空氣動力學(xué)型絕緣子空氣中沖擊擊穿特性的研究

劉云蔚，劉于新，余龍龍，桑建平

（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安710077）

空氣動力學(xué)型絕緣子空氣中沖擊擊穿特性的研究

劉云蔚，劉于新，余龍龍，桑建平

（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安710077）

快波前沖擊過電壓對輸電線路用盤形懸式瓷絕緣子危害較大，依據(jù)標準GB/T 20642-2006《高壓線路絕緣子空氣中沖擊擊穿試驗》，對盤形懸式瓷絕緣子中的空氣動力學(xué)型瓷絕緣子進行了50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓和陡波試驗，并與鐘罩型瓷絕緣子進行了比對研究；研究了瓷絕緣子的形狀及大氣相對濕度對閃絡(luò)電壓的影響。試驗表明：空氣動力學(xué)型瓷絕緣子50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓較鐘罩型瓷絕緣子低；空氣動力學(xué)型瓷絕緣子在規(guī)定的試驗電壓下，波前 （放電）時間不能滿足標準要求；同時，當大氣相對濕度較大時，會對瓷絕緣子陡波試驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

快波前沖擊；50%雷電沖擊閃絡(luò)；陡波；空氣動力學(xué)型瓷絕緣子；波前 （放電）時間

0 前言

隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，輸電線路逐步擴展延伸，輸電電壓的等級不斷提高。作為輸電線路重要的絕緣部件——懸式瓷絕緣子，其耐雷電沖擊性能也越來越受到關(guān)注和重視。實際運行觀測表明：架空線路用盤形懸式瓷絕緣子，在遭受雷擊時，有一部分陡度陡的沖擊過電壓，有時會導(dǎo)致絕緣子內(nèi)部絕緣擊穿，甚至引起掉線事故。對于這種危害極大的沖擊過電壓，稱之為陡波沖擊電壓，簡稱陡波[1-3]。

一些重要電力用戶方已將160 kN及以上強度等級的絕緣子陡波試驗列為必試項目[4]。

筆者在依據(jù)GB/T 20642，對結(jié)構(gòu)較為特殊的懸式瓷絕緣子——空氣動力學(xué)型瓷絕緣子進行陡波試驗時發(fā)現(xiàn)：在標準規(guī)定的試驗電壓下，試品經(jīng)常提前發(fā)生閃絡(luò)，波前時間縮短前移，通常無法滿足標準對波前時間范圍的要求。

針對此現(xiàn)象，筆者對空氣動力學(xué)型瓷絕緣子的陡波試驗進行了深入研究，并選取鐘罩型瓷絕緣子進行了比對試驗。

1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備由CDY-1200/22.5的1 200 kV沖擊電壓發(fā)生器、陡化間隙及600 kV陡波分壓器組成。陡化球隙球體的直徑為215 mm。采用TDS520數(shù)字示波器進行波形采集。見圖1。

圖1 陡波試驗回路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of steep wave test

依據(jù)標準GB/T 20642：試驗中應(yīng)采用一個單調(diào)上升、并由試品閃絡(luò)截斷的沖擊電壓，對波前的線性度不做要求。其波前時間一般在100 ns～200 ns之間。試驗電壓以標幺值（p.u.）來表示，即試驗電壓與單只絕緣子U50的比值。對于盤形懸式瓷絕緣子，其試驗電壓應(yīng)不小于2.8 p.u.，并允許有+10%的幅值偏差[5-7]。

標幺值p.u.是由負極性下絕緣子串的雷電閃絡(luò)電壓-U50除以總片數(shù)得到的。

2 空氣動力學(xué)型絕緣子沖擊擊穿特性研究

2.1 絕緣子雷電閃絡(luò)電壓研究

本研究選用鐘罩型和空氣動力學(xué)型絕緣子，如圖2所示。

不同型式的絕緣子形狀存在一定差異，本研究選取空氣動力學(xué)型和鐘罩型絕緣子各三種規(guī)格，進行了50%雷電沖擊負極性5片串（-U50）電壓試驗，同時測定了絕緣子單片負極性50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓（-U單）[8]。

試驗數(shù)據(jù)見表1，圖3。

表1 絕緣子-U50電壓值與-U單關(guān)系表Table 1 Relationship of-U50voltage and-U單

由上可知：

圖2 試品結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of samples

空氣動力學(xué)型：

鐘罩型：

標準規(guī)定的試驗電壓為2.8 p.u.，由式（1）和式（2）可得出：

空氣動力學(xué)型：2.8 p.u.≈2.8（-U單）

鐘罩型：2.8 p.u.≈1.95（-U單）

可以看出：空氣動力學(xué)型絕緣子在進行陡波試驗時，其承受電壓約為單片閃絡(luò)電壓的2.8倍，即其陡波倍數(shù)為2.8倍。而鐘罩型絕緣子僅為1.95倍。對于單片閃絡(luò)電壓U單，空氣動力學(xué)型絕緣子實際承受的電壓倍數(shù)較高，即陡度較大，更容易發(fā)生閃絡(luò)。

2.2 絕緣子陡波試驗研究

在相同試驗條件下，分別對以上兩種絕緣子進行陡波試驗。

兩種型式絕緣子陡波典型示波圖見圖4。

試驗數(shù)據(jù)繪表見表2。

其中，實際p.u.倍數(shù)M=Up/U單。

取實際p.u.倍數(shù)M和波前時間t1，繪制趨勢圖如下：

由圖5可以看出，空氣動力學(xué)型和鐘罩型絕緣子波前時間t1與實際p.u.倍數(shù)M曲線呈負冪函數(shù)關(guān)系，可表達為

圖3 空氣動力學(xué)型和鐘罩型絕緣子單片、5片串-U50典型示波圖Fig.3 U50Typical oscillogram of single and 5 pieces of aerodynamic and bell-jar insulators strings

表2 施加電壓和波前時間t1關(guān)系表Table 2 Relationship of voltage and wave front time t1

其中A、B、C為系數(shù)，各種型式下取值不一樣。鐘罩型絕緣子的波前時間t1大多集中在冪函數(shù)的左半段。在進行陡波電壓時，實際p.u.倍數(shù)M為1.95。波前時間t1在100 ns～200 ns之間，滿足試驗要求。而空氣動力學(xué)型波前時間t1大多集中在冪函數(shù)的右半段，在實際p.u.倍數(shù)M為2.8時，其波前時間t1低于100 ns，未達到標準規(guī)定。適當降低陡度，即p.u.倍數(shù)M，能保證試品在標準規(guī)定的波前時間內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)。

圖4 兩種型式絕緣子陡波典型示波圖Fig.4 The steep wave typical oscillograms of two types insulators

圖5 波前時間t1和實際p.u.倍數(shù)M關(guān)系圖Fig.5 Relationship of wave front time t1and actual p.u.multiple M

同時，在實際p.u.倍數(shù)M相同的情況下，空氣動力學(xué)型絕緣子波前時間t1明顯低于鐘罩型絕緣子，說明了空氣動力學(xué)型絕緣子實際承受的電壓倍數(shù)較高，其波前時間t1較鐘罩型絕緣子短。

2.3 相對濕度對閃絡(luò)電壓的影響

選取一只120 kN空氣動力學(xué)型絕緣子，在不同環(huán)境下對其施加1.6 p.u.的陡波試驗電壓，每種環(huán)境下正、負極性各進行10次，試驗數(shù)據(jù)如下。

表3 不同試驗環(huán)境下空氣動力學(xué)型絕緣子波前時間t1變化Table 3 The change of the time t1of the aerodynamic insulator under different test conditions

其中，T：試驗室環(huán)境干球溫度；P：大氣壓；RH：相對濕度。

相對濕度60%時典型示波圖見圖6：

表3中環(huán)境干溫為14.3℃～14.6℃、大氣壓為97.6 kPa～97.9 kPa，變化不大。取變化較大的相對濕度為橫坐標，波前時間t1為縱坐標，得出圖7。

上圖表明：在施加電壓大約為1.6 p.u.時，負極性陡波波前時間t1在相對濕度增加時基本保持不變，而正極性隨相對濕度的增加而減小。

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

通常情況下，絕緣子試品的實際閃絡(luò)電壓Uf可表達為：

其中，U0：閃絡(luò)起始電壓，經(jīng)驗公式為[9-10]

圖6 相對濕度60%空氣動力學(xué)型絕緣子陡波示波圖Fig.6 The steep wave oscillogram of Aerodynamic insulator under 60%relative humidity

圖7 相對濕度與波前時間t1關(guān)系圖Fig.7 Relationship of relative humidity and wave front time t1

s：電壓陡度；τ：閃絡(luò)的放電時延；C0：絕緣子單位面積的電容；k：常數(shù)。

研究表明：

電壓陡度s與設(shè)備輸出電壓有關(guān)，會隨著電壓的升高而增大。

放電時延τ隨著電壓的升高而減小，當電壓升高到一定程度時，τ將接近于一個穩(wěn)定的值[11]。

由式（4）和式（5）可以看出：絕緣子的實際閃絡(luò)電壓Uf會受絕緣子單位面積的電容C0的影響，而C0與絕緣子的形狀（即實際閃絡(luò)路徑）及大氣相對濕度等有關(guān)。

絕緣子串的實際閃絡(luò)路徑可分解成d1、d2、d3、d4四個部分，如圖8所示。

圖8 絕緣子串的實際閃絡(luò)電弧路徑Fig.8 Actual flashover arc path of insulator strings

其中d1為絕緣子瓷面閃絡(luò)路徑；d2為絕緣子側(cè)面閃絡(luò)路徑；d3為兩片絕緣子之間的閃絡(luò)路徑；d4為絕緣子底部閃絡(luò)路徑。根據(jù)圖示，絕緣子串-U50閃絡(luò)路徑D實際為：

2 片串時：D=d1+2d2+（2-1）d3+d4

3 片串時：D=d1+3d2+（3-1）d3+d4

4 片串時：D=d1+4d2+（4-1）d3+d4

可推導(dǎo)出：

由此得出，閃絡(luò)路徑與絕緣子串片數(shù)n呈線性關(guān)系。

但空氣動力學(xué)型絕緣子外形特殊，其閃絡(luò)路徑如圖9所示。

圖9 空氣動力學(xué)型絕緣子閃絡(luò)路徑Fig.9 Flashover path of aerodynamic insulators

可以看出，空氣動力學(xué)型絕緣子沒有側(cè)面放電路徑，即d2=0。

由式（6）可知，實際放電路徑D隨串片數(shù)增加線性增加。其中，空氣動力學(xué)型僅沿瓷面，而其它型式絕緣子是瓷面與空氣間隙的混合路徑。

因此，即使盤徑及結(jié)構(gòu)高度相同，由于空氣動力學(xué)型瓷絕緣子的放電路徑不存在空氣間隙，其沖擊電壓耐受能力較其它型式絕緣子弱，沖擊擊穿電壓較低。試驗表明：空氣動力學(xué)型瓷絕緣子的陡波沖擊電壓耐受能力與雷電沖擊電壓耐受能力較為接近。這是由于：絕緣子瓷件表面粗糙，使得表面電阻分布不均勻，容易引起電場畸變；同時，瓷件表面吸附空氣中的水分形成水膜，導(dǎo)電性能增加，絕緣特性降低。因此，空氣動力學(xué)型瓷絕緣子極易在標準規(guī)定的2.8倍p.u.陡波電壓下發(fā)生閃絡(luò)[12-14]。

大氣相對濕度對正、負極性下的絕緣子陡波放電時間的影響不同，是由于正、負極性下其法向電場的方向不同造成的。

在正極性下，空氣動力學(xué)型絕緣子表面隨濕度增大釋放電子，在法向電場作用下發(fā)展成為電子崩而匯入放電的主通道，增加了主通道的導(dǎo)電性，并使其通道壓降減小，更容易發(fā)生閃絡(luò)，致使波前時間t1縮短。

在負極性下，法向電場的方向與正極性正好相反，表面隨濕度增大不會釋放電子至主放電通道，閃絡(luò)電壓保持不變，所以波前時間t1基本沒有變化[15-16]。

由于相對濕度會對空氣動力學(xué)型絕緣子陡波試驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此當相對濕度較大時，不宜進行陡波試驗。

3 結(jié)論

針對空氣動力學(xué)型絕緣子進行了陡波試驗，研究了電壓峰值、波前時間、濕度等因素，并對試驗結(jié)果進行了理論分析，得出了以下結(jié)論。

1）空氣動力學(xué)型絕緣子實際能承受的沖擊電壓較低，使其在進行陡波試驗時，常在規(guī)定的試驗電壓下提前發(fā)生沿面閃絡(luò)，波前時間縮短前移，不能滿足標準對波前時間的要求。

研究表明：適當降低空氣動力學(xué)型絕緣子的陡波電壓，即p.u.倍數(shù)，即可保證試品在標準規(guī)定的波前時間內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)，滿足試驗要求。

2）由于正、負極性下法向電場方向的不同，正、負極性陡波沖擊對波前時間t1的影響不同。正極性陡波沖擊下，相對濕度的增加基本對波前時間無影響；負極性陡波沖擊下，波前時間隨相對濕度的增加而減小。

空氣動力學(xué)型絕緣子陡波試驗結(jié)果受相對濕度影響較大，當相對濕度較大時，不宜進行陡波試驗。

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Study on Impulse Puncture Characteristics of Aerodynamics Insulator

LIU Yunwei，LIU Yuxin，YU Longlong，SANG Jianping
（Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710077，China）

Fast-front overvoltage causes severe damage to the cap and pin insulators in the overhead line.According to the GB/T 20642-2006 Impulse Puncture Test in Air on Insulator for Overhead Lines，in this essay，the 50%lightning impulse flashover and steep wave tests on aerodynamics insulators and bell-jar insulators are analyzed comparatively，and the influence of the insulators′shape and relative humidity on the flashover voltage are studied.The result shows:50%lightning impulse flashover voltage of aerodynamics insulators is lower than bell-jar insulators，under the standard test voltage，the wave front （discharge）time of aerodynamics insulators could not meet the requirements;and the high relative humidity would have adverse effects on the results of steep wave tests of insulators.

fast-front impulse；50%lightning impulse flashover；steep wave；aerodynamics insulators；wave front（discharge） time

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.027

2015-11-30

劉云蔚 （1986—），男，工程師，主要從事絕緣子檢測及試驗研究方面的工作。