鹽密變化對不同材質(zhì)絕緣子閃絡(luò)特性的影響

李 靜,劉 偉

(沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870)

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣中的污染物種類越來越復(fù)雜，絕緣子表面的污染程度也高，使得污穢對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了極大的威脅[1]。鹽密是表征絕緣子表面污穢程度的特征參數(shù)，研究鹽密變化對絕緣子閃絡(luò)特性的影響，對于電網(wǎng)的防污工作以及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義[2]。

中外學(xué)者對絕緣子串長與污閃電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[3]在鹽密0.03 mg/cm2條件下，通過3種不同串長的瓷絕緣子污閃試驗(yàn)結(jié)果表明在串長14.15 m，最高電壓1 100 kV范圍內(nèi)，串長與閃絡(luò)電壓呈線性關(guān)系；文獻(xiàn)[4]通過對不同串長的XWP2-160型瓷絕緣子表明，污閃電壓與絕緣子串的串長成線性關(guān)系，且隨著串長的增加，污閃電壓成正比例增加。中國電力科學(xué)院進(jìn)行了與日本NGK絕緣子公司、加拿大魁北克電力研究(Hydro-Quebec Research Institute，IREQ)兩個實(shí)驗(yàn)室的比對試驗(yàn)，驗(yàn)證了玻璃、瓷絕緣子污穢耐受電壓與絕緣子串長的線性關(guān)系[5]。文獻(xiàn)[6]指出在不同模擬海拔高度下，染污絕緣子串的U50%與串長呈線性關(guān)系，但由于大型人工環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室長串絕緣子潤濕的非均勻性，可導(dǎo)致長串絕緣子的試驗(yàn)值偏高。

中外學(xué)者對絕緣子飽和鹽密閃絡(luò)特性也進(jìn)行了大量研究。絕緣子表面污穢程度直接影響輸電線路絕緣設(shè)備的污耐壓水平。《電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖繪制方法》(DL/T 374—2010)中規(guī)定，應(yīng)按飽和污穢度劃分電網(wǎng)污穢等級[7]?！墩憬娋W(wǎng)污穢區(qū)域分布圖(2007版)》的繪制基礎(chǔ)就是絕緣子的飽和等值鹽密(ESDD)。羅毅等[1]認(rèn)為對等值鹽密安全范圍的研究是確定絕緣子清掃、維護(hù)周期的重要工作，通過理論分析計(jì)算和ANSYS 熱仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了在特定環(huán)境下，滿足絕緣子不覆冰且不出現(xiàn)污閃和冰閃的在線監(jiān)測絕緣子等值鹽密度安全范圍；汪濤等[8]通過對絕緣子鹽密測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)出了絕緣子積污增長速率公式；另外對表面電導(dǎo)率和污閃電壓與鹽密相關(guān)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了絕緣子鹽密控制值的估算方法。

綜上所述，現(xiàn)有的研究對于串長與閃絡(luò)電壓的研究大多是針對玻璃、瓷絕緣子，而對同一傘型不同串長的復(fù)合絕緣子的研究較少；另外對于鹽密與閃絡(luò)電壓的關(guān)系的研究多是基于整體，而沒有對于單一飽和鹽密下的閃絡(luò)特性進(jìn)行分析。

基于此，對XP-160、LXZP-210、FXBW-10/70型絕緣子展開人工污穢試驗(yàn)，分析這三種材質(zhì)絕緣子的閃絡(luò)電壓、閃絡(luò)電壓梯度隨鹽密變化的規(guī)律以及不同鹽密下串長與閃絡(luò)電壓的關(guān)系；同時對鹽密與閃絡(luò)電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)的研究，建立了不同鹽密下絕緣子閃絡(luò)電壓與飽和鹽密下絕緣子閃絡(luò)電壓的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此可在不同的現(xiàn)場污穢情況下測得的閃絡(luò)電壓來估算飽和污穢度下的閃絡(luò)電壓，從而對絕緣子表面污穢狀態(tài)和外絕緣安全事故進(jìn)行提前評估，預(yù)防污閃事故的發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用三種不同材質(zhì)的絕緣子，分別為懸式瓷絕緣子XP-160、懸式玻璃絕緣子LXZP-210、懸式復(fù)合絕緣子FXBW10-70(兩傘)，這三種絕緣子均選取2～5片，其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試品參數(shù)Table 1 Parameters of samples

FXBW10-70的2～5傘的爬電距離分別為270、410、520、620 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在人工霧室中進(jìn)行的，試驗(yàn)電壓由150 kV/900 kVA試驗(yàn)變壓器提供，最大短路電流為30 A，滿足IEC 61245[9]對污穢試驗(yàn)電源的要求。接線原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)線路圖Fig.1 Test circuit diagram

2 試驗(yàn)方法

2.1 試品準(zhǔn)備

試驗(yàn)前，首先清洗絕緣子，去除其表面污穢，再用潔凈水沖洗絕緣子，自然陰干備用。由于復(fù)合絕緣子具有憎水性，因此在進(jìn)行染污前，需要用脫脂棉在絕緣子表面涂敷一層薄薄的硅藻土以降低其憎水性。

2.2 試品涂污與濕潤

試驗(yàn)參照《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》(GB/T 4585—2004)推薦的固體涂層法中的定量涂刷法染污[10]，用NaCl模擬導(dǎo)電物質(zhì)，用硅藻土模擬不溶性物質(zhì)。選擇的污染鹽密分別為0.03、0.05、0.1、0.2、0.25、0.3 mg/cm2，灰密固定為1.0 mg/cm2。根據(jù)試品表面積和所試驗(yàn)的鹽密/灰密，計(jì)算并稱量出所需NaCl和硅藻土的量，將配置好的污穢物均勻涂刷于試品絕緣子絕緣表面，刷涂過程在1 h內(nèi)完成，然后讓其自然陰干24 h后進(jìn)行試驗(yàn)，使其憎水性得到一定恢復(fù)和遷移。試驗(yàn)時霧室溫度控制在35 ℃以內(nèi)，試品在人工霧室中污穢濕潤10～15 min后其表面即形成水膜，水滴即將下滴，然后立即加壓進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 升壓方法

試驗(yàn)采用均勻升壓法[11]。對每串絕緣子進(jìn)行4～5次閃絡(luò)試驗(yàn)；在同一污穢度下進(jìn)行染污3次，取其與平均值誤差不超過10%的所有點(diǎn)平均值作為該污穢度下的閃絡(luò)電壓Uf：

(1)

(2)

式中：Uf為絕緣子污閃電壓，kV；Ui為第i次污閃電壓，kV；N為試驗(yàn)次數(shù)；σ為試驗(yàn)結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)差，%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

大量試驗(yàn)表明，絕緣子污閃電壓Uf與鹽密ρSDD成負(fù)冪函數(shù)關(guān)系[12-14]，可表示為

Uf=AρSDD-a

(3)

式(3)中：A為擬合系數(shù)，與絕緣子結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等有關(guān)；ρSDD為等值附鹽密度，mg/cm2；a為表征ρSDD對絕緣子污閃電壓影響的特征指數(shù)。

將試驗(yàn)結(jié)果按照式(3)進(jìn)行擬合，由于FXBW-10/70的傘裙為大小傘結(jié)構(gòu)，故求取三種材質(zhì)絕緣子平均兩片污閃電壓Uf與鹽密ρSDD的關(guān)系如圖2所示。擬合后得到的系數(shù)A、污穢影響特征指數(shù)a與擬合方差R2如表2所示。

圖2 各種絕緣子閃絡(luò)電壓與鹽密的關(guān)系Fig.2 Relationship between flashover voltage and ρSDD of various insulators

表2 不同鹽密下的擬合系數(shù)值

分析圖2、表2可知，從擬合結(jié)果來看，復(fù)合絕緣子的污穢影響特征指數(shù)a均小于玻璃、瓷絕緣子，這表明復(fù)合絕緣子受鹽密的影響程度小于玻璃、瓷絕緣子。這正印證了由于復(fù)合絕緣子材料的憎水性，其在高污穢條件下具有較優(yōu)的耐污閃性能。

不同材質(zhì)的絕緣子隨鹽密的變化趨勢是一致的，閃絡(luò)電壓Uf隨著鹽密的增大逐漸減小，當(dāng)鹽密較小時，閃絡(luò)電壓Uf下降很快；當(dāng)鹽密較大時，閃絡(luò)電壓Uf下降很慢，逐漸基本保持不變，此時的鹽密可以認(rèn)為是飽和鹽密。

試驗(yàn)表明，當(dāng)鹽密達(dá)到0.3 mg/cm2時，閃絡(luò)電壓基本保持不變；另外根據(jù)《污染條件下使用的高壓絕緣的選擇和尺寸確定 第1部分：定義、信息和一般原則》(GB/T 26218.1—2010)中現(xiàn)場污穢度(SPS)對污穢等級的劃分可知，當(dāng)鹽密達(dá)到0.3 mg/cm2時，污穢程度已經(jīng)達(dá)到最高污穢e等級，因此將鹽密達(dá)到0.3 mg/cm2時定義為飽和鹽密。

3.2 不同材質(zhì)絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度

由于三種絕緣子的型式材質(zhì)不同，為了便于對比分析，通過引入污閃電壓梯度的概念對絕緣子的污穢閃絡(luò)特性進(jìn)行分析解釋。其定義為

(4)

式(4)中：EL為絕緣子的污閃電壓梯度,kV/m；L為絕緣子沿面總爬電距離,m。

根據(jù)式(4)可以求出三種材質(zhì)的絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度，如圖3所示。

圖3 各種絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度Fig.3 EL of various insulators

由圖3可知，閃絡(luò)電壓梯度與鹽密仍然呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系；并且不同材質(zhì)的絕緣子隨鹽密的變化趨勢相同，隨著鹽密的增大，閃絡(luò)電壓梯度逐漸減小。由圖3可以看出，復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)電壓梯度EL大于玻璃和瓷絕緣子，并且其隨鹽密增大而下降趨勢較為平緩。這主要是由于復(fù)合絕緣子的硅橡膠材料具有憎水性，當(dāng)其表面污穢受潮時會形成單個獨(dú)立的水帶，各個水帶之間的干區(qū)大大提高了污層電阻，抑制了局部電弧的發(fā)展，進(jìn)而提高了污閃電壓。

3.3 絕緣子串長與閃絡(luò)電壓的關(guān)系

為了研究絕緣子在不同鹽密、不同材質(zhì)下串長與污閃電壓的關(guān)系，采用玻璃、瓷、復(fù)合絕緣子，在鹽密分別為0.03、0.1、0.3 mg/cm2，傘裙數(shù)均為2～5片條件下研究了串長與污閃電壓的關(guān)系。

由于FXBW-10/70復(fù)合絕緣子的傘裙為大小傘結(jié)構(gòu)，其不像玻璃、瓷絕緣子每片傘裙大小一樣，若以結(jié)構(gòu)高度來表征串長與閃絡(luò)電壓的關(guān)系會帶來一定的誤差。在絕緣子閃絡(luò)過程中，電弧所經(jīng)過的路徑為爬電距離，故此三種絕緣子統(tǒng)一以爬電距離來研究串長與污閃電壓的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 絕緣子串長與污閃電壓的關(guān)系Fig.4 Relationship between insulator string length and pollution flashover voltage

由圖4可以看出，在不同污穢條件下，三種絕緣子的線性擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.98，因此在同一鹽密下，對于不同材質(zhì)的絕緣子，其污閃電壓均與串長成線性關(guān)系。

為了更加完整地看到絕緣子隨鹽密與爬距共同作用下的變化趨勢，求取了該三種材質(zhì)的絕緣子污閃電壓隨鹽密與爬電距離變化規(guī)律的三維圖如圖5所示。

圖5 閃絡(luò)電壓與爬距和鹽密的變化關(guān)系三維圖Fig.5 Three-dimensional diagram of the alternative relation between flashover voltage and creepage distance and ESDD

由圖5可知，三種材質(zhì)的絕緣子污閃電壓隨鹽密與爬距的變化趨勢是一樣的。在任一鹽密下，閃絡(luò)電壓與爬電距離大致呈線性關(guān)系，隨著爬距的增加，閃絡(luò)電壓大致呈線性增大；在任一爬距下，鹽密與閃絡(luò)電壓均呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，隨著鹽密的增加，閃絡(luò)電壓逐漸降低。這三種絕緣子可以根據(jù)各自的三維圖曲面，在已知閃絡(luò)電壓與爬距的情況下，估計(jì)絕緣子的有效鹽密。

4 絕緣子飽和鹽密下污閃電壓計(jì)算

4.1 絕緣子飽和鹽密理論

絕緣子表面在長期積污過程中經(jīng)歷積污→清洗→再積污→再清洗……這一循環(huán)往復(fù)過程，使得其表面鹽密逐漸增加。一般若干年后可達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，該狀態(tài)下的鹽密值可視為飽和鹽密[15]。

從統(tǒng)計(jì)角度來看，絕緣子表面的平均年度最大積污量和年自清洗能力均可視為常數(shù)。若平均年度最大鹽密用S1表示，雨水清洗后絕緣子表面剩余鹽密為CS1；(C為反映自清洗能力的絕緣子表面年度鹽密的殘余率)，則第2年絕緣子表面的鹽密為S1+CS1；第n年的累計(jì)鹽密可表示為

Sn=S1+CS1+…+CnS1=S1(1-Cn)/(1-C)

(5)

式(5)中：n為積污時間,a。由于絕緣子表面的鹽密殘余率<1，式(5)收斂，可求得飽和鹽密Sb為

Sb=S1/(1-C)

(6)

式(6)中：1-C為絕緣子的自清洗率。

絕緣子表面SDD隨時間的增長趨勢也可用指數(shù)函數(shù)描述：

(7)

式(7)中：A為飽和鹽密，mg/cm2；K為常數(shù)；t為積污時間，a；τ為積污時間常數(shù)，表征積污速率。

通過對絕緣子積污過程中SDD與積污時間t擬合可以求得飽和鹽密A、常數(shù)K、時間常數(shù)τ。

4.2 利用不同鹽密下的閃絡(luò)電壓來估算飽和鹽密下的閃絡(luò)電壓

分析可知，絕緣子可以通過記錄其鹽密的逐漸累積來求取飽和鹽密，進(jìn)而通過飽和鹽密進(jìn)行污穢等級的劃分；那么也可以通過記錄鹽密累積過程中的閃絡(luò)電壓，求取飽和鹽密下的閃絡(luò)電壓，進(jìn)而對污穢地區(qū)的電壓等級進(jìn)行劃分。

鹽密是表征絕緣子表面污穢程度的特征參數(shù)，隨著污穢程度的增加，絕緣子的鹽密隨之增大，污閃電壓則會降低，造成低鹽密下有較高裕度的絕緣子，在飽和污穢度時卻有可能發(fā)生污閃。因此，有必要研究如何利用低鹽密下的閃絡(luò)電壓來預(yù)測飽和鹽密下的閃絡(luò)電壓值，從而預(yù)測絕緣子在高污穢度時的絕緣狀態(tài)，以便提前防備污閃事故的發(fā)生。

圖6為FXBW-10/70絕緣子在鹽密為0.03、0.05、0.1、0.2、0.25 mg/cm2下的閃絡(luò)電壓與飽和鹽密下閃絡(luò)電壓的關(guān)系，根據(jù)這五條曲線關(guān)系可知，兩者關(guān)系的表達(dá)式為

Ufm=aρUfρ

(8)

式(8)中：Ufm為絕緣子表面達(dá)到飽和污穢度時發(fā)生閃絡(luò)的閃絡(luò)電壓；aρ為鹽密為ρ時的估算系數(shù)；Ufρ為絕緣子表面鹽密為ρ時對應(yīng)的閃絡(luò)電壓。

圖6 不同鹽密下絕緣子閃絡(luò)電壓與飽和鹽密下絕緣子閃絡(luò)電壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between flashover voltage of insulator under different ESDD and flashover voltage of insulator under saturated ESDD

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于瓷絕緣子XP-160及玻璃絕緣子LXZP-210，仍有與復(fù)合絕緣子FXBW-10/70相同的規(guī)律。這三種材質(zhì)的絕緣子在不同鹽密下的估算系數(shù)如表3所示。從表3可以看出，在同一鹽密下，這三種絕緣子的估算系數(shù)大致相同。為了將規(guī)律適應(yīng)于不同材質(zhì)的絕緣子，進(jìn)行不同鹽密下的閃絡(luò)電壓到飽和鹽密下閃絡(luò)電壓的推算，通過求取平均估算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

為了進(jìn)行不同鹽密下的閃絡(luò)電壓到飽和鹽密下閃絡(luò)電壓的推算，通過最小二乘法擬合求取了平均估算系數(shù)與不同鹽密之間的關(guān)系，如式(9)所示：

aρ=36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1

(9)

將式(9)代入式(8)，可以得出從不同鹽密到飽和鹽密閃絡(luò)電壓的估算公式，如式(10)所示：

Ufm=(36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1)Ufρ

(10)

利用該估算方法，對于不同材質(zhì)的絕緣子，可以通過不同鹽密下測得的閃絡(luò)電壓來估算飽和鹽密下絕緣子的閃絡(luò)電壓。鹽密的大小是污穢度的體現(xiàn)，因此可以根據(jù)某一污穢度下絕緣子運(yùn)行的狀態(tài)，來估算當(dāng)其達(dá)到飽和污穢下的閃絡(luò)電壓；也可以用來評價在低污穢區(qū)正常運(yùn)行的某一型號絕緣子，如果放在高污穢區(qū)時能否正常運(yùn)行，這對判斷絕緣子是否符合某一地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，預(yù)防絕緣子的污閃事故發(fā)生具有一定的參考價值。

5 結(jié)論

通過對不同材質(zhì)的絕緣子污閃特性進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，得到以下結(jié)論。

(1)復(fù)合絕緣子與玻璃、瓷絕緣子的污閃電壓隨鹽密的變化趨勢是一致的，其串長(爬電距離)與污閃電壓大致成線性關(guān)系；復(fù)合絕緣子受污穢的影響程度小于玻璃、瓷絕緣子，且其閃絡(luò)電壓梯度較高。

(2)不同鹽密下的閃絡(luò)電壓與飽和鹽密下的閃絡(luò)電壓滿足線性關(guān)系，不同材質(zhì)絕緣子的估算系數(shù)aρ大致相同。

(3)通過估算方法，對于不同材質(zhì)的絕緣子，可以通過監(jiān)測得出的任一鹽密對應(yīng)的閃絡(luò)電壓值，來預(yù)估其飽和鹽密下的閃絡(luò)電壓。