傘間水滴的分布更廣，數(shù)量增多。當(dāng)大傘水柱桿徑為180 mm時(shí)，桿徑較小，傘裙面積和周長(zhǎng)較小，絕緣子表面雨水相對(duì)來說更容易匯聚，大傘水柱數(shù)較少且分布相對(duì)集中，水柱由于水量較充分而維持在較高長(zhǎng)度水平；桿徑大于280 mm時(shí)，大傘水柱長(zhǎng)度呈增大趨勢(shì)，這與受雨量增加有關(guān)。

綜上所述，桿徑為280 mm以上時(shí)，隨著桿徑增大，復(fù)合支柱絕緣子各淋雨特性表征參數(shù)值均增大，淋雨特性變差。因此在強(qiáng)降雨地區(qū)使用大直徑復(fù)合支柱絕緣子時(shí)，必須采取一定措施防止雨閃事故發(fā)生。

2.4 材質(zhì)的影響

試品A15、A16傘形相同，傘裙參數(shù)相近；材質(zhì)不同，A15為復(fù)合材質(zhì)，A16為瓷。在5 mm/min淋雨率條件下試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 支柱絕緣子淋雨特性表征參數(shù)隨材質(zhì)變化Fig.7 Effects of materials oncharacterization parameters of rain characteristics

由圖7可知：復(fù)合絕緣子大傘邊水滴數(shù)和大傘間水滴數(shù)均高于瓷絕緣子，大傘水柱數(shù)及其長(zhǎng)度均明顯低于瓷絕緣子。2支絕緣子受雨面積相近，材質(zhì)差異導(dǎo)致了淋雨特性的不同。硅橡膠材質(zhì)具有憎水性，雨水落到復(fù)合絕緣子表面匯聚成水流時(shí)，水流分布具有較大分散性和隨機(jī)性且寬度較細(xì)，水流在傘裙邊緣滴落時(shí)因得不到充足的雨水補(bǔ)充而更容易斷裂。盡管瓷絕緣子大傘邊水滴數(shù)和大傘間水滴數(shù)均低于復(fù)合絕緣子，但其大傘水柱數(shù)和長(zhǎng)度分別比復(fù)合絕緣子高出34.3%、44.9%，極大降低了爬電距離的利用率，增加了電弧將傘裙橋接的概率和雨閃的可能性。在強(qiáng)降雨地區(qū)，新建換流站、變電站可考慮采用復(fù)合支柱絕緣子，已建輸電工程中采用瓷支柱絕緣子必須采取預(yù)防措施防止雨閃事故的發(fā)生，如在瓷支柱絕緣子表面涂覆防腐劑，增強(qiáng)其表面憎水性。

2.5 淋雨率的影響

A3試品分別在2 mm/min、5 mm/min、8 mm/min、10 mm/min、12 mm/min、15 mm/min淋雨率條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 淋雨率對(duì)淋雨特性的影響Fig.8 Effects of rainfall rate on rain characteristic

由圖8可知:隨著淋雨率增大，大傘水柱數(shù)及其長(zhǎng)度、大傘間水滴數(shù)均增加,大傘邊水滴數(shù)先增大，淋雨率大于12 mm/min后減小。淋雨率增大的不同階段，各淋雨特性表征參數(shù)值變化規(guī)律不同。淋雨率由2 mm/min增大至5 mm/min時(shí)，大傘水柱長(zhǎng)度增加最明顯；淋雨率由5 mm/min增大至8 mm/min時(shí)，大傘水柱數(shù)增加最明顯；淋雨率由8 mm/min增大至10 mm/min時(shí)，大傘間水滴數(shù)增加最明顯；淋雨率由10 mm/min增大至12 mm/min時(shí)，各參數(shù)均小幅增加；淋雨率由12 mm/min增大至15 mm/min時(shí)，大傘裙邊液體分布密集、接近飽和，大傘邊水滴有充足的雨水補(bǔ)充而長(zhǎng)度增加，部分變成水柱，因此大傘邊水滴數(shù)減少而水柱數(shù)增加。綜上所述，淋雨率增大時(shí)復(fù)合支柱絕緣子淋雨特性變差，在強(qiáng)降雨等惡劣天氣頻發(fā)的地區(qū)，必須采取一定的措施，警惕雨閃事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了大量的直流復(fù)合支柱絕緣子人工淋雨試驗(yàn)，提出大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)、大傘水柱數(shù)及長(zhǎng)度等絕緣子淋雨特性表征參數(shù)，研究了傘間距、平均傘伸出、桿徑、淋雨率對(duì)淋雨特性的影響，對(duì)比了不同材質(zhì)支柱絕緣子淋雨特性差異，主要結(jié)論如下：

a)當(dāng)傘間距增大時(shí)，大傘水柱數(shù)、大傘邊水滴數(shù)、大傘間水滴數(shù)均增大，而單位絕緣高度大傘間水滴數(shù)、水柱長(zhǎng)度及其大傘間距占比均減小。

b)當(dāng)平均傘伸出70 mm以上、桿徑為280 mm以上時(shí)，復(fù)合支柱絕緣子淋雨特性變差。

c)淋雨率相同、傘裙參數(shù)相近的復(fù)合支柱絕緣子的大傘水柱數(shù)、長(zhǎng)度均明顯低于瓷質(zhì)支柱絕緣子的相應(yīng)參數(shù)。

d)淋雨率由2 mm/min增大到15 mm/min時(shí)，復(fù)合支柱絕緣子的淋雨表征參數(shù)整體呈增大趨勢(shì)，淋雨率增大的不同階段各淋雨特性表征參數(shù)增大的幅度差別較大。