溫度、溫差對絕緣子運行狀態的影響研究綜述

張永濤

（國網河南省電力公司周口供電公司，河南 周口 466000）

0 引言

國內電網互聯使得輸電線路分布十分廣泛，由于地理環境存在差異，絕緣子運行狀況也各不相同，且不可避免地經過河流、池塘、農田、山區低洼處以及重工業污染地區，極端天氣下經常會發生一些污穢閃絡事故，影響電網的安全穩定運行［1］。

污閃可以分為絕緣子表面積污、污穢受潮濕潤、干帶形成及局部放電、電弧發展直至閃絡4 個階段［2］，其中，絕緣子表面污層受潮是污閃發生的重要因素。污閃事故的發生經常伴隨著惡劣天氣狀況［3-4］，有關學者將研究重點轉向污閃發生前后環境溫度變化對絕緣子污層受潮的影響，并取得了一定的成果。

1 試驗平臺與試驗方法

目前，相關研究試驗環境的選擇主要分為兩類，一是在戶外自然環境下開展［5-7］，主要用來分析環境溫度與絕緣子運行狀態的關系，試驗數據說服力強，但試驗周期較長、變量參數不可控；二是采用恒溫恒濕箱、溫濕度可控試驗平臺［8-12］，以滿足試驗的需要。該方案可以進行溫度、溫差對絕緣子運行狀態的影響研究，可自主設計試驗，對相關變量參數進行設置，試驗結果可重復，但試驗過程容易受到設備帶來的干擾。

溫濕度可控試驗平臺通常采用風循環方式控制溫度［8-9］，內置風機和加濕管道，如圖1 所示。使用該試驗平臺首先要解決兩個問題：1）如何建立無風或者低風環境。試驗過程中要維持恒溫恒濕的狀態，風的存在會影響絕緣子的受潮過程，風速過大甚至會吹干絕緣子污穢；2） 如何使試驗平臺內溫度保持均勻、穩定。相關文獻中試驗裝置體積較大，很難保證內部溫度分布均勻，且周圍環境溫度對裝置內溫度的維持有一定影響。設置多個制冷源或者加熱源可以一定程度上解決上述問題，相關文獻還未見報道。

圖1 溫濕度可控實驗裝置

此外，研究溫差對絕緣子運行狀態的影響時，采用的方法通常有兩種，一是將絕緣子放置于恒溫恒濕試驗裝置中，在低溫低濕環境下放置一段時間，然后提高裝置溫度、濕度至設定值，以模擬絕緣子表面凝露的產生條件［11-12］；二是配備恒溫恒濕箱和較大尺寸且溫濕度可控的霧室，將絕緣子放置于低溫低濕試驗箱中，一段時間后快速轉移到高溫高濕的霧室內，用來研究溫差對絕緣子運行狀態的影響［9-10］。將絕緣子從試驗箱往霧室轉移的過程中，絕緣子表面濕潤狀態可能會發生變化，造成試驗結果不夠準確，可采用在霧室內放置恒溫恒濕箱的方法解決。

2 溫度對絕緣子運行狀態的影響

2.1 絕緣子泄漏電流與環境溫度的相關性分析

有學者在自然環境下搭建試驗平臺，分析環境溫度與絕緣子泄漏電流之間的關系。文獻［5］以XP-160 瓷絕緣子串為研究對象，采集環境溫度、濕度、雨量和絕緣子泄漏電流數據，在無雨、無凝露的條件下，絕緣子串泄漏電流的變化與溫度呈現負相關性。

文獻［6］利用灰關聯算法計算葉面濕度、環境濕度、溫度、溫度變化率與直流絕緣子串（瓷、玻璃、復合材料） 泄漏電流的關聯度，葉面濕度的關聯度最大，其次為環境相對濕度和溫度變化率，溫度的關聯度最小。

利用非線性回歸法，文獻［7］對單片XP-70 型絕緣子的溫度、鹽密、灰密、相對濕度與泄漏電流進行擬合，其關系式為

式中：Im為泄漏電流；ρESDD為絕緣子上的鹽密；Rh為絕緣子所處環境的相對濕度；r 為絕緣子表面電阻；ρNSDD為絕緣子灰密；θ 為絕緣子表面溫度。

未考慮相對濕度的作用，單一的溫度變化對絕緣子泄漏電流的作用較小。溫度變化通過間接改變環境相對濕度和絕緣材料性能對污層受潮產生影響。

2.2 溫度對瓷絕緣子的影響

當相對濕度固定時，環境溫度越高，空氣中含水量越大，水分子運動加快，絕緣子表面污穢越容易受潮。相關學者研究了環境相對濕度固定為65%、75%、85%，溫度在20～55 ℃變化時，XP-70 絕緣子泄漏電流隨環境溫度的變化規律。當環境溫度介于20～40 ℃時，溫度變化對泄漏電流的影響不明顯；當溫度超過40 ℃后，泄漏電流隨溫度的升高而增大［13］。

方春華等人的研究表明，當環境溫度在20～35 ℃變化時，在相對濕度為65%、75%的情況下，絕緣子的泄漏電流基本相同；在相對濕度為85%的情況下，絕緣子的泄漏電流有一定的差別；當環境溫度在35～50 ℃變化時，隨著溫度升高，絕緣子泄漏電流幅值明顯增加［7］。

絕緣子表面溫度梯度場的存在將影響絕緣子沿面絕緣強度。文獻［14］搭建的氣體絕緣系統可以在絕緣支柱上形成有效的溫度梯度場，隨著溫差的增大，絕緣支柱平均閃絡電壓有下降的趨勢。仿真結果表明絕緣支柱表面溫度高的區域氣體密度小，而閃絡電壓與氣體密度呈線性正相關關系。

2.3 溫度對復合絕緣子的影響

復合絕緣子硅橡膠材料具有良好的憎水性以及憎水遷移性，有優良的耐污閃能力。復合絕緣子運行溫度較低時，憎水性下降，表面易發生閃絡；當溫度回升時，硅橡膠的憎水性恢復，閃絡現象逐漸消失。文獻［10］研究了硅橡膠試片污層表面水珠浸潤區域平均直徑與溫度的關系：隨著溫度的升高，污層表面憎水性逐漸加強，水珠浸潤區域逐漸減小，浸潤區域平均直徑與溫度近似呈線性關系。文獻［15］利用半導體制冷方式調節復合絕緣子試驗樣品溫度為常溫（25 ℃）和低溫（1 ℃），溫度降低時，水珠與復合絕緣子表面的液固相界面張力減小，前進接觸角和后退接觸角減小，復合絕緣子表面憎水性下降，1 ℃下復合絕緣子憎水性等級均比25 ℃下復合絕緣子憎水性等級低。

溫度對復合絕緣子憎水性遷移的影響顯著大于濕度的作用。溫度越高，憎水性遷移速度越快，靜態接觸角趨于穩定的時間也越短。由于溫度的變化未改變污層吸附小分子聚合物的數量，穩態接觸角基本不變［16］。

3 溫差對絕緣子運行狀態的影響

3.1 正、負溫差的產生條件及影響

當絕緣子運行在環境濕度較大的農田、池塘及河流附近時，快速降溫氣象條件下，空氣相對濕度迅速增加，水分析出并積聚在污穢絕緣子表面，導致污層受潮，增加了絕緣子閃絡的風險，此時應加強對水源、田地、山區低洼處附近輸電線路的巡視。快速降溫氣象條件下，絕緣子與周邊環境之間出現正溫差，絕緣子所處環境可用恒體積變溫試驗箱來模擬。

由于絕緣子的比熱容比空氣大，在凌晨氣溫回升時，絕緣子表面溫度上升較慢，與環境溫度之間存在逆溫差，若此時周圍環境的濕度較大，絕緣子表面容易形成凝露從而導致污層均勻受潮，污閃電壓降低。

絕緣子表面凝露是否發生取決于環境溫度和相對濕度，露點溫度的計算公式為［9］

式中：θDP為露點溫度；Hr為相對濕度；θf為環境溫度。

不同濕度條件下露點差與環境溫度的關系如圖2 所示。

圖2 露點差隨環境溫度變化關系

從圖2 中可以看出，環境溫度不變時，相對濕度越大，露點溫度越接近環境溫度；相對濕度不變時，溫度越低，露點溫度與環境溫度之間的差值越小。在環境溫度較低、濕度較大的情況下，更容易發生凝露。

3.2 凝露對絕緣子運行狀態的影響

當絕緣子表面溫度低于環境露點溫度時，絕緣子表面形成凝露，污層加速受潮，受潮程度與溫差大小、空氣中水分含量、絕緣材料的比熱容及散熱面積有關。

宋思齊等［11］將涂污ZSW-126／6-3 型支柱絕緣子置于低溫、低濕氣候室內，通過提高室內溫度和濕度來模擬支柱絕緣子表面發生凝露的過程。在相同溫度差下，相對濕度越大，試品凝露時的閃絡電壓越低；在相同濕度條件下，溫度差越大，絕緣子閃絡電壓越低。

戴罕奇等［9］通過恒溫箱調節XP-70 型懸式電瓷絕緣子放入霧室時的初始溫度，研究表明：當絕緣子初始溫度低于霧室露點溫度時，絕緣子表面泄漏電流最大值隨著溫差的增大而升高，且出現顯著的飽和效應；從不同組的試驗結果來看，溫差相同的情況下，絕緣子初始溫度越高，泄漏電流越大。

霧室相對濕度未飽和時，溫差對污層受潮過程的影響大于相對濕度的作用。從玻璃片的涂污受潮試驗來看，溫差僅在污層受潮的初始階段起作用，其作用維持時間與試品的比熱容及散熱面積有關。比熱容越小、散熱面積越大，溫差發揮作用的時間越短。

王凱琳等［17］研究了不同環境濕度下試品（玻璃平板）表面電導率最大值隨溫差的變化規律，當環境濕度偏低時，溫差對試品受潮過程的影響較大；隨著環境濕度的增加，試品表面電導率最大值顯著增加，溫差對試品受潮的作用減小。該研究團隊認為，即使試品溫度高于環境露點溫度，只要存在溫差，就會對污層受潮過程產生影響。

復合絕緣子表面溫差對直流污閃電壓的影響大于憎水性遷移的作用，溫差越小，污層越不容易受潮，污閃電壓越高［10］。環境溫度與傘裙試樣初始溫度差越大，傘裙表面凝露質量越大；隨著溫差的增加，傘裙試樣表面凝露質量非線性上升、斜率增大；相同溫差條件下，初始溫度對凝露質量的作用不明顯［12］，該結果與上文戴罕奇等人的研究成果有較大差異。空氣中水分含量有限，傘裙試樣表面凝露質量不會無限制增加，樣本數量過少或未有效控制試驗變量會影響試驗結果。

4 結語

綜述近年來相關學者在溫度、溫差對絕緣子運行狀態影響方面的研究成果，由于試驗方法以及研究人員對相關變量的控制程度不同，研究結果存在一定的差異。參數精度高、方便實用的溫、濕度可控試驗平臺的研制、快速降溫氣象的模擬及其對絕緣子污層受潮過程的影響仍需進一步研究。