不同外絕緣材料避雷器表面自然積污規(guī)律研究

師 偉，盧思翰，張 皓，李鵬飛，李 杰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國家電力投資集團(tuán)，北京 100032）

0 引言

變電站設(shè)備的外絕緣要求在大氣過電壓、內(nèi)部過電壓和長期運(yùn)行電壓下均能可靠運(yùn)行，但沉積在電力設(shè)備外絕緣表面的污穢層在雨、雪、霧等惡劣氣象條件的作用下會提高外絕緣表面的電導(dǎo)率，使電力設(shè)備外絕緣的電氣強(qiáng)度大大降低，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)外絕緣在運(yùn)行電壓下發(fā)生污穢閃絡(luò)，造成停電事故。為避免和減少變電站設(shè)備污穢事故給電力系統(tǒng)帶來的危害，須研究設(shè)備表面污穢分布特性，對其外絕緣配置進(jìn)行驗(yàn)證，以尋求防止污閃事故發(fā)生的改良措施［1-5］。學(xué)者們對設(shè)備外絕緣積污特性研究通常采用自然積污試驗(yàn)、人工污穢試驗(yàn)和仿真模擬等方式，其中，自然積污試驗(yàn)耗時一般較長，通過對已經(jīng)積污過的外絕緣表面的污穢度進(jìn)行測量，根據(jù)污穢度對影響外絕緣積污程度的相關(guān)因素進(jìn)行分析，其結(jié)果可以直觀真實(shí)地反映設(shè)備外絕緣積污規(guī)律，由該方式得出的相關(guān)結(jié)論是標(biāo)準(zhǔn)制修訂的重要依據(jù)，也為電力設(shè)備外絕緣設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供了重要參考；人工污穢試驗(yàn)的試驗(yàn)條件控制方便、試驗(yàn)耗時短，但涂污方式相對較為簡單，由此得到的試驗(yàn)結(jié)論和實(shí)際運(yùn)行中設(shè)備積污情況的等效性有待商榷，多用來開展外絕緣積污影響因素的針對性研究；仿真模擬是一種較為高效的輔助研究方法，得到的結(jié)論一般需要通過自然積污試驗(yàn)或人工污穢試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

金屬氧化物避雷器性能的優(yōu)劣直接影響電力系統(tǒng)過電壓和絕緣配合，關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。作為輸變電設(shè)備外絕緣保護(hù)中必須面臨的一個特殊問題，表面積污情況對避雷器運(yùn)行可靠性有重要影響，并且由于內(nèi)部閥片的存在，避雷器在污穢條件下的運(yùn)行工況更加復(fù)雜，如果避雷器的耐污能力設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致避雷器的外絕緣閃絡(luò)或內(nèi)部失去熱平衡，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。近年來，與避雷器表面積污特性相關(guān)的研究主要集中在人工污穢試驗(yàn)、污穢條件下避雷器性能仿真等方面。涉及避雷器人工污穢試驗(yàn)方法的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要有3 個：IEC 60099-4 附錄F 規(guī)定的固體層法［6］和鹽霧法、IEEE Std C 62.11 規(guī)定的不均勻污穢法［7］以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032 中規(guī)定的均勻污穢法［8］。學(xué)者們基于這3個標(biāo)準(zhǔn)開展了人工污穢條件下復(fù)合外套避雷器或瓷外套避雷器的相關(guān)性能研究［9-13］。然而，人工污穢試驗(yàn)中針對復(fù)合外套避雷器或瓷外套避雷器的外絕緣傘裙上表面和下表面均按同一配置污漿進(jìn)行涂污，未考慮不同外絕緣材料避雷器表面污穢分布的差異化影響。同樣，對于污穢條件下避雷器性能的仿真研究，也鮮有區(qū)分避雷器不同位置表面積污分布的差異［14-15］。目前國內(nèi)外學(xué)者對避雷器在運(yùn)行狀態(tài)下的自然積污特性試驗(yàn)相對較少，避雷器表面污穢分布情況一般參照支柱絕緣子的實(shí)測數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［16］對特高壓淮南站主變壓器1 000 kV 側(cè)瓷外套避雷器表面自然污穢分布情況進(jìn)行了研究，指出避雷器絕緣傘裙的位置會影響其表面的積污程度；文獻(xiàn)［17］開展的自然積污試驗(yàn)研究表明，降雨和帶電情況會影響絕緣子表面污穢的積聚，且污穢中70%～80%的可溶鹽是溶解度很低的硫酸鈣；文獻(xiàn)［18］對站內(nèi)支柱絕緣子表面自然積污進(jìn)行了現(xiàn)場測試，指出帶電情況下絕緣子不同位置傘裙積污情況存在差異，且上表面積污普遍比下表面嚴(yán)重。鑒于避雷器表面自然污穢分布情況可以真實(shí)地反映實(shí)際運(yùn)行中避雷器外絕緣積污特性，對避雷器表面自然積污規(guī)律的研究有助于制定合理的避雷器人工污穢試驗(yàn)方法，提高耐污型避雷器的設(shè)計(jì)水平，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價值。

避雷器按外絕緣材料劃分為復(fù)合外套避雷器和瓷外套避雷器，在污穢情況較嚴(yán)重地區(qū)，瓷外套避雷器一般在其表面噴涂RTV以提高其外絕緣性能［19-20］。為掌握不同外絕緣材料避雷器表面在自然條件下的積污規(guī)律，在某特高壓變電站選取了1 000 kV 主變壓器1 000 kV側(cè)復(fù)合外套避雷器與500 kV噴涂RTV瓷外套避雷器作為積污試驗(yàn)點(diǎn)，對避雷器不同位置處的表面污穢進(jìn)行采樣和分析，為深入研究污穢條件下的避雷器性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)采樣點(diǎn)

某特高壓交流變電站為山東電網(wǎng)首座裝有1 000 kV復(fù)合外套避雷器的變電站，站內(nèi)1 000 kV避雷器為復(fù)合外套避雷器，500 kV 避雷器為噴涂RTV的瓷外套避雷器，避雷器絕緣配置具有一定代表性，且投運(yùn)時間相對較長。選取該特高壓站作為試驗(yàn)點(diǎn)，該站所處區(qū)域的污染源主要是郊區(qū)工廠排放的粉塵、農(nóng)田施肥等。在站內(nèi)1 000 kV 主變壓器停電檢修期間，試驗(yàn)人員分別選取主變壓器高壓側(cè)一支1 000 kV 復(fù)合外套避雷器和中壓側(cè)一支500 kV 噴涂RTV 的瓷外套避雷器作為研究對象進(jìn)行表面污穢采集工作，這兩支避雷器的自然積污周期均為1 年。1 000 kV 復(fù)合外套避雷器由4節(jié)元件串聯(lián)而成，為區(qū)分自上而下編號依次為Ⅰ—Ⅳ，500 kV 噴涂RTV 的瓷外套避雷器由3 節(jié)元件串聯(lián)而成，自上而下編號依次為Ⅰ—Ⅲ，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場避雷器

避雷器污穢收集采取分組且傘裙上、下表面區(qū)分的方式進(jìn)行，傘裙面朝上部分規(guī)定為上表面，傘裙面朝下部分規(guī)定為下表面。從1 000 kV 復(fù)合外套避雷器的每個元件自上而下均勻選取5 個傘裙作為一組取樣點(diǎn)，4 節(jié)元件共計(jì)20 個傘裙取樣點(diǎn)，自上而下編號依次為1—20，每個取樣點(diǎn)的傘裙上表面和下表面污穢分開取樣，1 000 kV 復(fù)合外套避雷器傘裙表面積如表1 所示；從500 kV 噴涂RTV 瓷外套避雷器的每個元件自上而下均勻選取4 個傘裙作為一組取樣點(diǎn)，3 節(jié)元件共計(jì)12 個傘裙取樣點(diǎn)，自上而下編號依次為1—12，每個取樣點(diǎn)的傘裙上表面和下表面污穢分開取樣，500 kV 噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙表面積如表2所示。

表1 1 000 kV復(fù)合外套避雷器絕緣傘裙參數(shù)

表2 500 kV噴涂RTV瓷外套避雷器絕緣傘裙參數(shù)

2 污穢測量

設(shè)備外絕緣自然污穢的污穢度通常用等值鹽密和灰密表示，等值鹽密為單位絕緣表面上的等值附鹽量，電導(dǎo)率等同于溶解后絕緣表面自然污穢水溶物的鹽量與絕緣表面面積之比；灰密為絕緣表面上清洗的不溶于水的殘留物總量除以表面積。本文采用IEC 60815-1 推薦的污穢采樣和測量方法［21］對自然條件下避雷器表面污穢的等值鹽密和灰密進(jìn)行測量，并采用DL/T 1884.3 推薦的離子色譜法［22］對污穢中離子成分進(jìn)行分析。

2.1 等值鹽密、灰密測量

測量避雷器表面等值鹽密和灰密的主要工具如表3所示。

表3 主要工具和試劑

取樣時，戴好清潔的醫(yī)用手套用污穢專用采樣布分別擦拭避雷器取樣點(diǎn)上下表面至清潔，將擦拭完的采樣布放回容器內(nèi)并做好標(biāo)記。在容器中放入與避雷器取樣點(diǎn)表面積相對應(yīng)的適量蒸餾水對采樣布進(jìn)行清洗，通過搖擺和擠壓使污穢物溶于水中，蒸餾水用量如表4所示。

表4 蒸餾水用量與取樣點(diǎn)表面積對應(yīng)關(guān)系

將清洗完采樣布的液體攪拌10～15 min，至可溶性污穢充分溶解，得到污穢溶液，采用直讀式等值鹽密測量儀測量污穢溶液的等值鹽密，該測量儀原理是通過測量污穢溶液的電導(dǎo)率，將其代入IEC 60815-1 推薦的等值鹽密計(jì)算公式得到污穢的等值鹽密。由于一定鹽量水溶液的電導(dǎo)率隨溫度變化而變化，需將實(shí)驗(yàn)溫度下測到的電導(dǎo)率換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的電導(dǎo)率。

為防止濾紙?jiān)诳諝庵械奈鼭褡饔?，先將濾紙放入干燥箱中烘干，試驗(yàn)中保持干燥箱內(nèi)溫度為95～100 ℃，取出后迅速放入高精度電子天平中，待示值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)m0，單位為g；等值鹽密測量完成后，通過漏斗和預(yù)先干燥并稱重的濾紙過濾污穢溶液，將過濾后含有污穢的濾紙放入干燥箱中烘干，再次放入高精度電子天平中測量，讀數(shù)m1，單位為g，則灰密可通過式（1）計(jì)算。

式中：ρNSDD為避雷器表面灰密，mg/cm2；A為避雷器取樣點(diǎn)傘裙表面積，cm2。

2.4 化學(xué)成分測定

污穢中成分測定的主要工具和試劑有離子色譜儀（色譜柱分離能力R≥1.3）、0.45 μm 一次性針筒微膜過濾器、單一離子儲備液（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-等）、淋洗液（酒石酸和草酸）等。

將得到的污穢溶液進(jìn)行高速離心處理，待上層清液與下層不溶物完全分離后，使用干凈的一次性針筒抽取約4 mL上層清液，透過0.45 μm微膜過濾器注射約1.5 mL液體至潔凈的樣品瓶中，采用離子色譜法對上層清液中陽離子、陰離子的濃度進(jìn)行測定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 等值鹽密、灰密

根據(jù)上述污穢測量方法，得到自然條件下避雷器取樣點(diǎn)上表面和下表面的等值鹽密及灰密，測量結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 復(fù)合外套避雷器取樣點(diǎn)表面污穢度

圖3 噴涂RTV瓷外套避雷器取樣點(diǎn)表面污穢度

可以看出，復(fù)合外套避雷器傘裙上表面和下表面等值鹽密的分布范圍分別為0.029～0.055 mg/cm2和0.040～0.053 mg/cm2，灰密的分布范圍分別為0.253～0.455 mg/cm2和0.107～0.307 mg/cm2；瓷外套避雷器傘裙上表面和下表面等值鹽密的分布范圍分別為0.042～0.058 mg/cm2和0.042～0.057 mg/cm2，灰密分布范圍分別為0.224～0.424 mg/cm2和0.186～0.465 mg/cm2。無論是復(fù)合外套避雷器還是噴涂RTV 瓷外套避雷器，其等值鹽密和灰密的較大值在避雷器兩端位置附近，而最小值均在避雷器中間位置附近，整體上呈“中間低、兩頭高”的特點(diǎn)，與文獻(xiàn)［16］中瓷外套避雷器自然污穢分布趨勢一致；避雷器積污情況與其高壓端附近電場強(qiáng)度較高、接地端次之、中間位置相對較低的空間電場分布規(guī)律有一定相關(guān)性［23］，表明避雷器在運(yùn)行過程中受電場集塵效應(yīng)影響，不同位置處的場強(qiáng)差異導(dǎo)致避雷器表面污穢分布不均勻。值得一提的是，以往學(xué)者們在人工污穢試驗(yàn)中，一般對整支避雷器統(tǒng)一均勻涂污，或采用上半部分潔凈、下半部分涂污等相對簡單、從嚴(yán)考慮的方式，與自然條件下避雷器表面污穢分布的等價性有待商榷。

3.2 污穢不均勻度

進(jìn)一步分析了避雷器取樣點(diǎn)污穢不均勻度，傘裙上表面和下表面等值鹽密之比，用不均勻系數(shù)KESDD表示，而傘裙上表面和下表面灰密之比，用不均勻系數(shù)KNSDD表示，自然條件下避雷器各取樣點(diǎn)的污穢不均勻度如圖4—圖5所示。

圖4 復(fù)合外套避雷器表面污穢不均勻度

圖5 噴涂RTV瓷外套避雷器表面污穢不均勻度

由圖4 可以看出，復(fù)合外套避雷器傘裙表面的等值鹽密不均勻系數(shù)較小，KESDD在0.6～1.2 之間，其均值約為1；而灰密的不均勻系數(shù)相對較大，KNSDD在1.6～3.1之間，其均值約為2，即傘裙上表面的灰密約為下表面灰密的2 倍?？赡艿脑?yàn)楸芾灼鞯纳隙藶? 000 kV 高壓電極導(dǎo)致傘裙上表面更容易積灰，同時上表面受到雨水沖刷、硅橡膠憎水性等因素的影響，其等值鹽密與下表面的測量結(jié)果較為接近。

由圖5 可以看出，噴涂RTV 瓷外套避雷器表面的等值鹽密、灰密不均勻系數(shù)較小，其均值都約為1，即傘裙上表面與下表面污穢情況近似一致，可能的原因?yàn)楸芾灼鞯纳隙藶?00 kV 高壓電極，在電場作用下傘裙上表面容易積灰，同時傘裙下表面所受雨水沖刷作用較弱。

人工污穢試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定污漿的體積電阻率應(yīng)控制在400～500 Ω·cm，絕緣傘裙采用同一配置污漿進(jìn)行涂污，其上、下表面污穢程度較為一致；而自然條件下避雷器表面污穢受多種因素的影響，絕緣傘裙上、下表面污穢分布可能存在差異。從本文的測量結(jié)果來看，自然條件下復(fù)合外套避雷器絕緣傘裙上表面的灰密遠(yuǎn)大于下表面。

3.3 灰鹽比

灰鹽比定義為同一表面灰密與等值鹽密的比值，避雷器各取樣點(diǎn)的灰鹽比如圖6和圖7所示。

圖6 復(fù)合外套避雷器取樣點(diǎn)位置灰鹽比

圖7 噴涂RTV瓷外套避雷器取樣點(diǎn)位置灰鹽比

從圖6可以看出，自然條件下復(fù)合外套避雷器傘裙上表面灰鹽比分布在7.0～11.6之間，下表面灰鹽比分布在2.5～5.8之間，上表面的灰鹽比約為下表面灰鹽比的2倍。對于復(fù)合外套避雷器，建議在人工污穢試驗(yàn)中對傘裙上表面和下表面所涂污漿進(jìn)行區(qū)分配置。

從圖7 可以看出，自然條件下噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上表面灰鹽比分布在5.0～9.0 之間，下表面灰鹽比分布在4.4～8.8 之間，其均值都約為6，上表面灰鹽比與下表面的灰鹽比相差不大。對于噴涂RTV 瓷外套避雷器，在人工污穢試驗(yàn)中對傘裙上表面和下表面所涂污漿可統(tǒng)一配置。

3.4 污穢成分

為分析避雷器表面污穢的化學(xué)成分，采用離子色譜法對表面污穢溶解液中的陽離子和陰離子成分濃度進(jìn)行了測量。以自然條件下1 000 kV 復(fù)合外套避雷器表面污穢為樣本進(jìn)行研究，測量結(jié)果如圖8所示，其中污穢陽離子和陰離子僅展示濃度最高的3種成分。

圖8 復(fù)合外套避雷器主要污穢成分濃度

如圖8 所示，避雷器污穢溶液中陽離子主要有Ca2+、Na+、Mg2+，陰離子主要有SO42-、NO3-、Cl-；其中，Ca2+的濃度遠(yuǎn)大于其他幾種陽離子的濃度，SO42-的濃度遠(yuǎn)大于其他幾種陰離子的濃度，且Ca2+和SO42-的含量存在一定相關(guān)性，可知CaSO4為主要成分之一。污穢溶液中亦含有較多的NO3-、Cl-和Na+，說明試樣污穢中含有NaCl和NaNO3，經(jīng)過雨季沖刷后，相較于難溶性的CaSO4，NaCl、NaNO3等易溶性鹽的含量較少。

人工污穢試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定污漿采用的可溶物質(zhì)是易溶于水的一價鹽NaCl，而自然污穢中含有多種鹽類，且以不易溶于水的二價鹽CaSO4為主，由于避雷器絕緣傘裙表面能附著的水分較少，則鹽種類的差異導(dǎo)致人工污穢和自然污穢對表面污層電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)不一樣，可能引起絕緣污閃電壓不一致。

4 結(jié)語

復(fù)合外套避雷器和噴涂RTV瓷外套避雷器的高壓端和接地端積污較為嚴(yán)重，而中間部分積污相對較輕，污穢分布整體呈“中間低、兩頭高”的特點(diǎn)。

復(fù)合外套避雷器傘裙上、下表面等值鹽密較為接近，而上表面的灰密及灰鹽比約為下表面灰密及灰鹽比的2 倍；噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上、下表面的積污程度近似一致。在人工污穢試驗(yàn)中，復(fù)合外套避雷器傘裙上、下表面所涂污漿建議區(qū)分配置，噴涂RTV 瓷外套避雷器傘裙上、下表面所涂污漿可統(tǒng)一配置。

試驗(yàn)選取變電站的避雷器表面污穢主要成分之一是難溶性的CaSO4，而NaCl、NaNO3等易溶性鹽的含量較少。

避雷器表面自然污穢與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中人工污穢在污穢不均勻度、鹽的種類等方面存在差異，避雷器人工污穢試驗(yàn)與自然污穢試驗(yàn)的等價性需要進(jìn)一步研究。