鹽霧條件下染污絕緣子交流污閃特性

郭裕鈞 蔣興良 孟志高 李源軍 高 標

（1. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400030 2. 國網杭州供電公司 杭州 310002）

鹽霧條件下染污絕緣子交流污閃特性

郭裕鈞1蔣興良1孟志高1李源軍2高 標2

（1. 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400030 2. 國網杭州供電公司 杭州 310002）

染污絕緣子表面污穢在鹽霧中吸濕受潮，霧中的鹽分沉積在絕緣子表面增大了其表面電導率，使得絕緣子閃絡特性降低，絕緣子可能在較低電壓甚至工作電壓下發生閃絡，威脅電網的安全穩定運行。本文對瓷、玻璃、復合三種典型絕緣子在不同鹽密（SDD）和霧水電導率（γ20）下的交流閃絡特性進行試驗研究，提出附加鹽密（ASDD）的概念，分析了附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導率的關系及其對交流閃絡特性的影響。結果表明：隨著鹽密和霧水電導率的增大絕緣子交流霧閃電壓均降低，且與鹽密呈負冪指數關系，與霧水電導率呈線性關系。可以用附加鹽密表征霧水電導率和鹽密對絕緣子霧閃電壓的綜合影響，即附加鹽密與霧水電導率和絕緣子鹽密之積成正比。同時絕緣子閃絡電壓與絕緣子表面鹽密和附加鹽密之和呈負冪指數關系，絕緣子霧閃的本質是一種特殊的污穢閃絡。

霧水電導率 附加鹽密 污染 交流閃絡特性 鹽霧

Keywords：Fog water conductivity, additional salt deposit density, pollution, AC flashover characteristics, salt fog

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，電力需求日益增大，電力系統輸電線路的電壓等級不斷提高，這對輸電線路外絕緣提出了更高的要求[1,2]。沿海地區由于海水激烈擾動、漲落潮時海水相互間的沖擊以及海浪拍岸，致使海浪水滴及泡沫進入空氣中，水分蒸發后鹽粒在空氣中擴散開來形成鹽霧。同時，城市現代化和工業發展所導致的環境問題日益嚴重，大范圍霧霾天氣頻發，霧水電導率和絕緣子污穢程度增大，絕緣子串的電氣強度下降，因絕緣子串閃絡導致電網大范圍、長時間的停電事故時有發生，威脅電網的安全運行[3-6]。

絕緣子霧閃是一個復雜的過程。在鹽霧環境中，絕緣子表面污穢吸濕受潮，導電物質溶解。與此同時，霧中的鹽分在絕緣子表面吸潮濕潤過程中會沉積在絕緣子表面，使得絕緣子表面的導電離子增多。絕緣子可能在較低電壓甚至工作電壓下發生閃絡[7,8]。然而目前對于絕緣子霧閃特性的研究將霧水電導率和絕緣子表面鹽密分別進行分析，認為絕緣子霧閃電壓隨著污穢程度和霧水電導率的增大而下降，卻忽視了其對于絕緣子閃絡的綜合影響，沒有揭示絕緣子霧閃的本質[9-12]。

絕緣子人工霧閃試驗常用方法主要是冷霧法、蒸汽霧法和混合霧法[13-15]。IEC[16]推薦蒸汽霧的試驗方法，但由于蒸汽霧溫度較高，會導致絕緣子閃絡電壓降低，且蒸汽霧的霧水電導率難以進行調節，不能有效模擬鹽霧條件下絕緣子的實際運行情況，所得試驗結果存在較大偏差[15]。本文采用冷霧法對瓷、玻璃、復合三種典型絕緣子進行試驗研究，提出了附加鹽密（Additional Salt Deposit Density，ASDD）的概念，分析了附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導率的關系及其對交流閃絡特性的綜合影響。絕緣子霧閃這一復雜過程可簡化為一種特殊的污穢閃絡，可以幫助更好地理解絕緣子霧閃的機理，為鹽霧和霧霾高發地區超特高壓輸電線路絕緣子的選擇和設計提供技術參考。

1 現場試驗裝置、試品與試驗方法

1.1 試驗裝置和試品

試驗在長4.0m、寬3.7m、高4.0m的人工霧室內進行，試品交流試驗接線如圖1所示。試驗電源由TDJY-1000/10移圈式調壓器（T1）和YDJ-900/ 150試驗變壓器（T2）組成。試驗變壓器輸出電壓在0～150kV之間可調，額定電流為6A，最大短路電流30A，滿足IEC 60507[16]和GB/T 4584—2004[17]交流污穢試驗電源的要求。試驗電壓經過保護電阻（R0），通過穿墻套管（H）接入人工霧室（K）。S為絕緣子試品。D為SGB-200A電容式分壓器，分壓比為1∶10 000。F為YC-G030T型超聲波水霧發生器。

圖1 交流試驗接線Fig.1 AC test circuit

本文試品為FZBW4-35/70復合絕緣子、5片XP-160瓷絕緣子串和5片LXY4-160玻璃絕緣子串。其結構示意圖及基本技術參數如圖2和表1所示，其中，H、D、d、L、A分別為試品結構高度、絕緣子盤徑或大傘直徑、小傘直徑、爬電距離和表面積。

圖2 試品絕緣子結構Fig.2 Configuration of test insulators

1.2 霧水電導率參數

本試驗采用在純凈水（20℃下霧水電導率γ20約為0.01mS/cm）中添加一定量氯化鈉的方式，利用超聲波水霧發生器產生人工鹽霧，其工作原理是利用帶有高頻振蕩電路的陶瓷霧化片高頻諧振將液態水打碎而產生水霧。不同地區自然霧霧水電導率的差異較大，表2為近年我國部分地區的最大霧水電導率[18,19]。因此，綜合考慮輕度鹽霧到重度鹽霧的變化范圍，與我國自然霧霧水電導率情況相吻合，本文試驗采用的霧水電導率分別為0.01mS/cm、0.50mS/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm。

表1 試品絕緣子參數Tab.1 Parameters of test insulator

表2 我國部分地區自然霧最大霧水電導率Tab.2 The maximum natural fog water conductivity in some regions of China

1.3 絕緣子霧閃試驗程序

（1）試品預處理。每次試驗前用清潔劑及蒸餾水清除絕緣子表面的油跡和污穢，然后將清潔后的絕緣子懸掛在絕緣子架上自然陰干，待試品干燥后方可進行染污。復合絕緣子需要在表面均勻涂敷一層很薄的干燥硅藻土，去掉其憎水性。

（2）試品染污。本文試驗采用固體涂層法預染污，模擬絕緣子在霧濕潤前已染污的情況，即試驗前先采用定量涂刷方式對絕緣子分別涂以0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2、0.30mg/cm2的鹽密，試驗中污穢的鹽密和灰密之比為1∶6，分別采用氯化鈉和硅藻土進行模擬。

（3）污穢濕潤。將染污并自然陰干24h的試品絕緣子按照其布置方式放置在人工霧室，將四個超聲波霧發生器分別放置在人工霧室的四個角落，讓超聲波水霧能夠快速均勻地布滿整個人工霧室，使試驗在飽和受潮（相對濕度100%）的條件下進行。大約50min后絕緣子表面電導率達到最大值，用激光粒度儀測得該超聲波水霧發生器產生的霧的平均粒徑為1～10μm，與自然環境中實際霧水粒徑分布基本相同，滿足模擬自然霧的要求[18]。

（4）絕緣子霧閃試驗。本文采用IEC 60507[16]和GB/T 4585[17]推薦的“恒壓升降法”獲得絕緣子50%霧閃交流電壓U50%。具體試驗方法如下：絕緣子濕潤達到預期要求后，停止噴霧，對絕緣子施加預期閃絡電壓U的50%，此后每次施加電壓值由前一次試驗結果決定，若前一次閃絡，則下一次降低ΔU；若前一次未閃絡，則下一次升高ΔU，ΔU取預期電壓的5%。每只試品只能加壓一次，并且如果沒有發生閃絡則耐受時間至少為30min。每種條件下共進行不少于10次有效試驗，所謂的有效試驗，是從與前一次試驗結果不同的那一次開始計算。

根據試驗結果，絕緣子的U50%及標準偏差σ 為

式中，Ui為某一次試驗施加電壓（kV）；N為總有效試驗次數。

2 試驗分析

2.1 試驗結果

試驗研究絕緣子表面鹽密和霧水電導率對絕緣子交流霧閃電壓U50%的影響，鹽密分別為0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2和0.30mg/cm2，霧水電導率分別在0.01mS/cm、0.50S/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm條件下變化。三種試品的試驗結果見表3，試驗結果標準偏差σ 均小于6%。分析表3可知：

（1）對于三種試品，隨著鹽密的增加絕緣子50%交流霧閃電壓均下降。相同霧水電導率下鹽密從0.05mg/cm2增加至0.30mg/cm2，A、B、C三種試品的50%交流霧閃電壓分別下降了35.9%～37.8%、49.3%～50.4%和48.3%～49.0%。

（2）對于三種試品，隨著霧水電導率γ20的增加，絕緣子50%交流霧閃電壓均下降。相同鹽密下，霧水電導率從0.01mS/cm增加至3.00mS/cm，A、B、C三種試品的50%交流霧閃電壓分別下降了11.5%～14.1%、15.4%～17.8%和14.6%～16.6%。

表3 試品試驗結果Tab.3 Test results of specimens

2.2 不同霧水電導率下鹽密對霧閃電壓的影響

大量研究結果表明，隨著鹽密的增大，污穢絕緣子閃絡電壓U50%降低。絕緣子污穢閃絡電壓與鹽密的關系可表示為[20-24]

式中，A為與絕緣子結構、材料等相關的系數；SDD為絕緣子鹽密（mg/cm2）；a為絕緣子鹽密影響U50%的特征指數。

在鹽霧條件下，利用式（2）對表3的試驗數據進行擬合，擬合結果見表4，擬合方差的二次方R2均大于0.99。

分析擬合結果可得：

（1）在不同霧水電導率下，隨著鹽密的增加，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。并且三種不同絕緣子霧閃電壓的變化趨勢相同，50%霧閃電壓與鹽密呈負冪指數關系。

表4 試驗數據A和a的擬合Tab.4 Test data fitting of A and a

（2）對于A、B、C三種絕緣子，不同霧水電導率下的平均特征指數aave分別為0.256、0.389和0.372。B、C兩種絕緣子的特征指數較為接近，均明顯大于A型絕緣子，說明鹽密對瓷和玻璃絕緣子的影響大于對復合絕緣子的影響，復合絕緣子在鹽霧條件下仍具有較好的耐污特性。

（3）對于A、B、C三種絕緣子，不同霧水電導率下特征指數a與平均特征指數aave間的最大絕對偏差分別為2.73%、2.31%和1.34%，霧水電導率對a的影響很小，閃絡電壓降低是由于污穢絕緣子在鹽霧中濕潤后，絕緣子表面的導電離子增多。

2.3 不同鹽密下霧水電導率對霧閃電壓的影響

污穢絕緣子表面在鹽霧中濕潤后，由于導電離子增多，表面電導率增大；隨著霧水電導率的增大，絕緣子50%交流污閃電壓U50%降低。在不同鹽密下，絕緣子閃絡電壓與霧水電導率的關系可表示為

式中，B為與絕緣子結構、材料等相關的系數；U0為絕緣子不同鹽密下潔凈霧（γ20近似為0）中的閃絡電壓（kV）。

根據式（3）對表3中的試驗數據進行擬合，擬合結果見表5，擬合方差的二次方R2均大于0.97。

表5 試驗數據B和U0的擬合Tab.5 Test data fitting of B and U0

分析擬合結果可知：

（1）在不同的鹽密下，隨著霧水電導率的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與霧水電導率呈線性關系。

（2）對于三種試品絕緣子，隨著鹽密的增大，霧水電導率影響系數B逐漸減小，說明鹽密較小時霧水電導率對絕緣子50%霧閃電壓的影響更顯著。U0同樣隨著鹽密的增大而逐漸減小。

2.4 鹽霧條件下附加鹽密模型的驗證及分析

由2.3節分析可以看出，隨著絕緣子鹽密和霧水電導率的增大，絕緣子閃絡電壓均降低。染污絕緣子在鹽霧中吸濕受潮過程中，霧中的鹽分會沉積在絕緣子表面，使得絕緣子表面電解質溶液的電導率增大，即增大絕緣子表面污穢的鹽密。為了表征濕潤過程中由于鹽霧中鹽分沉積絕緣子表面增大的這部分鹽密，本文提出了附加鹽密的概念，定義為吸濕受潮后絕緣子表面每平方厘米面積上所附加導電物質的含量所相當的氯化鈉的量（mg/cm2），即吸濕受潮前后絕緣子表面鹽密間的差值。

附加鹽密與絕緣子表面鹽密/灰密（試驗中鹽密與灰密之比為1∶6）和霧水電導率均相關。絕緣子表面鹽密/灰密越大，即表面污穢物質越多，其吸潮能力越好，即吸收的霧水越多，使其附加鹽密越大；霧水電導率越高，霧水中所含的導電物質越多，從而使沉降在絕緣子表面的導電物質越多，同樣使絕緣子附加鹽密增大。附加鹽密與鹽密和霧水電導率的關系可以表示為

式中，k為鹽密和霧水電導率對絕緣子附加鹽密的影響系數，k值與絕緣子材料、結構相關。則

式中，A為清潔霧（γ20近似為0）中絕緣子的交流污穢閃絡系數，可近似取為表3中霧水電導率為0.01mS/cm的對應值。

三種絕緣子試品的50%交流霧閃電壓可表示為

為了對鹽霧條件下的附加鹽密模型進行驗證，利用式（5）對表3的試驗數據進行擬合，三種試品的附加鹽密影響系數k和擬合方差的二次方R2見表6。擬合結果如圖3所示。

表6 試驗數據k和R2的擬合Tab.6 Test data fitting of k and R2

圖3 不同霧水電導率下50%霧閃電壓和鹽密的關系Fig.3 U50%vs. SDD at various salt fog conductivities

附加鹽密與絕緣子表面鹽密和霧水電導率之積成正比。為了研究附加鹽密與霧水電導率的關系，將三種絕緣子試品根據式（4）的附加鹽密計算值與試驗結果（表3）按式（5）反推得到的附加鹽密試驗值進行對比，結果如圖4所示。

圖4 不同鹽密下50%霧閃電壓和霧水電導率的關系Fig.4 U50%vs. γ20at various equivalent salt deposit densities

通過分析表6、圖3和圖4，可知：

（1）鹽霧條件下，FZBW4-35/70復合絕緣子、5片XP-160瓷絕緣子串和5片LXY4-160玻璃絕緣子串的50%霧閃電壓均滿足式（6）所示關系（擬合方差的二次方R2＞0.99），絕緣子霧中閃絡的本質是一種特殊的污穢閃絡。

（2）絕緣子附加鹽密與鹽密和霧水電導率之積成正比。其原因是鹽密越大，即表面污穢物質越多，其吸潮能力越好，即吸收的霧水越多，導致其附加鹽密越大；霧水電導率越高，霧水中所含的導電物質越多，從而濕沉降在絕緣子表面的導電物質越多，同樣使得附加鹽密增大。

（3）FZBW4-35/70復合絕緣子、XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子的附加鹽密影響系數分別為0.232、0.180和0.190。附加鹽密影響系數與絕緣子材料、形狀和結構相關。XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子材料特性和形狀結構相近，附加鹽密影響系數接近，低于FZBW4-35/70復合絕緣子。

3 結論

1）在不同霧水電導率下，隨著鹽密的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與鹽密呈負冪指數關系，瓷、玻璃絕緣子的鹽密影響特征指數接近，均明顯大于復合絕緣子，并且霧水電導率對a的影響很小。

2）在不同的鹽密下，隨著霧水電導率的增大，絕緣子50%交流霧閃電壓降低。霧閃電壓與霧水電導率呈線性關系，鹽密較小時霧水電導率對絕緣子霧閃電壓的影響更顯著。

3）鹽霧中絕緣子霧閃電壓可以表示為U50%= A(SDD+ASDD)-a，與絕緣子表面鹽密和附加鹽密之和呈負冪指數關系，絕緣子霧閃的本質是一種特殊的污閃。

4）絕緣子附加鹽密與鹽密和霧水電導率之積成正比，附加鹽密影響系數與絕緣子材料、形狀和結構相關。FZBW4-35/70復合絕緣子、XP-160瓷絕緣子和LXY4-160玻璃絕緣子的附加鹽密影響系數分別為0.232、0.180和0.190。

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（編輯 張洪霞）

AC Pollution Flashover Characteristics of Polluted Insulators under Salt Fog Conditions

Guo Yujun1Jiang Xingliang1Meng Zhigao1Li Yuanjun2Gao Biao2
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. State Grid Hangzhou Power Supply Company Hangzhou 310002 China）

The surface pollution of polluted insulators absorbs fog water and damps in the salt fog. Meanwhile, the salt in the salt fog deposits on insulators surface, which increases the surface conductivity and degrades the flashover performance of insulators. Insulators may flashover under lower voltage level even under operating voltage. This will threaten the safe and stable operation of the power grid. In this paper, experiments on three typical insulators, i.e. porcelain, glass and composite insulators, were conducted in different salt deposit densities (SDD) and fog water conductivities (γ20). The concept of additional salt deposit density (ASDD) was proposed to analyze the relationship among ASDD, SDD and fog water conductivity. The test results show that the ac flashover voltage decreases with the increases of both SDD and fog water conductivity, which has a negative exponential relationship with SDD while a linear relationship with fog water conductivity. The ASDD can be applied to analyze the combined effects of SDD and fog water conductivity. The relation between the fog flashover voltage and SDD and ASDD is a negative power exponent. The fog flashover can be treated as a special kind of pollution flashover.

TM852

郭裕鈞 男，1989年生，博士研究生，研究方向為復雜大氣環境中輸電線路外絕緣、輸電線路覆冰及防護。

E-mail： gyjcqu@126.com（通信作者）

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為復雜大氣環境中輸電線路外絕緣、輸電線路覆冰及防護。

E-mail： xljiang@cqu.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151720

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2014CB260401），輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室自主重點項目（2007DA10512714101）和國家創新研究群體基金（51021005）資助。

2015-10-20 改稿日期 2016-01-29