空气动力学型绝缘子空气中冲击击穿特性的研究

刘云蔚，刘于新，余龙龙，桑建平

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

空气动力学型绝缘子空气中冲击击穿特性的研究

刘云蔚，刘于新，余龙龙，桑建平

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

快波前冲击过电压对输电线路用盘形悬式瓷绝缘子危害较大，依据标准GB/T 20642-2006《高压线路绝缘子空气中冲击击穿试验》，对盘形悬式瓷绝缘子中的空气动力学型瓷绝缘子进行了50%雷电冲击闪络电压和陡波试验，并与钟罩型瓷绝缘子进行了比对研究；研究了瓷绝缘子的形状及大气相对湿度对闪络电压的影响。试验表明：空气动力学型瓷绝缘子50%雷电冲击闪络电压较钟罩型瓷绝缘子低；空气动力学型瓷绝缘子在规定的试验电压下，波前 （放电）时间不能满足标准要求；同时，当大气相对湿度较大时，会对瓷绝缘子陡波试验结果产生不利影响。

快波前冲击；50%雷电冲击闪络；陡波；空气动力学型瓷绝缘子；波前 （放电）时间

0 前言

随着我国电力事业的迅猛发展，输电线路逐步扩展延伸，输电电压的等级不断提高。作为输电线路重要的绝缘部件——悬式瓷绝缘子，其耐雷电冲击性能也越来越受到关注和重视。实际运行观测表明：架空线路用盘形悬式瓷绝缘子，在遭受雷击时，有一部分陡度陡的冲击过电压，有时会导致绝缘子内部绝缘击穿，甚至引起掉线事故。对于这种危害极大的冲击过电压，称之为陡波冲击电压，简称陡波[1-3]。

一些重要电力用户方已将160 kN及以上强度等级的绝缘子陡波试验列为必试项目[4]。

笔者在依据GB/T 20642，对结构较为特殊的悬式瓷绝缘子——空气动力学型瓷绝缘子进行陡波试验时发现：在标准规定的试验电压下，试品经常提前发生闪络，波前时间缩短前移，通常无法满足标准对波前时间范围的要求。

针对此现象，笔者对空气动力学型瓷绝缘子的陡波试验进行了深入研究，并选取钟罩型瓷绝缘子进行了比对试验。

1 试验设备

试验设备由CDY-1200/22.5的1 200 kV冲击电压发生器、陡化间隙及600 kV陡波分压器组成。陡化球隙球体的直径为215 mm。采用TDS520数字示波器进行波形采集。见图1。

图1 陡波试验回路原理图Fig.1 Circuit schematic diagram of steep wave test

依据标准GB/T 20642：试验中应采用一个单调上升、并由试品闪络截断的冲击电压，对波前的线性度不做要求。其波前时间一般在100 ns～200 ns之间。试验电压以标幺值（p.u.）来表示，即试验电压与单只绝缘子U50的比值。对于盘形悬式瓷绝缘子，其试验电压应不小于2.8 p.u.，并允许有+10%的幅值偏差[5-7]。

标幺值p.u.是由负极性下绝缘子串的雷电闪络电压-U50除以总片数得到的。

2 空气动力学型绝缘子冲击击穿特性研究

2.1 绝缘子雷电闪络电压研究

本研究选用钟罩型和空气动力学型绝缘子，如图2所示。

不同型式的绝缘子形状存在一定差异，本研究选取空气动力学型和钟罩型绝缘子各三种规格，进行了50%雷电冲击负极性5片串（-U50）电压试验，同时测定了绝缘子单片负极性50%雷电冲击闪络电压（-U单）[8]。

试验数据见表1，图3。

表1 绝缘子-U50电压值与-U单关系表Table 1 Relationship of-U50voltage and-U单

由上可知：

图2 试品结构图Fig.2 Structure of samples

空气动力学型：

钟罩型：

标准规定的试验电压为2.8 p.u.，由式（1）和式（2）可得出：

空气动力学型：2.8 p.u.≈2.8（-U单）

钟罩型：2.8 p.u.≈1.95（-U单）

可以看出：空气动力学型绝缘子在进行陡波试验时，其承受电压约为单片闪络电压的2.8倍，即其陡波倍数为2.8倍。而钟罩型绝缘子仅为1.95倍。对于单片闪络电压U单，空气动力学型绝缘子实际承受的电压倍数较高，即陡度较大，更容易发生闪络。

2.2 绝缘子陡波试验研究

在相同试验条件下，分别对以上两种绝缘子进行陡波试验。

两种型式绝缘子陡波典型示波图见图4。

试验数据绘表见表2。

其中，实际p.u.倍数M=Up/U单。

取实际p.u.倍数M和波前时间t1，绘制趋势图如下：

由图5可以看出，空气动力学型和钟罩型绝缘子波前时间t1与实际p.u.倍数M曲线呈负幂函数关系，可表达为

图3 空气动力学型和钟罩型绝缘子单片、5片串-U50典型示波图Fig.3 U50Typical oscillogram of single and 5 pieces of aerodynamic and bell-jar insulators strings

表2 施加电压和波前时间t1关系表Table 2 Relationship of voltage and wave front time t1

其中A、B、C为系数，各种型式下取值不一样。钟罩型绝缘子的波前时间t1大多集中在幂函数的左半段。在进行陡波电压时，实际p.u.倍数M为1.95。波前时间t1在100 ns～200 ns之间，满足试验要求。而空气动力学型波前时间t1大多集中在幂函数的右半段，在实际p.u.倍数M为2.8时，其波前时间t1低于100 ns，未达到标准规定。适当降低陡度，即p.u.倍数M，能保证试品在标准规定的波前时间内发生闪络。

图4 两种型式绝缘子陡波典型示波图Fig.4 The steep wave typical oscillograms of two types insulators

图5 波前时间t1和实际p.u.倍数M关系图Fig.5 Relationship of wave front time t1and actual p.u.multiple M

同时，在实际p.u.倍数M相同的情况下，空气动力学型绝缘子波前时间t1明显低于钟罩型绝缘子，说明了空气动力学型绝缘子实际承受的电压倍数较高，其波前时间t1较钟罩型绝缘子短。

2.3 相对湿度对闪络电压的影响

选取一只120 kN空气动力学型绝缘子，在不同环境下对其施加1.6 p.u.的陡波试验电压，每种环境下正、负极性各进行10次，试验数据如下。

表3 不同试验环境下空气动力学型绝缘子波前时间t1变化Table 3 The change of the time t1of the aerodynamic insulator under different test conditions

其中，T：试验室环境干球温度；P：大气压；RH：相对湿度。

相对湿度60%时典型示波图见图6：

表3中环境干温为14.3℃～14.6℃、大气压为97.6 kPa～97.9 kPa，变化不大。取变化较大的相对湿度为横坐标，波前时间t1为纵坐标，得出图7。

上图表明：在施加电压大约为1.6 p.u.时，负极性陡波波前时间t1在相对湿度增加时基本保持不变，而正极性随相对湿度的增加而减小。

2.4 试验数据分析

通常情况下，绝缘子试品的实际闪络电压Uf可表达为：

其中，U0：闪络起始电压，经验公式为[9-10]

图6 相对湿度60%空气动力学型绝缘子陡波示波图Fig.6 The steep wave oscillogram of Aerodynamic insulator under 60%relative humidity

图7 相对湿度与波前时间t1关系图Fig.7 Relationship of relative humidity and wave front time t1

s：电压陡度；τ：闪络的放电时延；C0：绝缘子单位面积的电容；k：常数。

研究表明：

电压陡度s与设备输出电压有关，会随着电压的升高而增大。

放电时延τ随着电压的升高而减小，当电压升高到一定程度时，τ将接近于一个稳定的值[11]。

由式（4）和式（5）可以看出：绝缘子的实际闪络电压Uf会受绝缘子单位面积的电容C0的影响，而C0与绝缘子的形状（即实际闪络路径）及大气相对湿度等有关。

绝缘子串的实际闪络路径可分解成d1、d2、d3、d4四个部分，如图8所示。

图8 绝缘子串的实际闪络电弧路径Fig.8 Actual flashover arc path of insulator strings

其中d1为绝缘子瓷面闪络路径；d2为绝缘子侧面闪络路径；d3为两片绝缘子之间的闪络路径；d4为绝缘子底部闪络路径。根据图示，绝缘子串-U50闪络路径D实际为：

2 片串时：D=d1+2d2+（2-1）d3+d4

3 片串时：D=d1+3d2+（3-1）d3+d4

4 片串时：D=d1+4d2+（4-1）d3+d4

可推导出：

由此得出，闪络路径与绝缘子串片数n呈线性关系。

但空气动力学型绝缘子外形特殊，其闪络路径如图9所示。

图9 空气动力学型绝缘子闪络路径Fig.9 Flashover path of aerodynamic insulators

可以看出，空气动力学型绝缘子没有侧面放电路径，即d2=0。

由式（6）可知，实际放电路径D随串片数增加线性增加。其中，空气动力学型仅沿瓷面，而其它型式绝缘子是瓷面与空气间隙的混合路径。

因此，即使盘径及结构高度相同，由于空气动力学型瓷绝缘子的放电路径不存在空气间隙，其冲击电压耐受能力较其它型式绝缘子弱，冲击击穿电压较低。试验表明：空气动力学型瓷绝缘子的陡波冲击电压耐受能力与雷电冲击电压耐受能力较为接近。这是由于：绝缘子瓷件表面粗糙，使得表面电阻分布不均匀，容易引起电场畸变；同时，瓷件表面吸附空气中的水分形成水膜，导电性能增加，绝缘特性降低。因此，空气动力学型瓷绝缘子极易在标准规定的2.8倍p.u.陡波电压下发生闪络[12-14]。

大气相对湿度对正、负极性下的绝缘子陡波放电时间的影响不同，是由于正、负极性下其法向电场的方向不同造成的。

在正极性下，空气动力学型绝缘子表面随湿度增大释放电子，在法向电场作用下发展成为电子崩而汇入放电的主通道，增加了主通道的导电性，并使其通道压降减小，更容易发生闪络，致使波前时间t1缩短。

在负极性下，法向电场的方向与正极性正好相反，表面随湿度增大不会释放电子至主放电通道，闪络电压保持不变，所以波前时间t1基本没有变化[15-16]。

由于相对湿度会对空气动力学型绝缘子陡波试验结果产生不利影响，因此当相对湿度较大时，不宜进行陡波试验。

3 结论

针对空气动力学型绝缘子进行了陡波试验，研究了电压峰值、波前时间、湿度等因素，并对试验结果进行了理论分析，得出了以下结论。

1）空气动力学型绝缘子实际能承受的冲击电压较低，使其在进行陡波试验时，常在规定的试验电压下提前发生沿面闪络，波前时间缩短前移，不能满足标准对波前时间的要求。

研究表明：适当降低空气动力学型绝缘子的陡波电压，即p.u.倍数，即可保证试品在标准规定的波前时间内发生闪络，满足试验要求。

2）由于正、负极性下法向电场方向的不同，正、负极性陡波冲击对波前时间t1的影响不同。正极性陡波冲击下，相对湿度的增加基本对波前时间无影响；负极性陡波冲击下，波前时间随相对湿度的增加而减小。

空气动力学型绝缘子陡波试验结果受相对湿度影响较大，当相对湿度较大时，不宜进行陡波试验。

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Study on Impulse Puncture Characteristics of Aerodynamics Insulator

LIU Yunwei，LIU Yuxin，YU Longlong，SANG Jianping
（Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710077，China）

Fast-front overvoltage causes severe damage to the cap and pin insulators in the overhead line.According to the GB/T 20642-2006 Impulse Puncture Test in Air on Insulator for Overhead Lines，in this essay，the 50%lightning impulse flashover and steep wave tests on aerodynamics insulators and bell-jar insulators are analyzed comparatively，and the influence of the insulators′shape and relative humidity on the flashover voltage are studied.The result shows:50%lightning impulse flashover voltage of aerodynamics insulators is lower than bell-jar insulators，under the standard test voltage，the wave front （discharge）time of aerodynamics insulators could not meet the requirements;and the high relative humidity would have adverse effects on the results of steep wave tests of insulators.

fast-front impulse；50%lightning impulse flashover；steep wave；aerodynamics insulators；wave front（discharge） time

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.027

2015-11-30

刘云蔚 （1986—），男，工程师，主要从事绝缘子检测及试验研究方面的工作。