不同外绝缘材料避雷器表面自然积污规律研究

师 伟，卢思翰，张 皓，李鹏飞，李 杰

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国家电力投资集团，北京 100032）

0 引言

变电站设备的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压和长期运行电压下均能可靠运行，但沉积在电力设备外绝缘表面的污秽层在雨、雪、雾等恶劣气象条件的作用下会提高外绝缘表面的电导率，使电力设备外绝缘的电气强度大大降低，可能导致电力系统外绝缘在运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。为避免和减少变电站设备污秽事故给电力系统带来的危害，须研究设备表面污秽分布特性，对其外绝缘配置进行验证，以寻求防止污闪事故发生的改良措施［1-5］。学者们对设备外绝缘积污特性研究通常采用自然积污试验、人工污秽试验和仿真模拟等方式，其中，自然积污试验耗时一般较长，通过对已经积污过的外绝缘表面的污秽度进行测量，根据污秽度对影响外绝缘积污程度的相关因素进行分析，其结果可以直观真实地反映设备外绝缘积污规律，由该方式得出的相关结论是标准制修订的重要依据，也为电力设备外绝缘设计、运行和维护提供了重要参考；人工污秽试验的试验条件控制方便、试验耗时短，但涂污方式相对较为简单，由此得到的试验结论和实际运行中设备积污情况的等效性有待商榷，多用来开展外绝缘积污影响因素的针对性研究；仿真模拟是一种较为高效的辅助研究方法，得到的结论一般需要通过自然积污试验或人工污秽试验进行验证。

金属氧化物避雷器性能的优劣直接影响电力系统过电压和绝缘配合，关系到整个电力系统的经济性和运行可靠性。作为输变电设备外绝缘保护中必须面临的一个特殊问题，表面积污情况对避雷器运行可靠性有重要影响，并且由于内部阀片的存在，避雷器在污秽条件下的运行工况更加复杂，如果避雷器的耐污能力设计不当，可能导致避雷器的外绝缘闪络或内部失去热平衡，影响电力系统的正常运行。近年来，与避雷器表面积污特性相关的研究主要集中在人工污秽试验、污秽条件下避雷器性能仿真等方面。涉及避雷器人工污秽试验方法的国内外标准主要有3 个：IEC 60099-4 附录F 规定的固体层法［6］和盐雾法、IEEE Std C 62.11 规定的不均匀污秽法［7］以及中国国家标准GB/T 11032 中规定的均匀污秽法［8］。学者们基于这3个标准开展了人工污秽条件下复合外套避雷器或瓷外套避雷器的相关性能研究［9-13］。然而，人工污秽试验中针对复合外套避雷器或瓷外套避雷器的外绝缘伞裙上表面和下表面均按同一配置污浆进行涂污，未考虑不同外绝缘材料避雷器表面污秽分布的差异化影响。同样，对于污秽条件下避雷器性能的仿真研究，也鲜有区分避雷器不同位置表面积污分布的差异［14-15］。目前国内外学者对避雷器在运行状态下的自然积污特性试验相对较少，避雷器表面污秽分布情况一般参照支柱绝缘子的实测数据。文献［16］对特高压淮南站主变压器1 000 kV 侧瓷外套避雷器表面自然污秽分布情况进行了研究，指出避雷器绝缘伞裙的位置会影响其表面的积污程度；文献［17］开展的自然积污试验研究表明，降雨和带电情况会影响绝缘子表面污秽的积聚，且污秽中70%～80%的可溶盐是溶解度很低的硫酸钙；文献［18］对站内支柱绝缘子表面自然积污进行了现场测试，指出带电情况下绝缘子不同位置伞裙积污情况存在差异，且上表面积污普遍比下表面严重。鉴于避雷器表面自然污秽分布情况可以真实地反映实际运行中避雷器外绝缘积污特性，对避雷器表面自然积污规律的研究有助于制定合理的避雷器人工污秽试验方法，提高耐污型避雷器的设计水平，具有重要的学术意义和工程价值。

避雷器按外绝缘材料划分为复合外套避雷器和瓷外套避雷器，在污秽情况较严重地区，瓷外套避雷器一般在其表面喷涂RTV以提高其外绝缘性能［19-20］。为掌握不同外绝缘材料避雷器表面在自然条件下的积污规律，在某特高压变电站选取了1 000 kV 主变压器1 000 kV侧复合外套避雷器与500 kV喷涂RTV瓷外套避雷器作为积污试验点，对避雷器不同位置处的表面污秽进行采样和分析，为深入研究污秽条件下的避雷器性能奠定了良好的基础。

1 试验采样点

某特高压交流变电站为山东电网首座装有1 000 kV复合外套避雷器的变电站，站内1 000 kV避雷器为复合外套避雷器，500 kV 避雷器为喷涂RTV的瓷外套避雷器，避雷器绝缘配置具有一定代表性，且投运时间相对较长。选取该特高压站作为试验点，该站所处区域的污染源主要是郊区工厂排放的粉尘、农田施肥等。在站内1 000 kV 主变压器停电检修期间，试验人员分别选取主变压器高压侧一支1 000 kV 复合外套避雷器和中压侧一支500 kV 喷涂RTV 的瓷外套避雷器作为研究对象进行表面污秽采集工作，这两支避雷器的自然积污周期均为1 年。1 000 kV 复合外套避雷器由4节元件串联而成，为区分自上而下编号依次为Ⅰ—Ⅳ，500 kV 喷涂RTV 的瓷外套避雷器由3 节元件串联而成，自上而下编号依次为Ⅰ—Ⅲ，如图1所示。

图1 试验现场避雷器

避雷器污秽收集采取分组且伞裙上、下表面区分的方式进行，伞裙面朝上部分规定为上表面，伞裙面朝下部分规定为下表面。从1 000 kV 复合外套避雷器的每个元件自上而下均匀选取5 个伞裙作为一组取样点，4 节元件共计20 个伞裙取样点，自上而下编号依次为1—20，每个取样点的伞裙上表面和下表面污秽分开取样，1 000 kV 复合外套避雷器伞裙表面积如表1 所示；从500 kV 喷涂RTV 瓷外套避雷器的每个元件自上而下均匀选取4 个伞裙作为一组取样点，3 节元件共计12 个伞裙取样点，自上而下编号依次为1—12，每个取样点的伞裙上表面和下表面污秽分开取样，500 kV 喷涂RTV 瓷外套避雷器伞裙表面积如表2所示。

表1 1 000 kV复合外套避雷器绝缘伞裙参数

表2 500 kV喷涂RTV瓷外套避雷器绝缘伞裙参数

2 污秽测量

设备外绝缘自然污秽的污秽度通常用等值盐密和灰密表示，等值盐密为单位绝缘表面上的等值附盐量，电导率等同于溶解后绝缘表面自然污秽水溶物的盐量与绝缘表面面积之比；灰密为绝缘表面上清洗的不溶于水的残留物总量除以表面积。本文采用IEC 60815-1 推荐的污秽采样和测量方法［21］对自然条件下避雷器表面污秽的等值盐密和灰密进行测量，并采用DL/T 1884.3 推荐的离子色谱法［22］对污秽中离子成分进行分析。

2.1 等值盐密、灰密测量

测量避雷器表面等值盐密和灰密的主要工具如表3所示。

表3 主要工具和试剂

取样时，戴好清洁的医用手套用污秽专用采样布分别擦拭避雷器取样点上下表面至清洁，将擦拭完的采样布放回容器内并做好标记。在容器中放入与避雷器取样点表面积相对应的适量蒸馏水对采样布进行清洗，通过摇摆和挤压使污秽物溶于水中，蒸馏水用量如表4所示。

表4 蒸馏水用量与取样点表面积对应关系

将清洗完采样布的液体搅拌10～15 min，至可溶性污秽充分溶解，得到污秽溶液，采用直读式等值盐密测量仪测量污秽溶液的等值盐密，该测量仪原理是通过测量污秽溶液的电导率，将其代入IEC 60815-1 推荐的等值盐密计算公式得到污秽的等值盐密。由于一定盐量水溶液的电导率随温度变化而变化，需将实验温度下测到的电导率换算成标准温度20 ℃下的电导率。

为防止滤纸在空气中的吸湿作用，先将滤纸放入干燥箱中烘干，试验中保持干燥箱内温度为95～100 ℃，取出后迅速放入高精度电子天平中，待示值稳定后记录数据m0，单位为g；等值盐密测量完成后，通过漏斗和预先干燥并称重的滤纸过滤污秽溶液，将过滤后含有污秽的滤纸放入干燥箱中烘干，再次放入高精度电子天平中测量，读数m1，单位为g，则灰密可通过式（1）计算。

式中：ρNSDD为避雷器表面灰密，mg/cm2；A为避雷器取样点伞裙表面积，cm2。

2.4 化学成分测定

污秽中成分测定的主要工具和试剂有离子色谱仪（色谱柱分离能力R≥1.3）、0.45 μm 一次性针筒微膜过滤器、单一离子储备液（Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-等）、淋洗液（酒石酸和草酸）等。

将得到的污秽溶液进行高速离心处理，待上层清液与下层不溶物完全分离后，使用干净的一次性针筒抽取约4 mL上层清液，透过0.45 μm微膜过滤器注射约1.5 mL液体至洁净的样品瓶中，采用离子色谱法对上层清液中阳离子、阴离子的浓度进行测定。

3 试验结果及分析

3.1 等值盐密、灰密

根据上述污秽测量方法，得到自然条件下避雷器取样点上表面和下表面的等值盐密及灰密，测量结果如图2和图3所示。

图2 复合外套避雷器取样点表面污秽度

图3 喷涂RTV瓷外套避雷器取样点表面污秽度

可以看出，复合外套避雷器伞裙上表面和下表面等值盐密的分布范围分别为0.029～0.055 mg/cm2和0.040～0.053 mg/cm2，灰密的分布范围分别为0.253～0.455 mg/cm2和0.107～0.307 mg/cm2；瓷外套避雷器伞裙上表面和下表面等值盐密的分布范围分别为0.042～0.058 mg/cm2和0.042～0.057 mg/cm2，灰密分布范围分别为0.224～0.424 mg/cm2和0.186～0.465 mg/cm2。无论是复合外套避雷器还是喷涂RTV 瓷外套避雷器，其等值盐密和灰密的较大值在避雷器两端位置附近，而最小值均在避雷器中间位置附近，整体上呈“中间低、两头高”的特点，与文献［16］中瓷外套避雷器自然污秽分布趋势一致；避雷器积污情况与其高压端附近电场强度较高、接地端次之、中间位置相对较低的空间电场分布规律有一定相关性［23］，表明避雷器在运行过程中受电场集尘效应影响，不同位置处的场强差异导致避雷器表面污秽分布不均匀。值得一提的是，以往学者们在人工污秽试验中，一般对整支避雷器统一均匀涂污，或采用上半部分洁净、下半部分涂污等相对简单、从严考虑的方式，与自然条件下避雷器表面污秽分布的等价性有待商榷。

3.2 污秽不均匀度

进一步分析了避雷器取样点污秽不均匀度，伞裙上表面和下表面等值盐密之比，用不均匀系数KESDD表示，而伞裙上表面和下表面灰密之比，用不均匀系数KNSDD表示，自然条件下避雷器各取样点的污秽不均匀度如图4—图5所示。

图4 复合外套避雷器表面污秽不均匀度

图5 喷涂RTV瓷外套避雷器表面污秽不均匀度

由图4 可以看出，复合外套避雷器伞裙表面的等值盐密不均匀系数较小，KESDD在0.6～1.2 之间，其均值约为1；而灰密的不均匀系数相对较大，KNSDD在1.6～3.1之间，其均值约为2，即伞裙上表面的灰密约为下表面灰密的2 倍。可能的原因为避雷器的上端为1 000 kV 高压电极导致伞裙上表面更容易积灰，同时上表面受到雨水冲刷、硅橡胶憎水性等因素的影响，其等值盐密与下表面的测量结果较为接近。

由图5 可以看出，喷涂RTV 瓷外套避雷器表面的等值盐密、灰密不均匀系数较小，其均值都约为1，即伞裙上表面与下表面污秽情况近似一致，可能的原因为避雷器的上端为500 kV 高压电极，在电场作用下伞裙上表面容易积灰，同时伞裙下表面所受雨水冲刷作用较弱。

人工污秽试验标准中规定污浆的体积电阻率应控制在400～500 Ω·cm，绝缘伞裙采用同一配置污浆进行涂污，其上、下表面污秽程度较为一致；而自然条件下避雷器表面污秽受多种因素的影响，绝缘伞裙上、下表面污秽分布可能存在差异。从本文的测量结果来看，自然条件下复合外套避雷器绝缘伞裙上表面的灰密远大于下表面。

3.3 灰盐比

灰盐比定义为同一表面灰密与等值盐密的比值，避雷器各取样点的灰盐比如图6和图7所示。

图6 复合外套避雷器取样点位置灰盐比

图7 喷涂RTV瓷外套避雷器取样点位置灰盐比

从图6可以看出，自然条件下复合外套避雷器伞裙上表面灰盐比分布在7.0～11.6之间，下表面灰盐比分布在2.5～5.8之间，上表面的灰盐比约为下表面灰盐比的2倍。对于复合外套避雷器，建议在人工污秽试验中对伞裙上表面和下表面所涂污浆进行区分配置。

从图7 可以看出，自然条件下喷涂RTV 瓷外套避雷器伞裙上表面灰盐比分布在5.0～9.0 之间，下表面灰盐比分布在4.4～8.8 之间，其均值都约为6，上表面灰盐比与下表面的灰盐比相差不大。对于喷涂RTV 瓷外套避雷器，在人工污秽试验中对伞裙上表面和下表面所涂污浆可统一配置。

3.4 污秽成分

为分析避雷器表面污秽的化学成分，采用离子色谱法对表面污秽溶解液中的阳离子和阴离子成分浓度进行了测量。以自然条件下1 000 kV 复合外套避雷器表面污秽为样本进行研究，测量结果如图8所示，其中污秽阳离子和阴离子仅展示浓度最高的3种成分。

图8 复合外套避雷器主要污秽成分浓度

如图8 所示，避雷器污秽溶液中阳离子主要有Ca2+、Na+、Mg2+，阴离子主要有SO42-、NO3-、Cl-；其中，Ca2+的浓度远大于其他几种阳离子的浓度，SO42-的浓度远大于其他几种阴离子的浓度，且Ca2+和SO42-的含量存在一定相关性，可知CaSO4为主要成分之一。污秽溶液中亦含有较多的NO3-、Cl-和Na+，说明试样污秽中含有NaCl和NaNO3，经过雨季冲刷后，相较于难溶性的CaSO4，NaCl、NaNO3等易溶性盐的含量较少。

人工污秽试验标准中规定污浆采用的可溶物质是易溶于水的一价盐NaCl，而自然污秽中含有多种盐类，且以不易溶于水的二价盐CaSO4为主，由于避雷器绝缘伞裙表面能附着的水分较少，则盐种类的差异导致人工污秽和自然污秽对表面污层电导率的贡献不一样，可能引起绝缘污闪电压不一致。

4 结语

复合外套避雷器和喷涂RTV瓷外套避雷器的高压端和接地端积污较为严重，而中间部分积污相对较轻，污秽分布整体呈“中间低、两头高”的特点。

复合外套避雷器伞裙上、下表面等值盐密较为接近，而上表面的灰密及灰盐比约为下表面灰密及灰盐比的2 倍；喷涂RTV 瓷外套避雷器伞裙上、下表面的积污程度近似一致。在人工污秽试验中，复合外套避雷器伞裙上、下表面所涂污浆建议区分配置，喷涂RTV 瓷外套避雷器伞裙上、下表面所涂污浆可统一配置。

试验选取变电站的避雷器表面污秽主要成分之一是难溶性的CaSO4，而NaCl、NaNO3等易溶性盐的含量较少。

避雷器表面自然污秽与现有标准中人工污秽在污秽不均匀度、盐的种类等方面存在差异，避雷器人工污秽试验与自然污秽试验的等价性需要进一步研究。