無雨環(huán)境中復合絕緣子表面積污飽和特性及影響因素研究

張重遠， 劉繼興，2， 耿江海， 黃志成， 劉云鵬

(1.河北省輸變電設備安全防御重點實驗室(華北電力大學)，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山 063000)

0 引 言

復合絕緣子因其質量輕、憎水性好等優(yōu)勢,在我國輸電線路中得到廣泛應用,在運行過程中其表面不斷積污,直至達到動態(tài)飽和[1-3]。如不及時清掃,表面的污穢可能引發(fā)局部放電,最終導致污閃事故,帶來嚴重的經濟損失[4]。然而,對絕緣子過度清掃也將帶來增加現(xiàn)場勞動強度,降低供電可靠性的負面影響[5]。因此,研究復合絕緣子表面積污飽和特性,掌握環(huán)境因素對積污趨勢的影響,對科學規(guī)劃絕緣子清掃周期,在保障外絕緣安全的前提下提高清掃效率具有重要意義。

截至目前,已有部分學者通過自然積污試驗的方式取得了一些成果[6-13]:絕緣子積污飽和所需時間與絕緣子類型及布置方式有關;我國南方和北方地區(qū)絕緣子積污達到飽和分別需要4～5a和2～3a;帶電絕緣子表面積污更為嚴重,直流絕緣子積污比交流情況下嚴重;絕緣子表面鹽密和灰密呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律。然而,自然積污試驗只能觀測長期積污現(xiàn)象,過程中受到多種環(huán)境因素的共同影響,得到的結論較為籠統(tǒng)。為彌補其不足,模擬積污試驗的研究方式逐漸興起。文獻[14]研究了正負直流電壓及交流電壓下的復合絕緣子積污特性。該試驗所用污穢粒徑包含從幾微米到幾百微米,而顆粒粒徑作為影響絕緣子積污特性的重要因素[15],文中并未對此進行分析。文獻[16]研究了污穢成分對外絕緣積污的影響,但試驗過程中硅橡膠試片與絕緣子處于不帶電狀態(tài),與現(xiàn)場工況差距較大。文獻[17]為測量瓷絕緣子表面的等值鹽密和灰密,利用風扇混合顆粒物和水霧并鼓入試驗箱體。但風速對絕緣子表面污穢粘附具有顯著影響[18],箱體內風速不可調節(jié)也無法測量,在對試驗數(shù)據(jù)的討論中忽略了這一因素。

總體來看,上述試驗在研究絕緣子表面積污量時,常針對某一影響因素進行試驗,但無法控制其他變量保持恒定,可能因受到干擾而存在較大誤差。另外,自然界的沙塵和霾等懸浮顆粒物可捕獲空氣中的電子或離子而帶有電荷,電場力通過影響顆粒運動特性進而影響積污過程[19],但上述試驗均未對污穢顆粒進行荷電處理或處理后并未準確測量其荷電量,忽略了這一因素對絕緣子飽和積污的影響。

為了更可靠地分析無雨環(huán)境中復合絕緣子表面積污規(guī)律,本文設計了一種絕緣子飽和積污試驗平臺,可以實現(xiàn)試驗過程中各環(huán)境因素穩(wěn)定可控。在測量了污穢荷質比的基礎上通過該平臺進行積污試驗,得到不同電壓及類型(電場力)、污穢粒徑、風速和相對濕度下復合絕緣子積污特性曲線,分析了上述因素對積污飽和特性的影響,并在風洞試驗系統(tǒng)中做了進一步驗證。本文歸納的絕緣子積污規(guī)律可為建立科學合理的絕緣清掃制度,節(jié)約人力與經濟成本提供參考。

1 試驗設計

1.1 污穢顆粒受力分析

為研究無雨環(huán)境中復合絕緣子表面積污特性,有必要對污穢顆粒運動過程進行受力分析,按照空間位置可分為顆粒在空氣中運動以及與絕緣子表面發(fā)生接觸兩個階段。在空氣中運動時,顆粒受重力、曳力、電場力影響較大,Saffman力、Basset力等其他作用力在計算中可以忽略[20];與絕緣子表面發(fā)生接觸時,除上述力外還受粘附力影響。粘附力與污穢顆粒和絕緣子的材料屬性相關,在積污過程中體現(xiàn)為影響飽和積污量大小及污穢分布形態(tài)。因此,為了在試驗中更加準確地模擬絕緣子表面積污過程,需計算上述各作用力大小以明確對積污過程影響的程度。

顆粒在空氣中所受曳力fd近似滿足stokes公式[20]:

fd=-3πdpμ(v-u)

(1)

式中:v和u分別是污穢顆粒和空氣中流場的運動速度,dp為污穢粒徑,μ是空氣動力粘性系數(shù)。

顆粒運動所受電場力fe及其與絕緣子表面接觸時所受粘附力fad的計算公式分別為

fe=Eq

(2)

(3)

(4)

式中:E為電場強度,q為污穢顆粒荷電量,k*為顆粒與絕緣子表面間的界面能,R*為顆粒與絕緣子表面碰撞時的有效接觸半徑,kp和ks分別是顆粒和絕緣子的參考表面能。

通常顆粒與絕緣子表面粘附力為μN級,而其所受電場力、曳力則為nN級[21]。圖1為粒徑在0～100 μm范圍內的SiO2顆粒(表面能kp=0.032 6 J/m2)與復合絕緣子(表面能ks=0.024 J/m2)表面發(fā)生接觸時的受力情況。圖1中,電場力為絕緣子表面場強5 kV/cm,污穢顆粒飽和荷電[22]時所受的電場力;曳力為污穢顆粒相對氣流速度10 m/s時所受的曳力?？梢钥吹?粘附力高出其他作用力至少兩個數(shù)量級。

圖1 不同粒徑SiO2顆粒接觸復合絕緣子表面時的受力情況

因此,當微米級污穢顆粒與復合絕緣子表面接觸時,其碰撞反彈運動幾乎與曳力、電場力及重力無關。上述三種力只影響顆粒輸運過程(即與絕緣子碰撞顆粒數(shù)量的多少)而不能決定顆粒是否粘附。若積污時間足夠長,重力、曳力與電場力的大小和方向應該不會影響飽和積污量,但仍需試驗驗證。在設計試驗平臺時可適當忽略上述力與實際積污條件的差異。

1.2 絕緣子飽和積污試驗平臺

空氣中的污穢顆粒大多處于荷電狀態(tài),帶電顆粒在電場作用下被輸運至絕緣子表面是帶電絕緣子積污量較大的根本原因。然而前人研究中,均未對污穢顆粒的帶電量進行定量控制,無法準確獲得靜電吸塵作用對絕緣子積污的影響。

為了解決這一問題,本文所設計的試驗平臺在污穢粘附前便對污穢顆粒進行荷電,以實現(xiàn)對顆粒帶電量的定量控制。同時,通過靜電吸塵效應,可以加速絕緣子的飽和積污過程,減少飽和積污試驗的時間成本。根據(jù)功能,試驗平臺可分為污穢發(fā)生裝置和污穢粘附裝置兩個部分,如圖2所示。

1.支撐框架;2.凸輪電機;3.傳動軸;4.圓盤;5.分樣篩;6.接地網(wǎng);7.電暈網(wǎng);8.屏蔽盤;9.天平

1.2.1 污穢發(fā)生裝置

污穢發(fā)生裝置部分在文獻[23]的設計上進行改進,針對顆粒荷電量的控制原理與該論文一致,不再贅述。改進后的試驗平臺利用圖3所示的凸輪電機均勻拍打裝有污穢顆粒的鐵質篩網(wǎng)的底部,實現(xiàn)顆粒的彌散下落。凸輪電機受單片機控制,可設置4個擋位的轉速,通過與不同目數(shù)的分樣篩配合,共同控制下落污穢的粒徑與流量。為便于后文表述,設電暈網(wǎng)上電壓為U1。

圖3 凸輪電機結構示意圖

1.2.2 污穢粘附裝置

污穢粘附裝置主體部分是一個敞口的污穢收集盒,如圖4所示。平行放置的亞克力板中間及兩側位置開有凹槽,供金屬板插入與固定。中間凹槽處的金屬板兩側貼有試驗用復合絕緣子切片(后文簡稱為試片),尺寸為10 cm×10 cm×0.2 cm。將中間的金屬板與電壓為U2的高壓電源相連接,其他兩塊金屬板接地,板間就形成了較均勻電場。

圖4 污穢收集盒示意圖

下落的污穢顆粒運動至金屬板間時便會受電場力的作用產生偏轉,與復合絕緣子試片碰撞后最終粘附在試片表面或落入下方的污穢收集盒中。污穢收集盒內底設有風機,開啟后可在試片表面附近形成穩(wěn)定氣流。風機與變頻器相連,采用無極變速模式,實現(xiàn)風速在0～8 m/s范圍內連續(xù)可調,便于定量控制。

若U1為正極性,U2為負極性,圖5展示了污穢顆粒下落至金屬板間時的運動情況。將污穢顆粒運動沿豎直和水平兩個方向分解,則有:豎直方向上,顆粒受重力mg和曳力fd作用下落;水平方向上,顆粒因荷電而受到電場力fe影響,向試片表面附近運動,發(fā)生碰撞后粘附或者彈出。

圖5 金屬板間污穢顆粒運動示意圖

污穢收集盒下方放有精度為0.01 g、量程為5 kg的天平,用于實時測量污穢收集盒的質量。通過記錄積污過程前后污穢收集盒質量,二者之差即為參與積污過程的污穢總質量m1。由于復合絕緣子試片表面污穢質量較小,對測量精度要求較高,故測量其質量時采用了精度為0.000 1 g的電子分析天平。在粘貼絕緣子試片前,測量其質量;積污結束后,取下絕緣子試片再次對其質量進行測量,兩次質量差值m2即為絕緣子試片表面粘附的污穢質量。本文主要研究復合絕緣子試片的飽和積污過程,即粘附量隨參與積污的污穢總量的變化趨勢。

2 絕緣子飽和積污試驗過程

2.1 污穢顆粒的篩離

試驗所用的污穢為類球形SiO2顆粒,化學成分上與現(xiàn)場污穢中的不可溶成分相符[24]。粒徑范圍為0～100 μm,基本覆蓋了現(xiàn)場絕緣子表面污穢的粒徑[7]。

式(2)表明,荷質比與顆粒物的參數(shù)特別是粒徑密切相關。為了控制粒徑這一變量,便于研究粒徑對絕緣子表面積污飽和特性的影響,在試驗前需先用不同目數(shù)的分樣篩對污穢進行篩離,分別得到75～100 μm、50～75 μm、30～50 μm、0～30 μm四種粒徑范圍的污穢顆粒以及粒徑分布,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 污穢顆粒的粒徑分布情況

2.2 污穢顆粒荷質比的控制

為使污穢顆粒荷電,電暈網(wǎng)需充分起暈,因此電壓不能設置得過低。為確定起暈電壓,將電暈網(wǎng)與負直流電源相連,利用場致荷電的方法使污穢顆粒帶電并測量不同粒徑顆粒的荷質比[23]。表2列出了試驗數(shù)據(jù),并與0 kV時的測量結果作為對照。

表2 各直流電壓下不同粒徑污穢顆粒的荷質比

對于任一粒徑范圍的污穢顆粒,0 kV和-10 kV電壓下荷質比幾乎相等,說明-10 kV時沒有起暈;直流-20 kV和-30 kV電壓下荷質比絕對值都顯著高于0 kV時,說明電暈荷電有效。另外可以發(fā)現(xiàn),在0 kV和-10 kV時,粒徑越大的污穢顆粒荷質比絕對值越小。原因為自然狀態(tài)下影響污穢顆粒荷質比的主要因素為平均粒徑,污穢顆粒在空氣中運動時會相互碰撞、摩擦,進而產生電荷的轉移[25],同等電荷量下粒徑較大的顆粒荷質比絕對值較小。

2.3 飽和積污試驗流程

試驗的主要流程如下:

(1)用分樣篩盛放污穢顆粒并放于凸輪電機正下方。

(2)選取表面潔凈的10 cm×10 cm×0.2 cm復合絕緣子試片,用精度為0.000 1 g的電子分析天平測量試片質量。測量前電子分析天平已經過校準,測量過程中周邊環(huán)境須密閉、安靜。

(3)用潔凈的鑷子夾取試片粘貼在污穢收集盒高壓金屬板處,將收集盒下方精度為0.01 g的天平校零。

(4)將電暈網(wǎng)與高壓金屬板通電,設置電暈網(wǎng)上電壓為U1,高壓金屬板上電壓為U2,開啟凸輪電機,實時觀察天平讀數(shù)。下落污穢量達到m1后,關閉電機。之后用鑷子取下絕緣子試片并測量質量,計算積污過程前后試片質量變化量m2。

(5)為降低測量時隨機誤差的影響,每組參數(shù)在試驗時重復15次,并采用Grubbs檢驗法對異常數(shù)據(jù)進行剔除[26]。試驗完成后,用蒸餾水沖洗掉復合絕緣子試片表面的污穢,自然陰干后備用。

試驗在尺寸為6 m×5 m×4 m的小型人工氣候室進行,需要噴霧時可由工業(yè)級超聲波加濕器向室內噴霧。霧水含量為7 g/m3,氣候室相對濕度在40%～100%范圍內連續(xù)可調,精度為1%,加濕器具備智能恒濕功能。室內氣壓101.3 kPa,溫度調節(jié)范圍為0～35 ℃,精度為0.5 ℃,穩(wěn)定無風。設定試驗開展時人工氣候室的標準環(huán)境為:氣壓101.3 kPa,相對濕度40%,溫度25±0.5 ℃,風速為0。除研究污穢粒徑的試驗外,其他試驗所用污穢顆粒的粒徑范圍皆為0～100 μm。

3 試驗結果及分析

3.1 不帶電條件下復合絕緣子試片飽和積污量

調節(jié)人工氣候室內參數(shù)至2.3節(jié)中標準環(huán)境參數(shù),在電暈網(wǎng)與高壓金屬板均不帶電的條件下進行積污試驗,記錄污穢總量m1與試片表面污穢量m2的變化趨勢,試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。根據(jù)積污速率的不同,可將其劃分為近似線性增長、減速增長和達到飽和三個階段。近似線性增長階段,復合絕緣子試片表面污穢較少,下落污穢與試片發(fā)生碰撞時,在粘附力影響下較易粘附。因此,近似線性增長階段積污速率較大,這一階段將持續(xù)到絕緣子表面被污穢顆粒充分覆蓋,可通過試片尺寸與顆粒半徑進行估算。

圖6 無電壓情況下試片表面污穢量與污穢總量的關系

在減速增長階段,復合絕緣子試片表面已有一定量的污穢。下落的污穢顆粒運動至試片表面附近時,既有可能與試片發(fā)生碰撞,同時也有一定概率與已粘附的顆粒碰撞。當污穢顆粒與已粘附顆粒碰撞時,因污穢顆粒球體較硬,碰撞時接觸面積較小而近似剛性碰撞,這一過程能量損失不大,下落的污穢顆粒在碰撞后以接近原速度彈出,此時無法粘附。因此相比于前一階段,減速增長階段的積污速率減緩,但試片表面積污量仍繼續(xù)增加。當試片表面積污量較多,達到一定厚度時,下落的污穢顆粒只能與已粘附顆粒碰撞而彈出,試片表面污穢質量基本不再增加,積污達到飽和狀態(tài)。

經測量,標準環(huán)境條件下復合絕緣子試片在m2達到0.02 g前都處于近似線性增長階段,在m1達到940 g左右時積污趨于飽和,飽和積污量為0.047 6 g左右,換算成等值灰密(NSDD)為0.476 mg/cm2,誤差在3%以內。

3.2 電壓及類型的影響

電壓的影響包括兩方面:一是改變電暈網(wǎng)上的電壓,研究污穢顆粒荷質比不同時試片的飽和積污特性;二是改變高壓金屬板上的電壓,研究板間電場強度不同時的飽和積污特性。

針對前者,將電暈網(wǎng)與負極性直流電源相連,設置U1分別為0 kV、-20 kV、-30 kV;將高壓金屬板與正極性直流電源相連,U2設置為+5 kV,在2.3節(jié)標準環(huán)境參數(shù)下進行積污試驗并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作出圖7中的飽和積污曲線。從曲線趨勢看,不同荷質比下試片的積污速率存在明顯差別。電暈網(wǎng)電壓U1越高,污穢顆粒荷質比絕對值越大,所受電場力就越大,與絕緣子試片表面碰撞概率就越高,也就越早達到飽和狀態(tài)。此外,荷質比大小并不影響飽和積污量,四條曲線的飽和NSDD值都接近0.476 mg/cm2。

圖7 不同荷質比下試片的飽和積污情況

同時,為研究板間電場強度對積污飽和特性的影響,保持人工氣候室為2.3節(jié)中標準環(huán)境參數(shù),使用直流電源在U1=0 kV和U1=-20 kV的情況下進行試驗,U2分別為+5 kV、+10 kV、+15 kV。試驗結果如圖8所示。

圖8 不同電場強度下試片的飽和積污情況

與荷質比類似,板間電場強度只影響絕緣子試片表面積污的快慢,不改變飽和NSDD的大小。雖然U1=0 kV和U1=-20 kV下污穢顆粒荷質比不同,但積污速率都隨電場強度的上升而增大,這主要是因為下落顆粒與復合絕緣子試片的碰撞比例升高。其中,U1=-20 kV、U2=+10 kV與U1=-20 kV、U2=+15 kV時的兩條曲線斜率較大且基本重合,表明此時積污速率已達到最大值。

為研究電壓類型的影響,保持U1和U2極性不變,設置U2為交流+5 kV(有效值),在2.3節(jié)標準環(huán)境參數(shù)下的積污試驗數(shù)據(jù)對比直流時的情況見圖9。相等電壓下直流電場積污速率大于交流場,原因為在呈周期性變化的交流場中,顆粒所受電場力方向經常改變,無法實現(xiàn)持續(xù)作用,對顆粒運動的影響較小。另外,電壓類型不影響飽和NSDD的大小。

綜上,改變電壓大小和類型只影響積污快慢,不改變飽和NSDD。原因為試片平面電勢不影響粘附力,即電場力只與污穢顆粒的輸運過程有關[21,27]。

3.3 污穢粒徑的影響

為研究污穢粒徑對積污飽和特性的影響,仍使用直流電源,針對四種粒徑范圍的污穢顆粒在2.3節(jié)中的標準環(huán)境參數(shù)下進行積污試驗,結果如圖10所示。根據(jù)圖10,污穢粒徑大小同樣只影響積污速率,不影響飽和NSDD。U1=0 kV和U1=-20 kV時都出現(xiàn)了粒徑越小,積污速率越大的現(xiàn)象,并且U1=0 kV時試片受粒徑影響的顯著程度高于U1=-20 kV時。原因為U1=0 kV時污穢荷質比絕對值較小,電場輸運作用較為有限。此時粒徑的影響體現(xiàn)在質量上,小粒徑的顆粒因其較輕,在水平方向上更容易運動至試片附近發(fā)生碰撞粘附。U1=-20 kV時,污穢荷質比絕對值增大,在電場影響下質量大的顆粒也可能完成粘附,故此時小粒徑對表面積污的加速效果不明顯。

圖10 不同污穢粒徑下試片的飽和積污情況

3.4 風速及相對濕度的影響

在針對絕緣子積污的研究中,風速和相對濕度屬于環(huán)境影響因素,和地理位置、季節(jié)、氣象等密切相關。以往的自然積污試驗很難將風速與相對濕度分離進行研究,試驗數(shù)據(jù)受到兩者的共同影響,得出的積污規(guī)律不夠嚴謹。

3.4.1 風速的影響

為準確研究風速在實際工程中的影響,本文參考了《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)》中的風速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示,我國絕大部分地區(qū)平均風速不超過6 m/s。因此,使用直流電源設置U1分別為0 kV和-20 kV,U2為+5 kV,在2.3節(jié)中標準環(huán)境參數(shù)基礎上依次調節(jié)污穢粘附裝置中風機的速度為2 m/s、4 m/s、6 m/s,并與未開風機時的數(shù)據(jù)進行對比,試驗數(shù)據(jù)如圖11所示。根據(jù)圖11,可以得到風速越大,積污速率越慢,飽和NSDD越小的規(guī)律。

圖11 不同風速下試片的飽和積污情況

分析認為,污穢顆粒的動能在跟隨氣流過程中會有所增加,難以粘附在試片表面(特別是粒徑較大的顆粒)。例如本試驗所用的污穢最大粒徑超過50 μm,在現(xiàn)場采集到的污穢中屬于大粒徑[7,15],在與試片碰撞過程中更容易發(fā)生反彈。因此當風速增大時,飽和NSDD逐漸減小。此外,圖11中兩種電壓下飽和NSDD隨風速減小程度也較為類似:風速每增加2 m/s,飽和NSDD依次大約下降10%、10%、5%,與前人低風速對顆粒粘附具有顯著影響的結論相一致[18]。

除去增大污穢顆粒的動能外,風速還會影響已粘附的污穢顆粒,其受力情況如圖12所示。在O點,對半徑為Rp的已粘附污穢顆粒根據(jù)力矩守恒可得[28]

圖12 已粘附的污穢顆粒受力情況示意圖

R*(fad+fe)=1.4Rp(fd+mg)

(5)

當風速增大時,曳力作用增強,原有的平衡狀態(tài)有可能被打破,已粘附的顆粒發(fā)生滾動而從絕緣子試片表面脫落,積污速率與飽和積污量因此減小。

3.4.2 相對濕度的影響

打開超聲波加濕器,以2.3節(jié)中標準環(huán)境參數(shù)的40%相對濕度作為起點開始調節(jié),相對濕度每增加10%作為一個積污數(shù)據(jù)點,其他參數(shù)不變。為確保氣候室內濕度準確,室內空間始終保持密閉,每次對氣候室加濕持續(xù)40 min以上,待濕度計讀數(shù)在2 min內保持恒定后再進行試驗。仍使用直流電源,設置U1分別為0 kV和-20 kV,U2為+5 kV,積污情況如圖13所示。可以看到,復合絕緣子試片在不同電壓下都表現(xiàn)出隨著相對濕度升高,積污速率與飽和NSDD增大的規(guī)律。根據(jù)計算,相對濕度在40%～80%范圍內每增加10%,飽和NSDD增長約4%,在90%和100%時分別增長3%和2%左右。經分析,這一現(xiàn)象的產生與附著在復合絕緣子試片表面的污穢所形成的液橋有關。污穢顆粒在運動過程中表面會凝結水分,與試片表面碰撞時形成液橋,進而產生毛細力。除毛細力外,范德華力也是粘附力的重要組成部分。

圖13 不同相對濕度下試片的飽和積污情況

圖14顯示了不同濕度下液橋形成的兩種情形。當相對濕度在40%～80%范圍內增加時,污穢顆粒表面水分增多導致液橋逐漸變厚,顆粒與試片表面間距變大,毛細力增大的同時范德華力開始減小。由于顆粒尺度層面上毛細力的作用間距遠大于范德華力的作用間距,故毛細力對污穢顆粒的粘附過程起主要影響,此時更多的污穢顆粒粘附在試片表面,積污速率與飽和NSDD不斷增加。

圖14 試片表面液橋形成過程示意圖

相對濕度在80%以上時,除去濕顆粒的影響外,試片表面也開始出現(xiàn)水膜,復合絕緣子的憎水性導致其不斷積聚,流動至污穢顆粒間形成新的液橋。隨著相對濕度上升,污穢顆粒間的液橋體積不斷增加。當顆粒間距一定時,毛細力隨液橋體積增大而上升[29]。因此,與試片碰撞的污穢顆粒若要彈出,克服毛細力做功更多。但另一方面,試片表面的水分也會造成污穢流失,可以視為對絕緣子的清洗作用[16]。二者的綜合作用導致飽和積污量雖然繼續(xù)增加,但它隨相對濕度的增長率略有下降。

3.5 FXBW-35/70-2復合絕緣子風洞試驗驗證

為了進一步驗證上述積污規(guī)律的可靠性,利用FXBW-35/70-2復合絕緣子在華北電力大學風洞試驗系統(tǒng)中開展積污試驗。結構參數(shù)如表3所示。

表3 FXBW-35/70-2復合絕緣子結構參數(shù)

所用風洞試驗系統(tǒng)為閉式結構,由風機1、擴張段2、導向段3、收縮段4、低速試驗段5和高速試驗段6等組成,圖15為其結構示意圖。風洞試驗系統(tǒng)另有電源控制柜、多檔位調風門、試驗導線懸掛裝置、靠背管測速開口、濃度測量開口等功能單元。

圖15 風洞試驗系統(tǒng)示意圖

將多個表面潔凈的FXBW-35/70-2復合絕緣子懸掛在風洞低速段中,通過連接到風洞內壁的絕緣繩保證穩(wěn)定,如圖16所示。每兩個絕緣子作為一組,各組中有一個絕緣子與高壓直流電源相連,另一個則直接接地,從而在研究風速影響的基礎上觀測電壓等級對積污的影響。

圖16 風洞試驗系統(tǒng)中積污的復合絕緣子

試驗所用污穢為粒徑10～100 μm的SiO2顆粒。經檢測,污穢平均粒徑為61.084 μm,90%的污穢粒徑都在78.720 μm以下,與現(xiàn)場絕緣子表面污穢多為小粒徑的結論一致[7,15]。將污穢顆粒通過鼓風機吹入風洞中,采用粉塵檢測儀實時監(jiān)測風洞中污穢顆粒濃度,使其始終保持在10 mg/m3以上。粉塵檢測儀顯示分辨率為1 μg/m3,整套風洞試驗系統(tǒng)溫度為20 ℃,相對濕度為45%,電源電壓為直流-35 kV。試驗開始后每隔2小時取出一組絕緣子,將濾紙與真空泵相結合,通過刷洗、過濾、烘干等步驟測量污穢量[30]。圖17給出了不同風速下的積污情況?？梢钥吹?風速的增大會導致積污速率的下降,同時也讓表面飽和NSDD減小。這一點在較高風速(4～5 m/s)時表現(xiàn)得較為明顯。上述現(xiàn)象與之前通過自主設計的試驗平臺所得到的結論吻合。

圖17 不同風速下FXBW-35/70-2絕緣子的飽和積污情況

保持污穢濃度、環(huán)境溫度及相對濕度不變,調節(jié)直流電源,在-10～-40 kV區(qū)間內依次減小10 kV持續(xù)進行20 h積污試驗,測量FXBW-35/70-2復合絕緣子表面NSDD,并與不帶電絕緣子的飽和積污情況作為對照,試驗結果如圖18所示。

根據(jù)圖18,不同電壓等級下的飽和積污量基本相等,誤差不超過5%,進一步說明電壓等級影響積污速率的同時并不改變飽和積污量,印證了3.2節(jié)中的結論。

4 結 論

本文基于設計的絕緣子飽和積污試驗平臺,以模擬積污試驗的方式定量研究了不同電壓及類型、污穢粒徑、風速和相對濕度對復合絕緣子表面積污飽和特性的影響,并在風洞試驗系統(tǒng)中進行了驗證,取得的主要結論如下:

(1)根據(jù)積污速率,可將絕緣子表面積污劃分為近似線性增長、減速增長和達到飽和三個階段。除風速和相對濕度外,其余因素只影響積污速率,不改變飽和積污量。

(2)電壓升高所引起荷質比或電場強度的增大,都能提高積污速率。電壓相等時,直流電場相較于交流電場積污速率更大。

(3)小粒徑污穢情況下的積污速率更大,這一現(xiàn)象在荷質比低時較為顯著,高荷質比時主要受電場力影響。

(4)風速增大對積污速率和飽和積污量有抑制作用,相對濕度的影響與之相反。

本文按照積污速率與飽和積污量的變化情況分析了無雨環(huán)境中復合絕緣子表面積污特性,為研究積污過程提供了一種思路,但仍有深入探究的空間。后續(xù)將結合現(xiàn)場積污數(shù)據(jù),建立自然情況下復合絕緣子表面污穢量增長的經驗公式,為輸電線路外絕緣設計服務。