交流電壓下污穢成分對(duì)瓷絕緣子泄漏電流及閃絡(luò)電壓的影響研究

王勝輝， 王璽銘， 李 楠

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)保定供電公司，河北 保定 071051)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高壓電力設(shè)備安全性愈加重要,工農(nóng)業(yè)污染物在大氣中的含量不斷增加,成分也日趨復(fù)雜。污閃事故不僅與絕緣子的爬電比距、串長(zhǎng)以及環(huán)境因素有關(guān),還與表面污穢成分有著密切關(guān)系[1]。濕潤(rùn)污穢的絕緣子放電現(xiàn)象是一個(gè)涉及電、熱和化學(xué)因素的復(fù)雜過(guò)程,隨著環(huán)境濕度升高,污穢中可溶性電解質(zhì)開(kāi)始溶解,污層電導(dǎo)率增加,進(jìn)而影響到污閃電壓。

針對(duì)污穢層的受潮和放電特性,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相關(guān)研究,文獻(xiàn)[2]分析了污閃電壓與污穢成分間的關(guān)系,并為用等值鹽密進(jìn)行污穢度評(píng)估提出了修正思路;文獻(xiàn)[3]研究了在不同污穢成分下XP-160瓷絕緣子的污穢閃絡(luò)特性,得出了絕緣子表面電導(dǎo)率在不同污穢成分下的影響規(guī)律。清華大學(xué),江蘇省電科院分析了不同鹽密和灰密對(duì)絕緣子閃絡(luò)電壓和積分電導(dǎo)率的影響以及污穢成分對(duì)絕緣子表面污穢程度的影響,并分析了CaSO4對(duì)等值附鹽密度的影響[4-6]。重慶大學(xué)分析了在自然污穢下可溶性鹽的構(gòu)成對(duì)污閃電壓的影響[7-9]。文獻(xiàn)[10]研究了絕緣子鹽密對(duì)閃絡(luò)電壓的影響,得出污穢閃絡(luò)電壓隨著絕緣子表面等值鹽密的增大而減少,近似滿足冪函數(shù)規(guī)律?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀可知,人工污穢試驗(yàn)中,其污穢物多采用鉀鹽或鈉鹽等可溶無(wú)機(jī)鹽與惰性灰份混合[11,12],而對(duì)其他可溶無(wú)機(jī)鹽的研究較少,缺少對(duì)不同污穢成分的絕緣子污層濕潤(rùn)過(guò)程的導(dǎo)電性變化及污閃特性研究。

選取XWP-300瓷懸式絕緣子為研究對(duì)象,分析了不同無(wú)機(jī)鹽成分對(duì)污穢絕緣子表面電導(dǎo)性和閃絡(luò)電壓的影響。分析了絕緣子表面泄漏電流隨加濕時(shí)間的變化曲線,得到了不同污穢成分對(duì)絕緣污層受潮過(guò)程和表面電導(dǎo)性的影響特性,采用人工污閃試驗(yàn)并獲得了不同污穢成分對(duì)絕緣子閃絡(luò)電壓的影響特性。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試品

相關(guān)試驗(yàn)在中國(guó)電力科學(xué)研究院污穢試驗(yàn)室完成,現(xiàn)場(chǎng)加壓設(shè)備及污穢試驗(yàn)室內(nèi)絕緣子的接線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及絕緣子懸掛情況Fig.1 Test equipment and insulator suspension

絕緣子表面污穢濕潤(rùn)采用蒸汽霧法,溫度控制在30～35 ℃。試驗(yàn)工頻電源由200 kV/1 000 kVA交流試驗(yàn)變壓器提供,電源的額定電流為5 A,最大短路電流為25 A,滿足IEC60507國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

試驗(yàn)以XWP-300瓷懸式絕緣子為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 絕緣子主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 試品絕緣子結(jié)構(gòu)和外觀Fig.2 The structure and appearance of the sample insulator

1.2 污穢成分選擇

絕緣子在自然積污情況下,其表面可溶性污穢成分以NaCl和CaSO4[13]為主,其中CaSO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,約為74%,而NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10.5%,NaNO3和MgSO4等其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占16%[14,15]。

試驗(yàn)中污穢成分的含量均用可溶性物質(zhì)附著密度SCD表示,選取SCD為0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2表示染污程度的輕、中、重3種狀態(tài)[16],不溶性物質(zhì)固定高嶺土,灰密統(tǒng)一取2 mg/cm2。根據(jù)表1中絕緣子的表面積,稱量出相應(yīng)質(zhì)量的鹽,溶于40 mL去離子水中,將絕緣子上下表面均勻涂刷,陰干備用。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)泄漏電流進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),采用固體涂刷法對(duì)絕緣子進(jìn)行染污[17],陰干后掛入試驗(yàn)霧室中,給絕緣子施加電壓約1 kV,開(kāi)啟鍋爐形成熱霧氣,對(duì)絕緣子進(jìn)行加濕,用 Labview軟件對(duì)絕緣子表面泄漏電流進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè),選取加濕過(guò)程中絕緣子表面每分鐘最大泄漏電流峰值為特征參數(shù),對(duì)比分析不同污穢成分的絕緣子表面泄漏電流特性。

同樣對(duì)絕緣子進(jìn)行染污、加濕,當(dāng)絕緣子表面泄漏電流達(dá)到飽和狀態(tài)后[18],采用均勻升壓法對(duì)XWP-300絕緣子進(jìn)行交流閃絡(luò)試驗(yàn)。對(duì)同種污穢成分下的不同污穢度,每種進(jìn)行2～3次試驗(yàn),每次使試驗(yàn)絕緣子閃絡(luò)3～4次,利用平均值誤差小于10%的數(shù)據(jù),計(jì)算其閃絡(luò)電壓的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 絕緣子表面泄漏電流特性

2.1 污穢度對(duì)泄漏電流特性的影響

基于上述試驗(yàn)方法,可得到不同污穢成分下絕緣子表面每分鐘最大泄漏電流峰值隨加濕時(shí)間的變化趨勢(shì)。SCD分別為0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2時(shí),泄漏電流隨加濕時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同污穢狀況下的絕緣子表面泄漏電流Fig.3 Leakage current on the surface of insulators under different contamination conditions

分析圖3中泄漏電流隨時(shí)間的變化特性可知,隨著濕潤(rùn)時(shí)間增長(zhǎng),其泄漏電流均有增加,即污層電導(dǎo)率增加,但不同污穢成分的表面電導(dǎo)率增加速度存在較大差異,表面污穢成分為NaCl時(shí)的泄漏電流增加明顯。以SCD為0.1 mg/cm2為例,選取不同污穢成分的絕緣子在第5分鐘、10分鐘和第15分鐘的最大泄漏電流峰值如圖4所示。

圖4 不同時(shí)間、污穢成分下的泄漏電流對(duì)比Fig.4 Comparison of leakage current of different contamination components at different time

分析圖4泄漏電流變化差值可知,增加濕潤(rùn)時(shí)間,表面污穢成分為NaCl時(shí),其泄漏電流隨加濕時(shí)間變化更加明顯。這也說(shuō)明絕緣子污穢層的導(dǎo)電性并不是僅僅與無(wú)機(jī)鹽溶解度有關(guān),還與不同離子的電離程度和導(dǎo)電能力有關(guān)。

在SCD分別為0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2,時(shí)間為10 min下不同污穢成分的最大泄漏電流峰值如圖5所示。

圖5 相同時(shí)間、不同污穢狀況泄漏電流對(duì)比Fig.5 Comparison of leakage currents under different contamination conditions in the same duration

分析在不同污穢度下,不同污穢成分表面最大泄漏電流可知,表面污穢成分為NaCl時(shí)的泄漏電流隨著SCD的增加而迅速增加,并趨于飽和。其他無(wú)機(jī)鹽變化趨勢(shì)相似,隨著SCD的增加緩慢增加。

2.2 不同污穢成分對(duì)泄漏電流特性的影響

取若干份CaSO4分別以不同比例與NaCl、NaNO3、MgSO4構(gòu)成5組混合無(wú)機(jī)鹽,SCD取0.2 mg/cm2,不溶污穢成分固定高嶺土的灰密取2.0 mg/cm2。5組混合無(wú)機(jī)鹽中CaSO4含量分別為0%、25%、50%、75%、100%。

依照上述方法試驗(yàn),得到不同比例CaSO4混合污穢對(duì)絕緣子表面泄漏電流的影響曲線,如圖6中(a)、(b)、(c)所示。

圖6 不同比例混合鹽的泄漏電流對(duì)比Fig.6 Comparison of leakage current of mixed salt in different proportions

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,其泄漏電流具有如下特點(diǎn):隨著污穢成分中NaCl含量的減少,絕緣子的泄漏電流變化曲線越來(lái)越低,且變化趨勢(shì)越來(lái)越平緩,說(shuō)明混合成分為NaCl時(shí),CaSO4所占含量比例對(duì)于絕緣子的泄漏電流的影響不大。

由圖6可知,混合污穢成分為 NaCl 時(shí),隨著 CaSO4在混合無(wú)機(jī)物中占比增加,絕緣子的泄漏電流曲線逐漸平緩,其中混合污穢成分間的絕緣子泄漏電流差值很小,且其值遠(yuǎn)小于混合污穢成分與單種污穢成分差值。

當(dāng)污穢成分為NaNO3時(shí),不同混合無(wú)機(jī)鹽占比的絕緣子的表面泄漏電流曲線分布較為分散。其中,在CaSO4占比為75%時(shí),泄漏電流在4 min后一直保持最大,污穢絕緣子表面導(dǎo)電率最大;而CaSO4占比為50%時(shí),泄漏電流曲線最低,此時(shí)污穢絕緣子表面導(dǎo)電率最小。

混合污穢成分為MgSO4時(shí),隨著CaSO4含量的增加,絕緣子的泄漏電流變化曲線越來(lái)越低,其中CaSO4所占含量比例為25%時(shí),絕緣子的泄漏電流變化曲線最高,明顯高于其他混合比例,說(shuō)明這種混合比例下,混合污穢的絕緣子導(dǎo)電性最好。

隨著CaSO4含量的增加,就導(dǎo)電離子方面而言,其對(duì)污層電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)很小,但隨著其含量的增加,CaSO4的作用會(huì)表現(xiàn)為不溶物的吸水保水性,增大了污層中可溶物質(zhì)的溶解量,增加污層電導(dǎo)率。

3 污穢成分對(duì)污閃電壓的影響

3.1 單種無(wú)機(jī)鹽對(duì)污閃電壓的影響

基于上述試驗(yàn)方法,同時(shí)測(cè)得不同無(wú)機(jī)鹽污穢成分下絕緣子交流閃絡(luò)電壓,特性曲線如圖7所示。

圖7 不同無(wú)機(jī)鹽污穢的閃絡(luò)電壓Fig.7 Flashover voltage of different inorganic salt pollution

分析圖7中的曲線的變化趨勢(shì)可知,其閃絡(luò)電壓隨SCD呈明顯下降趨勢(shì),因此采用了冪函數(shù)進(jìn)行了擬合分析,Uf與SCD(用ρSCD表示)的擬合函數(shù)如式(1)所示:

Uf=KρSCD-n

(1)

式(1)中:Uf為污閃電壓,單位為kV;K為與絕緣子爬電距離、形狀等因素有關(guān)的常數(shù),反映絕緣子形狀對(duì)污閃電壓的影響,單位為kV;ρSCD為擬合冪函數(shù)的底;n是SCD對(duì)Uf影響的特征指數(shù)。

將試驗(yàn)結(jié)果用式(1)進(jìn)行擬合,如表2所示。

表2 不同污穢成分下的K、n、R2

由試驗(yàn)結(jié)果和擬合分析結(jié)果可知不同單種污穢成分絕緣子的污閃電壓具有以下特點(diǎn):

污穢絕緣子閃絡(luò)電壓隨著SCD的增加呈冪函數(shù)關(guān)系減少。在SCD較小時(shí),絕緣子污閃電壓快速減少,在SCD較大時(shí),閃絡(luò)電壓減少速度趨于緩和。

可溶物密度對(duì)絕緣子交流污閃電壓存在較明顯的影響。絕緣子的交流污閃電壓均隨著無(wú)機(jī)鹽成分可溶物密度的增加而降低。如污穢成分為NaNO3的絕緣子,可溶物密度從0.05 mg/cm2分別增加到0.1 mg/cm2和0.2 mg/cm2后,閃絡(luò)電壓從23.2 kV降到了19.7 kV和17.5 kV,分別下降15.37%和10.83%。

這其中,比較特殊的為 CaSO4,CaSO4作為一種弱電解質(zhì),微溶于水,有吸濕性。隨著SCD增大,CaSO4所對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)電壓值更加顯著地大于 MgSO4,這是因?yàn)?CaSO4,在相同可溶物密度下電離出的離子比較少,而隨著CaSO4的SCD不斷增大,其對(duì)于污穢閃絡(luò)的影響更多源于它的吸水保濕作用。

污穢成分對(duì)絕緣子交流污閃電壓存在影響。不同污穢成分的絕緣子閃絡(luò)電壓由低到高依次為:NaCl、NaNO3、MgSO4、CaSO4,其中表面污穢為CaSO4的絕緣子,污閃電壓明顯高于表面污穢為MgSO4、NaNO3和NaCl的絕緣子。

3.2 混合無(wú)機(jī)鹽對(duì)污閃電壓的影響

在混合污穢成分試驗(yàn)中,將不同比例的CaSO4與NaCl、NaNO3和MgSO4混合污閃試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖8所示。

表3 不同混合污穢成分比例下絕緣子的污閃電壓

圖8 不同比例混合污穢下絕緣子的污閃電壓Fig.8 Pollution flashover voltage of insulators in different proportions of mixed contamination

分析上述表3和圖8中曲線和相數(shù)據(jù),可知其閃絡(luò)電壓的變化具有如下特性:

當(dāng)混合污穢成分相同時(shí),其他幾種可溶鹽與CaSO4的混合污穢,混合污穢的絕緣子閃絡(luò)電壓均隨著CaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì)。如CaSO4與NaCl混合時(shí),其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、50%、75%時(shí),閃絡(luò)電壓分別為18.23 kV、19.17 kV、20.8 kV,逐漸上升。

當(dāng)混合污穢不同時(shí),混合污穢絕緣子的閃絡(luò)電壓與污層中導(dǎo)電物質(zhì)的成分組成有明顯的關(guān)系,混合污穢的絕緣子閃絡(luò)電壓由低到高依次為:NaNO3、NaCl、MgSO4,由于污穢中NaCl、NaNO3和MgSO4在相同污層含水量下的溶解度和電離程度不同,導(dǎo)致其導(dǎo)電特性不同,即污層的導(dǎo)電性能對(duì)閃絡(luò)電壓有影響。

當(dāng)混合無(wú)機(jī)鹽中CaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),污閃電壓隨著污穢成分中另一物質(zhì)的不同而改變,例如在CaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí),混合污穢為NaNO3、NaCl、MgSO4的絕緣子閃絡(luò)電壓分別為19.17 kV、18.79 kV、21.79 kV,此時(shí)的閃絡(luò)電壓的大小順序與單種無(wú)機(jī)鹽成分時(shí)略有不同。

4 結(jié) 論

(1)不同污穢成分的絕緣子泄漏電流隨相對(duì)濕度和SCD的增加而增加,NaCl變化幅度較大,其它污穢成分的泄漏電流增長(zhǎng)相對(duì)不明顯。

(2)不同單種可溶污穢成分對(duì)絕緣子交流污閃電壓的影響不同,絕緣子的閃絡(luò)電壓由低到高依次為:NaCl、NaNO3、MgSO4和CaSO4。

(3)不同混合污穢的絕緣子閃絡(luò)電壓均隨著混合污穢中所含CaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)混合污穢不同時(shí),絕緣子的閃絡(luò)電壓與污層成分有關(guān)系明顯,MgSO4的閃絡(luò)電壓最高,NaNO3和NaCl閃絡(luò)電壓較低且接近。