污穢成分對LXY4—160 絕緣子串交流閃絡特性的影響

張志勁 張東東 劉小歡 蔣興良 胡建林

（1.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2.湖北省荊門市電力局 荊門 448000）

1 引言

絕緣子污穢閃絡事故威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行并引起較大經濟損失。鑒于污閃的危害，國內外學者進行了廣泛的研究，我國電網的防污閃工作也取得了較大進展。然而污閃事故仍時有發(fā)生，對絕緣子污閃的研究仍需深入進行[1]。

不同地區(qū)的污穢成分有很大差異。國內的清華大學、中國電科院、東北電力試驗研究院等單位通過對自然污穢點取樣并進行污穢化學成分分析的研究表明[2-4]：沿海、內地的污物中均含有NaCl、CaSO4及其他成分，NaCl 所占百分比一般在10%～30%，CaSO4所占的百分比則可達20%～60%。G.Ramos N.等通過對前蘇聯(lián)7 個地區(qū)的污穢進行化學成分分析表明，不同地區(qū)的污穢化學成分及其所占比例是有所不同的，NaCl 所占百分比一般在2.1%～50.8%，CaSO4所占的百分比則可達5.4%～82.7%，其余成分如Ca(NO3)2、CaCl2、Mg(NO3)2等也占有少量比例[5]。

污穢成分的差異必然會對絕緣子的污閃電壓造成影響。為此，文獻[6-10]進行了不同化學成分下的絕緣子污穢閃絡特性試驗研究，試驗結果表明：灰密的大小對絕緣子污穢閃絡有影響，當灰密達1～2mg/cm2，絕緣子的污閃或耐受電壓將達到最低值；不同鹽類污穢下的絕緣子的污閃或耐受電壓有所不同，一價鹽如NaCl 對絕緣子污閃特性的影響要大一些。

同時也有研究表明：對于自然污穢中的可溶物成分，對絕緣子污閃耐受電壓影響較大的是NaCl和CaSO4兩種鹽類，且實際線路上絕緣子自然積污的主要導電物質是CaSO4，NaCl所占比例并不大[11]；對于自然污穢中的不溶物成分，主要有SiO2、Fe2O3、CuO、Al2O3、Pb和CaO等，且其中SiO2含量較大，Fe2O3和Al2O3次之，且兩者含量相當[12]。

目前，實驗室普遍使用人工污穢試驗法對絕緣子的閃絡特性進行研究，其中可溶物主要采用NaCl來模擬，不溶物則主要采用硅藻土或高嶺土來模擬，而并未考慮自然污穢所包含的成分的復雜性對污閃電壓帶來的影響。因此，有必要對不同污穢成分對絕緣子污閃特性的影響進行更深入的研究。

本文在重慶大學多功能人工氣候實驗室，以7片LXY4—160 絕緣子串為研究對象，分別進行了以NaCl 和CaSO4為可溶性物質（可溶性物質密度：Soluble Contaminant Density，SCD），硅藻土和SiO2、Fe2O3和Al2O3的混合物為不溶性物質（Non-Soluble Salt Deposit Density，NSDD）下的交流污閃試驗，得到了不同鹽密下LXY4—160 絕緣子的交流閃絡特性，分析了污穢成分對其污閃電壓影響的原因，研究結果對進一步揭示絕緣子放電特性和外絕緣選擇具有重要參考意義。

2 試品、試驗裝置與試驗方法

2.1 試品

試品采用普通玻璃絕緣子LXY4—160，其具體參數如表1 所示，絕緣子的具體外形如圖1 所示。

表1 絕緣子主要結構參數Tab.1 Structure parameters of LXY4—160 insulator

圖1 絕緣子具體外形結構Fig.1 Structure of LXY4—160 insulator

2.2 試驗裝置

試驗是在重慶大學大型多功能人工氣候室進行的，其內徑7.8m，凈空高11.6m，能夠模擬霧、降雨、覆冰和高海拔等多種復雜氣候環(huán)境，配套有1.5t專用鍋爐，為其提供蒸汽霧進行污穢試驗。試驗工頻電源由500kV/2 000kVA 交流無暈污穢試驗變壓器提供，最大短路電流為75A，滿足污穢試驗對電源的要求[13,14]，試驗原理接線如圖2 所示。

2.3 試驗方法

參照相關標準，試驗過程中具體步驟如下：

（1）試品的預處理：首先使用磷酸三鈉溶液仔細清洗絕緣子各個部位，除去所有的污物和油脂痕跡，然后再用自來水徹底清洗，然后晾干。

圖2 試驗接線原理示意圖B—調壓器；T—變壓器；R0—保護電阻；H—高壓穿墻套管；S—試品；E—人工氣候實驗室；F—電容分壓器；C—泄漏電流檢測裝置Fig.2 Test circuit

（2）試品染污方法：采用固體涂層法對絕緣子上/下表面分別進行染污。SCD 采用CaSO4和NaCl混合鹽來模擬，NSDD 采用SiO2、A12O3和Fe2O3來模擬，選取SCD 為0.06mg/cm2、0.10mg/cm2、0.25mg/cm2表示污穢較輕、一般和嚴重三種狀態(tài)，且每組試驗均在該三種狀態(tài)下進行，灰鹽比取3.5，絕緣子上下表面均勻染污。

試驗過程中分兩組進行：第一組試驗中，固定不可溶物的成分為硅藻土，在同一SCD 下，改變CaSO4和NaCl 的質量比，分別取NaCl 比例為100%、80%、50%、20%和0%，則CaSO4的對應比例為0%、20%、50%、80%和100%；第二組試驗中，固定可溶物成分為NaCl，在同一NSDD 下，改變SiO2、Fe2O3和Al2O3的質量比，SiO2所占比例取100%、90%、75%、和60%，Fe2O3對應的比例為0、5%、12.5%和20%，Al2O3取值與Fe2O3相同。

（3）試品的陰干：將染污后的試品放置陰涼處自然陰干24h。

（4）蒸汽霧的產生：蒸汽霧由1.5t/h 鍋爐產生，貼近地表面的蒸汽通過沿人工氣候室底部周圍均勻布置的多個放氣孔使人工氣候室產生均勻分布的霧，放氣孔離試品的距離大于3.5m，放氣孔霧氣出口方向與試品絕緣子串軸心線成90°夾角，輸入人工氣候室的蒸汽霧速率為 (0.05±0.01)kg/h·m3。濕潤開始時試品的溫度與試驗室內周圍溫度的差小于±2K，試驗過程中霧室溫度控制在35℃以下，如果溫度過高，則采用制冷系統(tǒng)加以控制。

（5）加壓方法：當試品濕潤時間足夠長，即待試品絕緣子表面污穢層充分濕潤后，表面形成水膜以致邊緣即將滴水時，立即采用均勻升壓法對試品絕緣子施加電壓進行閃絡試驗，每種污穢下選擇3～5 支試品，每支試品閃絡4～5 次，取其中與平均值誤差低于10%的試驗結果作為污閃電壓Uf，即

式中，Uf為絕緣子的平均污閃電壓（kV）；Ui為第i 次污閃電壓（kV）；N 為試驗次數；σ%為試驗結果的相對標準偏差。

3 不同污穢成分下絕緣子串交流污穢閃絡試驗結果與分析

3.1 不同鹽分比例下試驗結果與分析

利用上述試驗程序對7 片串LXY4—160 絕緣子開展CaSO4和NaCl 不同比例下交流污穢閃絡試驗研究（不溶性物質為硅藻土），試驗結果見表2。

表2 不同鹽分比例下絕緣子交流污穢閃絡試驗結果Tab.2 The results of contaminated insulator’s AC flashover under different compositions of mixture salts

由表2 結果可知：

（1）所有試驗結果的相對標準偏差均在8%以內，表明采用本文的試驗方法所得的試驗結果分散性比較小。

（2）SCD 對所試驗的絕緣子串交流污閃電壓有影響，且隨著SCD 的增加絕緣子的交流污閃電壓均明顯降低。例如在NaCl 和CaSO4各占一半時，當SCD 從0.06 mg/cm2增加到0.1mg/cm2和0.25mg/cm2后，絕緣子串的污閃電壓從143.2kV 降到了114.5kV和78.8kV，分別下降了19.41%和35.59%。

（3）不同鹽分對絕緣子串交流污閃電壓有影響，且絕緣子的污閃電壓隨著NaCl 比例減小和CaSO4比例增加而升高。如當SCD 為0.06mg/cm2時，可溶性物質全為NaCl，其污閃電壓為124.4kV，當NaCl比例下降到80%、50%、20%和0 時，其污閃電壓分別為140.9kV、143.2kV、145.5kV 和155.0kV，污閃電壓分別提高了13.26%、15.11%、16.96 和24.60%。

3.2 不同不溶性物質比例下試驗結果與分析

利用上述試驗程序對7 片串LXY4—160 絕緣子開展不溶性混合物SiO2、Fe2O3和Al2O3不同比例下交流污穢閃絡試驗研究（導電物質為NaCl），試驗結果見表3。

表3 不同不溶性物質比例下絕緣子交流污穢閃絡試驗結果Tab.3 The results of contaminated insulator’s AC flashover test under different proportions of insoluble compositions

由表3 結果可知：

（1）所有試驗結果的相對標準偏差均在8%以內，表明采用本文的試驗方法所得試驗結果的分散性比較小。

（2）不溶性物質成分對絕緣子串交流污閃電壓有影響：當不溶性物質僅為SiO2時，絕緣子串交流污閃電壓較高；當不溶性物質 SiO2的含量減少，Al2O3和Fe2O3出現時，絕緣子串的交流污閃電壓將變小，但SiO2的含量從90%減至60%過程中，絕緣子串的交流污閃電壓基本不變。

4 污穢成分對絕緣子交流污閃電壓影響原因

4.1 可溶物的成分對污閃電壓的影響

4.1.1 不同鹽溶液電導率的測量結果與分析

由表2 結果可知，在SCD 一定時，絕緣子的閃絡電壓會隨著NaCl 含量的減少或CaSO4的增加而呈上升趨勢。為此，測得不同硫酸鈣質量比下鹽溶液的電導率，并換算到標準溫度（20°C）下進行對比（為了排除摩爾電導率隨濃度變化的影響，在較小的濃度下進行測量[15]）。

由圖3 可以看出，鹽溶液的電導率與鹽的濃度有關，濃度越大，電導率越大；在一定的鹽濃度下，隨著NaCl 含量的減少和CaSO4的增加，電導率逐漸降低，且有飽和趨勢，原因如下：

（1）CaSO4本身具有弱電解質特性，其溶于水后并不能完全電離，降低了其電導率。

圖3 不同CaSO4比例下液體的電導率Fig.3 The liquid conductivity under different ratios of CaSO4

（2）當可溶物充分溶解時，污液里有Na+，Ca2+，Cl-，SO42-四種離子。離子的體積越大，相同濃度時離子相互碰撞的概率越高，造成離子在原軌道運動速度減慢，電導率也降低[16]。Ca2+和SO42-在體積上明顯超出Na+和Cl-。因此CaSO4含量越高，污液的電導率越低。

（3）NaCl 的濃度對CaSO4的溶解度有影響：當鹽溶液濃度低時，NaCl 濃度增加使其離子強度增大，活度系數降低，從而CaSO4溶解度增加[17]。

顯然，絕緣子表面污層濕潤的過程中，不同鹽分對絕緣子表面污層電導率產生影響，即相同鹽密值下，CaSO4含量越高，絕緣子表面污層電導率將越低，則相同作用電壓下，流過絕緣子表面泄漏電流將減小，使得絕緣子表面不容易形成干燥帶而產生局部電弧，從而使其污閃電壓提高。

4.1.2 硫酸鈣含量與等效鹽密值的關系

目前污穢等級的劃分是以絕緣子串的等值鹽密為標準，等值鹽密是根據絕緣子表面污穢的混合溶液電導率，折算成等價的NaCl 量[5]。

由于CaSO4對污層電導率的貢獻不同于NaCl，試驗中所擬定的SCD 值并不能表征混合鹽對污層電導率的實際貢獻。因此，根據電導率值可將CaSO4成分折算等價的NaCl 量，從而將試驗中擬定的SCD 值，折算成鹽分完全為NaCl 的等效鹽密值SDD。不同濃度的CaSO4和NaCl 溶液的電導率如圖4 所示。

圖4 氯化鈉和硫酸鈣溶液的電導率曲線Fig.4 The conductivity curves of NaCl and CaSO4liquors

由圖可得，對于較低濃度鹽溶液，其電導率與鹽濃度近似呈線性關系；相同濃度下，CaSO4對電導率的貢獻約為NaCl 的0.485 倍，則試驗中的SCD值與等效鹽密值SDD 的關系可表示為

式中，β 為CaSO4含量所占百分比。

將本次試驗中擬定的不同鹽分的 SCD 值，按NaCl 電導率進行換算得到的SDD 值見表4。

表4 不同硫酸鈣比例的SDD 值Tab.4 The effective SDD under different values of CaSO4

由表4 可知，如果僅考慮不同鹽分對污層電導率的影響，CaSO4比例越大時SDD 值越小。

國內外的大量研究表明，絕緣子污閃電壓（Uf，kV）與鹽密的關系可表示為[18]

式中，a 為常數；n 為污穢影響特征指數。

則將表2 的結果按式（4）進行擬合，當鹽分為100%氯化鈉時，LXY4—160 絕緣子Uf與SDD 的關系為

式中的SDD 值是與污層電導率直接相關的。因此在利用式（5）計算不同污穢成分下的污閃電壓值時，應將表4 中對應的SDD 值代入式（5）中進行計算，得到修正后的污閃電壓值見表5。

表5 鹽密修正后的污閃電壓計算值與測量值的相對誤差Tab.5 The relative error between calculated value after SDD correction and the value of flashover test

由表5 可知，計算所得的絕緣子交流污閃電壓值與實測值的相對誤差在-20%～39.3%之間波動，差異較大?？梢?，不同鹽分對絕緣子污閃電壓的影響并不僅僅體現在對污層電導率的影響，其影響因素主要還因為：CaSO4為難溶性鹽，而標準懸式絕緣子每片的飽和附水量僅為10ml 左右。

經測試，10ml 純CaSO4溶液標準溫度（20℃）下的電導率隨CaSO4含量的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 10ml 水中硫酸鈣含量與電導率的關系Fig.5 The relationship between CaSO4content and its conductivity in 10ml of water

根據圖5 可知，當CaSO4的含量大于20mg 時，溶液輕度飽和，曲線微微下降；當CaSO4含量繼續(xù)增大至40mg 后，電導率上升趨勢顯著下降并最終持平。因此，硫酸鈣的難溶性是電導率修正后的閃絡電壓與實際值仍不相符的原因之一。

同時，硫酸鈣的存在影響了電弧的熱電離過程，這是一個熱電離產生帶電粒子、弧頭徑向電場增大、帶電粒子與表面碰撞加劇、弧頭溫度進一步升高、熱電離加劇的正反饋過程[19]。鈉原子的電離電位最低，鈣原子的電離電位比鈉原子高大約1eV[20]。當硫酸鈣含量增大時，電弧等離子體中鈉元素量減少，需要更高的電壓來增大弧頭溫度及場強，導致熱電離正反饋過程的延緩，從而影響電弧常數。

在進行絕緣子自然積污研究時，不能僅簡單測量污穢物的電導率所等效NaCl 含量來表征絕緣子的污穢程度或進行污穢等級劃分，必須綜合考慮不同污穢成分的物理化學特性、內在影響關系、對實際污液電導率以及對電弧發(fā)展過程等諸多方面的影響。

4.2 不可溶物的成分對污閃電壓影響的原因

由表3 結果可知，當不溶物成分中不含有金屬氧化物時，絕緣子的污閃電壓較高；而當不溶物成分中出現Al2O3和Fe2O3后，試品的污閃電壓將減小，但金屬氧化物成分的含量繼續(xù)提高，污閃電壓變化不顯著，其原因可能是

（1）不同不溶物成分的附水能力不同。在本試驗中，涂刷絕緣子時發(fā)現，當SiO2的含量為100%時，將污穢調和成懸濁液所需的水量相對較少。

（2）Al2O3和Fe2O3作為離子晶體，呈熔融態(tài)時表現出強電解質的特性。污穢絕緣子串閃絡過程中的局部電弧具有強功率的放電現象。據文獻[21]測量結果可知，在其發(fā)展過程中，局部電弧溫度約為5 000～10 000K，而Al2O3和Fe2O3的熔點分別為2 303K 和1 838K[22]。因此，兩者作為離子晶體，絕緣子串表面產生局部電弧時將呈熔融態(tài)而表現出強電解質的特性。從而增大絕緣子表面剩余污層電導率，導致泄漏電流增大，促使局部電弧的進一步發(fā)展。

（3）不同物質的游離電位不同，由文獻[20]可知，Si、Al、Fe 的電離電位分別為8.151eV、5.986eV、7.870eV。當溫度達到3 250K 后，Al2O3會氣化分解成Al，Fe2O3高溫下的分解產物Fe3O4與Al 發(fā)生置換反應生成Fe?；「陔姌O上形成圓形明亮點叫斑點，此處的有很大的泄漏電流，且電流密度很大[19]，鐵和鋁將被迅速汽化，形成金屬蒸氣進入弧柱。因此，Al 和Fe 由于具有較低的電離電位而參與了熱電離，加劇了電弧的穩(wěn)定燃燒，使絕緣子污穢閃絡更容易發(fā)生。

（4）絕緣子串閃絡過程中從局部電弧產生發(fā)展至閃絡的時間較短，一般僅為數秒至數十秒，導致金屬氧化物熔融量有限，因此過多的Al2O3和Fe2O3對污閃電壓不會產生很大影響。

（5）由于Al2O3和Fe2O3會明顯降低污閃電壓，因此污閃試驗中簡單地用硅藻土來代替灰密是有缺陷的，需結合實際情況考慮金屬氧化物對污閃電壓的影響。

4.3 污穢成分與臨界泄漏電流的關系

泄漏電流是電壓、濕潤、污穢三個主要因素的綜合反映和最終結果，信號中包含了豐富的能夠體現絕緣子運行狀態(tài)的信息量。據此，本試驗選取臨界泄漏電流ICR為特征量，分析了污穢成分對其的影響。圖6 記錄了絕緣子發(fā)生污閃時的泄漏電流波形，一般將絕緣子在閃絡前半個周波的泄漏電流定義為臨界泄漏電流ICR。

圖6 絕緣子臨界泄漏電流示意圖Fig.6 Example for ICR

試驗過程中對不同污穢試驗條件下的泄漏電流進行了測試，可得到各種試驗條件下絕緣子閃絡時的臨界泄漏電流值如圖7 所示。

圖7 絕緣子臨界泄漏電流與污穢成分的關系Fig.7 Relationship between ICRand the composition of contamination

由圖7 可知：

（1）絕緣子污穢閃絡時，其臨界泄漏電流值為0.3～1A 之間，且臨界泄漏電流值與污穢度、污穢成分有關。

（2）鹽密成分對絕緣子臨界泄漏電流有影響，同一鹽密下，ICR會隨著NaCl 比例的減少和CaSO4含量的增加而降低。

（3）灰密成分對絕緣子臨界泄漏電流有一定的影響，同一鹽密下，灰密成分中含有Al2O3和Fe2O3的臨界泄漏電流值均比純 SiO2下的臨界泄漏電流大，但Al2O3和Fe2O3的含量變化對其臨界泄漏電流值的影響不大。

Obenaus 認為污閃過程的電路模型可用局部電弧與剩余污層電阻串聯(lián)進行描述，如圖8 所示，其中x 為局部電弧長度；L 為泄漏距離；HV 為高壓端。

圖8 污閃電路模型Fig.8 A model of pollution flashover circuit

其電路方程式可描述為

式中，Um和Im分別表示施加電壓和泄漏電流的峰值；Uarc_m為電弧兩端的電壓；Up_m為剩余污層電阻兩端的電壓；A 和n 為反映電弧特性的常數；R(x)為剩余污層電阻。

文獻[23]提出，為了實現交流污閃，除了最大弧長達到臨界值外，還必須滿足交流電弧的重燃條件和恢復條件，其中電弧恢復條件可以，表示為

式中，Ep為剩余污層電阻的電壓梯度；Earc為電弧的電壓梯度，而Ep和Earc可分別由下式求得[24]。

因此，對于具有相同電弧長度的絕緣子串，當表面污層電導率增大時，流過其表面的泄漏電流越大，電弧恢復條件越容易滿足，電弧向前延伸的機會也會大大增加；而對于具有較低電導率的絕緣子串，電弧恢復條件不易滿足，必須靠增大作用電壓來增加泄漏電流使電弧得以發(fā)展。所以低NaCl 含量、高CaSO4含量的絕緣子串具有較高閃絡電壓，而且不溶物成分中Al2O3和Fe2O3的存在也會降低污閃電壓。

5 結論

本文對7 片串LXY4—160 玻璃絕緣子在不同鹽密和不同污穢成分的污閃特性進行了測試研究，通過分析得出以下結論：

（1）對于可溶物成分，隨著NaCl 比例的減小和CaSO4比例的增加，絕緣子的污閃電壓會有所提高，且當可溶物成分僅為NaCl 或CaSO4中一種時，絕緣子的污閃電壓差別較大；硫酸鈣含量過多時，其難溶特性是造成污閃電壓變化的原因之一。

（2）對于不溶物成分，隨著Al2O3和Fe2O3的出現，污閃電壓將降低，但是當Al2O3和Fe2O3繼續(xù)增加，污閃電壓變化不明顯。

（3）可溶物成分會對表面污層電導率產生明顯的影響，從而影響泄漏電流。NaCl 含量越多，表面污層電導率越大，流過的泄漏電流越大，電弧越容易穩(wěn)定發(fā)展，導致污閃容易發(fā)生。

（4）不溶物成分也會對表面污層電導率產生一定影響。電弧產生階段，Al2O3和Fe2O3受熱呈熔融態(tài)，表現出強電解質的特性，從而增大表面污層電導率，增大泄漏電流，使污閃更容易發(fā)生；但是由于污閃過程持續(xù)時間短，Al2O3和Fe2O3的熔融量有限，過多的Al2O3和Fe2O3并不會給污閃電壓帶來顯著的影響。

（5）污穢成分對電弧的發(fā)展過程有一定的影響，從而影響電弧常數、影響污閃電壓。鈣原子的電離電位大于鈉離子，CaSO4的增多會延緩熱電離過程的產生；鋁原子、鐵原子的電離電位低于硅，Al2O3和Fe2O3的存在，會加劇電弧的熱電離過程。

（6）在進行絕緣子自然積污研究時，不能僅簡單測量污穢物的電導率所等效NaCl 含量來表征絕緣子的污穢程度或進行污穢等級劃分，必須綜合考慮不同污穢成分的物理化學特性、內在影響關系、對實際污液電導率以及對電弧發(fā)展過程等諸多方面的影響。

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