污染环境下110kV户外电缆终端的选型

丁 勇， 夏 震， 王海军， 孙殿宏， 庄 猛

(1.3M中国有限公司，上海200233;2.铜川供电局，陕西 铜川727031;3.大别山发电有限责任公司，湖北 麻城438304)

0 引言

近些年，随着我国现代工业生产的迅速发展，大气污染加剧，电网污闪事故多发。电网的高速发展和电压等级不断提高，污秽条件下的电气绝缘问题日益突出［1-2］。目前的污闪主要发生在线路绝缘子上，但随着电缆使用数量越来越多，电缆终端的污闪问题也越来越重要。对于绝缘子污闪，在国内外都有较多研究［3-6］，但对于电缆终端则较少，并主要在中压电缆附件方面;文献［7］分析了引起中压电缆终端外绝缘放电的主要因素;文献［8］从设计的角度来阐述了中压电缆终端的抗电痕和抗污闪性能;文献［9］针对埃及近海环境下的12/20 kV绕包终端，研究了屏蔽断口平滑程度和胶带绕包的长度与厚度对终端闪络电压和电晕击穿电压的影响。对于110 kV以上的高压电缆终端的污闪问题，到目前为止，则很少研究。

由于绝缘结构和功能的不同，电缆终端的绝缘表面闪络和绝缘子有所不同。而对于110 kV户外电缆终端来说，由于其类型不同，其在污闪方面的性能也不同。

本文分析了影响110 kV户外终端表面闪络的主要因素，结合实际应用，指出了目前关于户外终端污闪选型的不足，并提出110 kV户外电缆终端选型应该注意的一些问题，从而以产品选型的角度尽可能地保证产品及系统的安全可靠性。

1 污闪放电机理

最早将污闪过程模型化、定量化是由德国的奥本诺斯在1958年完成的(见图1)。该模型是由电弧和电阻的串联组成［10］，也是目前被普遍接受的模型。

有关绝缘子污闪的放电过程的物理解释没有统一的看法，但普遍认为绝缘子表面的闪络过程是靠外力推动的。这个力包括静电吸引、电磁力、热浮力和蒸气压力［10］。文献［11］中指出:沿绝缘子湿润污秽表面的闪络并不是单纯的空气间隙击穿，而是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。一般固体绝缘的表面闪络是属于空气间隙沿固体绝缘的放电形式。虽然固体介质的存在使电场发生一定的畸变，将使闪络电压低于纯空气间隙，但仍然是一个气体间隙的击穿问题。

图1 奥本诺斯模型概念

固体绝缘的污秽闪络则完全不同，它是一个弧光熄灭问题。固体绝缘当表面有污层时，如污层干燥则泄漏电流不大，以微安计;当污层受潮时，泄漏电流增大，导电性污层的泄漏电流可达数百毫安。泄漏电流会产生热，使绝缘表面水分蒸发引起局部电阻改变，部分表面出现干区，电流在该中断处形成很小的局部电弧。如果电流不大，则当交流电流过零点时，局部电弧可能熄灭;当泄漏电流大时，因为在这些局部小间隙中存在大量游离气体，电弧在电流过零点后仍继续燃烧，在一定条件下就造成固体绝缘表面的闪络［12］。

绝缘子污闪发展一般经过四个阶段［11］:(1)绝缘子表面污秽积累;(2)在潮湿的环境条件下污秽变湿润;(3)在表面泄漏电流的热效应作用下出现干区，从而改变电压分布并引起局部电弧;(4)局部电弧发展成为绝缘子完全闪络。

2 户外终端污闪的主要因素

导致户外终端污闪的因素较多，并且这些因素之间也可能会互相影响。下面就从污层成分、材料表面性能、表面电场、负荷电流、环境条件等方面分别进行阐述。

2.1 污层成分

污秽的成分比较复杂，按来源可分为工业型污秽和自然型污秽。常见的工业型污秽有化工污秽、水泥污秽、煤烟污秽、冶金污秽等;常见的自然型污秽有尘土污秽、盐碱污秽、海水盐雾污秽等。通常的污秽是自然污秽和工业污秽的混合。

按照污秽物是否溶于水，可将污染物分为可溶解污秽和非溶解污秽，或者惰性成分［13］。对于可溶于水的污染物，一般用等值盐密(ESDD)来表征;对于非溶解成分，一般用灰密(NSDD)来表征。一般来说，人们更多的是关注等值盐密。但试验表明，在相同的等值盐密水平下，灰密的增加会导致闪络电压的降低［13］。

如果外绝缘表面污层还有导电颗粒，这些颗粒通过改变表面电场来影响污闪的发生。文献［14］指出，一般外绝缘表面有导电颗粒时的电场强度远远大于没有导电颗粒的电场强度，而且电场强度随着导电颗粒的长度增加而增加，随导电颗粒的直径增加而减少。

2.2 材料表面性能

目前来看，材料表面性能对污闪的影响主要是两个方面，一是表面热量产生，二是憎水性。

文献［15］指出，在带电的情况下，外绝缘表面材料的不同，会导致表面温度的不同，进而影响闪络过程中的干区的形成。由这种干区的形成而产生的局部电弧，从短期来说，会对污闪有抑止作用，但长期来说，可能会引起材料老化，而对其电气和机械性能产生不利影响。

外绝缘表面的憎水性直接影响污染物的沉积、表面潮湿程度、表面电阻，以及表面水珠的大小及形状。而表面电阻和水珠大小及形状，又影响表面局部场强的分布，从而影响污闪的发生。一般来说，硅橡胶具有很好的憎水性，而陶瓷则是亲水材料。由于外绝缘表面各部分会有不同的污染和湿润状态，就是同一材料的外绝缘表面的不同地方，也会有不同的憎水性，而局部放电往往会从憎水性较弱的区域开始［16］。

2.3 表面电场

放电一般来说都是由高电场所引起的。对终端表面电场的影响有三部分组成:表面电阻的不均匀分布、附着的水珠的形状及屏蔽断口电应力控制。

文献［17］指出，外绝缘表面椭圆形的水珠分布比球形水珠分布的场强大，最大可高出60%。场强的集中，会导致湿气在电场力的作用进入橡胶绝缘表层;而电场强度会随水珠电阻的增加而减少。同时，水珠也会因电场而被拉长或移动。

对于电缆终端来说，电缆屏蔽断口的场强的控制是尤为重要。目前对于110 kV电缆终端来说，电应力的控制方法主要是应力锥法，但由于绝缘结构的不同，充油终端和全干式终端的表面电场会有较大差异。如图2所示，充油终端的表面场强一般会比全干式终端的场强要低。从这一点来说，在相同环境下，充油终端会比全干式终端的闪络电压高。

图2 充油式和全干式终端电场分布

2.4 负荷电流

负荷电流对终端表面的闪络的影响，主要是通过导电线芯的温度的变化来改变终端表面温度，从而影响干区形成。这一点，对全干式终端影响可能更明显些。

文献［18］在其他条件相同的情况下，对10 kV冷缩式终端在电缆线路无负荷和满负荷两种状态进行500 h污闪试验，结果见表1。从表1可知，试验均未失败，而且满负荷状态下，终端的污闪性能更好。

表1 负荷电流对终端闪络性能的影响

2.5 环境条件

环境条件也对污闪有很大的影响，如闪络电压会随着气压的降低而降低［19］;湿度对闪络电压的影响则有从增加到饱和，然后迅速下降的过程;而在同一绝对湿度下，温度越低闪络电压越高［20］。

现场运行经验表明，覆冰外绝缘的闪络大多数发生在融冰期，融冰水在冰体表面形成水膜是闪络发生的一个重要环境条件［21］。

由于工业的发展，酸雨对外绝缘腐蚀及对污闪的影响则不容忽视。特别对硅橡胶来说，为增强其机械性能及抗电痕性能，以氢氧化铝作为添加剂，而酸雨很容易使氢氧化铝溶解，由于酸雨导致的局部电弧的热量还会导致氢氧化铝进一步损失。硅橡胶中的憎水集团也会因酸雨而老化。幸好的是，硅橡胶有憎水恢复性，当外绝缘表面干燥后，其憎水性的恢复保证其不会快速老化［22］。

3 目前户外终端的污闪选型方面的问题

在目前的110 kV户外终端的选型中，对于污闪方面主要依据GB/T 5582—93《高压电力设备外绝缘污秽等级》、GB/T 16434—96《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》和JB/T 5895—91《污秽地区绝缘子使用导则》，但这三个标准都是针对绝缘子的，并且GB/T 5582—93和GB/T 16434—96还明确说明，其是针对瓷和玻璃材料的。由于没有其他标准作为依据，实际应用中也只能将其作为参考，并且实际大多数情况下，也就是仅仅以爬电距离(见表2［23］)，作为选型的依据。但如上所述，导致终端污闪的因素很多，所以针对污闪方面的选型时候，只按爬电比距、简单的污染等级的划分，在很多时候是远远不够的。

表2 公称爬电比距分级数值 (单位:mm/kV)

4 污染环境下110 kV电缆终端选型应注意的问题

如上所述，污闪的发展是一个复杂的过程，且影响因素比较多，这些因素之间也会相互作用。在目前还没有一个直接针对户外终端的选型标准的情况下，我们应该在满足基本性能要求的情况下，根据使用环境、产品的特点及现场实际等综合考虑，作出选型。一般来说，通过以下几个方面来进行:

(1)了解近些年的气候特点，如温度、湿度、气压、雨季或雾气时间长短等，初步判断气象条件对污闪可能的影响;

(2)了解环境污染程度，如离化学污源和炉烟，化工厂、铝厂、钢铁厂、炼油厂等污秽源的远近，初步了解可能的污秽类型;

(3)对于现场污染来源较为复杂者，必要时可进行成分分析，如从等值盐密来判断，可能同为Ⅳ级污染，但污染源的不同，对不同产品产生的影响是不同的;

(4)了解产品特点，结合现场实际等综合因素进行选型。如产品类型的不同，表面电场分布的不同，产品表面材料的不同，产品结构的不同和产品安装固定方式的不同;考虑到线路设计的负荷率，终端是否可以安装在户内而尽可能减少接触污染源的机会，终端在以后的运行中是否可以多次停电清洗，现场是否有可以允许的安装固定方式等。

(5)通过以上综合因素来考虑爬距是否合理。

5 结束语

(1)随着电缆用量的增加，大气污染的加剧，110 kV电缆终端的污闪问题会越来越突出;

(2)污闪的过程较为复杂，影响因素也较多，而这些因素又相互作用;

(3)目前尚无针对110 kV电缆终端的污闪标准，甚至也没有其污闪方面的试验标准，这将对产品的选型带来一定影响;

(4)目前在实际应用中，经常仅仅以爬电距离作为110 kV户外终端污闪方面的选型依据，在很多情况下，特别是污染比较严重的情况下，是远远不够的。户外终端应根据使用环境、产品的特点及现场实际等因素，综合考虑后合理地选型。

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