人工雾霾环境下XP-70绝缘子的交流闪络特性

宁博扬，杨倩倩，李怀科，马瑞泽

（1.国网冀北电力有限公司技能培训中心，河北保定071051；2.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；3.国网聊城供电公司，山东聊城252000）

人工雾霾环境下XP-70绝缘子的交流闪络特性

宁博扬1，杨倩倩2，李怀科3，马瑞泽3

（1.国网冀北电力有限公司技能培训中心，河北保定071051；2.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；3.国网聊城供电公司，山东聊城252000）

日益加剧的雾霾天气给电力系统的安全运行造成了诸多威胁，但目前的相关研究并不深入。为此以XP-70型瓷绝缘子作为研究对象，在自建的人工模拟雾霾试验平台下开展交流污闪试验，测量了不同颗粒物浓度、不同颗粒物粒径、不同相对湿度以及不同雾水电导率下绝缘子表面的闪络电压。研究结果表明，不同颗粒物浓度下绝缘子闪络电压存在差异，绝缘子闪络电压随着颗粒物浓度的增大而减小。颗粒物粒径越小，绝缘子闪络电压越小，但颗粒物粒径大小对绝缘子闪络电压影响并不明显。环境相对湿度对绝缘子闪络电压影响显著，相对湿度越大，绝缘子闪络电压越小。绝缘子闪络电压随着雾水电导率的增大而近似线性减小，这主要与雾水电导率增加了绝缘子表面等值盐密有关。

雾霾；闪络特性；颗粒物浓度；颗粒物粒径；相对湿度；雾水电导率

0 引言

随着我国工业的快速发展和城市化进程的加快，粉尘、扬尘、化学烟雾和汽车尾气的排放量巨大，导致我国大部分地区集中出现大范围长时间的雾霾天气[1-5]。雾霾发生时，空气中悬浮着大量的细小尘粒、烟粒以及微生物，不仅对人体健康和环境质量有较大影响，对输电线路外绝缘和电力系统的安全运行也构成了较大威胁[6-9]。

目前国内外学者已开展了部分相关研究。蒋兴良等人利用NaCl盐雾研究了雾水电导率对闪络电压的影响，得到了绝缘子的闪络电压随着雾水电导率增加而下降的结论[10]。马军[11]使用水雾、盐雾、酸雾和模拟雾霾环境，得到了与蒋兴良类似的结论。马高权研究了沙尘粒径大小对平板模型闪络特性的影响，研究表明，粒径越大，闪络电压越低，而沙粒粒径在100 μm～350 μm的范围内时，粒径对闪络电压影响并不明显[12]。邓鹤鸣等人使用雾、粉煤灰、氧化铁来模拟雾霾，研究表明，空气间隙的击穿电压和放电路径均受颗粒粒径的影响[13-14]。宿志一研究了雾霾天气对输变电设备外绝缘的影响。研究表明，雾霾的脏污程度可以用雾水电导率来表征；雾水电导率越大，绝缘子的污闪电压越小，且污秽度越大，这种影响趋势越不明显[15]。蒋兴良研究了雾霾成分、粒径大小对绝缘子闪络特性及闪络路径的影响，研究表明，与硅藻土气溶胶相比，盐类气溶胶对闪络电压的影响更显著，且闪络电压随着雾霾颗粒粒径的增大而增大[16]。文献[17]研究了雾霾天气对绝缘子泄漏电流的影响，得到了雾霾环境下的泄漏电流危险报警门槛值。王黎明等人使用香烟燃烧产生的颗粒物和超声波水雾来模拟雾霾，并建立了雾霾环境模拟装置，该装置能够较好的控制雾霾的浓度、粒径、成分、雾水电导率和环境温湿度[18-21]。

综上所述，目前国内学者对雾霾对绝缘子闪络电压的影响已有一定的研究，但雾霾成分、浓度、粒径大小与实际雾霾相符合的研究却鲜见报道。因此本文以（NH4）2SO4、硅藻土研磨颗粒物和具有电导率的水雾模拟雾霾，在自制的人工模拟雾霾试验平台下研究了颗粒物浓度、颗粒物粒径、相对湿度和雾水电导率对绝缘子闪络电压的影响。试验结果可为雾霾频发地区的防污闪工作提供参考。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

笔者搭建了1.2m×1.2m×1.5m的人工雾霾模拟装置。模拟霾的物料颗粒可通过进料漏斗进入试验箱体，通过调节漏孔调节器可获得不同颗粒物浓度的雾霾环境。超声波加湿器将不同电导率的（NH4）2SO4污液以微小水珠（＜10 μm）的形式喷出。风扇将颗粒物和水雾混合并鼓入试验箱体，构建出人工雾霾环境。试验平台示意图如图1所示。

图1 试验平台示意图Fig.1 Schematic of the test platform

1.2 试验样品

以XP-70型瓷绝缘子为试验样品，试品串长2片，试品的染污方法为定量涂刷法，以（NH4）2SO4模拟可溶性盐，硅藻土模拟不可溶物，（NH4）2SO4取0.12 mg/cm2，（NH4）2SO4:硅藻土=1:6。绝缘子的图片和主要结构参数分别如图2和表1所示。

图2 试验绝缘子Fig.2 Test insulators

表1 试验绝子的主要结构参数Table 1 The main parameters of the insulators

1.3 试验程序及方法

1.3.1 试验程序

试验的主要程序如下：

1）清洗掉试品表面的污垢，然后用蒸馏水冲洗，试品阴干后再进行涂污，待试品污层自然阴干后方可进行放入试样箱体进行试验；

2）在进料漏斗和超声波加湿器中分别放入研磨后的霾颗粒和（NH4）2SO4污液，打开鼓风风扇，以恒定风速1m/s将霾颗粒和水雾鼓入试验箱体；

3）水雾和霾颗粒进入试验箱体后，采用均匀升压法测量试品的闪络电压。

1.3.2 雾霾模拟方法

现有研究表明[19-22]，雾霾的成分较为复杂，其主要的可溶性盐离子是 SO42−、NO3−、NH4+、Ca2+，且大部分以CaSO4，NH4NO3，（NH4）2SO4的形式存在。考虑到（NH4）2SO4研磨过程安全且能够充分研磨，为此，笔者选取（NH4）2SO4来模拟雾霾中的可溶物，以硅藻土模拟不可溶物，雾霾中的霾按（NH4）2SO4:硅藻土=1:6进行配置，使用球磨机对配置好的物料进行充分研磨，并利用标准筛对研磨后的微小颗粒进行筛选，得到粒径不同的颗粒。雾霾环境中的雾以超声波加湿器产生水雾来模拟，向蒸馏水中添加不同质量的（NH4）2SO4可获取具有不同电导率的雾。

1.3.3 闪络电压测量方法

采用均匀升压法测量试品的污闪电压，试验程序如下：试品在人工雾霾环境下湿润2 h，然后升高电压直到试品闪络。其中，40%预期闪络电压以前，升压速率不作规定，40%预期闪络电压以后的升压速率为每秒10%～20%的预期闪络电压。每片试品闪络2次，每种工况重复3次。下文给出的试品闪络电压值为该工况下所有试品闪络电压的平均值，其中，闪络电压值与平均值相对误差＞15%的数据需剔除。

1.3.4 绝缘子表面等值盐密增量测量方法

绝缘子表面等值盐密增量测量程序如下：

1）在洁净绝缘子表面涂抹0.72 mg/cm2的硅藻土，不涂（NH4）2SO4（防止已涂抹的（NH4）2SO4对后续测量等值盐密增量造成影响）；

2）将涂污后的绝缘子放置在人工雾霾环境下环境下2 h；

3）2 h后，将试验前、后的绝缘子表面污秽分别擦拭下来，并分别溶于100 mL的蒸馏水中，测量污液的电导率；

4）根据电导率，分别求出试验前、后绝缘子表面的等值盐密，等值盐密增量=试验后等值盐密-试验前等值盐密。

2 试验结果及分析

2.1 颗粒物浓度对绝缘子闪络特性的影响

对漏斗漏孔大小进行调节，可得到颗粒物浓度为 300 μg/m3、600 μg/m3、900 μg/m3、1 200 μg/m3和1 800 μg/m3的人工雾霾环境。在颗粒物粒径为10 μm，相对湿度为100%，雾水电导率为6 μS/cm的环境下，测量了不同颗粒物浓度下绝缘子的闪络电压，其结果如图3所示。

由图3可知，不同颗粒物浓度下绝缘子的闪络电压存在差异，绝缘子的闪络电压随着颗粒物浓度的增大而减小。颗粒物浓度从300 μg/m3增加到1 800 μg/m3，绝缘子的闪络电压降低约13.1%。

图3 不同颗粒物浓度下绝缘子的闪络电压Fig3.The flashover voltage of insulator under different particle concentration

为分析颗粒物浓度影响绝缘子闪络电压的原因，测量了不同颗粒物浓度下绝缘子表面的等值盐密增量，如表2所示。

表2 不同颗粒物浓度下绝缘子表面的等值盐密增量Table 2 The increment of ESDD of insulator under different particle concentration mg/cm2

从表2可以看出，不同颗粒物浓度下绝缘子表面的等值盐密增量不同，颗粒物浓度越高，绝缘子表面的等值盐密增量也越大。

这主要是由于颗粒物浓度越高，颗粒与绝缘子表面碰撞并吸附的几率也越大，绝缘子表面的等值盐密增量也越大。等值盐密的增加势必造成绝缘子的闪络电压下降。

2.2 颗粒物粒径对闪络特性的影响

使用2 000目、1 000目、400目和230目的标准筛对研磨后的微小颗粒进行筛选，得到了平均粒径约为5 μm、10 μm、24 μm和50 μm的霾颗粒。在颗粒物浓度为300 μg/m3，相对湿度为100%，雾水电导率为6 μS/cm的环境下，测量了不同颗粒物粒径下绝缘子的闪络电压，其结果如图4所示。

图4 不同颗粒物粒径下绝缘子的闪络电压Fig4.The flashover voltage of insulator under different particle diameter

由图4可知，不同颗粒物粒径下绝缘子的闪络电压存在差异，绝缘子闪络电压随着颗粒物粒径的增大而增大。颗粒物粒径从5 μm增加到50 μm，绝缘子的闪络电压上升约8%。

为分析颗粒物粒径影响绝缘子闪络电压的原因，测量了不同颗粒物粒径下绝缘子表面的等值盐密增量，如表3所示。

表3 不同颗粒物粒径下绝缘子表面的等值盐密增量Table 3 The increment of ESDD of insulator under different particle diameter mg/cm2

从表3可以看出，不同颗粒物的粒径下绝缘子表面的等值盐密增量不同，颗粒物的粒径越大，绝缘子表面的等值盐密增量也小。

结合图4和表3分析可知，与粒径较小的颗粒相比，粒径较大的颗粒质量较大，难以在空气中悬浮，在未到达绝缘子表面时就已沉降。另一方面，粒径较大的颗粒的动能较大，与绝缘子表面碰撞时产生的弹射力也越大，使颗粒更容易脱离绝缘子表面。以上两方面导致了颗粒物粒径越小，绝缘子表面的等值盐密增量越大，闪络电压越低。

颗粒物粒径的大小极有可能会影响绝缘子闪络时的电离过程。固体悬浮颗粒捕捉电子形成带电负离子，带电负离子的形成可使自由电子数量减少，对放电过程有抑制作用，而粒径不同的颗粒对电子的捕捉能力也存在差异。这可能也是颗粒物粒径大小影响绝缘子闪络电压的一个方面。在今后的研究中，有必要进一步探索颗粒物粒径对绝缘子闪络时电离过程的影响。

2.3 相对湿度对闪络特性的影响

超声波加湿器和湿度传感器配合可控制环境相对湿度，将试验箱体内的相对湿度分别调节为60%、70%、80%、90%和100%（饱和湿度）。在颗粒物浓度为300 μg/m3，颗粒物粒径为10 μm，雾水电导率为6 μS/cm的人工雾霾环境下，测量不同相对湿度下绝缘子的闪络电压，结果如图5所示。

由图5可知，绝缘子闪络电压随着相对湿度的增大而显著减小，且相对湿度为100%（饱和湿度）时，相对湿度对绝缘子闪络电压的影响更加明显。环境相对湿度从60%增加到100%，绝缘子的闪络电压降低约43.1%。

污层的受潮方式主要分为冷凝、表面污秽的吸湿、水滴附着以及污层中导电溶液与空气中水分子之间的化学扩散4种形式[22]。相对湿度越高，污层受潮越取决于微小水滴附着，而这种受潮方式的效率最高，从而导致相对湿度越大，污层的吸水量越大。污层的吸水量越大，污层中所能溶解的（NH4）2SO4越多，泄漏电流也越大，从而导致绝缘子闪络电压越小。

图5 不同相对湿度下绝缘子的闪络电压Fig5.The flashover voltage of insulator under different relative humidity

2.4 雾水电导率对闪络特性的影响

通过改变蒸馏水中（NH4）2SO4的添加量，可分别获得雾水电导率为6μS/cm（蒸馏水电导率）、500μS/cm、1 000 μS/cm、2 000 μS/cm和3 000 μS/cm的人工雾霾环境。在颗粒物浓度为300 μg/m3，颗粒物粒径为10 μm，相对湿度为100%的人工雾霾环境下，测量了不同雾水电导率下绝缘子的闪络电压，结果如图6所示。

图6 不同雾水电导率下绝缘子的闪络电压Fig6.The flashover voltage of insulator under different fog conductivity

由图6可知，不同雾水电导率下绝缘子的闪络电压不同，绝缘子的闪络电压随着雾水电导率的增大而近似线性减小。雾水电导率从6 μS/cm增大到3000 μS/cm，绝缘子的闪络电压降低约10.7%。

为分析雾水电导率影响绝缘子闪络电压的原因，测量了不同雾水电导率下绝缘子表面的等值盐密增量，如表4所示。

表4 不同雾水电导率下绝缘子表面的等值盐密增量Table 4 The increment of ESDD of insulator under different fog conductivity mg/cm2

从表4可以看出，不同雾水电导率下绝缘子表面的等值盐密增量存在差异，绝缘子表面的等值盐密增量随着雾水电导率的增大而增大。

这主要是由于含有（NH4）2SO4的水雾粒子被固体颗粒物捕捉以及水雾粒子的自然沉降都会导致绝缘子表面等值盐密的增加。在试验箱体内湿润相同时间，雾水电导率越高，水雾中所含的盐分越多，绝缘子表面的等值盐密的增量也越大，绝缘子表面等值盐密也会变大，进而导致绝缘子的闪络电压降低。

以上研究表明，颗粒物浓度、颗粒物粒径、环境相对湿度和雾水电导率均对绝缘子的闪络电压有一定影响，其中，环境相对湿度对绝缘子的闪络电压影响最为显著，而颗粒物粒径对绝缘子闪络电压的影响最为不明显。因此，雾霾多发地区应更多的关注环境相对湿度。

3 结论

搭建了人工雾霾模拟试验平台，并依托该平台，比较了不同颗粒物浓度、不同颗粒物粒径、不同相对湿度以及不同雾水电导率下绝缘子的闪络电压。得出以下结论：

1）不同颗粒物浓度下绝缘子闪络电压存在差异，绝缘子闪络电压随着颗粒物浓度的增大而减小。

2）颗粒物粒径越小，绝缘子闪络电压越小，但颗粒物粒径大小对绝缘子闪络电压影响并不明显。

3）环境相对湿度对绝缘子闪络电压影响显著，相对湿度越大，绝缘子闪络电压越小。

4）绝缘子闪络电压随着雾水电导率的增大而近似线性减小，这主要与雾水电导率增加了绝缘子表面等值盐密有关。

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AC Flashover Performance of XP-70 Insulator under Artificial Fog-Haze Environment

NING Boyang1,YANG Qianqian2，LI Huaike3，MA Ruize3
（1.Technician Training Center,State Grid Jibei Electric Power Company Limited,Baoding 071051,China;2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;3.State Grid Liaocheng Electric Power Company,Liaocheng 252000,China）

The increasing fog-haze weather poses a lot of threats to the safe operation of power sys⁃tem.However,the research about this is not sufficient.Therefore,the XP-70 of porcelain insulator is tak⁃en as an object,and the AC pollution flashover tests are carried out under artificial fog-haze test platform.In which the flashover voltage of insulators under different particle concentration,different particle diame⁃ter,different relative humidity and different fog conductivity are tested.The experimental result shows that flashover voltage of insulators under different particle concentrations are different,with the increas⁃ing of particle concentration,the flashover voltage of insulators decrease.The smaller the particle diame⁃ter is,the smaller the insulator flashover voltage is.But the effect of particle diameter on the flashover voltage of insulators is not obvious.The influence of relative humidity on contamination of insulators is conspicuous.The larger relative humidity is more conducive to the reduction of flashover voltage of insula⁃tors.With the increasing of fog conductivity,the flashover voltage of insulators decreases.Which is main⁃ly due to that fog conductivity can increase the ESDD of insulator.

fog-haze；flashover performance；particle concentration；particle diameter；relative hu⁃midity；fog conductivity

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.030

2016-06-13

宁博扬（1988—），男，培训师，主要从事输变电设备项目管理工作。