盐密变化对不同材质绝缘子闪络特性的影响

2020-06-06李静,刘伟

科学技术与工程 2020年12期

李静,刘伟

(沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870)

近年来，随着社会经济的发展，大气中的污染物种类越来越复杂，绝缘子表面的污染程度也高，使得污秽对电力系统的安全运行造成了极大的威胁[1]。盐密是表征绝缘子表面污秽程度的特征参数，研究盐密变化对绝缘子闪络特性的影响，对于电网的防污工作以及电力系统的安全稳定运行具有一定的指导意义[2]。

中外学者对绝缘子串长与污闪电压之间的关系进行了大量试验研究。文献[3]在盐密0.03 mg/cm2条件下，通过3种不同串长的瓷绝缘子污闪试验结果表明在串长14.15 m，最高电压1 100 kV范围内，串长与闪络电压呈线性关系；文献[4]通过对不同串长的XWP2-160型瓷绝缘子表明，污闪电压与绝缘子串的串长成线性关系，且随着串长的增加，污闪电压成正比例增加。中国电力科学院进行了与日本NGK绝缘子公司、加拿大魁北克电力研究(Hydro-Quebec Research Institute，IREQ)两个实验室的比对试验，验证了玻璃、瓷绝缘子污秽耐受电压与绝缘子串长的线性关系[5]。文献[6]指出在不同模拟海拔高度下，染污绝缘子串的U50%与串长呈线性关系，但由于大型人工环境气候实验室长串绝缘子润湿的非均匀性，可导致长串绝缘子的试验值偏高。

中外学者对绝缘子饱和盐密闪络特性也进行了大量研究。绝缘子表面污秽程度直接影响输电线路绝缘设备的污耐压水平。《电力系统污区分布图绘制方法》(DL/T 374—2010)中规定，应按饱和污秽度划分电网污秽等级[7]。《浙江电网污秽区域分布图(2007版)》的绘制基础就是绝缘子的饱和等值盐密(ESDD)。罗毅等[1]认为对等值盐密安全范围的研究是确定绝缘子清扫、维护周期的重要工作，通过理论分析计算和ANSYS 热仿真及试验验证，确定了在特定环境下，满足绝缘子不覆冰且不出现污闪和冰闪的在线监测绝缘子等值盐密度安全范围；汪涛等[8]通过对绝缘子盐密测试数据的统计分析总结出了绝缘子积污增长速率公式；另外对表面电导率和污闪电压与盐密相关性进行了试验研究，提出了绝缘子盐密控制值的估算方法。

综上所述，现有的研究对于串长与闪络电压的研究大多是针对玻璃、瓷绝缘子，而对同一伞型不同串长的复合绝缘子的研究较少；另外对于盐密与闪络电压的关系的研究多是基于整体，而没有对于单一饱和盐密下的闪络特性进行分析。

基于此，对XP-160、LXZP-210、FXBW-10/70型绝缘子展开人工污秽试验，分析这三种材质绝缘子的闪络电压、闪络电压梯度随盐密变化的规律以及不同盐密下串长与闪络电压的关系；同时对盐密与闪络电压之间的关系进行了相关的研究，建立了不同盐密下绝缘子闪络电压与饱和盐密下绝缘子闪络电压的对应关系，据此可在不同的现场污秽情况下测得的闪络电压来估算饱和污秽度下的闪络电压，从而对绝缘子表面污秽状态和外绝缘安全事故进行提前评估，预防污闪事故的发生。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

试验采用三种不同材质的绝缘子，分别为悬式瓷绝缘子XP-160、悬式玻璃绝缘子LXZP-210、悬式复合绝缘子FXBW10-70(两伞)，这三种绝缘子均选取2～5片，其基本技术参数如表1所示。

表1 试品参数Table 1 Parameters of samples

FXBW10-70的2～5伞的爬电距离分别为270、410、520、620 mm。

1.2 试验设备

试验在人工雾室中进行的，试验电压由150 kV/900 kVA试验变压器提供，最大短路电流为30 A，满足IEC 61245[9]对污秽试验电源的要求。接线原理图如图1所示。

图1 试验线路图Fig.1 Test circuit diagram

2 试验方法

2.1 试品准备

试验前，首先清洗绝缘子，去除其表面污秽，再用洁净水冲洗绝缘子，自然阴干备用。由于复合绝缘子具有憎水性，因此在进行染污前，需要用脱脂棉在绝缘子表面涂敷一层薄薄的硅藻土以降低其憎水性。

2.2 试品涂污与湿润

试验参照《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》(GB/T 4585—2004)推荐的固体涂层法中的定量涂刷法染污[10]，用NaCl模拟导电物质，用硅藻土模拟不溶性物质。选择的污染盐密分别为0.03、0.05、0.1、0.2、0.25、0.3 mg/cm2，灰密固定为1.0 mg/cm2。根据试品表面积和所试验的盐密/灰密，计算并称量出所需NaCl和硅藻土的量，将配置好的污秽物均匀涂刷于试品绝缘子绝缘表面，刷涂过程在1 h内完成，然后让其自然阴干24 h后进行试验，使其憎水性得到一定恢复和迁移。试验时雾室温度控制在35 ℃以内，试品在人工雾室中污秽湿润10～15 min后其表面即形成水膜，水滴即将下滴，然后立即加压进行试验。

2.3 升压方法

试验采用均匀升压法[11]。对每串绝缘子进行4～5次闪络试验；在同一污秽度下进行染污3次，取其与平均值误差不超过10%的所有点平均值作为该污秽度下的闪络电压Uf：

(1)

(2)

式中：Uf为绝缘子污闪电压，kV；Ui为第i次污闪电压，kV；N为试验次数；σ为试验结果的相对标准差，%。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

大量试验表明，绝缘子污闪电压Uf与盐密ρSDD成负幂函数关系[12-14]，可表示为

Uf=AρSDD-a

(3)

式(3)中：A为拟合系数，与绝缘子结构和材质等有关；ρSDD为等值附盐密度，mg/cm2；a为表征ρSDD对绝缘子污闪电压影响的特征指数。

将试验结果按照式(3)进行拟合，由于FXBW-10/70的伞裙为大小伞结构，故求取三种材质绝缘子平均两片污闪电压Uf与盐密ρSDD的关系如图2所示。拟合后得到的系数A、污秽影响特征指数a与拟合方差R2如表2所示。

图2 各种绝缘子闪络电压与盐密的关系Fig.2 Relationship between flashover voltage and ρSDD of various insulators

表2 不同盐密下的拟合系数值

分析图2、表2可知，从拟合结果来看，复合绝缘子的污秽影响特征指数a均小于玻璃、瓷绝缘子，这表明复合绝缘子受盐密的影响程度小于玻璃、瓷绝缘子。这正印证了由于复合绝缘子材料的憎水性，其在高污秽条件下具有较优的耐污闪性能。

不同材质的绝缘子随盐密的变化趋势是一致的，闪络电压Uf随着盐密的增大逐渐减小，当盐密较小时，闪络电压Uf下降很快；当盐密较大时，闪络电压Uf下降很慢，逐渐基本保持不变，此时的盐密可以认为是饱和盐密。

试验表明，当盐密达到0.3 mg/cm2时，闪络电压基本保持不变；另外根据《污染条件下使用的高压绝缘的选择和尺寸确定第1部分：定义、信息和一般原则》(GB/T 26218.1—2010)中现场污秽度(SPS)对污秽等级的划分可知，当盐密达到0.3 mg/cm2时，污秽程度已经达到最高污秽e等级，因此将盐密达到0.3 mg/cm2时定义为饱和盐密。

3.2 不同材质绝缘子的闪络电压梯度

由于三种绝缘子的型式材质不同，为了便于对比分析，通过引入污闪电压梯度的概念对绝缘子的污秽闪络特性进行分析解释。其定义为

(4)

式(4)中：EL为绝缘子的污闪电压梯度,kV/m；L为绝缘子沿面总爬电距离,m。

根据式(4)可以求出三种材质的绝缘子的闪络电压梯度，如图3所示。

图3 各种绝缘子的闪络电压梯度Fig.3 EL of various insulators

由图3可知，闪络电压梯度与盐密仍然呈负幂函数关系；并且不同材质的绝缘子随盐密的变化趋势相同，随着盐密的增大，闪络电压梯度逐渐减小。由图3可以看出，复合绝缘子的闪络电压梯度EL大于玻璃和瓷绝缘子，并且其随盐密增大而下降趋势较为平缓。这主要是由于复合绝缘子的硅橡胶材料具有憎水性，当其表面污秽受潮时会形成单个独立的水带，各个水带之间的干区大大提高了污层电阻，抑制了局部电弧的发展，进而提高了污闪电压。

3.3 绝缘子串长与闪络电压的关系

为了研究绝缘子在不同盐密、不同材质下串长与污闪电压的关系，采用玻璃、瓷、复合绝缘子，在盐密分别为0.03、0.1、0.3 mg/cm2，伞裙数均为2～5片条件下研究了串长与污闪电压的关系。

由于FXBW-10/70复合绝缘子的伞裙为大小伞结构，其不像玻璃、瓷绝缘子每片伞裙大小一样，若以结构高度来表征串长与闪络电压的关系会带来一定的误差。在绝缘子闪络过程中，电弧所经过的路径为爬电距离，故此三种绝缘子统一以爬电距离来研究串长与污闪电压的关系。试验结果如图4所示。

图4 绝缘子串长与污闪电压的关系Fig.4 Relationship between insulator string length and pollution flashover voltage

由图4可以看出，在不同污秽条件下，三种绝缘子的线性拟合相关系数均大于0.98，因此在同一盐密下，对于不同材质的绝缘子，其污闪电压均与串长成线性关系。

为了更加完整地看到绝缘子随盐密与爬距共同作用下的变化趋势，求取了该三种材质的绝缘子污闪电压随盐密与爬电距离变化规律的三维图如图5所示。

图5 闪络电压与爬距和盐密的变化关系三维图Fig.5 Three-dimensional diagram of the alternative relation between flashover voltage and creepage distance and ESDD

由图5可知，三种材质的绝缘子污闪电压随盐密与爬距的变化趋势是一样的。在任一盐密下，闪络电压与爬电距离大致呈线性关系，随着爬距的增加，闪络电压大致呈线性增大；在任一爬距下，盐密与闪络电压均呈负幂函数关系，随着盐密的增加，闪络电压逐渐降低。这三种绝缘子可以根据各自的三维图曲面，在已知闪络电压与爬距的情况下，估计绝缘子的有效盐密。

4 绝缘子饱和盐密下污闪电压计算

4.1 绝缘子饱和盐密理论

绝缘子表面在长期积污过程中经历积污→清洗→再积污→再清洗……这一循环往复过程，使得其表面盐密逐渐增加。一般若干年后可达到动态平衡状态，该状态下的盐密值可视为饱和盐密[15]。

从统计角度来看，绝缘子表面的平均年度最大积污量和年自清洗能力均可视为常数。若平均年度最大盐密用S1表示，雨水清洗后绝缘子表面剩余盐密为CS1；(C为反映自清洗能力的绝缘子表面年度盐密的残余率)，则第2年绝缘子表面的盐密为S1+CS1；第n年的累计盐密可表示为

Sn=S1+CS1+…+CnS1=S1(1-Cn)/(1-C)

(5)

式(5)中：n为积污时间,a。由于绝缘子表面的盐密残余率<1，式(5)收敛，可求得饱和盐密Sb为

Sb=S1/(1-C)

(6)

式(6)中：1-C为绝缘子的自清洗率。

绝缘子表面SDD随时间的增长趋势也可用指数函数描述：

(7)

式(7)中：A为饱和盐密，mg/cm2；K为常数；t为积污时间，a；τ为积污时间常数，表征积污速率。

通过对绝缘子积污过程中SDD与积污时间t拟合可以求得饱和盐密A、常数K、时间常数τ。

4.2 利用不同盐密下的闪络电压来估算饱和盐密下的闪络电压

分析可知，绝缘子可以通过记录其盐密的逐渐累积来求取饱和盐密，进而通过饱和盐密进行污秽等级的划分；那么也可以通过记录盐密累积过程中的闪络电压，求取饱和盐密下的闪络电压，进而对污秽地区的电压等级进行划分。

盐密是表征绝缘子表面污秽程度的特征参数，随着污秽程度的增加，绝缘子的盐密随之增大，污闪电压则会降低，造成低盐密下有较高裕度的绝缘子，在饱和污秽度时却有可能发生污闪。因此，有必要研究如何利用低盐密下的闪络电压来预测饱和盐密下的闪络电压值，从而预测绝缘子在高污秽度时的绝缘状态，以便提前防备污闪事故的发生。

图6为FXBW-10/70绝缘子在盐密为0.03、0.05、0.1、0.2、0.25 mg/cm2下的闪络电压与饱和盐密下闪络电压的关系，根据这五条曲线关系可知，两者关系的表达式为

Ufm=aρUfρ

(8)

式(8)中：Ufm为绝缘子表面达到饱和污秽度时发生闪络的闪络电压；aρ为盐密为ρ时的估算系数；Ufρ为绝缘子表面盐密为ρ时对应的闪络电压。

图6 不同盐密下绝缘子闪络电压与饱和盐密下绝缘子闪络电压的关系Fig.6 Relationship between flashover voltage of insulator under different ESDD and flashover voltage of insulator under saturated ESDD

试验结果表明，对于瓷绝缘子XP-160及玻璃绝缘子LXZP-210，仍有与复合绝缘子FXBW-10/70相同的规律。这三种材质的绝缘子在不同盐密下的估算系数如表3所示。从表3可以看出，在同一盐密下，这三种绝缘子的估算系数大致相同。为了将规律适应于不同材质的绝缘子，进行不同盐密下的闪络电压到饱和盐密下闪络电压的推算，通过求取平均估算系数进行计算。

为了进行不同盐密下的闪络电压到饱和盐密下闪络电压的推算，通过最小二乘法拟合求取了平均估算系数与不同盐密之间的关系，如式(9)所示：

aρ=36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1

(9)

将式(9)代入式(8)，可以得出从不同盐密到饱和盐密闪络电压的估算公式，如式(10)所示：

Ufm=(36.11ρ3-21.59ρ2+5.511ρ+0.355 1)Ufρ

(10)

利用该估算方法，对于不同材质的绝缘子，可以通过不同盐密下测得的闪络电压来估算饱和盐密下绝缘子的闪络电压。盐密的大小是污秽度的体现，因此可以根据某一污秽度下绝缘子运行的状态，来估算当其达到饱和污秽下的闪络电压；也可以用来评价在低污秽区正常运行的某一型号绝缘子，如果放在高污秽区时能否正常运行，这对判断绝缘子是否符合某一地区电网的安全稳定运行，预防绝缘子的污闪事故发生具有一定的参考价值。