寧夏地區(qū)換流站用絕緣子積污特性研究

何紫涵， 伍 弘， 郝金鵬， 朱靈芝， 胡秀雷

(1. 邁阿密大學文理學院，俄亥俄州 牛津 45056; 2. 國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750001;3. 重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶 400054)

0 引 言

高壓直流輸電在輸送相同功率時，線路的有功損耗較小、造價低、調節(jié)速度快、運行可靠以及能限制系統(tǒng)的短路電流，在遠距離輸電中優(yōu)勢明顯。換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)中電能變換的重要場所，在高壓直流輸電系統(tǒng)中起著重要作用[1-2]。在沙塵暴和霧霾等極端惡劣大氣條件下，換流站內絕緣子可能發(fā)生積污，導致其電氣性能下降，威脅換流站的安全運行。寧夏所屬地區(qū)地表形態(tài)復雜多樣，干旱少雨、風大沙多，霜凍、局地暴雨洪澇等災害性天氣比較頻繁[3]。和其他地區(qū)相比，寧夏地區(qū)絕緣子積污更嚴重，已積污的絕緣子無法靠自然的雨水沖刷來減緩。因此寧夏地區(qū)的換流站內絕緣子更易積污，引發(fā)污穢閃絡故障，威脅到電網的安全運行[4-5]。

近年來由污穢閃絡引起的輸電線路故障率降低，主要得益于電力部門采取了有效的防污和治污措施，而掌握絕緣子的積污現(xiàn)狀和積污特性是防污和治污的關鍵。為防止絕緣子污閃，許多學者對絕緣子積污特性和規(guī)律開展了廣泛的研究。文獻[6]研究了極干旱、半干旱、半濕潤、濕潤四種典型氣候下特高壓直流線路絕緣子長期積污特性。為不同環(huán)境下外絕緣設計的差異化選擇提供了參考。文獻[7]研究了支柱絕緣上下表面不均勻污穢對直流電壓的閃絡特性，其研究結果表明支柱絕緣子上下表面的不均勻污穢會影響最表層污穢的電導率，閃絡電壓也因為電導率的改變受到影響，為不均勻污穢閃絡電壓變化提供了理論依據；文獻[8]研究了電場對運行支柱絕緣子積污規(guī)律的影響，現(xiàn)場對支柱絕緣子的積污數(shù)據進行測試，運用仿真軟件對不同積污情況進行仿真，對于支柱絕緣子積污特性有一定的參考意義。文獻[9]研究了在無降雨的環(huán)境下絕緣子積污情況，絕緣子的結構和材質對積污的不同影響可以為無雨的絕緣子防污工作提供理論指導。文獻[10]基于圖像處理技術，研究了不同污穢度的絕緣子的形貌，找到了兩種聯(lián)合判據更加精準地掌握復合絕緣子污穢的情況。文獻[11]采用了人工積污試驗和仿真分析模型，研究了重污少雨環(huán)境下長棒形瓷絕緣子積污特性，對徐州地區(qū)少雨環(huán)境中絕緣子防污工作提供了理論指導。文獻[12]對寧夏典型地區(qū)的輸電桿塔的復合絕緣子與瓷絕緣子的積污特性做了測量和對比分析，為積污嚴重地區(qū)的絕緣子選擇提供了指導。

絕緣子的積污過程較為復雜，絕緣子結構、絕緣子材質、電壓類型和各種環(huán)境因素等都會對絕緣子表面的積污造成一定的影響。而絕緣子的性能的衰退會造成絕緣劣化，威脅電網安全運行[13]。目前，許多學者對絕緣子積污做了很多研究，但對于寧夏地區(qū)特殊環(huán)境下的絕緣子積污研究較少，而換流站作為電能變換的重要場所，站中有不同種類的絕緣子的積污特性還未有系統(tǒng)的研究，絕緣子積污特性的規(guī)律影響到防污治污的工作。處于我國西北內陸的寧夏地區(qū)換流站內的交直流絕緣子積污特性還需要進一步的研究。本文研究了寧夏地區(qū)一處換流站積污一年的站用絕緣子的積污特性，對站內普通支柱絕緣子、中性場支柱絕緣子、穿墻套管、避雷器和互感器進行現(xiàn)場積污特性測試和仿真分析研究，獲得了換流站內絕緣子積污特性和規(guī)律。本文的研究結果可以為寧夏地區(qū)換流站站內絕緣子防污工作提供參考。

1 絕緣子污穢取樣及污穢度測試方法

1）污穢取樣方法

絕緣子污穢的取樣方法可以分為直接取樣和間接取樣，直接取樣是將絕緣子更換下來之后按照標準進行測試，間接取樣是用取樣布取樣進行測試。

對于低電壓等級輸電線路，宜采用直接取樣，通過更換絕緣子串中的單片絕緣子來獲得絕緣子污穢樣品。在超高壓、特高壓直流線路中，所使用的是大噸位絕緣子，絕緣子質量比較大，絕緣子的更換耗時，技術難度較大，一般采用間接取樣。本文采用間接取樣的方法對換流站的交直流絕緣子進行污穢測量，即采用絕緣子污穢取樣布來采集污穢，將現(xiàn)場采集的積污樣本保存并且在實驗室對樣本進一步測量與研究。

2）污穢度測試方法

交、直流絕緣子污穢測量最常用的方法均為等值附鹽密度法，即分別對污穢的鹽密和灰密進行測量。等值附鹽密度常簡稱為等值鹽密（ESDD）或灰密（NSDD），由于部分絕緣子需要到現(xiàn)場采污，因此把等值附鹽密度法中的水洗絕緣子表面更換為采樣布擦拭。本文污穢度測量標準按照國家標準GB 26218.1—2010《污穢條件下使用的高壓絕緣子選擇和尺寸》進行。①將脫脂棉花浸入200 cm3水中（水的電導率小于0.001 S/m）；②壓擠棉花分別擦洗絕緣子上表面和下表面；③擠壓棉花，使污穢物溶解在水中。當?shù)攘康葴氐暮鄯x物溶液和NaCl溶液的電導率相等時，NaCl的量即等效為污層鹽量。

式中：ESDD——等值鹽密，mg/cm2；

Wo——NaCl中等值鹽量，g；

A——被擦拭絕緣子污穢的表面積，m2。

等值灰密的測量，需要將清洗污液進行過濾，為了加速過濾過程，試驗中使用灰密測量儀器，能夠利用真空泵加速過濾過程，并對難溶物進行烘干和精確稱量。

式中：NSDD——等值灰密，mg/cm2；

Wf——干燥條件下含污穢過濾紙的質量，g；

Wi——干燥條件下過濾紙自身的質量，g；

A——被擦拭絕緣子污穢的表面積，m2。

本文在寧夏某換流站內進行±660 kV穿墻套管污穢測試，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 ±660 kV穿墻套管現(xiàn)場圖

2 站用絕緣子積污特性分析

2.1 ±660 kV穿墻套管沿串積污特性

換流站內±660 kV直流穿墻套管一半安裝在戶內，一半安裝在戶外，安裝在戶外的穿墻套管積污較嚴重，故對±660 kV外側穿墻套管沿串的ESDD和NSDD進行測試。對沿串的ESDD和NSDD進行二次擬合得到變化趨勢和套管上、下表面的污穢度如圖2和圖3所示。

圖2 沿串污穢度分布

由圖2和圖3可知，穿墻套管沿串的污穢度具有明顯的特征，ESDD和NSDD的上表面和下表面經二次擬合得出的相關系數(shù)分別為0.985 6、0.864 6、0.981 1和0.915 1。上表面受傘裙編號、高低壓端影響密切；下表面受電場強度分布的影響較小，尤其是ESDD下表面?！?60 kV穿墻套管的等值鹽密和等值灰密整體積污分布規(guī)律基本一致。其ESDD和NSDD分布曲線的趨勢差異不大，波動幅度也基本一致。高壓端電場強度最高，不同部位的場強差異導致污穢度分布不均勻，電場的集塵效應影響著污穢物的分布[14]，污穢物的分布也會使電場發(fā)生畸變，污穢物的分布與電場作用相互影響。在靠近出線高壓端的位置高于中壓端和低壓端的位置，且上表面高于下表面，套管沿串呈現(xiàn)U型分布。考慮到穿墻套管放置的方式接近水平，上下表面的差異應該是傘裙朝向導致。

圖3 ±660 kV穿墻套管污穢度

2.2 330 kV互感器沿串積污特性

本文對換流站內330 kV互感器的硅橡膠護套進行了沿串污穢度的測試。該電流互感器的結構由大小傘裙構成，分別測試了大、小傘裙的上、下表面的污穢度，并對其沿串的分布進行分析。對電流互感器沿串的污穢度進行二次擬合得到的污穢度分布特點如圖4所示。

從圖4中可知，電流互感器沿串的鹽密分布比較均勻，大傘裙的等值鹽密分布于0.13～0.14 mg/cm2，小傘裙的等值鹽密分布于0.08～0.10 mg/cm2?；颐芊植汲尸F(xiàn)微弱的倒U型分布，大傘裙的灰密分布于 0.3～0.4 mg/cm2，小傘裙的灰密分布于 0.4～0.6 mg/cm2。其中經二次擬合得到互感器ESDD和NSDD的上表面和下表面的相關系數(shù)分別為0.980 6、0.252 9、0.942 5和 0.169 5。上表面的積污在一定程度上受電場分布影響；下表面的積污與電場分布相關性不大。

圖4 330 kV電流互感器沿串污穢分布

330 kV互感器高壓端、中壓端和低壓端的污穢度如圖5所示。小傘裙的等值鹽密和灰密都比大傘裙大?；ジ衅鞯钠骄戎蝶}密大于等值灰密，可能是該型號絕緣子的硅橡膠吸附可溶鹽的能力較強。小傘裙被大傘裙遮擋，受風力作用較弱，由于寧夏地區(qū)少雨干旱，也無法受到雨水沖刷的作用，因此可能導致小傘裙的ESDD和NSDD較高。330 kV互感器的等值鹽密和等值灰密在不同位置的污穢度差異無明顯的規(guī)律。

圖5 330 kV互感器不同位置污穢度對比

2.3 330 kV避雷器套管積污特性

避雷器是換流站中免受雷擊過電壓和操作過電壓而引起故障的重要設備，絕緣子積污會導致其絕緣性能的下降，易發(fā)生污閃事故。為了探究避雷器（大小傘裙結構）的積污特性，本文分別對大傘和小傘的上表面和下表面進行污穢度的測試，得到高壓端、中壓端和低壓端的ESDD和NSDD如圖6所示。

圖6 330 kV避雷器不同位置污穢度對比

避雷器上下表面污穢度對比如圖7所示，330 kV避雷器套管傘裙較密集，污穢易在傘裙間積聚，導致整體的污穢度較高。從圖中可以看出，在同一個避雷器設備上，上下表面的污穢度雖略有差別，但無一致性的規(guī)律，不同位置小傘裙的污穢度都高于大傘裙。小傘的等值鹽密和灰密都略高于大傘裙，小傘裙隱蔽在大傘裙之間，受到降雨、風等因素的影響小，因此污穢容易在小傘裙上得以保留。

圖7 避雷器上下表面污穢度對比

2.4 330 kV支柱絕緣子套管積污特性

本文對330 kV支柱絕緣子進行污穢度測試，得到330 kV支柱絕緣子高壓端、中壓端和低壓端的ESDD和NSDD值如圖8所示。在高壓端和低壓端部位，支柱絕緣子大傘裙的等值鹽密高于小傘裙，支柱絕緣子的大傘裙的等值灰密普遍高于小傘裙，并且沿串分布比較均勻。

圖8 330 kV支柱絕緣子積污特性對比

2.5 中性場支柱絕緣子套管積污特性

中性場支柱絕緣子是換流站內特殊的一組絕緣子，運行電壓低于換流站內其他交直流的輸變電設備。本文對換流站中性場的支柱絕緣子的高壓端、中壓端和低壓端進行了污穢度的測試。測試絕緣子的ESDD和NSDD如圖9所示。

圖9 支柱絕緣子污穢度對比

換流站中的中性場的支柱絕緣子一年清掃一次，絕緣子整體傘裙間距較大，因此所測得的污穢度較低。從圖中可以看出，在為期一年的積污中，對比發(fā)現(xiàn)中性場支柱絕緣子下表面的等值鹽密高于上表面，而上下表面的等值灰密比較接近。絕緣子沿串高壓端、中壓端和低壓端的污穢度也比較相似，受電場的影響較小。

2.6 站內絕緣子積污特性分析

為了更直觀展現(xiàn)換流站內絕緣子的積污特性，本文將站內絕緣子的上下表面污穢度作對比分析，如圖10所示?？梢钥闯?，交流絕緣子傘裙下表面比上表面更易積污，直流絕緣子傘裙上表面比下表面更易積污。絕緣子的污穢物沉積主要受到電場力、風力和重力的共同作用，由于交流絕緣子污穢物的運動受到交變電場力的作用，顆粒物運動和受到恒定的電場力作用的直流絕緣子相比更頻繁，且直流套管管徑較大，傘裙伸出較短導致直流絕緣子的等值鹽密和灰密基本低于交流絕緣子；換流站內避雷和支柱絕緣子較站內其他絕緣子更易積污。由于寧夏地區(qū)的特殊環(huán)境，絕緣子的積污未受到雨水沖刷的效果，較其他地區(qū)的換流站更易積污。

圖10 換流站內上下表面污穢度對比

3 換流站內套管積污特性仿真分析

為了進一步驗證現(xiàn)場積污情況所得出的結論，選擇換流站中交流互感器和直流穿墻套管作為代表來進行仿真分析。建模仿真分析互感器和穿墻套管的污穢物顆粒的運動軌跡，得出的積污特性規(guī)律再與和現(xiàn)場積污所得出的規(guī)律對比是否一致，以驗證現(xiàn)場采集的積污數(shù)據的有效性。

3.1 仿真模型與計算條件

1）交、直流套管模型

以交流330 kV瓷套管電流互感器為例，建立相應交流套管仿真模型。瓷套管絕緣距離3 400 mm，爬電距離12 380 mm，直徑300 mm，仿真模型簡化了安裝底座和互感器本體；以直流±660 kV出線復合套管為例，建立相應直流套管仿真模型。出線套管室外部分絕緣距離9 575 mm，爬電距離42 500 mm，外徑816 mm。傘裙為大小傘結構，大傘傘裙伸出95 mm，小傘傘裙伸出75 mm。均壓環(huán)外徑2 200 mm，直徑600 mm。套管的三維模型如圖11所示。

圖11 套管三維模型

2）流場計算域與計算條件

瓷套管和復合套管都為上下等徑結構，傘裙沿套管軸向方向具有周期性特點，即一大一小傘裙為一組，上下組傘裙幾何結構相同。因此可認為傘裙附近流場也具有周期性特點，計算流場時不需要包含大量的傘裙結構，建立的流場計算域包裹了兩組共4片大小傘裙。因為套管柱型結構也具有左右對稱性，計算域也只需包裹1/2套管柱面。計算域上下表面設置為平移周期性邊界條件，與套管軸向截面重合的計算域側表面設置為對稱邊界條件。330 kV瓷套傘裙和±660 kV出線復合套管傘裙附近流場計算域分別如圖12所示。

圖12 傘裙附近流場計算域

空氣來流方向垂直于套管軸線，來流速率3 m/s，氣流出口為零壓力擴散條件。湍流場采用穩(wěn)態(tài)求解方式。加入離散相顆粒模擬污穢粉塵在傘裙附近的運動和碰撞吸附，離散相顆粒直徑20 μm，套管柱面和傘裙表面設置為顆粒捕捉表面，計算域的其他面為顆粒逃逸表面，當離散相顆粒與傘裙表面接觸時，即停留在接觸位置。

3.2 仿真計算結果分析

330 kV瓷套管傘裙和±660 kV復合套管傘裙附近顆粒運動軌跡如圖13所示。圖中顆粒軌跡的顏色代表顆粒運動速度。從圖中可以看出，無論是瓷套管還是復合套管，其寬大的套管本體對顆粒物運動軌跡造成了很大程度的偏轉，套管直徑越大，造成的顆粒運動偏轉越強烈。

圖13 傘裙附近顆粒運動軌跡

部分顆粒物與套管傘裙發(fā)生正面碰撞，滯留在傘裙迎風面；另一部分顆粒物會隨著空氣湍流繞行至背風面?zhèn)闳垢浇暂^低的速度與背風面?zhèn)闳拱l(fā)生接觸。直流復合套管管徑更大，在背風側形成了長度更長，寬度更大的湍流區(qū)，而交流瓷套管附近的顆粒運動速度比直流套管附近的稍大。

3.3 套管積污特性分析

330 kV交流瓷套管和±660 kV直流復合套管接觸的顆粒物分布情況分別如圖14和圖15所示，圖中紫色、藍色的色塊即表示污穢顆粒與傘裙接觸的區(qū)域。流場仿真加入了離散相顆粒，顆粒運動軌跡分析結果表明，與330 kV瓷套管發(fā)生接觸的顆粒物多數(shù)分布在傘棱迎風面和傘裙下表面；與±660 kV復合套管發(fā)生接觸的顆粒物在傘裙上、下表面均有廣泛接觸，且迎風面?zhèn)闳股系念w粒多于背風面。

圖14 330 kV瓷套管表面接觸顆粒分布

圖15 ±660 kV瓷套管表面接觸顆粒分布

為了更直觀地量化對比交直流套管傘裙的積污特性，提出顆粒沉積率這一特征參數(shù)。顆粒沉積率與顆粒接觸概率類似，也是間接表示傘裙表面的積污程度，用于對比大、小傘，上、下表面的積污差異。顆粒沉積率的單位為kg/（m2·s），表示單位時間內，單位面積上所接觸顆粒物的質量。

330 kV瓷套管大小傘裙，±660 kV復合套管大小傘裙上下表面的污穢顆粒沉積率如圖16所示。顆粒物的運動受到電場力、風力以及重力的綜合作用。直流套管的幾何結構特點是套管管徑大，傘裙伸出短，無傘棱。顆粒物由于重力下沉的較少，±660 kV復合套管的小傘裙和下表面平均積污程度較重。330 kV瓷套管瓷面棱槽多,瓷面粗糙，不利于風速通過，易形成旋渦，因此下表面的積污程度也較嚴重。330 kV瓷套管和±660 kV復合套管的仿真數(shù)據呈現(xiàn)的規(guī)律與實測數(shù)據所體現(xiàn)出來的是相符的。其中，絕緣子的積污規(guī)律的差異與絕緣子的結構型式和電場分布等存在一定關系。

圖16 套管傘裙表面顆粒沉積率

4 結束語

本文通過現(xiàn)場取樣對換流站用絕緣子積污特性進行測試分析，并建立三維仿真模型，分析了套管形狀參數(shù)對其積污的影響規(guī)律，得到以下主要結論：

1）直流穿墻套管積污受電場影響較大，高壓端均壓環(huán)附近污穢度明顯增加，套管沿串呈現(xiàn)U型分布，高壓端和低壓端污穢度高于中壓端。

2）垂直放置的支柱類絕緣設備沿串的污穢度受電場影響較小，污穢分布比較平均不同部位的污穢度基本一樣。

3）在同一支柱上，小傘裙的污穢度高于大傘裙的污穢度；傘間距小的支柱絕緣子，污穢容易積累在傘裙之間，導致污穢度高。