交直流电压下绝缘子放电紫外脉冲与泄漏电流对比分析

张庆平，罗海荣，闫振华，李秀广，史志鹏，康永强

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.兰州交通大学新能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

绝缘子污闪是威胁电力系统安全可靠运行的主要因素之一[1-3]，因此，有效检测绝缘子污秽状态对于预防污闪具有重要意义。现有污秽绝缘子的研究工作中，绝缘子污秽分布大多以均匀分布为研究条件，且污闪特性、污闪现象、污闪过程与污秽绝缘子泄漏电流之间的关系已有较为详尽的研究[4-9]，基于泄漏电流法的绝缘子污秽状态检测已成为主要检测技术，被广泛应用于电力系统绝缘子污秽状态的检测[10-14]；但该检测技术具有接触式、检测复杂，且在污秽度与湿度较大时才能有效检测绝缘子污秽状态等问题。紫外脉冲检测法具有非接触式、检测精度高等特点，已在各种高压设备以及绝缘子污秽状态检测与评估方面有许多研究与应用[15-20]；但目前的工作主要集中于交流电压下均匀污秽分布绝缘子紫外脉冲检测特性研究，未考虑直流电压下紫外脉冲检测法的适用性，且在交直流电压下及不同污秽分布和湿度下其检测特性与泄漏电流未有直接对比。在实际中，由于风雨等天气及绝缘子结构、布置形式及外加电压类型不同，绝缘子污秽分布呈非连续形态，造成绝缘子表面污层电阻分布不连续，且绝缘子所处环境湿度差异较大，造成绝缘子表面泄漏电流与电压分布与连续污秽分布时有较大差异。为此，本文开展交直流电压下不同污秽分布与不同湿度下基于泄漏电流与紫外脉冲法的对比实验研究，获得泄漏电流与紫外脉冲法在不同条件下的检测特性与适用范围。

1 实验设置

1.1 紫外脉冲检测系统设计

基于紫外光电转换原理，本文搭建的紫外脉冲检测装置由紫外光敏管、驱动模块、控制模块、分析模块及通信模块等构成，如图1所示。

图1 紫外脉冲检测装置

1.2 污秽绝缘子样本制备

以XWP-160陶瓷绝缘子为实验对象，根据绝缘子人工污秽试验标准利用固体涂层法对绝缘子进行预染污，试验中样品的盐密和灰密分别为0.1 mg/cm2和2 mg/cm2，并分别采用氯化钠和高岭土进行模拟[21-22]。为模拟自然形成的非连续洁净干带，对绝缘子表面污秽进行圆环擦除。绝缘子剖面及不同污秽分布绝缘子试样如图2和3所示。

图2 绝缘子剖面

(a)污秽绝缘子

1.3 实验设备及方法

实验设备由污秽变压器(600 kV/2 400 kVA)、多功能人工雾室(温湿度连续可调)、电子秤(精度为0.1 mg)、紫外脉冲检测系统、泄漏电流检测系统等组成。对绝缘子进行预染污后，将其静置24 h阴干，之后将污秽绝缘子串(三片绝缘子)通过雾室内高压连接装置悬挂并接地，同时调整紫外脉冲检测装置于其斜下方合适距离与位置，控制气雾室内温湿度，达到稳定之后(温度20 ℃，湿度70%)，分别利用交、直流电压源对绝缘子施加电压，同时检测污秽绝缘子泄漏电流，实验测试布置如图4所示。试验过程中外加电压从30 kV加至90 kV(直流电压从10 kV至50 kV)，每次间隔10 kV，观察并记录30 s内污秽绝缘子放电紫外脉冲数与泄漏电流值，同一条件下重复实验5次，取5次平均值作为本次实验的有效测量值。

图4 污秽绝缘子放电紫外与泄漏电流测试

2 交流绝缘子紫外脉冲与泄漏电流

2.1 污秽分布的影响

实验利用紫外脉冲法和泄漏电流法分别对洁净、含清洁干带和全污秽的绝缘子进行了研究，结果如图5和图6所示。图5表明在不同污秽分布下，随着施加电压的增大，紫外脉冲数均相应增加，这是由于电压增大，局部电场强度增大，造成放电增强，紫外光子数增多，且在全污秽情况下的紫外脉冲数明显大于洁净的情况，造成这种结果的原因是全污秽绝缘子对电场影响较大而引起局部放电增强，造成紫外脉冲数增多。当施加电压大于70 kV时，洁净绝缘子的紫外脉冲数大于干带绝缘子；当施加电压小于70 kV时，洁净绝缘子的紫外脉冲数小于干带绝缘子。在较高电压下，视污秽分布情况不同，其紫外脉冲数也应较低。

图5 交流电压不同绝缘子污秽分布紫外脉冲数

图6是利用泄漏电流法测量不同污秽分布绝缘子的实验结果。从图中明显可以看出在全污秽情况下，施加电压较大时的泄漏电流很大。如在90 kV时，全污秽绝缘子的泄漏电流约为120 μA；而对于洁净和含清洁干带的绝缘子，其泄漏电流则很小。造成这种现象的原因是污层分布形状引起，即污层连续分布电阻要远小于污层非连续分布电阻，所以连续分布时泄漏电流则会更大；而干带和洁净绝缘子的污秽层并没有连续分布，其表面污层电阻均比较大，所以它们的泄漏电流较小。

图6 交流电压不同绝缘子污秽分布泄漏电流

通过对比泄漏电流和紫外脉冲两种检测方法，发现泄漏电流法难以检测较低电压等级情况下绝缘子的污秽分布。在50 kV以下，洁净、含清洁干带和全污绝缘子测量所得的泄漏电流几乎一致，这是因为三种情况下绝缘子的表面电阻均很大，当电压等级较低时，泄漏电流均非常小。如果想要通过泄漏电流法来检测低电压情况下绝缘子的污秽分布情况，还需要进一步提高泄漏电流的检测精度。由于紫外脉冲法检测对象是电极的电晕放电，而电晕放电主要跟电压等级相关，故在较低的电压等级下，不同污秽分布的紫外脉冲数区别较为明显，但是该方法受到电压施加和污秽分布的共同影响，施加电压较高时，视污秽分布情况不同，其紫外脉冲数也可能较低。

2.2 湿度的影响

为进一步分析湿度对污秽绝缘子紫外脉冲数和泄漏电流的影响，对不同湿度下全污秽绝缘子进行了试验研究。图7和图8分别为紫外脉冲法和泄漏电流法在空气湿度分别为70%、80%和90%三种情况下的实验结果。结果表明两种方法均可区分不同湿度下的绝缘子，但是紫外脉冲法检测结果与泄漏电流法具有明显不同规律。紫外脉冲法检测到在湿度为80%时，紫外脉冲数最大，其次是湿度90%和70%。造成这种现象的原因是空气湿度较大时，会吸收更多的紫外光谱，导致紫外光敏管接收到的紫外光强度下降，使紫外检测效果降低，所以湿度较大时绝缘子放电紫外脉冲数相应减少。

图7 交流电压不同湿度污秽绝缘子紫外脉冲数

由于空气湿度增加，绝缘子表面污秽更易于受潮，导致其表面污层电阻降低，因而泄漏电流增大，故泄漏电流法非常适合于检测不同环境湿度下绝缘子表面污秽状态。如图8所示，在不同空气湿度下，测量所得泄漏电流有明显的区别，且湿度越大，泄漏电流越大。在施加电压90 kV时，70%，80%和90%湿度下泄漏电流为120 μA，200 μA和280 μA；但是，与污秽分布检测相同，泄漏电流法在检测低电压情况的湿度时区分能力较弱，如在50 kV时测得湿度70%，80%和90%的泄漏电流分别为35 μA，10 μA和0 μA。

图8 交流电压不同湿度污秽绝缘子泄漏电流

通过交流电压下不同污秽分布与湿度污秽绝缘子紫外脉冲与泄漏电流试验结果发现：不同污秽分布时，绝缘子放电紫外脉冲数区别不大，且会受到绝缘子污秽分布和施加电压的共同影响；不同湿度时，绝缘子放电紫外脉冲数在80%湿度时最大，而泄漏电流则在90%湿度下最大，两者随空气湿度变化规律相异；因此，在交流电压下绝缘子污秽状态难以通过紫外脉冲检测实现有效区分。

3 直流绝缘子紫外脉冲与泄漏电流

3.1 污秽分布的影响

图9和图10给出了直流电压下，紫外脉冲法和泄漏电流法对不同污秽分布绝缘子的检测结果。从紫外脉冲检测结果来看，全污秽绝缘子产生的紫外脉冲数大于含清洁干带的绝缘子，洁净绝缘子的紫外脉冲数几乎没有。在直流电压下，绝缘子的电压分布是稳定的，较低电压下光滑洁净的绝缘子电晕放电仍然不明显。当污秽存在时，泄漏电流增大，且绝缘子表面电场畸变加剧，在绝缘子钢脚钢帽等处更易发生电晕放电，导致紫外脉冲数测量值大。通过紫外脉冲的测量方法，测得紫外脉冲数全污>干带>洁净。另外，由图5和图9对比分析可知，洁净绝缘子在交流电压下更容易发生电晕放电，紫外脉冲数更多。

图9 直流电压不同绝缘子污秽分布紫外脉冲数

直流电压下，泄漏电流法在绝缘子不同污秽分布下的测量结果如图10所示。污秽绝缘子泄漏电流远高于含清洁干带与洁净绝缘子泄漏电流，且随施加电压的增加，差值也随之增大。造成这种差异的原因与交流电压的情况类似。全污绝缘子的污秽层分布连续，表面电阻小，泄漏电流更大；而干带和洁净绝缘子表面电阻较大，泄漏电流较小。

图10 直流电压不同绝缘子污秽分布泄漏电流

3.2 湿度的影响

直流电压下，紫外脉冲法和泄漏电流法检测全污秽绝缘子不同湿度的结果与交流电压也有所不同，如图11和图12所示。直流电压下，紫外脉冲法和泄漏电流法可以区分污秽绝缘子的湿度。由图11中可知，施加直流电压10～30 kV时，不同湿度下污秽绝缘子放电紫外脉冲数接近；当施加电压高于30 kV时，绝缘子放电紫外脉冲数明显增多，湿度90%的污秽绝缘子放电紫外脉冲数最高，湿度80%的次之，湿度70%的最小。

图11 直流电压不同湿度污秽绝缘子紫外脉冲数

图12 直流电压不同湿度污秽绝缘子泄漏电流

与紫外脉冲检测结果接近，在施加直流电压10～30 kV时，测量到的污秽绝缘子泄漏电流很低，且各个湿度下泄漏电流接近；当施加电压高于30 kV时，湿度90%的绝缘子紫外脉冲数最高，湿度80%的次之，湿度70%的最小。这也是因为空气湿度越大，绝缘子表面污秽受潮越严重，污层电阻越小，泄漏电流越大。

通过直流电压下不同污秽分布与湿度污秽绝缘子紫外脉冲与泄漏电流试验结果发现：不同污秽分布与不同湿度时，绝缘子放电紫外脉冲数与泄漏电流呈现相似的规律，因此，在直流电压下，可采用绝缘子放电紫外脉冲数作为绝缘子污秽状态的表征参量，替代泄漏电流检测绝缘子污秽状态。

4 结 论

本研究结果说明污秽分布与湿度对陶瓷绝缘子放电紫外特性与泄漏电流有重要影响，研究结果发现不同污秽分布的绝缘子在交流(小于70 kV)与直流(小于50 kV)电压下紫外脉冲数与泄漏电流变化规律基本一致。污秽绝缘子在交流电压下80%湿度时紫外脉冲数最多，在直流电压下90%湿度时最多，而泄漏电流都随湿度增加而增大；同时发现绝缘子污秽非连续分布对泄漏电流检测法具有很大影响，难以有效区分绝缘子污秽状态，但紫外脉冲法较泄漏电流法对于不同污秽分布形状检测具有一定的优势。此外，研究发现在交流电压下，污秽绝缘子放电紫外脉冲数区别不大，且受到施加电压和空气湿度的影响，导致检测精度不如泄漏电流法；而在直流电压下，紫外脉冲法和泄漏电流法检测结果趋势基本一致，两者都具有直流电压下绝缘子污秽状态检测的可行性。研究得出：采用泄漏电流法检测湿度对绝缘的影响具有更高的准确性，而采用紫外脉冲数检测污秽分布对绝缘的影响则具有更好的效果，研究结果解决了不同电压类型、污秽分布及湿度下绝缘状态的有效检测问题。