温度、温差对绝缘子运行状态的影响研究综述

2020-11-02张永涛

山东电力技术 2020年10期

张永涛

（国网河南省电力公司周口供电公司，河南周口 466000）

0 引言

国内电网互联使得输电线路分布十分广泛，由于地理环境存在差异，绝缘子运行状况也各不相同，且不可避免地经过河流、池塘、农田、山区低洼处以及重工业污染地区，极端天气下经常会发生一些污秽闪络事故，影响电网的安全稳定运行［1］。

污闪可以分为绝缘子表面积污、污秽受潮湿润、干带形成及局部放电、电弧发展直至闪络4 个阶段［2］，其中，绝缘子表面污层受潮是污闪发生的重要因素。污闪事故的发生经常伴随着恶劣天气状况［3-4］，有关学者将研究重点转向污闪发生前后环境温度变化对绝缘子污层受潮的影响，并取得了一定的成果。

1 试验平台与试验方法

目前，相关研究试验环境的选择主要分为两类，一是在户外自然环境下开展［5-7］，主要用来分析环境温度与绝缘子运行状态的关系，试验数据说服力强，但试验周期较长、变量参数不可控；二是采用恒温恒湿箱、温湿度可控试验平台［8-12］，以满足试验的需要。该方案可以进行温度、温差对绝缘子运行状态的影响研究，可自主设计试验，对相关变量参数进行设置，试验结果可重复，但试验过程容易受到设备带来的干扰。

温湿度可控试验平台通常采用风循环方式控制温度［8-9］，内置风机和加湿管道，如图1 所示。使用该试验平台首先要解决两个问题：1）如何建立无风或者低风环境。试验过程中要维持恒温恒湿的状态，风的存在会影响绝缘子的受潮过程，风速过大甚至会吹干绝缘子污秽；2）如何使试验平台内温度保持均匀、稳定。相关文献中试验装置体积较大，很难保证内部温度分布均匀，且周围环境温度对装置内温度的维持有一定影响。设置多个制冷源或者加热源可以一定程度上解决上述问题，相关文献还未见报道。

图1 温湿度可控实验装置

此外，研究温差对绝缘子运行状态的影响时，采用的方法通常有两种，一是将绝缘子放置于恒温恒湿试验装置中，在低温低湿环境下放置一段时间，然后提高装置温度、湿度至设定值，以模拟绝缘子表面凝露的产生条件［11-12］；二是配备恒温恒湿箱和较大尺寸且温湿度可控的雾室，将绝缘子放置于低温低湿试验箱中，一段时间后快速转移到高温高湿的雾室内，用来研究温差对绝缘子运行状态的影响［9-10］。将绝缘子从试验箱往雾室转移的过程中，绝缘子表面湿润状态可能会发生变化，造成试验结果不够准确，可采用在雾室内放置恒温恒湿箱的方法解决。

2 温度对绝缘子运行状态的影响

2.1 绝缘子泄漏电流与环境温度的相关性分析

有学者在自然环境下搭建试验平台，分析环境温度与绝缘子泄漏电流之间的关系。文献［5］以XP-160 瓷绝缘子串为研究对象，采集环境温度、湿度、雨量和绝缘子泄漏电流数据，在无雨、无凝露的条件下，绝缘子串泄漏电流的变化与温度呈现负相关性。

文献［6］利用灰关联算法计算叶面湿度、环境湿度、温度、温度变化率与直流绝缘子串（瓷、玻璃、复合材料）泄漏电流的关联度，叶面湿度的关联度最大，其次为环境相对湿度和温度变化率，温度的关联度最小。

利用非线性回归法，文献［7］对单片XP-70 型绝缘子的温度、盐密、灰密、相对湿度与泄漏电流进行拟合，其关系式为

式中：Im为泄漏电流；ρESDD为绝缘子上的盐密；Rh为绝缘子所处环境的相对湿度；r 为绝缘子表面电阻；ρNSDD为绝缘子灰密；θ 为绝缘子表面温度。

未考虑相对湿度的作用，单一的温度变化对绝缘子泄漏电流的作用较小。温度变化通过间接改变环境相对湿度和绝缘材料性能对污层受潮产生影响。

2.2 温度对瓷绝缘子的影响

当相对湿度固定时，环境温度越高，空气中含水量越大，水分子运动加快，绝缘子表面污秽越容易受潮。相关学者研究了环境相对湿度固定为65%、75%、85%，温度在20～55 ℃变化时，XP-70 绝缘子泄漏电流随环境温度的变化规律。当环境温度介于20～40 ℃时，温度变化对泄漏电流的影响不明显；当温度超过40 ℃后，泄漏电流随温度的升高而增大［13］。

方春华等人的研究表明，当环境温度在20～35 ℃变化时，在相对湿度为65%、75%的情况下，绝缘子的泄漏电流基本相同；在相对湿度为85%的情况下，绝缘子的泄漏电流有一定的差别；当环境温度在35～50 ℃变化时，随着温度升高，绝缘子泄漏电流幅值明显增加［7］。

绝缘子表面温度梯度场的存在将影响绝缘子沿面绝缘强度。文献［14］搭建的气体绝缘系统可以在绝缘支柱上形成有效的温度梯度场，随着温差的增大，绝缘支柱平均闪络电压有下降的趋势。仿真结果表明绝缘支柱表面温度高的区域气体密度小，而闪络电压与气体密度呈线性正相关关系。

2.3 温度对复合绝缘子的影响

复合绝缘子硅橡胶材料具有良好的憎水性以及憎水迁移性，有优良的耐污闪能力。复合绝缘子运行温度较低时，憎水性下降，表面易发生闪络；当温度回升时，硅橡胶的憎水性恢复，闪络现象逐渐消失。文献［10］研究了硅橡胶试片污层表面水珠浸润区域平均直径与温度的关系：随着温度的升高，污层表面憎水性逐渐加强，水珠浸润区域逐渐减小，浸润区域平均直径与温度近似呈线性关系。文献［15］利用半导体制冷方式调节复合绝缘子试验样品温度为常温（25 ℃）和低温（1 ℃），温度降低时，水珠与复合绝缘子表面的液固相界面张力减小，前进接触角和后退接触角减小，复合绝缘子表面憎水性下降，1 ℃下复合绝缘子憎水性等级均比25 ℃下复合绝缘子憎水性等级低。

温度对复合绝缘子憎水性迁移的影响显著大于湿度的作用。温度越高，憎水性迁移速度越快，静态接触角趋于稳定的时间也越短。由于温度的变化未改变污层吸附小分子聚合物的数量，稳态接触角基本不变［16］。

3 温差对绝缘子运行状态的影响

3.1 正、负温差的产生条件及影响

当绝缘子运行在环境湿度较大的农田、池塘及河流附近时，快速降温气象条件下，空气相对湿度迅速增加，水分析出并积聚在污秽绝缘子表面，导致污层受潮，增加了绝缘子闪络的风险，此时应加强对水源、田地、山区低洼处附近输电线路的巡视。快速降温气象条件下，绝缘子与周边环境之间出现正温差，绝缘子所处环境可用恒体积变温试验箱来模拟。

由于绝缘子的比热容比空气大，在凌晨气温回升时，绝缘子表面温度上升较慢，与环境温度之间存在逆温差，若此时周围环境的湿度较大，绝缘子表面容易形成凝露从而导致污层均匀受潮，污闪电压降低。

绝缘子表面凝露是否发生取决于环境温度和相对湿度，露点温度的计算公式为［9］

式中：θDP为露点温度；Hr为相对湿度；θf为环境温度。

不同湿度条件下露点差与环境温度的关系如图2 所示。

图2 露点差随环境温度变化关系

从图2 中可以看出，环境温度不变时，相对湿度越大，露点温度越接近环境温度；相对湿度不变时，温度越低，露点温度与环境温度之间的差值越小。在环境温度较低、湿度较大的情况下，更容易发生凝露。

3.2 凝露对绝缘子运行状态的影响

当绝缘子表面温度低于环境露点温度时，绝缘子表面形成凝露，污层加速受潮，受潮程度与温差大小、空气中水分含量、绝缘材料的比热容及散热面积有关。

宋思齐等［11］将涂污ZSW-126／6-3 型支柱绝缘子置于低温、低湿气候室内，通过提高室内温度和湿度来模拟支柱绝缘子表面发生凝露的过程。在相同温度差下，相对湿度越大，试品凝露时的闪络电压越低；在相同湿度条件下，温度差越大，绝缘子闪络电压越低。

戴罕奇等［9］通过恒温箱调节XP-70 型悬式电瓷绝缘子放入雾室时的初始温度，研究表明：当绝缘子初始温度低于雾室露点温度时，绝缘子表面泄漏电流最大值随着温差的增大而升高，且出现显著的饱和效应；从不同组的试验结果来看，温差相同的情况下，绝缘子初始温度越高，泄漏电流越大。

雾室相对湿度未饱和时，温差对污层受潮过程的影响大于相对湿度的作用。从玻璃片的涂污受潮试验来看，温差仅在污层受潮的初始阶段起作用，其作用维持时间与试品的比热容及散热面积有关。比热容越小、散热面积越大，温差发挥作用的时间越短。

王凯琳等［17］研究了不同环境湿度下试品（玻璃平板）表面电导率最大值随温差的变化规律，当环境湿度偏低时，温差对试品受潮过程的影响较大；随着环境湿度的增加，试品表面电导率最大值显著增加，温差对试品受潮的作用减小。该研究团队认为，即使试品温度高于环境露点温度，只要存在温差，就会对污层受潮过程产生影响。

复合绝缘子表面温差对直流污闪电压的影响大于憎水性迁移的作用，温差越小，污层越不容易受潮，污闪电压越高［10］。环境温度与伞裙试样初始温度差越大，伞裙表面凝露质量越大；随着温差的增加，伞裙试样表面凝露质量非线性上升、斜率增大；相同温差条件下，初始温度对凝露质量的作用不明显［12］，该结果与上文戴罕奇等人的研究成果有较大差异。空气中水分含量有限，伞裙试样表面凝露质量不会无限制增加，样本数量过少或未有效控制试验变量会影响试验结果。