劣化复合绝缘子闪络特性研究

陈子威，邓志勇，李 稳，姜 胜，王动力，胡茗舰，叶星宇

(国网湖南省电力有限公司 输电检修分公司，湖南 长沙 410000)

近年来，随着我国经济的发展，我国的超高压输电系统得到了迅速的发展。同时，环境污染问题依然突出，输电线路污染引起的闪络问题仍然威胁着电网的安全运行[1-4]。

复合绝缘子由于其质量轻体积小、机械性能好、抗污能力强、安装方便的特点而被大范围使用，但复合绝缘子亦面临污秽问题[5-6]。一些文献研究了复合绝缘的闪络特性[7]，研究结果得到了与多数学者相同的结论，前人研究表明[8-9]，污闪电压与SDD之间存在负幂函数关系，具体表现为：

U50=a×SDD-n

(1)

式中，a为常数，这与绝缘子的结构、气压、材料等有关；n为绝缘子污秽的特性指数。

给定a、n，则在某SDD下污闪电压可由式(1)计算。但由于复合绝缘子伞裙和芯棒材料在使用中容易产生劣化[10-12]，劣化后的复合绝缘子电气性能将会大大降低，其自然闪络及污秽闪络特性有待研究。因此，本文选取的样品为运行5～7年的220 kV复合绝缘子，进行劣化复合绝缘子的自然状态污闪试验和人工污秽闪络试验。研究结果对外绝缘劣化复合绝缘子防污工作具有指导和借鉴意义。

1 样品与试验流程

1.1 劣化绝缘子样品

本文研究劣化复合绝缘子闪络特性，选取的样品为运行5～7年的220 kV FXBW-220/120复合绝缘子，结构参数见表1。

表1 样品参数Tab.1 Sample parameters

由于样品的高压端和低压端劣化较为严重，本文将绝缘子试品切割成3段，舍弃中间段伞裙(劣化较轻)，高压端及低压端伞裙均有不同程度的损坏，故选取高低压端绝缘子段为研究对象，共分为6组。其中，高压端标号为B、低压端标号为A，分别记为A1、A2、A3、B1、B2、B3。劣化绝缘子伞裙如图1所示。本文样品主要状态：A1和B1段芯棒老化损坏严重，有明显的开裂现象，形成1道裂沟，靠近芯棒处有伞裙有穿孔痕迹、开裂老化以及缺口现象；A2和B2段顶部有裂口，芯棒比较完好，未出现损坏痕迹，仅少数小伞均出现裂口；A3和B3段芯棒基本完好，伞裙表面基本完好。

图1 劣化绝缘子样品Fig.1 Deteriorated insulator sample

1.2 人工闪络试验流程

1.2.1 试验装置

劣化绝缘子闪络实验在人工模拟平台进行，可在平台内进行雨、雾等复杂气候大气环境的人工试验。劣化绝缘子闪络试验电源由500 kV/2 000 kVA试验变压器提供，变压器短路电流可达75 A。电源满足人工污染试验的要求。试验电路如图2所示。

图2 交流试验电路Fig.2 AC test circuit

图2中，T1为10 kV/2 000 kVA调压器，T2为500 kV/2 000 kVA交流测试变压器，C1和C2为电容器组成的电容分压器F(10 000∶1)，R0为限流电阻，H为穿墙套管(500 kV)，r为电流取样电阻，G为保护放电管(额定电压5 V)，E为人工模拟平台。

1.2.2 闪络试验流程

(1)清洗与涂污。在试验开始时，用Na2PO3溶液仔细清洁所有样品，以去除所有污垢和油脂的痕迹。然后，用纯净水彻底冲洗样品，在室内自然晾干，以避免灰尘或其他污染。采用固体层污法污染绝缘子。用硅藻土和氯化钠模拟污染绝缘子上的惰性和导电成分。在试验中，不溶性物沉积密度是盐沉积密度(SDD)的5倍。将硅藻土和氯化钠在去离子水中完全混合，并涂抹在绝缘体上。模拟的污秽等级分别为0.03、0.05、0.10、0.15 mg/cm2。

(2)污秽层润湿。样品经过上述污染后，自然干燥24 h，垂直悬挂布置在人工模拟平台。采用锅炉产生的蒸汽雾对受污染的绝缘子表面进行润湿。喷嘴与绝缘子的距离为4～5 m。在试验期间，制冷系统将气候室的温度维持在30～35 ℃，大气压力保持在98.6 kPa。

(3)闪络试验。在样品的污层完全湿润时进行闪络试验，以防止污绝缘子伞裙上的水落入地面，造成污秽流失。试验采用恒压升降法，在同一类型样品上至少进行了6次有效试验。闪络电压按恒压升降法变化，电压设定在预期U50左右，然后若闪络了，则降低5%的U50电压，未闪络则升高5%的U50电压，最终可通过式(2)和式(3)计算U50和相对标准偏差σ：

(2)

(3)

2 劣化复合绝缘子闪络特性

通过上述试验方法，得到了自然状态下劣化复合绝缘子闪络特性，以及人工模拟污秽下的劣化复合绝缘子闪络特性。

2.1 自然状态下的闪络特性

采用上述1.2节方法对6支劣化程度不同的复合绝缘子进行了试验，试验结果如图3所示。从图3中可以得出如下结论:①闪络结果的柱状图误差棒代表相对偏差，从图3中的相对偏差可以看出，其偏差一般小于6%，劣化复合绝缘子自然状态闪络电压的分散程度是可以接受的，说明试验方法是合理的。②不同劣化程度的复合绝缘子在自然状态下的闪络特性差距较大。结合1.1节样品的劣化状态分析，随着劣化程度的降低，闪络电压呈现增加的趋势。文中闪络电压最高的样品为B3，闪络电压最低的样品为A1，其中B3的闪络电压为A1的3.956 7倍。③对于6支绝缘子试品，其低压端试验样品污闪电压明显低于高压端试验样品，低33%～64%。其原因可能是绝缘子低压端伞裙积污较为严重，污秽破坏了绝缘子表面的憎水性，降低了绝缘子的电气性能，也有可能是低压端样品相对高压端劣化严重，缩短了绝缘子的爬电距离。

图3 自然状态闪络试验结果Fig.3 Natural state flashover results

2.2 劣化绝缘污秽闪络特性

由前文分析可知，其低压端试验段污闪电压明显低于高压端试验段。因此，对于污秽试验，选取3段低压端绝缘子段为试验样品。通过试验结果，计算得到3支绝缘子的前文所述a和n值。A1、A2和A3劣化绝缘子闪络电压结果和负幂函数拟合结果分别如图4所示。从图4中可以得出如下结论。

(1)图4中污秽闪络结果的相对偏差小于5.8%，劣化复合绝缘子污秽状态闪络电压的分散程度亦是可以接受的。

(2)对于不同劣化程度的复合绝缘子，其闪络电压均随着SDD的增加而降低。以A1为例，当盐密从0.03 mg/cm2增加为0.15 mg/cm2时，闪络电压从24.69 kV降低至15.62 kV，降低了36.74%。对于A3降低了42.08%。由此可见，污秽对轻度劣化绝缘子闪络电压影响较大。

(3)对于3支劣化复合绝缘子，负幂函数拟合优度分别为0.972 1，0.972 3和0.969 6，拟合优度均大于0.95,拟合优度较高，说明劣化复合绝缘子闪络电压和SDD之间依然满足负幂函数关系。且随着劣化程度的降低，其幂函数常数a逐渐增加。

图4 污秽闪络结果Fig.4 Pollution flashover results

(4) 本文得到3支劣化复合绝缘子的闪络电压计算公式，具体言之，幂函数常数a从8.480 3增加至18.944 0，指数在-0.348～-0.269。复合绝缘子劣化程度对闪络电压经验公式的计算具有重要影响。

3 结论

本文选取的样品为运行5～7年的220 kV FXBW-220/120复合绝缘子,进行了劣化复合绝缘子的自然状态污闪试验和人工污秽闪络试验，研究主要得到如下结论。

(1)不同劣化程度的复合绝缘子在自然状态下的闪络特性差距较大，且随着劣化程度的降低，闪络电压呈现增加的趋势。文中闪络电压最高的样品为B3，闪络电压最低的样品为A1。其中，B3的闪络电压为A1的3.956 7倍。

(2)对于6支绝缘子试品，其低压端试验样品污闪电压明显低于高压端试验样品，低33%～64%。

(3)对于不同劣化程度的复合绝缘子，其闪络电压均随着SDD的增加而降低。以A1为例，当盐密从0.03 mg/cm2增加为0.15 mg/cm2时，闪络电压从24.69 kV降低至15.62 kV，降低了36.74%，对于A3降低了42.08%。由此可见，污秽对轻度劣化绝缘子闪络电压影响较大。

(4)劣化复合绝缘子闪络电压和SDD之间依然满足负幂函数关系。本文拟合得到了得到3支劣化复合绝缘子的闪络电压计算公式，拟合结果发现随着劣化程度的降低，其幂函数常数a逐渐增加。