雷電沖擊作用下表面污染對微型傳感器閃絡(luò)電壓的影響

胡 利 任 勇

（國網(wǎng)伊犁伊河供電有限責(zé)任公司，新疆 伊犁 835000）

0 引言

近年來，隨著輸配電網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越來越廣，對電網(wǎng)安全要求也越來越高，建立全景智能感知的配電網(wǎng)絡(luò)成為數(shù)字電網(wǎng)發(fā)展的必然要求［1］。輸配電網(wǎng)中的重要監(jiān)測對象是電壓、電流，而傳統(tǒng)的電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）存在體積大、成本高、頻帶窄等缺點，迫切需要找到替代品。目前，開發(fā)電壓/電流傳感單元嵌入式設(shè)備是替代傳統(tǒng)PT和CT的重要途徑之一，而微型傳感器通過將智能感知單元和電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行集成來實現(xiàn)感知。蔡煒等［2-3］在復(fù)合絕緣子內(nèi)部植入光纖光柵傳感器，實現(xiàn)對復(fù)合絕緣子內(nèi)部應(yīng)力和溫度的監(jiān)測。目前，在重點關(guān)注電壓電流的監(jiān)測性能時，往往忽略了新增布點微型傳感器的絕緣性能，而微型傳感器的應(yīng)用，必然要考慮其在惡劣環(huán)境下的安全性。

國內(nèi)外學(xué)者對設(shè)備在污穢條件下的閃絡(luò)機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為閃絡(luò)過程可分為電荷積聚、電阻加熱、表面潤濕、局部電暈等，并總結(jié)出閃絡(luò)理論［4］。沈浩等［5］認(rèn)為鹽密、灰密均會對閃絡(luò)特性產(chǎn)生影響，即鹽密、灰密均對閃絡(luò)電壓均有降低作用。張志勁等［6］通過試驗驗證了交流閃絡(luò)電壓與鹽密的關(guān)系，即隨著鹽密的增加，27.5 kV 和110 kV 復(fù)合絕緣子的污閃電壓減少。程顯等［7］研究了固體絕緣子在污穢條件下的爬電閃絡(luò)，得到鹽密和灰密的閃絡(luò)電壓都符合冪指數(shù)的規(guī)律，然而并未對鹽密和灰密的不同影響規(guī)律進(jìn)行分析。

環(huán)氧樹脂澆灌的微型傳感器能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，并具有較長的使用壽命和良好的絕緣性，但國內(nèi)在這方面的研究相對較少。本研究通過使用工頻電壓和雷電電壓對絕緣子閃絡(luò)特性產(chǎn)生影響的研究方法，對環(huán)氧樹脂絕緣件在不同鹽密和灰密下的雷電閃絡(luò)特性進(jìn)行研究。

1 試驗裝置及測試系統(tǒng)

1.1 樣品制備

由于微型傳感器采用環(huán)氧樹脂澆灌，為了便于分析，以相同材料的環(huán)氧樹脂板為分析對象，樣品尺寸為50 mm×50 mm×2 mm，樣品示意如圖1 所示。

圖1 樣品示意

為探究微型傳感器在污穢狀態(tài)下的絕緣性，考慮到鹽密和灰密產(chǎn)生的影響，在不同污穢等級下對其進(jìn)行雷電沖擊試驗。本研究對污穢等級、鹽密狀態(tài)進(jìn)行劃分，選取的鹽密等級為0.03 mg/cm2、0.05 mg/cm2、0.10 mg/cm2、0.15 mg/cm2。由已有的研究可知，灰密對閃絡(luò)電壓有一定影響，本研究選取的灰密等級為0.5 mg/cm2、1.0 mg/cm2、1.2 mg/cm2、1.5 mg/cm2。

1.2 沖擊擊穿試驗

本研究搭建了沖擊電壓發(fā)生及測量系統(tǒng)，選用的沖擊發(fā)生器CJDY-30/400為連續(xù)多級沖擊電壓發(fā)生器如圖2 所示。其中，R為充電電阻，D為高壓硅堆，C0、C1、C2為充電電容，g0、g1、g2為放電間隙，Rf為波前電阻，Rt為波尾電阻。采用負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)來操作沖擊電壓，沖擊電壓發(fā)生器的輸出端分別連接待測試品，壓比為1 000∶1。試驗使用逐步升壓法，閃絡(luò)電壓按照韋布爾（Weibull）分布統(tǒng)計法進(jìn)行分析，得到樣品在不同污穢等級下的絕緣特性。

圖2 電壓發(fā)生器

2 試驗測量結(jié)果

2.1 沖擊試驗結(jié)果

長時間運(yùn)行后，固體微型傳感器的絕緣性有所下降，一方面是因為環(huán)氧樹脂發(fā)生老化，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，使其絕緣性下降。另一方面是受環(huán)境影響，污穢長時間積累，導(dǎo)致固體絕緣表面分布著一層可溶性鹽和不溶物灰，鹽的增加導(dǎo)致固體微型傳感器在遭受短時過電壓時會發(fā)生沿面閃絡(luò)，對固體微型傳感器造成破壞。

本研究利用兩參數(shù)的韋布爾（Weibull）分布來分析三種樣品在大氣和變壓器油中的閃絡(luò)特性。Weibull分布的累積分布函數(shù)見式（1）。

式中：U為測得的閃絡(luò)電壓，V；P為絕緣失效的累積概率；U0為P=63.2%時的閃絡(luò)電壓，V；α為絕緣的可靠性［8］。

每個Weibull 配件包括十個測量值。在國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 930—2004 中有一種更簡單的方法來計算電介質(zhì)的韋布爾分布，見式（2）。

式中：i為將U的值按升序排序時的第i個結(jié)果；n為樣本數(shù)。取每組樣本的十個數(shù)據(jù)從小到大排列，并繪制相應(yīng)的概率分布圖。

2.2 鹽密對絕緣件閃絡(luò)電壓的影響

閃絡(luò)電壓隨鹽密變化而變化的規(guī)律如圖3 所示。由圖3 可知，隨著污穢程度增加，樣品的絕緣閃絡(luò)電壓顯著降低。由韋布爾分布參數(shù)可知，樣品清潔時的形狀參數(shù)更大，即閃絡(luò)電壓均在韋布爾分布概率63.2%的擊穿電壓附近。當(dāng)樣品表面附著鹽污穢時，閃絡(luò)電壓分布更分散。這是因為污穢的存在會導(dǎo)致放電通道形成的隨機(jī)性加劇，從而使閃絡(luò)電壓的分散性增大。由圖3 可知，隨著鹽密的增加，樣品閃絡(luò)電壓顯著下降，當(dāng)鹽密為0.05 mg/cm2時，閃絡(luò)電壓下降變緩，這是因為鹽密達(dá)到一定程度后，形成放電的起始電荷不再增加。因此，當(dāng)鹽密大于0.05 mg/cm2后，閃絡(luò)電壓的韋布爾分布參數(shù)基本相同。

圖3 閃絡(luò)電壓隨鹽密的變化規(guī)律

2.3 灰密對絕緣件閃絡(luò)電壓的影響

閃絡(luò)電壓隨灰密變化而變化的規(guī)律如圖4 所示。由圖4 可知，灰密對樣品的閃絡(luò)電壓也有顯著影響，但灰密和鹽密對閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律不相同。由圖4 可知，當(dāng)灰密增加時，韋布爾分布的形狀參數(shù)沒有顯著變化，雖然閃絡(luò)電壓隨灰密的增加而降低，但擊穿電壓的分散性均相似，這說明灰密和鹽密對閃絡(luò)電壓的影響機(jī)理不相同?；颐艿拈W絡(luò)電壓分布和清潔條件下的分散度基本一致，而鹽密的閃絡(luò)電壓的分散性則顯著增大，這說明在鹽密情況下的閃絡(luò)路徑的形成更隨機(jī)，而在灰密情況下的閃絡(luò)機(jī)理則與清潔情況下的類似。

圖4 閃絡(luò)電壓隨灰密的變化規(guī)律

2.4 鹽密和灰密共同作用的影響

目前，國內(nèi)外主要對工頻電壓下鹽密對閃絡(luò)特性的影響進(jìn)行研究，閃絡(luò)電壓U與鹽密ρESDD、灰密ρNSDD的關(guān)系見式（3）。

式中：ρESDD為鹽密，mg/cm2；ρNSDD為灰密，mg/cm2；K為與材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和灰密ρNSDD有關(guān)的系數(shù)；m、n分別為ρESDD和ρNSDD對閃絡(luò)電壓U的影響特征指數(shù)。由圖3、圖4 可知，在不同鹽密和灰密下，以韋布爾分布概率為63.2%時的閃絡(luò)電壓作為U 的參量（清潔情況除外），將鹽密和灰密（清潔情況除外）分布帶入式（3）中，得到K、m、n分別為29.9、0.17、0.12，即U=0.29ρ-0.17ESDDρ-0.12NSDD，鹽密和灰密的影響的特征指數(shù)分別為0.17、0.12，這與閃絡(luò)電壓的韋布爾分布結(jié)果吻合，即鹽密的影響指數(shù)大于灰密導(dǎo)致的鹽密閃絡(luò)電壓的分散性，大于灰密的閃絡(luò)電壓。

根據(jù)擬合結(jié)果繪制三維圖像，結(jié)果如圖5 所示。由具體試驗數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)灰密為1.5 mg/cm2時，鹽密從0.03 mg/cm2增至0.05 mg/cm2，雷電閃絡(luò)電壓從45.72 kV降至42.81 kV，降低了近3 kV。由圖5可知，隨著鹽密的增加，導(dǎo)致雷電閃絡(luò)電壓趨于平緩，說明鹽密的增加對雷電沖擊閃絡(luò)電壓的降低速度變慢，當(dāng)鹽密增加到一定程度后，其不再是影響雷電沖擊閃絡(luò)電壓下降的主要因素。

圖5 鹽密和灰密共同作用對微型傳感器絕緣特性影響

由上述分析可知，鹽密增加會使污穢物中的導(dǎo)電物質(zhì)增多，在人工霧室受潮形成電解質(zhì)溶液。由于鹽的濃度增加會使電導(dǎo)率增加，當(dāng)鹽溶液的濃度增加到一定值后，電導(dǎo)率達(dá)到最大值，因而鹽密的增加會導(dǎo)致閃絡(luò)電壓的降落趨近平緩。

從沿面放電角度來看，有污穢物時的污閃與干凈時的沿面閃絡(luò)有很大不同，污層濕潤后，泄漏電流會增加，從而形成干區(qū)。由于干區(qū)的污層電阻大，大部分電壓施加在干區(qū)上［9］，導(dǎo)致干區(qū)上的電場分布更密集。電場強(qiáng)度過高，會在干區(qū)產(chǎn)生氣隙擊穿的種子電荷，在干區(qū)強(qiáng)電場的作用下，導(dǎo)致電子流注向前發(fā)展，最后有可能貫穿整個間隙［10-11］。隨著鹽密的增加，泄漏電流增加，形成干區(qū)的速度加快，擊穿電壓就會降低。當(dāng)鹽密增加到一定程度后，泄漏電流可快速形成滿足擊穿條件的干區(qū)，此時干區(qū)附近的氣體有效電子的數(shù)目成為主要影響因素，這與氣體種類、壓強(qiáng)、溫度等有關(guān)，所以閃絡(luò)電壓下降不明顯。

3 結(jié)論

本研究以環(huán)氧樹脂樣品為研究對象，探究了惡劣條件下微型傳感器雷電沖擊的絕緣特性。作為固體微型傳感器絕緣材料的環(huán)氧樹脂絕緣件，具有良好的憎水性和較強(qiáng)的耐污能力，通過對試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的分析，得出以下三點結(jié)論。

①環(huán)氧樹脂絕緣子的雷電閃絡(luò)電壓受到鹽密和灰密的顯著影響。同一灰密時，鹽密增加，環(huán)氧樹脂絕緣件的雷擊閃絡(luò)電壓明顯降低?；颐軐﹂W絡(luò)電壓的影響復(fù)合與鹽密規(guī)律類似，即灰密增加會導(dǎo)致雷電閃絡(luò)電壓降低，且隨著灰密的增加，閃絡(luò)電壓的下降趨于平緩。

②灰密增加時，閃絡(luò)電壓隨灰密的增加而降低，但擊穿電壓的分散性均相似，鹽密的閃絡(luò)電壓的分散性則顯著增大，這說明鹽密情況下，閃絡(luò)路徑的形成更隨機(jī)，灰密和鹽密的放電機(jī)理不同。

③通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，可得閃絡(luò)電壓U= 0.29ρ-0.17ESDDρ-0.12NSDD，影響的特征指數(shù)分別為0.17、0.12，即對環(huán)氧樹脂絕緣件雷擊閃絡(luò)來說，鹽密產(chǎn)生的影響比灰密產(chǎn)生的影響要大。