复合绝缘子表面雾滴对其闪络路径的影响

高 磊，蔡志远，周思宇，冯 尧

（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870）

复合绝缘子表面雾滴对其闪络路径的影响

高 磊，蔡志远，周思宇，冯 尧

（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870）

自制雾霾模拟试验箱对复合绝缘子进行人工喷雾试验，模拟复合绝缘子在不同积污阶段受污情况，用升压法对其加压测其闪络电压，观察其闪络路径。根据所得试验结果又进一步设计了破坏憎水性试验和喷纯水试验。研究表明绝缘子伞叶上下表面均积污时，所喷雾水盐度越低其闪络电压值越高且发生空间击穿的概率也越高，盐度高时则相反。而仅伞叶上表面积污时，均发生空间击穿。然后用有限元分析软件对上述几种污染情况进行电场仿真，提出目前所谓的 “不明闪络”也可能是水滴场致发射的作用所造成的。

盐密；闪络路径；场致发射；电场仿真；不明闪络

复合绝缘子因其耐污性能好、重量轻等优点，在国内输电线路中的应用越来越多，相关人员使用复合绝缘子的经验也越来越丰富［1］。但是当复合绝缘子处在污湿环境中，使其表面不断积污受潮时，其闪络的概率会大大增加，且绝缘子表面各部位的积污程度与其暴露在雾霾环境中的时间长短有关。

雾是在没有风或风速很小的情况下形成的，其主要受重力作用。在起初阶段绝缘子上表面先湿润，长时间后绝缘子全部受潮，在一些环境因素的影响下也可能出现下表面比上表面积污严重的现象［2］。

复合绝缘子污闪经历4个阶段：污秽沉积，湿润受潮，电弧发展，最终闪络［3］。可见积污是绝缘子闪络发生的先决条件。因此本文分别模拟复合绝缘子不同的积污阶段，通过测其闪络电压，观测闪络路径来分析其闪络机理。其研究结果对预防输变电线路中绝缘子的闪络具有重大的意义。

1 试验过程及分析

1.1 试验设备及试品

试验平台是由调压器、升压变压器、变压器保护电阻、雾霾模拟试验箱和电容分压器构成，见图1。

所述的雾霾模拟试验箱是1.5 m×1.5 m×2 m的玻璃箱体，符合绝缘要求［4］。

本试验采用棒形悬式复合绝缘子，型号为FX⁃BW4-10/70。

1.2 试验方案及结果

1.2.1 试验前的准备及试验方法

文献 ［5］提出了对目前几种染污方法的比较，文献 ［6］提出霾颗粒成分的吸水性及其含有的可溶盐成分是降低复合绝缘子闪络电压的主要原因。因此用国家标准［7］所述的盐雾法进行试验。盐度的值由测量溶液的电导率来验证。试验时保持温度为室温（25±2）℃。试验前对绝缘子用负离子水进行清洗，并且在阴凉干燥的地方通风晾干。本试验采用的试验试剂为纯度99%的工业用盐，测量采用精度为0.001 g的电子天平和精度为1 mL的量杯。根据国标所述的盐雾法分别配置了盐度为7 kg/cm3，14 kg/cm3，28 kg/cm3和 56 kg/cm3的溶液。

分别对绝缘子上表面和上下表面喷洒盐雾。

本试验采用均匀升压法，即先将电压升至40%预期闪络电压，然后以每秒预期电压的10%～20%速度升压，直至绝缘子闪络［8］。

在以上的两种染污方式下，每种盐度采用10只绝缘子，每只绝缘子闪络3次。且这3次闪络时间间隔不宜过长，间隔为3～5 min［9］。

被喷盐雾后绝缘子表面情况如图2所示。

图1 试验原理及人工气室

图2 喷雾后绝缘子表面

由图2所示，绝缘子表面喷雾水后，其表面细小的水珠分离状态良好，因为复合绝缘子具有憎水性。

1.2.2 试验数据

各种盐度在不同积污状况下的闪络路径如表1所示，不同积污条件时平均起弧电压及平均闪络电压数值如表2所示。

表1 不同喷雾条件下闪络路径分布

表2 不同积污条件下起弧电压与闪络电压平均值

由以上数据可看出：①仅对绝缘子上表面喷雾时，随着雾水盐度的增加，闪络电压值逐渐降低且百分之百发生空间击穿；②上下表面均喷雾时，随着盐度的增大，闪络电压逐渐降低，且基本均发生沿面闪络；③上下表面均喷雾，盐度越低，绝缘子发生空间击穿的概率就越高，闪络概率由低到高分别为60%，23.3%，20%和10%，由此可推断内陆城市发生 “不明闪络”的概率高于沿海城市；④随着绝缘子表面染污的盐密逐渐加大，起弧电压和绝缘子闪络电压均降低，但是起弧电压降低的幅值更大。

1.3 进一步试验

绝缘子发生空间击穿时，闪络完成的速度很快。本文又设计了破坏绝缘子表面憎水性的试验。

通过表3看出，仅伞裙上表面憎水性被破坏的复合绝缘子其闪络电压比正常情况时略低，而伞叶上下表面憎水性均被破坏的绝缘子，其闪络电压大幅降低，而且均是沿面闪络。

为分析绝缘子上下表面均受潮时，盐密越低，发生空间击穿概率就越高的现象，本文又设计了在绝缘子表面喷低电导率溶液的试验。

按上述方法向绝缘子表面喷上电导率小于10 μS/m的溶液。试验数据和闪络路径如表4所示。

图3 被破坏憎水性的复合绝缘子

表3 复合绝缘子憎水性被破坏后数据分布

表4 绝缘子表面喷上低电导率溶液时试验数据分布

虽然上下表面均喷10 μS/m的溶液时均为空间击穿，但其发生的过程与正常喷盐雾时稍有不同。其闪络过程为先在贴近金具的芯棒上或伞叶上起弧，然后电弧通过绝缘子表面向另一极金具方向攀爬，在爬升的过程中有的电弧会熄灭。随着电压的升高，又有新的电弧重燃，但未等到电弧贯穿两极，就已发生空间击穿。喷10 μS/m溶液的绝缘子闪络过程较慢，试验后原先细小的水珠积聚成了大水珠。

1.4 试验现象分析

当绝缘子全部受潮时，随着盐度的增大，溶液中导电的离子就会相应增多。在电场的作用下，液滴层可能由极化作用引起电荷的堆积，结果会影响电场的畸变［9］。同时液滴中堆积的电荷会在电场力的作用下使液滴沿着电场方向拉长，与附近的水珠融合成大水珠或形成水带。Ivan J.S.Lopes等［10］通过计算发现硅橡胶表面存在水珠时水-空气-硅橡胶三重连接点处电场增强最明显，此处将会有小电弧的出现。长时间作用可能会使绝缘子表面局部憎水性减弱。水带被拉伸的过程中会形成细长水膜，随着拉伸长度增加水带的厚度将逐渐减小，又由于绝缘子表面泄漏电流的作用使水带的边缘先蒸发形成干区。而 “干区”也并非完全干燥未受潮，其中也有密集分布的水珠或较大的分离水珠。在电场的作用下水带是沿各个方向发展的，如图4（a）中所示。最后导致干区的范围减小，此时电压逐渐集中在干区上，随着电压的升高，产生横跨干区的电弧。如果电压足够高，使电弧逐渐延伸，最终横跨绝缘子两极导致击穿。

而在盐密较低时，出现空间击穿的概率明显增大，且绝缘子表面喷10 μS/m溶液发生闪络时基本均为空间击穿。但其与沿面闪络相比，闪络电压有所升高。这可能由于大气主要成分中，水的电离能为12.59 eV［11］，绝缘子表面的液滴会有场致发射［12］和光电发射过程［13-14］， 且水滴表面的场致发射和光电发射所需的能量（即逸出功）仅需6.1 eV。A.I.Grigor'ev和S.O.Shiry'aeva经过计算得出直径超过60 μm的水滴才可能是重要的自由电子来源［12，14］。因此在加压的过程中绝缘子周围不仅有空间电离产生的电子还有来源于水滴的电子，这些电子在电场的作用下发生碰撞电离，形成电子崩，最终形成流柱贯穿两极使之闪络。这就是10 μS/m溶液试验下发生空间击穿的原因。

霍铁走过去，轻轻揭开遮盖物，仔细观察了一会儿。接着，他把江平叫到了存放蜡料的立柜前，问道：“小江哥哥，你觉得这里有什么变化？”

喷电导率低于10 μS/m溶液时，溶液中导电离子减少，在电场力的作用下水珠被拉伸的作用不明显。仅能相互融合形成大水珠，但难以形成水带。此时在泄漏电流作用下逐渐形成干区，所以起初其会产生电弧，因为难以形成水带且泄漏电流的作用使干区不断扩大如图4（b）所示。此时的干区两端的电压不足以使其两端产生电弧。而空间电荷和水珠场致发射作用等产生的电子不断碰撞电离，当电压达到一定值时，形成流柱，造成空间击穿。

对于仅上表面湿润的绝缘子，下表面均是干区，电压大部分集中在此处。虽然水珠的存在使绝缘子表面局部的场强增强，但集中在水珠附近的干区两端的电压不足以产生跨区使其两端产生电弧。

而对于破坏憎水性的绝缘子，其闪络的过程与伞裙上下表面均喷高电导率溶液时类似。水膜边缘处也会使绝缘子表面场强增强，而不同之处在于，水膜的存在使绝缘子表面本身的干区小，电压均集中在小的干区上。所以很容易起弧爬电直至闪络。

图4 闪络后绝缘子表面水珠分布

2 电场仿真计算

针对以上几种染污情况，本文通过Solidworks软件分别对表面干净绝缘子，伞裙上表面喷雾滴的绝缘子，伞裙上下表面均喷雾绝缘子和表面有水膜绝缘子进行了建模，如图5所示。

用Ansoft Maxwell10进行电场仿真计算，图6为4种染污条件下电位分布图。

图5 不同积污状态下绝缘子模型

图6 电位分布图

局部放大高电位局部区域，如图7所示。

由图7可以看出来，水珠和水膜的存在会改变绝缘子表面的电位分布。图7（d）中水膜使电位线向两侧挤压，这是因为水的介电常数比较大，相当于等电位体。

图7 高电位区放大图

4种染污情况下接近高压侧的伞叶上表面电场分布情况，如图8所示。

可以看出水珠和水带的存在畸变了绝缘子表面的电场。水珠中的场强显著降低［14］，使水珠背离芯棒的一侧电场加强明显。

当液滴电导率增大，最大场强有所增加。F＝Eq，场强变大，电场力作用变大，这就是喷盐雾时绝缘子表面液滴容易形成水带而喷低于10 μS/m的溶液时不容易形成水带的原因。而且闪络电压的下降主要是由于水珠长度随水珠体积的增大而增大引起的［15］，这就是上下均喷有水珠，且盐度越大闪络电压越低的原因。

本文认为目前电网中出现的所谓 “不明闪络”的现象，其原因与伞裙上下表面均喷有盐雾的情况相似。由于雾中受潮绝缘子在运行电压的长时间作用下，表面水珠逐渐拉伸增大，空气中的雾滴不断融合，液滴由于场致发射和光电发射等原因，在绝缘子周围不断产生电子，这些电子逐渐积累且不断的碰撞游离形成电子崩，电子崩向前发展成流柱导致最终的空间闪络。

图8 上伞叶电场分布

3 结论

a.绝缘子仅上表面积雾水时（或不均匀积污时），绝缘子发生闪络时，为空间击穿。

b.绝缘子上下表面均积有雾水时，绝缘子发生闪络时的闪络电压与闪络路径和雾水的电导率有关，雾水电导率越大，其闪络电压越低。此时发生沿面闪络，同时也有一定的空间击穿的概率。雾水电导率越低，发生空间击穿概率越高。

c.内陆城市发生 “不明闪络”的概率高于沿海城市。

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Effect of Droplet on Composite Insulators for Flashover Path

GAO Lei，CAI Zhiyuan，ZHOU Siyu，FENG Yao
（School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China）

In this paper，an artificial spray experiment is carried out on the composite insulator by using the simulated experiment box. The pollution situation of composite insulator in different stage is simulated.The flashover voltage is measured by the pressure boosting method and the flashover path is observed.Based on the experimental results，it is further designed to destroy hydrophobic experiment and pure water experiment.The results shows that when the insulator is contaminated，the higher the surface salinity is，the higher the flashover voltage is，the probability of space breakdown is higher.But only when the upper surface is polluted，the space breakdown occurs every time.The model is built and its electric field simulation is carried out.

salt density；flashover path；field emission；electric field simulation；unknown flashover

TM216；TM75

A

1004-7913（2017）03-0001-05

高 磊（1989），男 ，硕士，研究方向为高电压与绝缘技术。

2016-11-30）