特高壓線路瓷絕緣子污穢分布特性研究

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(1. 國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 611756)

0 引 言

特高壓直流輸電工程相對交流輸電具有線路輸電距離遠(yuǎn)、損耗小、容量大、功率調(diào)節(jié)控制靈活等優(yōu)勢，已成為中國“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”的重要手段[1-3]。外絕緣問題是特高壓輸電需要解決的首要問題。特高壓輸電線路設(shè)備易受到工業(yè)粉塵、揚(yáng)塵、鳥糞等污穢污染，在霧、露、毛毛雨、融冰等不利氣候條件下，即在空氣相對濕度較高時(shí)容易發(fā)生污閃事故[4-5]，給設(shè)備外絕緣帶來了極大的危害。絕緣子積污機(jī)理較復(fù)雜，其表面污穢程度和分布與地域氣候環(huán)境、帶電情況等因素相關(guān)。在直流電場作用下，污穢顆粒會(huì)受到單一方向的電場力作用，相對于交流電場而言，污穢顆粒更容易粘附在絕緣子表面，在惡劣天氣下易發(fā)生閃絡(luò)[6-8]，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活造成危害。

目前，已有很多學(xué)者對輸電線路絕緣子積污特性進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[9-10]在美國±400 kV和±500 kV線路、新西蘭±275 kV線路等地區(qū)的試驗(yàn)站進(jìn)行了直流電壓下合成絕緣子的積污情況研究。文獻(xiàn)[11]對±500 kV換流站支柱絕緣子積污特性及絕緣子直交流電壓下積污比進(jìn)行了研究，得出了直交流等值鹽密比。文獻(xiàn)[12]研究了±800 kV賓金線絕緣子自然積污特性，發(fā)現(xiàn)電壓極性對絕緣子積污無顯著影響。文獻(xiàn)[13]對哈鄭線負(fù)極性線路瓷絕緣子的積污特性進(jìn)行了研究，得到了絕緣子表面的灰鹽比。文獻(xiàn)[14-15]通過復(fù)合和瓷絕緣子自然積污試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合絕緣子下傘面直交比大于5，瓷絕緣子下傘面直交比大于10。文獻(xiàn)[16]開展了高海拔地區(qū)特高壓線路絕緣子帶電積污試驗(yàn)，并對瓷三傘絕緣子的積污特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：材質(zhì)對積污影響較大，瓷三傘絕緣子積污直交比隨風(fēng)速增大而減小，隨粒徑增大而增大。文獻(xiàn)[17]對±800 kV楚穗特高壓線路復(fù)合絕緣子自然積污特性展開了研究：復(fù)合絕緣子表面污穢呈兩端重、中間輕的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[18]對廣州地區(qū)500 kV以下線路玻璃絕緣子積污特性及灰鹽比進(jìn)行了研究。

中國特高壓線路“五縱五橫”貫穿東西南北，不同地區(qū)的氣候相差較大，對線路設(shè)計(jì)中的設(shè)備選型以及線路建成后的運(yùn)行維護(hù)都帶來很多不便。目前，針對南北方地區(qū)特高壓輸電線路陶瓷絕緣子的積污特性和直交比的異同還少有研究。有針對性的結(jié)合南北方地區(qū)典型氣候環(huán)境，研究和分析特高壓輸電線路絕緣子的積污規(guī)律，可以指導(dǎo)特高壓輸電線路外絕緣的防污工作，對輸電線路外絕緣配置和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的理論和工程實(shí)際意義。為此，建立了輸電線路陶瓷絕緣子仿真模型，并搭建了實(shí)驗(yàn)室人工霧室，針對南北方地區(qū)典型氣候下的陶瓷絕緣子積污特性以及污穢直交比展開了人工積污試驗(yàn)研究。

1 污穢受力分析及電場等效模型

下面對輸電線路周圍污穢顆粒的受力狀態(tài)進(jìn)行了理論分析，通過仿真軟件分析了特高壓輸電線路絕緣子周圍電場分布并提出等效模型；通過對污穢顆粒的受力分析討論影響絕緣子積污的因素。

1.1 顆粒受力分析

圖1、圖2分別為空氣中及絕緣子表面粘附的污穢顆粒受力示意圖。

圖1 空氣中污穢顆粒受力示意

圖2 絕緣子表面粘附污穢顆粒受力示意

由圖中可以看出，絕緣子周圍污穢顆粒在空中主要受氣流曳力、電場力以及自身重力作用，其中：影響曳力的主要因素為氣流與污穢顆粒的相對速度以及空氣濕度；影響電場力的主要因素是絕緣子串周圍電場強(qiáng)度以及污穢顆粒自身荷電量；重力則為污穢顆粒自身的性質(zhì)，同一地區(qū)的污穢平均質(zhì)量一般不會(huì)有太大變化。

因此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)主要考慮風(fēng)速、濕度以及電場強(qiáng)度3個(gè)因素，并以此研究特高壓輸電線路陶瓷絕緣子污穢分布特性。

1.2 等效電場仿真

由于特高壓輸電線路電壓等級高、拉伸應(yīng)力大的原因，絕緣子串較長，在實(shí)驗(yàn)室中難以有效開展特高壓線路絕緣子串人工積污試驗(yàn)。而在輸電線路旁架設(shè)試驗(yàn)線的方式成本較高，且無法探究不同因素對積污的影響。因此，提出了一種能夠模擬特高壓電場環(huán)境下輸電線路絕緣子積污的方法。

仿真和試驗(yàn)絕緣子采用型號為XWP-70的陶瓷絕緣子模型，模型盤徑為255 mm，結(jié)構(gòu)高度160 mm，如圖3所示。

圖3 XWP-70型陶瓷絕緣子結(jié)構(gòu)

特高壓輸電線路I型耐張絕緣子串由54片XWP-300陶瓷絕緣子片構(gòu)成。絕緣子串從高壓端至低壓端，其表面及周圍空氣中的電勢與電場強(qiáng)度分布不均勻呈馬鞍形分布。因此，仿真和試驗(yàn)均采用3片陶瓷絕緣子分別模擬絕緣子串高壓端、中間段以及低壓端。仿真計(jì)算800 kV電壓下54片陶瓷絕緣子周圍電場大小，使3片絕緣子周圍電場大小分別與54片絕緣子串的高壓端、中間段和低壓端相似，以此方法模擬特高壓絕緣子串周圍電場情況。

對特高壓輸電線路I型耐張絕緣子串進(jìn)行電場仿真，其最上部金具接地，最下部金具接高壓端，周圍電場仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 特高壓輸電線路絕緣子串電場仿真

由仿真圖可以看出，在800 kV電壓等級下，絕緣子串高壓端和低壓端傘裙周圍電場達(dá)到8×105V /m；絕緣子串的中間傘裙周圍電場強(qiáng)度約為3.3×104V /m，與兩端傘裙場強(qiáng)相比，低了1～2個(gè)數(shù)量級。

改變兩端所加電壓，對3片陶瓷絕緣子進(jìn)行電場仿真得到其周圍場強(qiáng)。當(dāng)兩端所加電壓為45 kV時(shí)，中間絕緣子片與絕緣子串的中間部分的傘片電場強(qiáng)度基本等效。高壓端和低壓端絕緣子片周圍場強(qiáng)與絕緣子串兩端約第10片的傘裙場強(qiáng)大小等效。因此，在3片絕緣子兩端施加45 kV電壓時(shí)，其3片傘裙可分別等效800 kV電壓等級下54片絕緣子串的高壓側(cè)、中間和低壓側(cè)傘裙周圍電場強(qiáng)度。同時(shí)進(jìn)行1100 kV電壓等級下絕緣子串的電場仿真，發(fā)現(xiàn)3片絕緣子兩端加55 kV時(shí)兩者電場分布相似。

2 絕緣子直流積污試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣品及平臺(tái)

通過電場等效仿真模型，可以確定試驗(yàn)所需電壓等級并在人工霧室內(nèi)進(jìn)行陶瓷絕緣子積污試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的陶瓷絕緣子樣品結(jié)構(gòu)、大小以及形狀都與仿真模型相同。人工霧室主體為1.2 m×1.2 m×1.5 m，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。霧室前后壁面設(shè)有開口，以便絕緣子通過套管連接高壓電源。側(cè)壁設(shè)有進(jìn)風(fēng)與出風(fēng)口，出風(fēng)口處放置負(fù)壓風(fēng)機(jī)，負(fù)壓風(fēng)機(jī)抽取氣流，使絕緣子受到恒定氣流作用。負(fù)壓風(fēng)機(jī)可提供的風(fēng)速范圍為0～5 m/s，可模擬自然風(fēng)。霧室內(nèi)部設(shè)置有水霧發(fā)生器，通過調(diào)控水霧產(chǎn)生的速率以調(diào)節(jié)霧室內(nèi)濕度，可模擬南方濕潤氣候條件。

圖5 人工氣霧室結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)積污方法

將3片陶瓷絕緣子通過支撐桿懸掛，第3片傘片下金具接交、直流高壓，第1片傘片上金具接地，如圖6所示。絕緣子加壓后，使用鼓風(fēng)機(jī)將3 g高嶺土顆粒吹入霧室，使絕緣子完全處于污穢顆粒包圍的狀態(tài)，污穢顆粒受到重力作用下降，并在氣流曳力、重力以及電場力的共同作用下在絕緣子表面沉積。積污時(shí)間持續(xù)10 min，當(dāng)霧室內(nèi)空氣中無懸浮的污穢顆粒時(shí)，再次鼔入3 g高嶺土，重復(fù)進(jìn)行3次。試驗(yàn)結(jié)束后，使用潔凈棉簽分別清掃3片絕緣子上下表面沉積的污穢顆粒，并使用精度為0.1 mg的稱量儀稱量污穢質(zhì)量。每個(gè)電壓類型、等級或每個(gè)濕度重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，并取結(jié)果的平均值作為最終測量結(jié)果。

圖6 人工氣霧室

3 南北方氣候條件下絕緣子直、交流積污特性

3.1 不同濕度下絕緣子直流積污試驗(yàn)對比

云南—廣東特高壓直流輸電線路受端換流站位于廣州市，地處南亞熱帶，屬于典型的季風(fēng)海洋氣候，年平均相對濕度約為79%，年平均風(fēng)速約為2.3 m/s。調(diào)整負(fù)壓風(fēng)機(jī)的頻率，采用FA-300A風(fēng)速測定儀測得風(fēng)速約為2.3 m/s，調(diào)整水霧發(fā)生器產(chǎn)霧速率，控制霧室內(nèi)的濕度為80%，與廣州地區(qū)基本一致。按照第2.2節(jié)積污方法完成積污試驗(yàn)。

而北方地區(qū)氣候相較南方地區(qū)，其濕度較小，風(fēng)速稍高。如哈密南—鄭州特高壓直流輸電線路，其受端換流站位于鄭州市，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均相對濕度約為55%，年平均風(fēng)速約為2.8 m/s，與廣州地區(qū)比差別不大。調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，使風(fēng)速達(dá)到2.8 m/s；調(diào)整水霧發(fā)生器，使霧室內(nèi)濕度為55%，以模擬鄭州市的氣候條件。在陶瓷絕緣子兩端分別施加45 kV和55 kV直流電壓，模擬特高壓輸電線路絕緣子串周圍電場強(qiáng)度，并完成積污試驗(yàn)。

南北方氣候環(huán)境中45 kV和55 kV直流電壓下3片陶瓷絕緣子表面的積污量如圖7所示。

對比兩種氣候下的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，廣州地區(qū)與鄭州地區(qū)絕緣子積污情況不同，但3片絕緣子污穢顆粒質(zhì)量變化趨勢一致，由于兩端傘裙周圍電場強(qiáng)度較高，對顆粒吸附作用較中間傘裙更強(qiáng)，因此兩種氣候下均呈現(xiàn)兩端傘裙污穢顆粒質(zhì)量較大，中間傘裙污穢顆粒質(zhì)量較小的現(xiàn)象。濕度對絕緣子積污有很大的影響，濕度較高的情況下，3片絕緣子傘裙上下表面的積污量均有明顯增多。絕緣子表面被水霧濕潤，當(dāng)污穢顆粒碰撞于絕緣子表面更容易粘附，且難以受氣流曳力的影響離開絕緣子表面，因此，在濕度更高時(shí)的陶瓷絕緣子傘片積污更加嚴(yán)重。

圖7 南北方氣候直流電壓下3片傘裙積污分布

3.2 直、交流積污試驗(yàn)對比

在霧室內(nèi)模擬南北方兩種典型氣候，并在絕緣子兩端分別施加45 kV和55 kV的直、交流電壓，觀察不同電壓類型和電壓等級下絕緣子積污分布情況。

兩種氣候環(huán)境中45 kV和55 kV直、交流電壓作用下絕緣子串總污穢質(zhì)量如圖8所示。

圖8 南北方氣候直、交流電壓下絕緣子串總積污量

從圖8中可以看出，在相同的電壓類型和電壓等級下，南方氣候較北方氣候絕緣子串表面積污更嚴(yán)重，這是由于濕度較高，污穢顆粒更容易發(fā)生團(tuán)聚使質(zhì)量增大，受到重力影響較大沉降并粘附于絕緣子表面，在氣流曳力作用下沿絕緣子表面滑移或脫離絕緣子表面的概率較低。在相同氣候類型和電壓類型下，隨著電壓等級升高，絕緣子串周圍電場增大，對污穢顆粒吸附作用增強(qiáng)，空氣中沉降的污穢顆粒更容易吸附于絕緣子表面。在相同氣候類型和電壓等級下，直流電壓較交流電壓下絕緣子串積污量更大，直流電場力對污穢顆粒的作用比交流電場力更穩(wěn)定，顆粒在絕緣子表面粘附后更牢固，而交流電場力在一個(gè)周期內(nèi)對污穢顆粒作用力為0。

3.3 交流電壓對絕緣子積污分布影響

南北方氣候環(huán)境中45 kV和55 kV交流電壓下3片陶瓷絕緣子表面的積污量如圖9所示。

圖9 南北方氣候交流電壓下3片傘裙積污分布

與第3.1節(jié)中直流電壓下絕緣子表面積污量不同，在相同氣候類型和電壓等級下，交流電壓作用下3片絕緣子傘裙積污量之間沒有太大的變化，與絕緣子不帶電情況下積污規(guī)律類似。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于交流電作用下，絕緣子周圍會(huì)產(chǎn)生周期性的交變電場，由于污穢顆粒所帶電荷極性固定，電場方向的變化會(huì)造成作用在污穢顆粒表面的電場力方向的改變，使得電場力對污穢顆粒的作用效果變?nèi)?，因此此種情況下積污規(guī)律與絕緣子不帶電情況類似。

將兩種電壓類型下絕緣子串表面總污穢顆粒質(zhì)量的比值作為直交比，可以得出：北方氣候下，直流和交流電壓下陶瓷絕緣子串表面積污直交比約為1.51；在南方氣候下，直流和交流電壓下陶瓷絕緣子串表面積污直交比約為1.37。

4 結(jié) 論

通過人工氣霧室開展交直流電壓下絕緣子積污試驗(yàn)，研究了南北方不同典型氣候下陶瓷絕緣子的積污規(guī)律，計(jì)算南北方典型氣候不同電壓等級下絕緣子積污直交比，得到如下結(jié)論：

1) 在南方沿海典型環(huán)境下，由于空氣濕度較高，與絕緣子表面碰撞的污穢顆粒更容易發(fā)生粘附，故相較北方氣候條件下的絕緣子表面積污量更大，且積污量隨電壓等級升高而增大。

2) 在兩種不同典型環(huán)境氣候下，陶瓷絕緣子串在直流電壓作用下積污量呈現(xiàn)兩端高、中間低的現(xiàn)象，而交流電壓下積污量大致相同，3片間變化不大，且直流電壓較同等級交流電壓作用下絕緣子片上下傘面的積污量更大；

3) 南方和北方典型氣候環(huán)境下陶瓷絕緣子直流和交流電壓下積污比分別約為1.37和1.51。