一种用于均匀电场下人工积污试验的装置

2018-10-24，，，，

电瓷避雷器 2018年5期

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(清华大学深圳研究生院，广东深圳 518055)

0 引言

自电力系统诞生以来，绝缘子的污闪问题就一直威胁着电力系统的安全稳定运行[1-4]。近年来，我国大气质量逐年恶化，而输电线路运行电压逐年升高，架空线路绝缘子污闪的可能性及其危害都在增大，部分线路被迫降压运行[5-7]。绝缘子污闪的必要前提之一是绝缘子表面污秽的积累，研究绝缘子的污秽积聚特性不仅能够降低污闪风险，有助于降低在运线路的运维成本，也能为待建线路的绝缘配置提供参考，降低待建线路的建设成本[8-10]。

目前国内外通过自然积污、人工积污、仿真计算等手段研究了电压种类、绝缘子伞形等因素对绝缘子表面污秽积聚特性[11-15]和污秽粒径分布[16-18]的影响，测量了自然污秽颗粒带电性[19-20]，计算了带电性、污秽粒径等因素对绝缘子表面的黏附条件的影响[21-25]。具有普适性的结论主要有以下几点：1)带电绝缘子比不带电绝缘子积污严重；2)直流电压下绝缘子积污比交流电压下绝缘子积污严重；3)复合绝缘子比玻璃、瓷绝缘子积污严重；4)下表面积污重于上表面积污；5)自然污秽平均粒径在20 μm以下；6)污秽粒径越小越容易黏附在绝缘子表面等。

但现有研究在研究电场对绝缘子积污特性的影响时，往往止步于电压种类、电压等级，并没有针对电场强度做深入的研究，更缺乏对均匀电场、不均匀电场下绝缘子积污特性的研究。

针对此问题，研制了一套用于研究均匀电场下绝缘子积污特性的试验装置，该装置能避免空气流动、温度、湿度等环境因素的影响，产生恒温、恒湿、静风的试验环境；设计了相应的试验方法，初步进行了不同电压类型下的积污试验。

1 试验装置

本试验装置的结构如图1所示，主要由恒温恒湿箱、无风试验罐、均匀电场发生装置和粉尘发生装置组成。

1-绝缘架；2-玻璃试片；3-均压板；4-气溶胶粒径谱仪； 5-粉尘发生器；6-加湿器；7-加热器；8-降温抽湿器。图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of contamination test system

1.1 恒温恒湿箱

恒温恒湿箱为试验系统提供温度、湿度、风速等环境因素稳定、可控的试验环境。恒温恒湿箱由试验腔体、循环风道和电气控制柜三部分组成。恒温恒湿箱如下图2所示。

图2 恒温恒湿箱Fig.2 Constant temperature and humidity chamber

试验腔体为八边形，占地14 m2，高4 m。用COMSOL Multiphysics软件对试验腔体内的流场分布进行了仿真计算，设定风机输出风速为2 m/s，结果如下图3所示，图中箭头代表风向，灰度代表风速。

图3 试验腔体流场分布图Fig.3 Flow field distribution of test chamber

从仿真结果可以看到，在试验腔体内流场分布并不均匀，但在红框范围内流场速度和方向都近似均匀，因此将红框范围设定为试验区，并在此区域内安装温度、湿度传感器。

在循环风道内安装有电加热丝、蒸汽加湿器以及降温降湿空调，电气控制柜根据试验区内的温度传感器和湿度传感器的测量数据对加热加湿装置和降温降湿装置的输出功率进行控制，按负反馈逻辑使试验区内的温度和湿度稳定在设定值附近。

1.2 无风试验罐

为了得到无风的试验环境，在恒温恒湿箱的试验区内放置有小型的无风试验罐。无风试验罐高60 cm，直径80 cm，在试验区顶部10 cm高处安装有圆环状的吹霾管道。由于试验罐与试验腔体不相连通，可以认为试验罐内的污秽颗粒基本不受风力作用，主要在重力和电场力的作用下运动。无风试验罐如图4所示。

图4 无风试验罐Fig.4 Windless test chamber

1.3 粉尘发生器

用粉尘发生器将污秽颗粒吹入试验罐内，粉尘发生器的结构示意图如图5所示。用空压机将冷冻式干燥机干燥后的干燥空气吹入气体腔体内，空气经气体腔体进入粉尘腔体后会形成高速气流，带动小粒径粉尘颗粒进入无风试验罐。在无风试验罐的中心安装有采样管道，使用GRIMM 11A型气溶胶粒径谱仪监测试验罐内的颗粒物浓度和粒径分布。一般情况下，粉尘腔体内的颗粒物粒径决定了吹入无风试验罐的颗粒物粒径。调节流量控制旋钮，可以调节干燥空气的流量，流量越大，高速气流流速越快，从而提高吹尘速度。

图5 粉尘发生器示意图Fig.5 Schematic diagram of dust generator

自然条件下，绝缘子表面积聚的污秽的粒径基本都在0～50 μm之间，其d(0.5)基本在20 μm左右[6，16-18]。另外，重力基本与污秽颗粒粒径呈三次方关系，电场力与粒径呈二次方关系，所以粒径越小的污秽颗粒受电场力的影响就越显著。为了在试验区内得到小粒径的尘粒环境，选用指定的小粒径的高岭土模拟自然污秽，其粒径分布如图6和表1所示。

图6 粒度分布图Fig.6 Particle-size distribution of kaolin

d(0.1)/μmd(0.5)/μmd(0.9)/μm1.614.8112.27

1.4 电场发生装置

本试验所用的变压器能产生有效值为0～30 kV的交流电压和0～35 kV的直流正、负极性电压。使用均压板产生均匀电场，均压板直径为30 cm，厚5 mm，均压板间距为10 cm。薄玻璃试片长宽均为10 cm，厚0.5 mm，放置在均压板中心的5 cm高处。

在试验罐内同时放置两组均压板，其中一组的下板接高压，其余均压板接地。于是两片玻璃试片一片放置于均匀电场中，另一片表面则无电场。

使用COMSOL Multiphysics仿真软件计算了玻璃试片表面的电势和电场分布，仿真结果如图7所示。

图7 试片表面电场分布Fig.7 Electric field distribution on the surface of specimen

从仿真计算的结果看，带电玻璃试片表面电场分布均匀，电场强度方向与试片表面垂直，试片表面电势基本不变，可以认为处在均匀电场中。而不带电试片表面电场强度很低，且电势几乎为0，可以认为表面无电场存在，与预期结果一致。因此，试片表面场强范围约为0～3 kV/cm。

2 试验方法

2.1 试验前准备

在试验开始前，先准备恒温恒湿环境。为此，将无风试验罐与恒温恒湿箱连通，设定恒温恒湿箱的温湿度和风速值，经过40 min到1 h的扩散过程后，恒温恒湿箱内的温湿度达到预设值，可以认为试验腔体内温湿度与恒温恒湿箱内温湿度一致，均达到设定温湿度。之后将无风试验罐与恒温恒湿箱隔离，整个试验过程中除了更换试片外，均保持隔离状态，同时温湿度控制系统仍保持运行，为试验提供稳定的外部温湿度环境。一般情况下，将试验区内的环境温度控制在25℃，湿度控制在70%相对湿度。

2.2 试验过程

试验过程中为无风试验罐内提供符合颗粒物浓度要求的颗粒物环境。

先打开气溶胶粒径谱仪，对试验区内的颗粒物浓度进行监测。然后打开冷冻式干燥机和空压机，开始向无风试验罐内吹入尘粒，待颗粒物浓度达到预设浓度时，关闭空压机，停止吹尘。一般情况下预设浓度为5 000 μg/m3，此时颗粒物浓度会持续上升1 min左右。此后试验罐内的颗粒物开始自然沉降，在重力和电场力的作用下逐渐吸附到玻璃试片表面。

待无风试验罐内颗粒物浓度降低至100 μg/m3以下时，停止试验。