影响绝缘子污闪电压因素的分析

汪 洋，王志明

（国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 211102）

影响绝缘子污闪电压因素的分析

汪 洋，王志明

（国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京 211102）

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，分析绝缘子等值盐、灰密度，交、直流电压，绝缘子结构，气压，气象条件，不均匀积污等因素在污闪发展各阶段对污闪造成的影响，为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。

输电线路；绝缘子；等值盐密度；污闪电压

0　引言

多年来，国内外学者对绝缘子污闪机理进行了大量研究，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、绝缘子本身结构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。许多学者从1个角度研究了单一因素对绝缘子污闪的影响，成果丰硕。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，绝缘子结构对污闪的影响，气象环境对污闪的影响，不均匀积污对污闪的影响等。

1　影响绝缘子污闪电压的因素分析

1.1盐、灰密度对绝缘子污闪的影响

1.1.1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被广泛采用的用来表征绝缘子表面污秽程度的方法。等值盐密度是用来反映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。等值盐密度和等值灰密度属于一个中间媒介，它将环境污染程度与绝缘子的污闪电压联系起来。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，它们之间的关系可表示为：

式中，Uf表示污闪电压，kV；A，B代表与绝缘子自身参数有关的系数；ESDD，NSDD分别为等值盐密度和等值灰密度，mg/cm2；a，b表示特征指数。图1为绝缘子等值盐、灰密度与污闪电压关系曲线。

1.1.2等值盐、灰密度与泄漏电流在污闪过程中的影响

等值盐、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：等值盐、灰密度是静态检测，泄漏电流是动态监测。测量等值盐、灰密度最大的优点是对设备技术条件要求不高，适合运维单位广泛应用，缺点是不能动态地反映运行时绝缘子受潮及电压作用下的污秽变化；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，对监测设备要求高，难以广泛应用。

等值盐、灰密度反映了绝缘子表面的污秽程度，污秽度是引起泄漏电流变化的最根本原因，而泄漏电流的增大是导致污闪发展过程中干带形成的最直接原因。也就是说，等值盐、灰密度在整个污闪过程中只是作为一个转换参数，定量地反映出污秽程度，而泄漏电流则是污闪发展过程中的一部分，它的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。

图1　LXY4-160型绝缘子盐、灰密度与污闪电压关系曲线

1.2电压性质对污闪的影响

1.2.1交、直流电压污染特性

电压性质对污闪的影响主要体现在2个阶段，一是绝缘子的积污阶段；二是电弧发展阶段。

绝缘子积污阶段，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上，且直流电场恒定，固体微粒朝着固定电场力方向运动。因此，相较于交流电压下的绝缘子，直流电压下的绝缘子更易积污，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2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。所以，相较于交流污闪电压，直流污闪电压更低。

1.2.2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。在负极性电弧沿绝缘子表面的放电过程中，自由电子迅速向外移动，但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。

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。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；而由于处于悬垂串绝缘子下表面正极性电弧的飘弧作用，及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

1.3绝缘子结构对污闪的影响

目前，绝缘子的爬电距离是在污秽区选择使用绝缘子的主要参数，但是根据以往的运行经验，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；另一方面是绝缘子发生污闪不仅仅与其爬电距离有关，可以肯定的是，在绝缘子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。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。绝缘子结构越简单，电场分布就越均匀。在污闪过程中，当泄漏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，越容易导致泄漏电流发生击穿，跨干区形成电弧，导致污闪的发生。

1.4气压对绝缘子污闪的影响

1.4.1气压与污闪电压的关系

我国幅员辽阔，地势东低西高，西电东送工程大量输电线路要穿越高海拔地区。因高海拔地区环境相对恶劣，空气稀薄、气压低、昼夜温差大，传统的输电线路外绝缘配置标准不适用于该地区。对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就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，染污绝缘子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，可以用下式表示：

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

1.4.2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：

式中E为单位长度电弧电压，I为电弧电流，A为污层表面的电弧常数，n为系数。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。

研究表明，低气压对交流电压污闪的影响要比直流电压污闪更大，其原因可以概括为：低气压不仅促进了交流电弧的发展，也促进了交流电弧的复燃过程；而对直流电弧而言，它不存在复燃过程，低气压只是促进了直流电弧的发展过程。

1.5温度对绝缘子污闪电压的影响

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它们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SiS2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。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。

1.6不均匀积污对绝缘子污闪的影响

1.6.1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。

（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。

1.6.2不均匀积污与污闪发展的关联

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漏电流大小不一。积污量大的部位，导电率高，泄漏电流大，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（T代表上表面污秽度，B代表下表面污秽度）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积污不均匀分布对直流污闪电压影响的修正公式为：

式中：K为系数。

2　结论

综上所述，不难看出，影响绝缘子污闪的各个因素之间也存在相互影响，如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、灰密度上。由此可见，绝缘子污闪过程是复杂的，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，要结合多重因素对污闪的发生进行综合分析，这样才能采取有效措施防止类似事故的发生。

在采取防污闪措施时，要多管齐下，一方面要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、更换大爬距空气动力型防污闪绝缘子等；另一方面也要加强对绝缘子的监测，包括盐密度的监测、泄漏电流的在线监测、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。

1 关志成，陈 原，梁曦东，等.合成绝缘子直流污闪极性效应的研究［J］.清华大学学报（自然科学版），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，2011，35（3）：146-151.

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，2010，40（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.

5 张楚岩，张福增，陈昌龙，等.高海拔地区直流特高压大尺寸复合外绝缘污闪特性研究［J］.电工技术学报，2012，27（12）：20-28.

6 张福增，王黎明，关志成.复合绝缘子伞裙参数对直流污闪电压的影响［J］.高电压技术，2010，36（3）：603-608.

7 张福增，彭功茂，王黎明，关志成.环境温度对复合绝缘子直流污闪特性的影响［J］.高电压技术，2010，36（5）：1 119-1 123.

8 方春华，王建国，操平梅，等.污秽绝缘子泄漏电流与环境温、湿度相关分析［J］.高电压技术，2012，38（4）：885-891.

9 袁 检，张建荣，吴经锋，等.复合绝缘子憎水性机理分析［J］.绝缘材料，2002，37（2）：20-22.

10 罗 兵，饶 宏，黎小林，等.直流复合绝缘子不均匀污秽闪络特性研究［J］.高电压技术，2006，32（12）：133-136.

2015-09-10；

2016-03-04。

汪 洋（1988-），男，工程师，主要从事输电线路运维检修工作，email：2355315353@qq.com。

王志明（1972-），男，高级工程师，主要从事输电线路运维检修工作。