表面粗糙度對變電站絕緣子沖擊閃絡特性的影響*

姚 鑫， 張長勝， 譚向宇， 馬 儀， 王 科， 李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

表面粗糙度對變電站絕緣子沖擊閃絡特性的影響*

姚 鑫1， 張長勝1， 譚向宇2， 馬 儀2， 王 科2， 李 川1

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

為了研究表面粗糙度對絕緣子閃絡特性的影響，使用了不同目數的砂紙對絕緣子表面進行均勻打磨，并利用激光共聚焦顯微鏡對絕緣子表面粗糙度進行了量化處理。利用陡前沿沖擊試驗裝置產生標準雷電沖擊，并對不同粗糙度的絕緣子施加正負標準雷電波，觀察了在不同極性的標準雷電波的作用下絕緣子沿面閃絡電壓和表面粗糙度的關系，并從實驗得出，隨著絕緣子表面粗糙度增大，絕緣子50 %閃絡電壓逐漸降低，在正、負極性的標準雷電波下，新絕緣子即未經過砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，分別為424.9，429.1 kV，各個粗糙度下的絕緣子的閃絡電壓與未打磨的絕緣子的閃絡電壓的比值在半對數坐標系下與粗糙度呈線性關系。

表面粗糙度； 絕緣子； 閃絡； 標準雷電沖擊； 陡前沿沖擊試驗

0 引 言

電力設備內絕緣污閃，是阻礙電力系統安全運行的難題之一[1～11]。經機械加工形成的電極表面的缺陷,裝配時殘留的金屬導電微粒、電極的凸緣毛刺以及支撐絕緣子與電極交界面處的氣隙等因素均會造成很強的電場集中。發生閃絡故障時，由于微機保護交流采樣算法數據窗的存在，使得故障切除時間在斷路器開斷時間的基礎上增加了延時，對系統的暫態穩定造成影響。目前，國內外眾多學者對沖擊閃絡進行研究[12～15]，張璐等人研究發現，對于SF6棒—板極不均勻電場間隙，存在正極性快速暫態過電壓(VFTO) 和雷電沖擊50 %放電電壓比負極性高的情況[16]。日本Shigemitsu Okabe等人實驗研究了其定義的數種非標準雷電沖擊電壓下油紙絕緣的擊穿特性，但其中單脈沖波形波前時間范圍較小，波形持續時間短，波形振蕩頻率范圍為400 kHz～1 MHz[17～19]。

本文利用了陡前沿沖擊試驗裝置產生標準雷電沖擊，并對不同粗糙度的絕緣子施加正負標準雷電波，觀察了在不同極性的標準雷電波的作用下，絕緣子沿面閃絡電壓和表面粗糙度的關系，并由實驗得出各個粗糙度下的絕緣子的閃絡電壓與未打磨的絕緣子的閃絡電壓的比值在半對數坐標系下與粗糙度的關系呈線性關系。

1 實驗原理與方法

氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)設備在氣體絕緣與固體絕緣配合設計時，應以固體絕緣設計為主，這是因為氣體絕緣可通過更新恢復其絕緣與滅弧能力。與敞開式斷路器相比，主絕緣度要縮小4～6倍，那么固體絕緣中的任何缺陷就更容易暴露并擴大成事故，絕緣子表面粗糙度產生尤為重要的影響。

本文搭建了一種全封閉小型化沖擊電壓發生裝置，其結構如圖1所示。其中，Marx發生器、GIS短母線兩者同軸連接起來，用有機玻璃做成的油氣隔離絕緣子隔開。另外，最終輸出波形的測量采用錐形電壓傳感器，安裝在試驗腔體內。裝置通過沖擊電壓發生器(由充電觸發裝置和Marx組成)提供沖擊電壓波形，然后通過自擊穿陡化間隙來進行陡化和實現電壓控制，陡化得到的波形在回路電感電容的振蕩及短母線的折反射作用下形成疊加在陡波上的高頻振蕩。基于上述原理，最終在試驗腔體內形成符合要求的VFTO波形。若將陡化間隙短接，則通過前端的沖壓裝置來實現標準雷電波的輸出。裝置具有緊湊，小型化、小電感及接線符合實際的特點。同時，既能產生陡波頭VFTO波形，也能產生標準雷電波。

圖1 快前沿沖擊發生器

實驗過程中，沖擊電壓發生器應調整使之產生所需要的波形。然后選取接近于50 %擊穿電壓水平的一個電壓Uk作為起始點，再選取一個約為Uk的3 %電壓間距ΔU。在Uk水平上施加一次電壓，如果不發生擊穿，則下次施加Uk+ΔU的電壓；如果在Uk水平上發生擊穿，則下次施加Uk-ΔU的電壓。該程序重復約40次。每次沖擊水平由前次沖擊結果來確定，記錄在每個Uk電壓下施加沖擊的次數Nv。確定第一個有用的起始電壓值，應是在隨后的試驗過程中出現過2次或更多次數沖擊的那個電壓值，以避免由于Uk取得太高或太低而引起的誤差。50 %擊穿電壓由式(1)確定

U50 %=∑NvUv/∑Nv

(1)

實驗間隙可能在VFTO波頭或波尾處擊穿。圖2為對應的沖擊電壓發生器輸出雷電波形圖。

圖2 沖擊電壓發生器輸出波形

2 表面粗糙度對絕緣子沖擊閃絡特性的影響

利用不同目數的砂紙對72.5 kV支撐絕緣子進行打磨，打磨后將絕緣子用無水酒精擦拭干凈防止臟污影響表面粗糙度的觀察和測量，再使用激光共聚焦顯微鏡對打磨過的絕緣子進行觀察并計算了絕緣子表面的平均粗糙度。經激光共聚焦顯微鏡測量可知：未經打磨的絕緣子的表面最光滑，其平均粗糙度也最小；使用80#砂紙打磨過的絕緣子，表面最粗糙，其平均表面粗糙度也最大。絕緣子表面粗糙度與砂紙目數的關系如表1所示。

表1 絕緣子表面粗糙度與砂紙目數關系

由于沖擊電壓具有分散性，在研究中通常以50 %放電電壓，即在多次施加電壓時，半數導致放電的電壓作為在設計與運行工作中的參考。尤其是在非均勻電場中，50 %沖擊放電電壓與靜態放電電壓的相差較大，更有必要進行此項研究。用升降法在正負標準雷電波作用下不同粗糙度絕緣子的平均50 %閃絡電壓值如圖3、圖4所示。

圖3 正雷電波作用下不同粗糙度絕緣子平均50 %閃絡電壓

由圖3可知，在正極性的標準雷電波新絕緣子即未經過砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，為424.9 kV；經過1 500# 砂紙打磨過后，絕緣子的平均50 %閃絡電壓為423.5 kV；150# 砂紙打磨過的絕緣子的閃絡電壓的平均50 %擊穿電壓為419.6 kV；經過80#砂紙打磨過絕緣子的平均50 %擊穿電壓變為了417.3 kV，即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子平均50 %擊穿電壓逐漸降低。

圖4 負雷電波作用下不同粗糙度絕緣子平均50 %閃絡電壓

由圖4可知，在負極性的標準雷電波的作用下新絕緣子即未經過砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，為429.1 kV；經過1 500#砂紙打磨過后，絕緣子的平均50 %閃絡電壓為414.8 kV；150#砂紙打磨過的絕緣子的閃絡電壓的平均50 %擊穿電壓為411.8 kV；經過80#砂紙打磨過的絕緣子的平均50 %擊穿電壓變為了403.7 kV。即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子平均50 %擊穿電壓逐漸降低。

3 不同粗糙度對絕緣子沖擊閃絡的影響分析

由表2分析可知，不論是在正標準雷電波還是負標準雷電波的作用下，絕緣子的閃絡電壓均隨著絕緣子表面粗糙度的增大而降低。將表面粗糙度進行量化處理可以得到絕緣子閃絡電壓與平均表面粗糙度的關系，如圖5所示。

表2 絕緣子閃絡電壓與表面粗糙度關系

圖5 絕緣子閃絡電壓與表面粗糙度的關系

從圖6絕緣子平均50 %閃絡電壓與平均表面粗糙度的關系可以看出，絕緣子的閃絡電壓隨著粗糙度的增大而降低，該結果與國內外已有的相關研究結果基本吻合，即不論是在正雷電波還是負雷電波作用下，表面粗糙度增大會使GIS支撐絕緣子的沖擊閃絡電壓降低。

圖6 絕緣子平均50 %閃絡電壓與平均表面粗糙度關系

將沒有經過砂紙打磨的絕緣子即新絕緣子的沖擊閃絡電壓作為基準值，將用砂紙打磨過的絕緣子的沿面閃絡電壓與基準值相比，在半對數坐標下該比值與粗糙度的關系如圖7所示。

圖7 絕緣子閃絡電壓和基準值比值與表面粗糙度關系

圖7中縱坐標是不同砂紙打磨絕緣子后絕緣子閃絡電壓值與未經砂紙打磨過的絕緣子的閃絡電壓值的值，橫坐標為在半對數坐標系下的表面粗糙度。從圖7可以看出，不論是在正極性還是在負極性雷電波下，絕緣子表面的平均粗糙度增大時絕緣子的閃絡電壓會降低，即將絕緣子打磨后絕緣子的閃絡電壓會降低，并且降低基本呈線性關系，圖中的兩條直線就是基于這兩者關系的線性擬合直線。

4 結 論

1)對不同粗糙度的絕緣子施加正負標準雷電波，觀察了在不同極性的標準雷電波的作用下絕緣子沿面閃絡電壓與表面粗糙度的關系，即隨著絕緣子表面粗糙度的增大絕緣子50 %閃絡電壓逐漸降低。

2)在正、負極性的標準雷電波新絕緣子即未經過砂紙打磨的絕緣子的平均50 %擊穿電壓最高，分別為424.9，429.1 kV。

3)各個粗糙度下的絕緣子的閃絡電壓與未打磨的絕緣子的閃絡電壓的比值在半對數坐標系下與粗糙度的關系基本呈線性關系。

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Influence of surface roughness on impulse flashover characteristics of substation insulator*

YAO Xin1, ZHANG Chang-sheng1, TAN Xiang-yu2, MA Yi2, WANG Ke2, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd，Kunming 650217,China)

In order to study the effect of surface roughness on the insulator flashover characteristic, using different mesh uniform sand paper on the insulator surface with grinding and using laser confocal microscopy to quantify the insulator surface roughness.Using the steep front impulse test device to produce standard lightning shock, and the different roughness of insulator on the positive and negative standard thunder electric wave,observed in the standard of different polarity thunder electric wave along the surface under the action of insulator flashover voltage and the relationship between the surface roughness,and from the experiment with the increase of insulator surface roughness insulator flashover voltage decreases 50 %,the positive and negative polarity standard ray waves new insulator without sanding the highest average 50 % breakdown voltage of the insulator,424.9 kV,429.1 kV,the roughness of insulator flashover voltage and has not polishing the insulator flashover voltage ratio under semilog coordinate system of the relationship with the roughness of a linear relationship.

surface roughness; insulator; flashover;standard lightning impulse; steep impact test

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0080—03

2016—05—13

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

TM 853

A

1000—9787(2017)05—0080—03

姚 鑫(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為光纖光柵傳感技術及應用等。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導師，主要從事光纖傳感器技術與應用方面的研究工作，E—mail:boatriver@eyou,com。