大氣條件下復合絕緣子端部電暈放電產(chǎn)生的等離子體診斷方法研究

胡大偉，苑經(jīng)緯，劉桁宇，陳 剛，徐 崇

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.河北硅谷化工有限公司，河北 邯鄲 056000)

近年來，隨著掛網(wǎng)運行的復合絕緣子在數(shù)量逐年攀升、覆蓋范圍擴大和運行年限延長，運行過程中出現(xiàn)的故障問題也愈發(fā)增多，通過全國輸電線路運行的復合絕緣子故障統(tǒng)計結(jié)果看出，不明原因閃絡占全部故障類型的百分比較高為26%。很多學者分析了不明閃絡的成因，文獻[1-2]將此類不明閃絡原因歸為鳥糞下落時，絕緣子周圍不均勻的電場分布產(chǎn)生畸變導致閃絡發(fā)生，由于鳥糞殘留造成的閃絡因其不易被發(fā)覺，通常被定義為“不明閃絡”；文獻[3-4]對復合絕緣子發(fā)生閃絡的故障原因從以下幾方面進行分析：電壓等級類型、復合絕緣子實際運行工況及結(jié)構(gòu)和制作工藝方面，包括干弧距離偏小，爬電比距選擇，硅質(zhì)橡膠長時間置于污穢及潮濕的環(huán)境中由于吸收了環(huán)境中大量水分使其憎水性消耗過量，是否存在部分有效長度被其兩端均壓環(huán)短接現(xiàn)象，在某些特殊場合下其有效爬電距離被其表面附著的雜物絲帶狀物體等受潮后造成了短路；文獻[5]對現(xiàn)有閃絡機理學說已經(jīng)在形成局部電弧后的推動力方面進行研究，但并未研究局部電弧形成的原因及過程。絕緣子在兩端施加電壓時就存在電離，且絕緣子端部均為金具，所以必然形成等離子團。無論推動局部電弧發(fā)展的是何種因素，均會對絕緣子表面形成的等離子體團體積產(chǎn)生影響，縮短有效絕緣距離。此為復合絕緣子閃絡分析研判過程中極為關鍵階段。

現(xiàn)階段對于低溫高氣壓等離子體的研究方法中，朗繆爾探針法和發(fā)射光譜法均為其診斷研判的有效分析方法[6-7]。對于大氣條件下的電暈放電，近年來對其微觀特性研究較多，方法多為計算模擬與光譜分析相結(jié)合，利用其內(nèi)部具有很高活性的化學粒子進行空氣凈化[8-11]，對其宏觀特性研究較少，尤其是未見在大氣壓下電暈放電等離子體特性應用于復合絕緣子閃絡過程研究的公開報道。

基于此，設計并完成了復合絕緣子的人工污穢試驗。試驗在人工污室內(nèi)進行，可以有效通過調(diào)節(jié)人工污室的運行參數(shù)來模擬絕緣子運行狀態(tài)。采用勻速加壓方式，在加壓過程中，用朗繆爾探針法和發(fā)射光譜法診斷單個運行狀態(tài)下絕緣子的端部電暈放電等離子體參數(shù)，進而得到不同運行狀態(tài)下絕緣子的等離子體參數(shù)，從而為復合絕緣子污穢閃絡過程研究提供重要的試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗設計及計算方法

1.1 人工污穢試驗設計

試品為10 kV復合絕緣子，試驗用工頻變壓器容量為10 kVA，其最大輸出電壓為100 kV。試驗原理如圖1所示。

圖1 試驗原理

a.首先通過噴水分級法來測量復合絕緣子傘裙護套憎水性狀態(tài)，測試結(jié)果顯示所有試品的憎水性良好，均為HC1級。為保證本次試驗結(jié)果具有可靠性與可重復性，其接線方式嚴格模擬所用試品實際工作方式設置，將試品懸于半空中，通過高壓導線將環(huán)氧樹脂棒架高。

b.然后將其接入污室連接至絕緣子球頭側(cè)，將絕緣子球帽側(cè)可靠接地,按照相關標準要求[12]，試驗用污液配置方法：通過一定比例的硅藻土、鹽及適量的去離子水混合配制而成。依照絕緣子表面積，通過鹽密與灰密值計算得出的鹽和硅藻土的量進行配置，攪拌均勻配成污液，均勻涂刷至復合絕緣子的傘裙護套上。

c.試驗時間設置為每次間隔15 min，確保絕緣子表面能夠得到充分濕潤，當試品傘裙表面濕度已達充分飽和狀態(tài)時試驗開始。

d.為確保試驗絕緣子運行參數(shù)可調(diào)，試驗通過人工污穢試驗箱進行，其溫濕度均可控。試驗開始后，變壓器以1 kV/s的速度勻速升壓。

1.2 朗繆爾探針裝置及計算方法

對于低溫等離子體朗繆爾探針法是非常適合的診斷方法，其原因有以下3方面：①低溫等離子體不存在強磁場；②等離子體對探針的二次電子發(fā)射較少；③由于該方法是接觸式診斷方法，因此對探針材料的要求較低。

通常情況下，鎢絲因其在硬度及熔點方面較為突出的特點，常被選用作為試驗用探針，本文選用針尖長度為7 mm，直徑為0.3 mm的鎢絲探針。試驗過程中，為避免金具處強場強對針尖頂部產(chǎn)生放電現(xiàn)象，做如下處理：選用導電型的環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑把針尖膠合至玻璃絕緣管壁上，其內(nèi)壁厚度為3 mm，便于針尖時刻保持置于玻璃管外；將鎢絲作為參考電極并均勻纏繞至玻璃絕緣管外部，其與探針針尖端部的電容為7 nF；將6個LC諧振線圈并聯(lián)于探針后，連接于相應的掃描電源上進行掃描；設置掃描電源的掃描周期為30 s，輸出電壓控制在-100～100 V，以避免高速率電子沖擊探針，造成電子重復發(fā)射而加大試驗誤差。

等離子體的基本參數(shù)通過探針電壓、電流關系來確定。等離子體空間電位Φp、懸浮電位Φf關系為

(1)

式中：κ為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電量；mi、me分別為離子與電子的質(zhì)量；電子溫度κTe為

(2)

式中：VB為探針偏置電壓；IP為探針電流；Ies為電子飽和電流。

電子密度ne與離子密度ni為

(3)

式中：A為愛因斯坦系數(shù)。

將電子能量分布函數(shù)積分，即可得到過渡區(qū)域范圍的探針電流(電子電流)。因此，為獲得等離子體電子能量分布函數(shù)EEDF，可以通過對所測過渡區(qū)域的電壓-電流進行微分求解。

1.3 光譜儀診斷裝置及計算方法

采用DP-Nicolet iS5型分光儀，其分辨率達到0.05 nm，能夠?qū)崿F(xiàn)光源的波長譜及其功率譜有效輸出。電暈放電時發(fā)出的光經(jīng)透鏡聚焦后成像于單色儀，為使診斷結(jié)果相對準確，成像系統(tǒng)各元件位置及角度均需仔細調(diào)節(jié)。發(fā)射光譜法診斷系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 發(fā)射光譜法診斷系統(tǒng)

電暈放電等離子體是具有局部熱平衡特性的光性薄等離子體，其電子溫度為

(4)

式中:j、k為激發(fā)態(tài)；i、l為該激發(fā)態(tài)對應衰減到的能級；I為等離子體輻射強度；λ為波長；E為激發(fā)態(tài)電離能；g為統(tǒng)計權重。表1給出H原子的2條發(fā)射譜線計算用。

表1 類氫類原子譜線參數(shù)

2 試驗方法

2.1 朗繆爾探針法

復合絕緣子運行參數(shù)包括端電壓、溫度、濕度、氣壓、憎水性、鹽密與灰密等。為考察各參數(shù)變化趨勢，設定一個標準值。

設絕緣子在標準大氣壓、憎水性HC1級、端電壓10 kV、溫度27 ℃、濕度80%RH、鹽密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情況下運行時，得到的等離子體參數(shù)為其標準值。通過在30 s內(nèi)設置等間距數(shù)據(jù)采集方式，采集60個樣本，即每0.5 s采集1組U-I值，其數(shù)據(jù)值經(jīng)平均值方式平滑后的探針曲線如圖3所示。

圖3 經(jīng)平均值方式平滑后的探針電壓-電流曲線

經(jīng)過局部放大后的探針電壓-電流曲線，測得其與橫軸交點為(5.38,0)，等離子體懸浮電位φf=5.38 V，如圖4所示。

圖4 探針經(jīng)過局部放大后的電壓-電流曲線

將探針U-I曲線求一階導數(shù)，其導數(shù)最大值對應的電壓值為等離子體空間電位，如圖5所示，求得φp=27.62 V。

圖5 探針電壓-電流曲線的一階導數(shù)

將探針U-I曲線求二階導數(shù)，獲得所需的電子能量分布，如圖6所示，電子能量分布可以近似看成雙麥克斯韋分布。

圖6 探針電壓-電流曲線的二階導數(shù)

假設氣壓和憎水性在運行中始終保持不變，在其余參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，通過每次改變1個參數(shù)的方式，并經(jīng)平均值法擬合后能夠得到各種不同狀態(tài)下的探針U-I特性曲線，如圖7—圖11所示。

圖7 不同端部電壓下U-I特性曲線

圖8 不同溫度電壓下U-I特性曲線

圖9 不同濕度下U-I特性曲線

圖10 不同鹽密下U-I特性曲線

圖11 不同灰密下U-I特性曲線

2.2 發(fā)射光譜法

設絕緣子在標準大氣壓、憎水性HC1級、端電壓10 kV、溫度27 ℃、濕度80%RH、鹽密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情況下運行時，得到的等離子體參數(shù)為標準值。

采用光譜儀錄得300～800 nm的發(fā)射光譜如圖12所示。選取Hα和Hβ2條譜線，根據(jù)式(4)、表1中數(shù)據(jù)，求得κTe=1.95 eV，與相同條件下朗繆爾探針法診斷結(jié)果κTe=1.76 eV相差10.8%。

圖12 電暈放電產(chǎn)生的活性粒子發(fā)射光譜

3 結(jié)論

用朗繆爾探針法與發(fā)射光譜法對大氣條件下復合絕緣子端部電暈放電產(chǎn)生的等離子體參數(shù)分別進行診斷分析，得到結(jié)論如下。

a.朗繆爾探針法試驗顯示，當絕緣子運行條件惡化(惡化是指絕緣子運行條件向有利于閃絡的方向發(fā)展，包括但不限于其端部電壓攀升、溫濕度增加、污染程度加劇等)時，其端部電暈放電產(chǎn)生的等離子體參數(shù)均有擴大趨勢，此擴大趨勢對閃絡現(xiàn)象產(chǎn)生起到了推動作用。根據(jù)不均勻等離子體輸運原理相關敘述，其內(nèi)部粒子能夠通過擴散的方式逐漸向低密度區(qū)域擴散，且等離子體空間分布會隨著等離子體密度增大而變廣。因此等離子體密度增大導致空間電位升高，縮短了有效絕緣距離，造成絕緣性能下降。

b.由圖6可知，被測試樣的電子能量出現(xiàn)了偏離麥克斯韋分布的傾向，分析原因是由于電暈放電現(xiàn)象為非低溫平衡態(tài)的性質(zhì)決定的，測量結(jié)果與文獻[13]相符。

c.由圖7可知，當端電壓升高到20 kV時，有間歇性的局部電弧出現(xiàn)，造成等離子體參數(shù)距離標準線有較大偏移。這說明局部電弧的產(chǎn)生同樣為閃絡過程中的重要階段，需要更深入研究和探索。

d.利用發(fā)射光譜法得到的電子溫度與朗繆爾探針法得到的結(jié)果相差10.8%，2種方法的診斷結(jié)果相符，均可作為電暈放電產(chǎn)生等離子體的有效診斷方法。

e.朗繆爾探針法的誤差主要來自探針本身和掃描電壓對于探針表面的二次電子發(fā)射；發(fā)射光譜法的誤差主要來自裝置本身。