劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)特性研究

陳子威，鄧志勇，李 穩(wěn)，姜 勝，王動(dòng)力，胡茗艦，葉星宇

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 輸電檢修分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的超高壓輸電系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。同時(shí)，環(huán)境污染問(wèn)題依然突出，輸電線路污染引起的閃絡(luò)問(wèn)題仍然威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1-4]。

復(fù)合絕緣子由于其質(zhì)量輕體積小、機(jī)械性能好、抗污能力強(qiáng)、安裝方便的特點(diǎn)而被大范圍使用，但復(fù)合絕緣子亦面臨污穢問(wèn)題[5-6]。一些文獻(xiàn)研究了復(fù)合絕緣的閃絡(luò)特性[7]，研究結(jié)果得到了與多數(shù)學(xué)者相同的結(jié)論，前人研究表明[8-9]，污閃電壓與SDD之間存在負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，具體表現(xiàn)為：

U50=a×SDD-n

(1)

式中，a為常數(shù)，這與絕緣子的結(jié)構(gòu)、氣壓、材料等有關(guān)；n為絕緣子污穢的特性指數(shù)。

給定a、n，則在某SDD下污閃電壓可由式(1)計(jì)算。但由于復(fù)合絕緣子傘裙和芯棒材料在使用中容易產(chǎn)生劣化[10-12]，劣化后的復(fù)合絕緣子電氣性能將會(huì)大大降低，其自然閃絡(luò)及污穢閃絡(luò)特性有待研究。因此，本文選取的樣品為運(yùn)行5～7年的220 kV復(fù)合絕緣子，進(jìn)行劣化復(fù)合絕緣子的自然狀態(tài)污閃試驗(yàn)和人工污穢閃絡(luò)試驗(yàn)。研究結(jié)果對(duì)外絕緣劣化復(fù)合絕緣子防污工作具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 樣品與試驗(yàn)流程

1.1 劣化絕緣子樣品

本文研究劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)特性，選取的樣品為運(yùn)行5～7年的220 kV FXBW-220/120復(fù)合絕緣子，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樣品參數(shù)Tab.1 Sample parameters

由于樣品的高壓端和低壓端劣化較為嚴(yán)重，本文將絕緣子試品切割成3段，舍棄中間段傘裙(劣化較輕)，高壓端及低壓端傘裙均有不同程度的損壞，故選取高低壓端絕緣子段為研究對(duì)象，共分為6組。其中，高壓端標(biāo)號(hào)為B、低壓端標(biāo)號(hào)為A，分別記為A1、A2、A3、B1、B2、B3。劣化絕緣子傘裙如圖1所示。本文樣品主要狀態(tài)：A1和B1段芯棒老化損壞嚴(yán)重，有明顯的開裂現(xiàn)象，形成1道裂溝，靠近芯棒處有傘裙有穿孔痕跡、開裂老化以及缺口現(xiàn)象；A2和B2段頂部有裂口，芯棒比較完好，未出現(xiàn)損壞痕跡，僅少數(shù)小傘均出現(xiàn)裂口；A3和B3段芯棒基本完好，傘裙表面基本完好。

圖1 劣化絕緣子樣品Fig.1 Deteriorated insulator sample

1.2 人工閃絡(luò)試驗(yàn)流程

1.2.1 試驗(yàn)裝置

劣化絕緣子閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)在人工模擬平臺(tái)進(jìn)行，可在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行雨、霧等復(fù)雜氣候大氣環(huán)境的人工試驗(yàn)。劣化絕緣子閃絡(luò)試驗(yàn)電源由500 kV/2 000 kVA試驗(yàn)變壓器提供，變壓器短路電流可達(dá)75 A。電源滿足人工污染試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)電路如圖2所示。

圖2 交流試驗(yàn)電路Fig.2 AC test circuit

圖2中，T1為10 kV/2 000 kVA調(diào)壓器，T2為500 kV/2 000 kVA交流測(cè)試變壓器，C1和C2為電容器組成的電容分壓器F(10 000∶1)，R0為限流電阻，H為穿墻套管(500 kV)，r為電流取樣電阻，G為保護(hù)放電管(額定電壓5 V)，E為人工模擬平臺(tái)。

1.2.2 閃絡(luò)試驗(yàn)流程

(1)清洗與涂污。在試驗(yàn)開始時(shí)，用Na2PO3溶液仔細(xì)清潔所有樣品，以去除所有污垢和油脂的痕跡。然后，用純凈水徹底沖洗樣品，在室內(nèi)自然晾干，以避免灰塵或其他污染。采用固體層污法污染絕緣子。用硅藻土和氯化鈉模擬污染絕緣子上的惰性和導(dǎo)電成分。在試驗(yàn)中，不溶性物沉積密度是鹽沉積密度(SDD)的5倍。將硅藻土和氯化鈉在去離子水中完全混合，并涂抹在絕緣體上。模擬的污穢等級(jí)分別為0.03、0.05、0.10、0.15 mg/cm2。

(2)污穢層潤(rùn)濕。樣品經(jīng)過(guò)上述污染后，自然干燥24 h，垂直懸掛布置在人工模擬平臺(tái)。采用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽霧對(duì)受污染的絕緣子表面進(jìn)行潤(rùn)濕。噴嘴與絕緣子的距離為4～5 m。在試驗(yàn)期間，制冷系統(tǒng)將氣候室的溫度維持在30～35 ℃，大氣壓力保持在98.6 kPa。

(3)閃絡(luò)試驗(yàn)。在樣品的污層完全濕潤(rùn)時(shí)進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，以防止污絕緣子傘裙上的水落入地面，造成污穢流失。試驗(yàn)采用恒壓升降法，在同一類型樣品上至少進(jìn)行了6次有效試驗(yàn)。閃絡(luò)電壓按恒壓升降法變化，電壓設(shè)定在預(yù)期U50左右，然后若閃絡(luò)了，則降低5%的U50電壓，未閃絡(luò)則升高5%的U50電壓，最終可通過(guò)式(2)和式(3)計(jì)算U50和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ：

(2)

(3)

2 劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)特性

通過(guò)上述試驗(yàn)方法，得到了自然狀態(tài)下劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)特性，以及人工模擬污穢下的劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)特性。

2.1 自然狀態(tài)下的閃絡(luò)特性

采用上述1.2節(jié)方法對(duì)6支劣化程度不同的復(fù)合絕緣子進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以得出如下結(jié)論:①閃絡(luò)結(jié)果的柱狀圖誤差棒代表相對(duì)偏差，從圖3中的相對(duì)偏差可以看出，其偏差一般小于6%，劣化復(fù)合絕緣子自然狀態(tài)閃絡(luò)電壓的分散程度是可以接受的，說(shuō)明試驗(yàn)方法是合理的。②不同劣化程度的復(fù)合絕緣子在自然狀態(tài)下的閃絡(luò)特性差距較大。結(jié)合1.1節(jié)樣品的劣化狀態(tài)分析，隨著劣化程度的降低，閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。文中閃絡(luò)電壓最高的樣品為B3，閃絡(luò)電壓最低的樣品為A1，其中B3的閃絡(luò)電壓為A1的3.956 7倍。③對(duì)于6支絕緣子試品，其低壓端試驗(yàn)樣品污閃電壓明顯低于高壓端試驗(yàn)樣品，低33%～64%。其原因可能是絕緣子低壓端傘裙積污較為嚴(yán)重，污穢破壞了絕緣子表面的憎水性，降低了絕緣子的電氣性能，也有可能是低壓端樣品相對(duì)高壓端劣化嚴(yán)重，縮短了絕緣子的爬電距離。

圖3 自然狀態(tài)閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Natural state flashover results

2.2 劣化絕緣污穢閃絡(luò)特性

由前文分析可知，其低壓端試驗(yàn)段污閃電壓明顯低于高壓端試驗(yàn)段。因此，對(duì)于污穢試驗(yàn)，選取3段低壓端絕緣子段為試驗(yàn)樣品。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到3支絕緣子的前文所述a和n值。A1、A2和A3劣化絕緣子閃絡(luò)電壓結(jié)果和負(fù)冪函數(shù)擬合結(jié)果分別如圖4所示。從圖4中可以得出如下結(jié)論。

(1)圖4中污穢閃絡(luò)結(jié)果的相對(duì)偏差小于5.8%，劣化復(fù)合絕緣子污穢狀態(tài)閃絡(luò)電壓的分散程度亦是可以接受的。

(2)對(duì)于不同劣化程度的復(fù)合絕緣子，其閃絡(luò)電壓均隨著SDD的增加而降低。以A1為例，當(dāng)鹽密從0.03 mg/cm2增加為0.15 mg/cm2時(shí)，閃絡(luò)電壓從24.69 kV降低至15.62 kV，降低了36.74%。對(duì)于A3降低了42.08%。由此可見(jiàn)，污穢對(duì)輕度劣化絕緣子閃絡(luò)電壓影響較大。

(3)對(duì)于3支劣化復(fù)合絕緣子，負(fù)冪函數(shù)擬合優(yōu)度分別為0.972 1，0.972 3和0.969 6，擬合優(yōu)度均大于0.95,擬合優(yōu)度較高，說(shuō)明劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓和SDD之間依然滿足負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。且隨著劣化程度的降低，其冪函數(shù)常數(shù)a逐漸增加。

圖4 污穢閃絡(luò)結(jié)果Fig.4 Pollution flashover results

(4) 本文得到3支劣化復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)電壓計(jì)算公式，具體言之，冪函數(shù)常數(shù)a從8.480 3增加至18.944 0，指數(shù)在-0.348～-0.269。復(fù)合絕緣子劣化程度對(duì)閃絡(luò)電壓經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算具有重要影響。

3 結(jié)論

本文選取的樣品為運(yùn)行5～7年的220 kV FXBW-220/120復(fù)合絕緣子,進(jìn)行了劣化復(fù)合絕緣子的自然狀態(tài)污閃試驗(yàn)和人工污穢閃絡(luò)試驗(yàn)，研究主要得到如下結(jié)論。

(1)不同劣化程度的復(fù)合絕緣子在自然狀態(tài)下的閃絡(luò)特性差距較大，且隨著劣化程度的降低，閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。文中閃絡(luò)電壓最高的樣品為B3，閃絡(luò)電壓最低的樣品為A1。其中，B3的閃絡(luò)電壓為A1的3.956 7倍。

(2)對(duì)于6支絕緣子試品，其低壓端試驗(yàn)樣品污閃電壓明顯低于高壓端試驗(yàn)樣品，低33%～64%。

(3)對(duì)于不同劣化程度的復(fù)合絕緣子，其閃絡(luò)電壓均隨著SDD的增加而降低。以A1為例，當(dāng)鹽密從0.03 mg/cm2增加為0.15 mg/cm2時(shí)，閃絡(luò)電壓從24.69 kV降低至15.62 kV，降低了36.74%，對(duì)于A3降低了42.08%。由此可見(jiàn)，污穢對(duì)輕度劣化絕緣子閃絡(luò)電壓影響較大。

(4)劣化復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓和SDD之間依然滿足負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。本文擬合得到了得到3支劣化復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)電壓計(jì)算公式，擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著劣化程度的降低，其冪函數(shù)常數(shù)a逐漸增加。