自然积污绝缘子表面污秽分布特性研究

2017-01-10王胜辉刘鹏谢堂文汪兆奇戴辉

电测与仪表 2017年8期

王胜辉，刘鹏，谢堂文，汪兆奇，戴辉

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003；2.国网乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐830000）

0 引言

绝缘子是电力系统中应用最为广泛的电气元件之一，线路中的绝缘子一般处于室外，受环境影响较大。但近几年京津冀地带及新疆乌鲁木齐市在冬季出现大范围的雾霾现象，春季也会出现不同程度的沙尘天气，致使户外绝缘子表面积污严重，当遇到雨、雾及化雪天时绝缘子表面易发生闪络，严重影响电网稳定运行。

经研究发现，绝缘子污闪电压不仅受现场污秽度影响，而且绝缘子的材质，结构，污秽的分布等亦具有不可忽略的影响，当绝缘子上下表面盐密比为1：5时其污闪电压比 1：1时提高 30%［1］，单片 XP-70瓷绝缘子在饱和湿度下表面污秽分布不均匀度的增大会减小表面泄漏电流［2］，文献［3］经试验发现XP-160瓷绝缘子串上下表面污秽分布不均度越大，其污闪电压越大。但上述研究均以人工污秽为基础，与自然积污仍有一定的偏差，不能真实反映自然污秽特性，并且区域性对绝缘子表面积污也有一定影响，因此本文运用实验及仿真研究了不同类型绝缘子的自然积污的污秽分布特性。

本研究所用的绝缘子为35 kV玻璃和瓷悬式绝缘子，110 kV复合绝缘子。三种绝缘子原运行于保定某220 kV变电站多年，表面污秽源主要为空气中灰尘、盐分及郊区工厂排放的粉尘。实验采样时间在冬末春初，采样前无雨雪，采样时对绝缘子各个伞裙表面污秽进行采样，为研究其积污特性，实验对绝缘子上表面及下表面分别测量盐密及灰密，并对结果进行了表、图处理及分析。此外，本文运用ANSYS对玻璃及瓷绝缘子在不同盐密分布下的电场及电流密度进行了仿真分析。

1 实验方法

研究发现，盐密一定时，绝缘子闪络电压与灰密呈负幂函数关系，并且绝缘子的污闪电压最低值出现在灰密为 1 mg/cm2～2 mg/cm2时［4-6］，此外，试验发现灰密不同可导致污区等级相差3个等级［7］，因此对积污特性影响不能忽略灰密的影响。本文实验采用等值盐密法和灰密测量研究绝缘子表面的污秽特性。污秽收集方法本文按照国家电网公司企业标准Q/GDW 152-2006《电力系统污区分级与外绝缘选择标准》中规定进行采样。

1.1 等值盐密的测量

现场测量盐密使用工具如表1所示。

表1 盐密测量工具Tab.1 Salt density measurement tools

按照标准规定的擦拭法采集污秽，具体步骤如下：

（1）规定普通型绝缘子所用蒸馏水水量为300 ml，在烧杯中取大概300 m l蒸馏水，将脱脂棉浸入蒸馏水中；

（2）分别从绝缘子的上下表面用镊子夹着脱脂棉擦洗污秽物；

（3）带有污秽物的脱脂棉放回烧杯中，挤压使污秽溶于水中；

（4）重复擦洗，直至绝缘子表面无残留污秽，对于沾粘的污秽再用小刀将其刮下，放入溶液中，中间无擦洗液损失，清洗完绝缘子后将得到的清洗液搅拌均匀测其等值盐密。实验所用ZDYM-II型直读式等值盐密仪可以测出溶液的电导率以及20°以下等值盐密。

1.2 等值灰密的测量方法

等值灰密测量所使用的工具见表2。

表2 灰密测量工具Tab.2 NSDD measurement tools

首先对过滤纸称重，重量M1；将测试等值盐密后的污秽溶液用漏斗滤纸过滤，再将滤纸和残渣烘干后称重得到M2，记录数据；最后依照式（2）计算出灰密 NSDD（mg/cm2）为：

式中A为清理绝缘子的面积。

2 实验结果及分析

2.1 玻璃绝缘子

论文使用的玻璃绝缘子串由三片绝缘子构成，由低压到高压依次编号为1、2、3号，得到的盐密与灰密计算结果如表3、表4所示。

表3 玻璃绝缘子串盐密结果Tab.3 Glass insulator string salt density results

表4 玻璃绝缘子串灰密结果Tab.4 Glass insulator string NSDD results

对表3及表4中的数据进行处理，得到绝缘子上下表面等值盐密及灰密分布图，如图1所示。

图1 玻璃绝缘子盐密、灰密、灰盐比分布图Fig.1 Comparison chart of glass insulators ESDD，NSDD and their ratio

由图1可以得出玻璃绝缘子串中1号绝缘子上表面盐密和灰密均远小于其他片，此外，三片绝缘子下表面的盐密与灰密值相近。从图1（c）看出下表面的灰盐比远小于上表面，其灰密与盐密最大比值为11左右。

2.2 XWP2-70瓷绝缘子

XWP2-70为双伞瓷绝缘子，同样从低压到高压依次编号为1号、2号和3号。每片绝缘子分为上、中、下三部分，如图2所示。

图2 一片瓷绝缘子上、中、下表面积测量Fig.2 Porcelain insulators upper，middle and lower surface areameasurement

测量三片绝缘子的盐密、灰密结果如表5、表6所示。

表5 瓷绝缘子盐密结果Tab.5 Porcelain insulators salt density results

表6 瓷绝缘子灰密结果Tab.6 Porcelain insulators NSDD results

对表5及表6中的数据进行处理，得到绝缘子上下表面等值盐密及灰密分布图，如图3所示。由图3可以看出瓷绝缘子整体污秽度大于玻璃绝缘子，污秽等级可达4。2号和3号绝缘子上表面盐密、灰密均大于1号，其余表面三片绝缘子污秽分布相近；1号的下表面盐密、灰密高于上表面，2号自上到下依次降低，上表面与中部相对严重。从灰盐比图3（c）中看出除1号上表面，其余灰盐比递减，在积污严重时，灰盐比大约为9。

图3 瓷绝缘子盐密、灰密、灰盐比分布图Fig.3 Comparison chart of porcelain insulators ESDD，NSDD and their ratio

2.3 FXBW-110/100复合绝缘子

本文选用FXBW-110/100复合绝缘子。大小伞裙为一片绝缘子，则取低压侧第一片、中间一片、高压侧第一片，共三片绝缘子进行实验，依次编号为1号、2号、3号，如图4所示。

分别对1、2、3号绝缘子的上下表面进行盐密及灰密测量，结果如表7、表8所示。

图4 复合绝缘子取样示意图Fig.4 Sampling schematic diagram of composite insulators

表7 FXBW-110/100复合绝缘子盐密结果表Tab.7 FXBW-110/100 composite insulators salt density results

表8 FXBW-110/100复合绝缘子灰密结果表Tab.8 FXBW-110/100 composite insulators NSDD results

对表7及表8中的数据进行处理，得到绝缘子上下表面等值盐密及灰密分布图，如图5所示。

由图5表明FXBW-110/100复合绝缘子盐密除大伞裙上表面均较小外，其他部位盐密分布较均匀，但盐密平均值较大，整个绝缘子串伞裙上的污秽等级多数达到4级，积污严重；灰密分布不同部位间差别较大。从单个绝缘子片上看，大伞裙的上表面盐密及灰密都小于小伞裙上表面，而大小伞裙的下表面积污程度差别不大；图5（c）显示大伞裙的灰盐比值大于小伞裙的，最大比值为11左右。

图5 FXBW-110/100复合绝缘子盐密、灰密、灰盐比分布图Fig.5 Comparison chart of FXBW-110/100 composite insulators ESDD，NSDD and their ratio

通过对上述实验结果分析可以得到瓷与玻璃绝缘子的污秽度小于复合绝缘子，玻璃绝缘子污秽度最轻；三种绝缘子除1号外，其他上表面盐密和灰密均大于下表面，由文献［8］可知该地区绝缘子污秽受风的影响较小，因此多为污秽自然沉落。

3 ANSYS仿真分析

为了能够分析以上实验结果与绝缘子上下表面污秽分布均匀时对其电场与泄漏电流的影响，以玻璃绝缘子及双伞瓷绝缘子的实验结果为对象运用ANSYS进行了电场及泄漏电流密度仿真，仿真做了如下假设：

（1）只针对盐密的分布进行仿真分析，即忽略灰密的不同，模型的污秽水膜厚度相同；

（2）污秽处于饱和湿度；

（3）不考虑接地体及导线对绝缘子的影响。

该仿真使用PLANE230单元，该单元是基于电流分析的二维八节点四边形单元，可进行静态、谐态及瞬态电磁仿真，由于湿污绝缘子电场是阻容性电场，因此采用谐响应分析中低频准静态电场分析法［8-9］。计算结果包括各节点等电位、电场、磁场及电流密度。其中仿真的相关材料属性定义如表9所示。

表9 相关材料属性Tab.9 Related material properties

污秽水膜的相对介电常数在不同盐密时取81［9］，表10为每片玻璃绝缘子的上下表面的电阻率。

表10 玻璃绝缘子污秽水膜的电阻率Tab.10 Glass insulators pollution layer film resistivity

由于三片绝缘子运行于35 kV线路，因此施加边界条件为铁脚施加电压，钢帽施加0 kV电压，轴对称线施加磁失位AZ为0，悬浮导体设置为高介电常数材料。为了对比绝缘子污秽分布均匀时电场及电流密度，将上述每片的测量结果进行了以下处理：

（1）将每片的总盐量与总面积的比值作为绝缘子整片的盐密，即上下表面盐密均匀时的盐密。处理结果为：玻璃绝缘子：1号盐密为0.03 mg/cm2，2号盐密为0.05 mg/cm2，3号盐密为0.06 mg/cm2；瓷绝缘子：1号盐密0.08 mg/cm2，2号盐密0.15 mg/cm2，3号盐密 0.15 mg/cm2；

（2）将三片绝缘子的总盐量与三片的总面积的比值作为整串绝缘子的盐密。处理结果玻璃绝缘子整串绝缘子的盐密为0.05 mg/cm2；瓷绝缘子整串绝缘子的盐密为0.13 mg/cm2；

根据上述参数及盐密大小分别得到不同盐密分布下的玻璃及瓷绝缘子串的等电位分布仿真图，如图6、图7所示，仿真得到的最大泄漏电流密度及场强结果见表11。

图6 盐密不同分布时玻璃绝缘子电位分布图Fig.6 Distribution chart of the potential of glass insulators in different salt densities

由图6、图7看出绝缘子的表面盐密小的其周围等势线较密，电势梯度大，即在相同沿面距离下，盐密小的压降大，绝缘子表面电压低，此外，双伞瓷绝缘子的中部盐密对其上表面的电势梯度有影响，如图7（a）中由于1号绝缘子的中部盐密大，其周围电势梯度小，导致1号绝缘子的上表面虽盐密虽小但其表面的电势梯度亦小。从表11结果得到随着盐密的分布不均匀其泄漏电流密度在减小，最大场强值与高压第一片的下表面盐密有关，盐密越大，绝缘子表面最大场强越大，因此污秽分布的不均匀有助于降低绝缘子的表面泄漏电流，提高绝缘子的闪络电压，电场的最大值受高压第一片绝缘子下表面的盐密影响大。