影响绝缘子污闪电压的综合因素分析

汪　洋，王志明，潘灵敏

(国网江苏省电力公司 检修分公司，南京　211102)

影响绝缘子污闪电压的综合因素分析

汪洋，王志明，潘灵敏

(国网江苏省电力公司 检修分公司，南京211102)

摘要：归纳总结了影响绝缘子污闪电压的主要因素，并结合污闪发展过程和机理，分析绝缘子盐、灰密度、交直流电压特性、绝缘子结构、气压、环境温度、不均匀积污等各因素在污闪发展各阶段对污闪造成的影响，为线路运维单位分析输电线路污闪事故原因提供参考，以便改进防污闪措施，合理地选择输电线路外绝缘配置。

关键词：输电线路；绝缘子；气象环境；污闪电压

多年来，国内外学者对绝缘子污闪机理已经进行了大量的研究，沿绝缘子表面发生的污闪过程已基本形成统一的观点，从宏观上可以将污闪划分为“绝缘子表面积污—污秽受潮湿润—干带形成及局部放电—电弧发展直至闪络”4个阶段，气象环境、绝缘子本身以及电压性质等因素都会对这个过程产生影响，正是由于绝缘子污闪过程的复杂性，加之影响绝缘子污闪的各个因素之间又相互关联，造成了对发生污闪的原因分析不够全面。目前，主要研究方向包括盐、灰密度与绝缘子污闪电压的关系，交、直流电压下绝缘子污闪特性，高海拔地区绝缘子污闪特性，绝缘子结构对污闪电压的影响，气象环境对污闪的影响等。

1盐、灰密对绝缘子污闪电压的影响

1.1盐、灰密度与污闪电压的关系

测量绝缘子表面等值盐密度和等值灰密度是输电线路运维单位广泛采用表征绝缘子表面污秽程度的方法。等值盐密度是用来反应绝缘子表面可溶于水的导电污秽物参数，等值灰密度是用来反应绝缘子表面不溶于水的惰性污秽物参数。等值盐密度和等值灰密度主要与绝缘子所处的污秽环境有关，例如沙漠及长期干旱地区，绝缘子表面的污秽物以不溶于水的惰性物质为主，灰密度较高；沿海地区，绝缘子表面的污秽物以高可溶性的速溶盐为主，盐密度较高。

等值盐密度和等值灰密度是线路运维单位用来划分环境污秽等级的重要参考数据，而污秽等级的划分又是外绝缘配置选择的重要参考数据，环环相扣。不难看出，等值盐密度和等值灰密度属于一个中间媒介，将环境污染程度与绝缘子的污闪电压联系起来。绝缘子盐、灰密度与污闪电压关系曲线图见图1。大量的研究表明，污闪电压随绝缘子表面等值盐密度和等值灰密度的增大而降低，呈幂指函数关系，可表示为：

Uf=A(ESDD)-a

(1)

Uf=B(NSDD)-b

(2)

式中Uf——污闪电压；A、B——绝缘子自身参数有关的系数；a、b——特征指数。

图1　LXY4-160型绝缘子盐、灰密度与污闪电压关系曲线图

1.2盐、灰密度与泄漏电流在污闪过程中的影响

盐、灰密度和泄漏电流都是表征绝缘子表面污秽程度的参数，两者的主要区别是：盐、灰密度是静态检测，泄漏电流是动态监测。测量盐、灰密度最大的优点是对设备技术条件要求不高，适合运维单位广泛采用，缺点是不能动态地反应运行时绝缘子受潮及电压作用；泄漏电流被认为是最能反应污秽度的参数，缺点是监测难度较大，对设备要求高，难以广泛应用。

事实上，盐、灰密度反应了绝缘子表面的污秽程度，污秽度是引起了泄漏电流变化最根本的原因，而泄露电流的增大是导致污闪发展过程中干带形成最直接的原因。也就是说，盐、灰密度在整个污闪过程只是作为一个转换参数，定量地反应出污秽程度，而泄露电流则是污闪发展过程中的一部分，增大或减小直接关系到污闪能否进入下一个阶段——干带形成及局部放电。

2014年1月31日，500 kV东三Ⅰ线在037～051号区段的多基杆塔绝缘子发生污秽闪络事故。气象资料显示，在故障发生区域出现了能见度小于50 m的浓雾天气，此外春节期间燃放的鞭炮致使空气中悬浮大量颗粒物，导致PM2.5处于严重污染状态。由于持续浓雾和雾霾天气，加之空气湿度很高，达到95%，使绝缘子表面污秽物不断增加且充分湿润，导致绝缘子表面的绝缘电阻下降，导电率上升，泄露电流增大，产生局部爬电，当电弧贯穿后，引起绝缘子的闪络放电。事后，线路运维单位对发生闪络的绝缘子串进了盐密度测量，ESDD平均值达到0.25 mg/cm2以上，实测污秽等级高于新版污区分布图中的污秽等级。

2电压性质对污闪电压的影响

2.1交、直流电压污染特性

19世纪80年代，直流输电技术首先成功得到应用，但是由于技术条件的限制，在当时，直流输电的电压难以持续提高，后来逐步被交流输电技术所取代。进入20世纪，随着电力电子技术的发展，直流输电技术因其输送距离远、输送容量大的特点，再次受到人们的关注。在我国，西电东送工程需要进行长距离、大容量的输电，特高压交、直流输电技术均得到了实施应用。因此，研究交、直流电压下绝缘子污闪的区别，是选择外绝缘配置的必然所需，电压性质对污闪的影响主要体现在两个阶段，一是绝缘子的积污阶段，二是电弧发展阶段。

绝缘子染污阶段，其周边环境中的微粒受到以风力为主、重力和电场力为辅的3个力的作用。在交流电场中，由于电场呈周期变化，电场力方向也时刻变化，固体微粒振荡运动；在直流电场中，固体微粒可带电，容易吸附在绝缘子表面，且直流电场恒定，固体微粒朝着固定电场力方向运动。因此，相较于交流电场下的绝缘子，直流电压下，绝缘子更易积污，发生污闪的概率更大。

电弧发展阶段，由于交流电压存在过零点，电弧发展可分为两类，一类是存在明显的熄燃过程，另一类是作强弱周期变化，但是不管是哪一类，交流电压下，电弧发展呈现出不可持续性。在直流电压下，一点发生击穿，形成电弧，由于直流电流的恒定性，直流电弧难以熄灭，发展速度快，且易发生飘弧现象。相较于交流污闪电压，直流污闪电压更低。

2.2直流电压正负极性污闪特性

直流线路正、负极污闪特性的区别，主要是正、负电弧极性效应的区别。正极性电弧沿绝缘子表面放电的过程，形成大量的自由电子和正离子，大量的自由电子迅速向正电极移动，而正离子移动速度相对缓慢，堆积在正电极周围，正电极周围聚集大量电荷，电场强度进一步增强，促进了正极性电弧的发展。负极性电弧沿绝缘子表面的放电过程，自由电子迅速向外移动，正离子向负电极聚集速度缓慢，减弱了负极性周围电场强度，使得负极性电弧发展缓慢。

需要指出的是，对于上述正、负电弧特性描述只是针对单电弧而言，实际运行中，需要对整串绝缘子的电弧特性进行分析。在悬式绝缘子串中，每片绝缘子的上、下表面引发的电弧极性是不同的，在负极性电压下，绝缘子上表面为正极性电弧，下表面为负极性电弧，正极性电压下与之相反[1]。绝缘子上、下表面的正、负极性电弧串联，导致在绝缘子串中的电弧极性发展的差异不明显。但是，正极性电弧在绝缘子表面会产生洁净区，导致处于上表面的正极性电弧更易发生飘弧作用，使其脱离绝缘子表面，引发伞间桥接，减小了爬电距离的利用率；而处于悬垂串绝缘子下表面正极性电弧的飘弧作用，由于悬式绝缘子的垂直排列方式，使其紧贴绝缘子下表面，反而导致其爬电距离得到充分利用。综上考虑，在悬垂绝缘子串中，负极性污闪电压要小于正极性污闪电压。图2、图3分别为负、正极性污闪初期电弧分布示例。

图2　负极性污闪初期电弧分布

图3　正极性污闪初期电弧分布

2004年2月19日，±500 kV龙政线1979号和1983号极Ⅰ(正极)发生绝缘子污秽闪络事故，而同杆塔的极Ⅱ(负极)却没有发现明显的闪络现象，这似乎与上述观点即负极性污闪电压要小于正极性污闪电压的结论相背离，但是仔细了解下发生故障杆塔的外绝缘配置和绝缘子串排列方式就不难发现其中的关键因素。±500 kV龙政线1979号和1983号均是耐张杆塔，绝缘子串为水平布置，采用四联39片XZP-210瓷质钟罩型带下棱结构绝缘子，在极Ⅰ(正极)电压下，绝缘子下表面的正极性电弧由于其水平排列的方式，飘弧作用导致电弧飘离了绝缘子表面(而不是悬垂状态下紧贴绝缘子下表面)，形成下棱间的桥接，降低了爬电距离的利用率，也就是说，导致此次龙政直流极Ⅰ发生污闪而极Ⅱ没有发生污闪的原因在于其绝缘子串水平排列的方式。

3绝缘子结构对污闪电压的影响

通常绝缘子结构参数包括结构高度、公称直径、爬电距离、表面积、形状因素、棱下系数、片间距离、表面倾斜角等。目前，绝缘子的爬电距离是运维单位在污秽区选择绝缘子的主要参数，但是根据运行经验，在爬电距离大于污秽等级要求的情况下，依然会发生污闪事故，造成这种现象的原因，一方面是对污秽等级评估、划分以及其与爬电距离之间的关系还有待进一步完善，另一方面显然是绝缘子发生污闪不仅仅与其爬电距离有关。在结构高度确定的情况下，爬电距离与污闪电压并非是线性关系。

通过对几组爬电距离近似伞裙布置不同的复合绝缘子进行污闪试验，结果表明，结构越简单的绝缘子，污闪电压越高[2]。通过对几种不同伞型结构的复合绝缘子的电压分布进行仿真试验，结果表明，等径伞裙的绝缘子电压分布较均匀[3]。由此可见，绝缘子结构对污闪电压的影响主要体现在电场分布的均匀程度，也就是说，绝缘子结构影响其表面的电场分布，电场分布影响污闪的发生。绝缘子结构越简单，电场分布就越均匀，在污闪过程中，当泄露电流导致干带形成后，电场分布越均匀，电流就越难以沿绝缘子表面发生击穿而形成电弧；反之，绝缘子结构越复杂，电场分布越不均匀，越容易导致泄露电流发生击穿，跨干区形成电弧，导致污闪的发生。

4气压对绝缘子污闪电压的影响

4.1气压与污闪电压的关系

我国幅员辽阔，海拔分部呈现东低西高，西电东送工程要求大量输电线路需要穿越高海拔地区，由于高海拔地区环境相对恶劣：空气稀薄、气压低、昼夜温差大，这些因素造成了传统的输电线路外绝缘配置标准不适用于高海拔地区，高海拔地区绝缘子放电特性研究有助于线路运维单位选择合适的绝缘配置，降低污闪事故的发生。

国内大量研究表明，高海拔地区绝缘子的放电特性主要受大气压的影响，研究高海拔地区绝缘子放电特性本质是研究低气压下绝缘子的放电特性。普遍结论认为：随气压降低，染污绝缘的直流和交流闪络电压都会降低，污闪电压U与气压P之间呈非线性关系，可以表示：

(3)

式中P0——海拔0 m时的标准大气压，MPa；U0——标准大气压时的绝缘子污闪电压，kV；n——反映气压对于污闪电压影响程度的下降指数。

4.2气压变化对电弧发展的影响

污闪电压随气压下降的机理，可以从低气压下电弧发展特性的角度来解释，低气压条件下空气稀薄，密度低，导热能力下降，电弧产生的热量难以及时散发，促进了电弧的发展，使得低气压下直流电弧的弧柱直径增大，导致污层表面局部电弧的伏安特性呈现下降趋势，国外学者对直流电弧在不同气压条件的伏安特性进行了测试，结果表明不同气压下直流电弧的伏安特性可表示为：

E=AI-n

(4)

式中E——单位长度电弧电压；I——电弧电流；A——污层表面的电弧常数；n——系数。

日本学者对污层表面电弧常数A进行的研究表明，随着气压降低，电弧常数A会减小。系数n主要与绝缘子结构有关，前苏联学者的研究表明，随着气压的降低，形状结构越复杂的绝缘子，n值相对较高，即电气强度下降越严重，这主要是在低气压下直流电弧更容易发生飘弧，在伞棱间发生闪络的概率更大。

5气象条件对绝缘子污闪电压的影响

绝缘子表面积污受气象条件的影响主要表现在风吹、雨(雪)、雾等天气对污染物运动和沉积规律的影响上。

风力不但决定着大气中污染物的运动方向、运动速度、污染源的影响范围，同时，对绝缘设备表面沉积的污秽还有一定的清洁作用。因此，还需结合当地污染源性质和分布、地形条件、绝缘子型式等因素综合考虑风力对绝缘设备积污程度的影响。

此外，相对于悬垂串和V串绝缘子，耐张串绝缘子发生污闪的概率最低，因为是水平布置，串中各片绝缘子的上、下表面均能被雨(雪)冲刷到，具有较好的自洁性的缘故。

在工业污染源附近地区，由于大气环境污染严重，空气中含有大量的尘埃粒子，这些粒子为雾的形成提供了丰富的凝结核，当气温、湿度、风速适宜时就容易导致雾的形成。

雾不但有使污层内的可溶盐溶解，在绝缘设备表面形成导电层的作用，而且对绝缘设备的积污也有影响。在大气污染比较严重的地区，含有污秽物的雾聚集成水滴沉降在绝缘设备表面上，从而使设备表面的积污量增加。气象观测数据表明，在城市工业区形成的浓雾的电导率可达2 000 μs/cm；城市工业区边缘及邻近农村地区的浓雾的电导率也可达数百至1 000 μs/cm以上。这些数据说明，雾滴中是含有大量的导电离子的，其导电离子浓度取决于当地大气污染程度和性质，因此，当雾滴在重力、风力、电场力等的作用下沉积到绝缘设备上时，也就同时将雾滴中含有的导电离子带到设备上，使设备的积污量增加。一般而言，一次大雾的持续时间可以达到几个小时，大雾的持续时间越长，则设备积污量的增加越明显。

环境温度对绝缘子污闪电压的影响主要体现在对绝缘子材质的影响，由于电瓷和玻璃绝缘子的绝缘部件是无机材料，其材料中的原子由离子键结合在一起，正负离子产生的静电吸引力使其具备优异的化学稳定性，因此环境温度对电瓷和玻璃绝缘子影响不大。复合绝缘子的绝缘部件主要由有机材料组成，目前复合绝缘子的伞裙主要采用高温硫化硅材料，其材料中的分子通过共享电子形成共用电子对，才能形成化合物，这导致分子的结合力较弱，容易受环境因素影响，这也是复合绝缘子抗老化能力较弱的主要原因。因此，环境温度变化主要对复合绝缘子产生影响，而温度变化对复合绝缘子污闪特性的影响主要反映在对憎水迁移性的影响。

复合绝缘子憎水性机理：硅橡胶材料以硅—氧(Si-O)键为主，其主链十分柔顺，分子间的作用力弱，导致其表面张力和表面能都很小。当水滴落到硅橡胶表面时，能以球状形式停留在硅橡胶材料表面有两方面原因：一是水滴内部分子对表层分子的吸引力大于硅橡胶材料对表层水分子的吸引力，二是水滴内部分子对表层分子的吸引力大于空气分子的吸引力。喷源PRTV绝缘子和合成绝缘子表面水原状态及憎水性分级标准如表1所示。IEC/TS 62073-2003给出了3种憎水性的测试方法：静态接触角法，表面张力法和喷水分级法。静态接触角法和表面张力法适用于实验室条件下测试，喷水分级法(HC)适用于现场检测，所以线路运维单位通常采用后者对现场复合绝缘子的憎水性进行评估。憎水性分级如图4所示。

表1　喷涂PRTV绝缘子和合成绝缘子

图4　憎水性分级示意图

复合绝缘子硅橡胶材料具备优良的耐污闪能力，不仅仅是因为其具有良好的憎水性，而是硅橡胶材料还具备憎水迁移性。对于憎水迁移性的机理，目前主要观点倾向于小分子LMW理论，即硅橡胶材料表面受外界影响，产生硅氧烷小分子，当硅橡胶表面附着污秽物时，硅氧烷分子将污秽物包裹，使得污层也具备了憎水性。

复合绝缘子材料的憎水迁移性随温度升高，迁移速度加快，耐污闪能力得到提升[4]。但是从另一方面来看，温度升高加速了硅氧烷分子的迁移，同时也加速了硅橡胶材料表面硅氧烷分子的流失，即加快了硅橡胶材料的老化，如表2所示。

表2　憎水性迁移速度与环境温度的关系

6不均匀积污与污闪电压的关系

6.1绝缘子污秽分布特性

绝缘子在自然积污条件下，其污秽分布存在不均匀现象，具体可从3个角度分析：①沿串分布不均，整串绝缘子污秽量分布呈“U”型，即绝缘串两头污秽度较中间部分大，这与绝缘子串的电压分布类似，也就是说绝缘子串电场分布特性造成了其积污量的分布特性；②绝缘子上下表面污秽分布不均，这既与绝缘子结构有关，也受自然因素影响，以钟罩型绝缘子为例，其下表面深棱结构导致其自洁性能较差，下表面积污量大于上表面，同时在自然条件下，受风雨影响，绝缘子上表面清洗情况要好于下表面，导致上表面积污量小于下表面(见图5)；③绝缘子扇面污秽分布不均，造成这种现象的主要原因是受自然风向的影响，即绝缘子迎风面更易受到风力清扫，导致其积污量小于背风面。运行绝缘子串实测盐密度分布曲线图如图6所示。

图5　运行绝缘子现场实拍上、下表面积污情况

图6　运行绝缘子串实测盐密度分布曲线图

6.2不均匀积污对污闪发展的影响

不均匀积污是导致干带形成的条件之一，由于绝缘子的积污量不均匀，导致了绝缘子各部位的泄露电流大小不一，积污量大的部位，导电率高，泄露电流大，电流热效应明显，最先形成干带，当干带两端的电压满足击穿条件时，就会形成跨干带的电弧。

大量的研究表明，绝缘子污闪电压随着上下表面不均匀积污T/B值的增大而减小，且不均匀积污对直流电压污闪的影响明显大于交流电压污闪。美国EPRI提出绝缘子上下表面不均匀分布对直流污闪电压影响的修正公式为：

α=1-Klg(T/B)

(5)

式中T——上表面污秽度；B——下表面污秽度；K——系数。

7结语

综上所述，影响绝缘子污闪电压的各个因素之间存在相互影响，例如环境温度也影响盐、灰密度，绝缘子结构与其不均匀积污也有很大关联，而且也反映到绝缘子盐、灰密度。绝缘子污闪机理是复杂的，最终导致污闪发生的原因是多重因素共同作用的结果。在污闪事故的分析过程中，要结合环境因素和绝缘子自身情况对污闪的发生进行综合分析，这样才能采取有效措施防止同样的事故再次发生。

线路运维单位在采取防污闪措施时，也要多管齐下，既要从静态的角度考虑，也要从动态的角度考虑。静态角度即提升设备自身的耐污闪能力，主要方式包括对绝缘子进行合成化改造、通过调爬更换大爬距空气动力型防污闪绝缘子等；动态角度即加强对绝缘子的监测，包括盐密度的监测、泄露电流的在线监测、红外紫外绝缘子检测以及零值绝缘子测量等，其目的是时刻关注运行绝缘子的染污变化，以便及时优化外绝缘配置。

参考文献：

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GUAN Zhi-cheng, CHEN Yuan, LIANG Xi-dong, et al. Polarity effect of DC contamination-flashover of composite insulators[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology),1999,39(5): 14-16. 28.

[2]舒立春,袁前飞,张志劲,等. 不同伞形结构复合绝缘子的交流污闪有效爬电距离[J]. 电网技术,2011(3):146-151.

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[3]张强,王维庆,李长凯. 对复合绝缘子电场分布的改善[J]. 华北电力技术,2010(6):10-12，38.

ZHANG Qiang, WANG Wei-qing, LI Chang-kai. Improvement of electric field distribution for composite insulators[J]. North China Electric Power,2010(6):10-12,38.

[4]关志成. 绝缘子及输变电设备外绝缘[M] . 北京:清华大学出版社,2006.

(本文编辑：严加)

Comprehensive Factors Influencing Insulator Pollution Flashover Voltage

WANG Yang, WANG Zhi-ming, PAN Ling-min

(Inspection & Maintenance Company, Jiangsu Electric Power Corporation, Nanjing 211102, China)

Abstract:This paper summarizes the main factors influencing the insulator pollution flashover voltage. And in combination with the pollution flashover development process and mechanism, it analyzes various factors at each development stage of flashover, including density of insulator salt and ash, AC/DC voltage characteristics, insulator structure, air pressure, temperature, uneven pollution deposit and so on. This research can provide the reference to the transmission line operation and maintenance section in analyzing transmission line pollution flashover accidents in order to improve the anti-flashover measures and choose reasonable transmission line external insulation configuration.

Key words:power transmission line; insulator; meteorological environment; pollution flashover voltage

DOI：10.11973/dlyny201601026

作者简介：汪洋(1988)，男，工程师，从事输电线路运维检修工作。

中图分类号：TM85

文献标志码：B

文章编号：2095-1256(2016)01-0123-06

收稿日期：2015-11-12