（电气工程专业论文）特高压直流复合绝缘子短样污秽闪络特性及机理研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 污闪是影响电力系统安全运行的主要威胁之一。随着我国特高压直流输电工程 的建设，对输电线路外绝缘的选择和设计要求将不断提高，复合绝缘子因具有优异 的耐污性能而被各国电力部门广泛使用迄今为止，国内外对复合绝缘子在均匀染 污下的直流电气特性进行了大量研究，但关于污秽沿复合绝缘子伞裙上、下表面不 均匀分布对直流污闪电压影响的研究则相对较少，目前尚未见适合直流复合绝缘子 的闪络电压污秽不均匀修正方法。本文在总结国内外现有研究成果的基础上，采用 定量涂刷方式，在重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室大型多功能人工 气候室内对几种典型的超、特高压直流复合绝缘予短样的直流污秽闪络特性进行了 试验研究，论文的主要工作和结论如下： ( 1 ) 对相同伞型、不同结构高度的二种士8 0 0 k v 特高压直流复合绝缘子短样在均 匀染污情况下，试验研究了亲水性状态下的5 0 直流闪络电压( u s o ) 与电弧距离( 的关系。结果表明：电弧距离i l s 3 4 3 5 m 时c ，5 0 与h 呈线性关系。 ( 2 ) 研究了复合绝缘子硅橡胶表面憎水性的变化与其在溶液中浸泡时间、溶液 p h 值之间的关系。结果表明：随着浸泡时间的延长其憎水性逐渐下降直至完全丧失； 且憎水性的下降受碱性溶液的影响较大，受酸性溶液的影响最小；染污前复合绝缘 子硅橡胶表面憎水性状况对染污后憎水性的迁移速度具有重要的影响。 ( 3 ) 在一定憎水性条件下，试验研究了三种超、特高压直流复合绝缘子短样的 污闪特性，分析了伞型结构的影响。结果表明：复合绝缘子爬电距离与电弧距离较 为理想的比值应在3 2 - 3 4 之间，较小的伞裙间距将会导致直流电弧桥接相临伞裙 而降低爬电距离的有效性。 ( 4 ) 以d z 吐8 0 0 ，5 3 0 - 1 8 0 0 为试品，并以绝缘子上、下表面平均盐密( s d d ) 为 基准，试验研究了复合绝缘子在污秽不均匀分布情况下的闪络特性结果表明：当 上、下表面盐密比( 册) 一定时，复合绝缘子在亲水性状态下的钿与s d d 呈幂函数 关系，砺。的盐密影响特征指数b 值受污秽不均匀分布的影响不明显。 ( 5 ) 当s d d 保持不变时，u 如随污秽不均匀度的增加而逐渐增大；采用最小二 乘法对试验数据进行拟合，得到适合本文复合绝缘予的污秽不均匀分布对地。影响 的修正系数表达式为k = l o 0 0 5 3 ( 船咀) ) - 0 “”( 去) - 1i n ( 勺，经试验验证，该式满足 廿a 工程应用的需要。 ( 6 ) 利用高速摄像机分析了复合绝缘子的直流污秽闪络过程，提出复合绝缘子 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 直流污闪包括电晕放电、局部放电产生和发展、局部电弧的形成并不断延伸、绝缘 子闪络四个主要阶段；当污秽不均匀分布时，放电的起始阶段主要发生在伞裙上表 面，并且局部电弧在形成后的飘弧现象较均匀分布时要弱 ( 7 ) 建立了复合绝缘予的直流污闪电路模型并对其污闪机理进行了分析，得到 了临界闪络电压表达式并分析了影响临闪电压的因素。 关键词：直流复合绝缘子，盐密，憎水性，5 0 污闪电压，不均匀污秽，修正系数， 污闪机理 n 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t p o l l u t i o nf l a s h o v c ro f 懿t c l n a li n s u l a t i i st h em a i nt h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m , w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eu h vd ct r a n s m i s s i o nl i n e s ，i tw i l l i m p r o v ec o n t i n u o u s l yt h es e l e c t i o na n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sf o re x t e r n a li n s u l a t i o n t h e c o m p o s i t ei n s u l a t o ri sw i d e l yu s e db yp o w e r u t i l i t i e si nm a n yc o u n t r i e sf o ri t se x c e l l e n t a n t i - c o u t a m i n m e dc h a r a c t e r i s t i c s of a r , t h e r eh a sal a r g en u m b e ro fr e s e a r c h e sa b o u t t h ed ce l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu n i f o r m l yp o l l u t e dc o m p o s i t ei n s u l a t o r s , b u tt h e s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fn o n - u n i f o 靠nc o n t a m k l a i i o no i lf l a s h o v e rv o l t a g ei sv e r yf e w ， a n dn o wt h e r eh a sn ow a yt oc o n _ e c tt h ei n f l u e n c eo fi tf o rd cc o m p o s i t ei n s u l a t o r i n t h i sp a p e r , l a b o r a t o r yi n v e s t i g a t i o n so nt h ed cf l a s h o v e rp e r f o r m a n c e so fs e v e r a l p o l l u t e ds h o r ts a m p l e so fe h v ii 王、，d cc o m p o s i t ei n s u l a t o r sw e i ec a r r i e do u ti nt h e c l i m a t ec h a m b e r t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o nf o rt h i sp a p e ri s8 sf o l l o w ： ( 1 ) t a k et w os h o r ts a m p l e so f = l ：8 0 0 k vc o m p o s i t ei n s u l a t o r sw i t hs a n l es h e d c o n f i g u r a t i o na n dd i f f e r e n ts t r u c t u r eh e i g h t , s t u d yt h er e l a t i o nb e t w c e n5 0 d c f l a s h o v e rv o l t a g e ( 砺0 ) a n da l - cd i s t a n c e ( 的u n d e ru n i f o r m l yp o l l u t e da n dw i t h h y d r o p h i l i cc o n t a m i n a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r eh a sal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nu s 0a n dhw h e nh 9 3 4 3 5 m ( 2 ) t e s t i n gr e s u l t ss h o w t h a tb o t hs o a kp e r i o da n d p ho fs o l u t i o nh a v es i g n i f i c a n t e f f e c t0 1 1d e c r e a s eo f h y d r o p h o b i c i t yf o rs i l i c o nr u b b e r a n dt e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a t t h eh y d r o p h o b i c i t yo fs i l i c o nr u b b e rb e f o r ec o n t a m i n a t e da l s oh a si n f l u e n c eo n h y d r o p h o b i c i t yt r a n s f e rp r o p e r t ya f t e rc o n m m i n a ：c d ( 3 ) t h ed cp o l l u t i o nf l a s h o v e rp e r f o r m a n c eo f c o m p o s i t ei n s u l a t o ri sr e l a t e dt oi t s s h e dc o n f i g u r a t i o n , t o ol o wd i s t a n c eo f 删a c e u ts h e d sw i l lr e d u c et h ee f f e c t i v e n e s so f c r e e p a g ed i s t a n c eb e c a u s eo f a r c - b r i d g i n gp h e n o m e n o nb e t w e e ns h e d so rr i b s t h ei d e a l s p e c i f i cv a l u eo f c r e e p a g ed i s t a n c ea n da r cd i s t a n c ei sb 咖e e 咀3 2a n d3 4 “) u s ef x b z 硅8 0 0 ，5 3 0 一18 0 0a st e s t e di n s u l a t o r , s t u d yt h ef l a s h o v e rp e r f o r m a n c e u n d e rc o n d i t i o no fn o n - u n i f o r mc o n t a m i n a t i o nb a s e d a v e r a g es a l td e p o s i td e n s i t y ( s d d ) t h er e s u l t ss h o wt h a ti ft h er a t i oo fs a l td e p o s i td e n s i t yo ft o p $ t l r f a c ea n d b o t t o ms u r f a c e ( r a ) k e e pc o n s t a n t , t h eu s 0w i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go f s d d b y t h er e l a t i o n s h i po fp o w e rf u n c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i ce x p o n e n t ( c h a r a c t e r i z i n gt h e i n f l u e n c eo f s d d 0 1 1 惦oi sb a s i c a l l yn o ta f f e c t e db yt b ( 5 ) w h e ns d d k e e pc o n s t a n t , t h e 现ow i l li n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s i n go ft b i t m 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 i n d i c a t e st h a tt h ee x p r e s s i o nf o rc o r r e c t i o nf a c t o r c o r r e c t i n gt h ei n f l u e n c eo f n o n - u n i f o r mc o n t a m i n a t i o no nf l a s h o v e rv o l t a g es u i t a b l ef o rc o m p o s i t oi n s u l a t o rc a nb e a x p r e s s c d 勰置= l - o 0 0 5 3 ( s d d ) “。6 s s ( b ) 。1 呱，趾d t h i se q u a t i o nm t 卿st h en e e d o f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nb ye x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ( 6 ) b yu s i n gh i g h - s p e e dc a m e r a , t h ed cp o l l u t i o nf l a s h o v e rp r o c e s s 锄b e d e b e d 镐f o u r p h a s e s ：c o r o l l ad i s c h a r g e d e v e l o p i n go fp a r t i a ld i s c h a r g e , d e v e l o p i n g a n dd o n g a t i n gc o n t i n u o u s l yo fp a r t i a la r c ，f l a s h o v e ro fi n s u l a t o r d i f f e rf r o mu n i f o r m l y p o l l u t e dc o m p o s i t ei n s u l a t o r , t h ei n i t i a ls t a g eo fd i s c h a r g em a i n l yo c c u r so nt h et o p s u r f a c 七o fs h e d su n d e rn o n - u n i f o r mc o n t a m i n a t i o nc o n d i t i o n , a n dt h ep a r t i a la r ci sn o t e a s yt oh i k eu pf r o mt h es u l - f a c eo f i n s u l a t o ru n d e rt h i sc o n d i t i o n ( 7 ) e s t a b l i s hac i r c u i tm o d e lo f d cp o l l u t i o nf l a s h o v e rf o rc o m p o s i t ei n s u l a t o r , a n d a n a l y z e st h ef l a s h o v e rm e c h a n i s ma n df a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ec r i t i c a lf l a s h o v e rv o l t a g e b yt h i sm o d e l k e y w o r d s ：d cc o m p o s i t ei n s u l a t o r , s a l td e p o s i td e n s i t y , h y d r o p h o b i c i t y , 5 0 0 , 4 f l a s h o v e rv o l t a g e ，n o n - u n i f o r mc o n t a m i n a t i o n , c o r r e c t i o nf a c t o r , f l a s h o v e rm e c h a n i s m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：易略 签字日期： 如7 年歹月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：也峰 导师签名： 舒绛 签字日期： 如口7 年岁月瑶日签字日期：房矽年f 月p 6 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的目的和意义 我国经济的快速、稳定增长决定了我国电力在未来1 5 - 2 0 年内将会保持快速发 展。电力的快速发展必将导致能源消耗日趋增加。我国资源中心主要集中在西部地 区，而我国的负荷中心主要集中在经济发展较快的华南、华东地区及东北的重工业 基地，这些地区又严重缺能。我国电力的快速发展、能源资源分布及负荷发展的极 不均衡性，客观上决定了我国需大力发展大容量、远距离的超、特高压输电，电力 传送将形成西电东送、北电南送，按北、中、南三大通道流动的格局，这必然促进 跨大区电网的互联，实现资源的优化配置i 。 目前我国电网主网架由5 0 0 k v 交流和* 5 0 0 k v 直流系统构成，它承担着全国现有 约6 0 0 g w 的总装机容量，按照规划，到2 0 2 0 年我国还将新增5 0 0 g w 以上装机容量， 因此现有电网面临着输送能力薄弱和稳定性不足的双重挑战。高压直流输电在输电 容量、电网互联、电能损耗、节省线路走廊以及系统可靠性等方面都比交流输电优 越1 2 1 ，因此在西电东送、北电南送的过程中，高压直流输电方式将会得到广泛应用。 已开工建设的南方电网云广特高压输电工程即采用+ 8 0 0 k v 特高压直流输电，这是世 界上首个特高压直流输电工程，该工程的建成对促进我国电力工业的发展具有重要 的作用和深远的意义。同时，：t ：8 0 0 k v 特高压直流系统也是国家电网公司于2 0 0 5 年初 提出建设的“特高压国家骨干输电网架”的重要组成部分刚。 但是，随着输电电压等级的提高，对输电线路外绝缘的选择和设计要求也随之 提高。并且随着工业的发展，我国的大气污染程度日益加重，因此绝缘子污闪成为 电力系统安全运行的主要威胁士8 0 0 k v 特高压直流输电线路的直流电场强度高，有 较强的电晕放电，引起绝缘子表面积污比交流严重得多，因此提高绝缘子串的耐污 闪能力是保证：- 8 0 0 k v 特高压直流输电线路可靠、安全运行的关键之一口羽。复合绝 缘子与传统的瓷和玻璃绝缘子相比，具有重量轻、强度高、耐污闪能力强、无零值、 电晕小、电磁干扰小、无需进行污秽清洗、运行维护方便等优点。近年来世界上许 多国家包括美国、加拿大等国在复合绝缘予的研究和应用方面做了很多工作，也取 得了良好的运行效果 6 7 1 我国直流复合绝缘子于1 9 9 3 年首次在+ 5 0 0 k v 葛上直流输 电线挂网试运行，之后天广线、三峡一常州线、贵广线- 釉0 0 k v 直流输电线路也相 继采用复合绝缘子，至今已经有上万支。运行经验表明，复合绝缘子的使用对降低 现有a ：5 0 0 k v 直流输电线路污闪事故的发生具有重要作用。因此，鉴于传统的瓷和玻 璃绝缘子的众多不利因素及复合绝缘子的优势，我国实施西电东送、北电南送，发 重庆大学硕士学位论文1 绪论 展士8 0 0 k v 特高压直流输电线路必将大量采用复合绝缘子 8 9 1 。 随着复合绝缘子长期挂网运行以及环境的逐步恶化，近年来国内外关于复合绝 缘予发生外绝缘污秽闪络的事件日益增多。由于硅橡胶复合绝缘子具有特殊的物理 化学特性，其表面在受潮条件下会出现水珠间电晕放电，从而破坏硅橡胶基材憎水 性；加上复合绝缘子在长期运行中由于硅橡胶表面污层过厚导致憎水性难以迁移至 污层表面，从而导致其外绝缘性能大大下降【1 0 j ：并且运行中的复合绝缘子如果长期 处于污湿的环境中，硅橡胶则会吸收水分，其表面憎水性将不断减弱直至消失，因 此表面绝缘电阻下降，局部千区又加剧整支复合绝缘子电压分布不均匀，出现泄漏 电流陡增，突发闪络【l l 】。 此外，尽管国内外已将复合绝缘子应用于直流输电线路，但迄今为止复合绝缘 子的直流性能研究仍然极其有限，i e c 、c i g r e 、1 e e e 等国际学术组织也没有明确 提出直流复合绝缘子的试验标准及试验方法，不同的试验方法褥到的复合绝缘子耐 污特性也有很大的差异，可比性较差，主要体现在： ( 1 ) 目前研究直流复合绝缘子污秽闪络特性的人工污秽试验以均匀染污的方式 为主，没有考虑到风、雨等对运行绝缘子表面污秽的自然清洗作用，而实际运行绝 缘子上、下表面及杆径的污秽物是以不均匀的方式积聚的。因此，目前大多针对直 流复合绝缘子的人工污秽试验忽略了自然积聚状态下污秽不均匀程度的影响，不能 反映自然污秽状态下复合绝缘子的耐污特性以及人工污秽试验结果与实际运行数据 问的等价关系。 ( 2 ) 污秽物在复合绝缘子上、下表面不均匀分布时。直流电弧的发展及闪络过 程是否与污秽均匀分布时相同，或有何差异，国内外还鲜有报道。 ( 3 ) 在进行直流输电线路尤其是士8 0 0 k v 特高压直流输电线路外绝缘设计时。是 否可以直接引用现有瓷和玻璃绝缘子的闪络电压不均匀污秽修正系数公式对污秽在 直流复合绝缘子伞裙上、下表面不均匀分布的影响进行修正，或者对于直流复合绝 缘予，如何给出专门的污秽不均匀分布对闪络电压影响的修正公式，是超、特高压 直流线路复合绝缘子配置设计中函需解决的关键问题。目前国内已有少数单位进行 了这方面的探讨，获得了一定的成果，但试验数据极其有限，仍需进行更深入的研 究。 ( 4 ) 不同研究人员对憎水性作用认识上存在差异。目前绝大多数关于复合绝缘 子憎水性的试验是针对迁移特性进行的，在染污前对硅橡胶表面擦附一层很薄的硅 藻土，此种预处理方法实际上只是暂时屏蔽了基材表面憎水性，但并未改变硅橡胶 材料的分子特性。而关于实际运行复合绝缘子自然染污时表面处于何种憎水性状态 以及在何种憎水性状态下染污对系统危害最大目前未见相关报道，因此关于染污前 复合绝缘子憎水性状态对其染污后直流耐污性能的影响如何需要进行进一步的研 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 究。 因此，必须加强对复合绝缘子直流污秽闪络的机理、闪络特性以及闪络电压和 污秽程度、污秽积聚状态之间关系的研究，并深入研究直流电压下污秽复合绝缘子 的电弧发展、闪络过程，这对我国顺利开展和实施+ 8 0 0 k v 特高压直流输电建设、“西 部大开发”战略和“西电东送、南北互供、全国联网”工程，促进本学科领域研究 的进步，具有重要的学术意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 随着复合绝缘子制造工艺的日趋成熟，对复合绝缘子的研究方向相应地由工程 性逐渐转向机理性，包括复合绝缘子的沿面染污放电机理、直流污秽闪络特性和伞 裙护套材料的憎水性迁移机理等。迄今为止，对上述特性和机理的研究己取得了一 定的进步，积累了较丰富的经验。 1 2 1 复合绝缘子污秽闪络机理及模型 传统的瓷和玻璃绝缘子表面呈亲水性，硅橡胶复合绝缘子表面里憎水性，且憎 水性能够迁移至表面污层，这使复合绝缘子的耐污闪性能大大优于瓷和玻璃绝缘子。 然而，迄今为止关于复合绝缘子的染污放电机理仍未达成共识，仍需进行系统、深 入的研究。 早在1 9 5 8 年，德国学者o b e n a u s 针对亲水性的瓷和玻璃绝缘子的染污放电特性， 提出了著名的定量分析污闪的电路模型1 1 2 】，并给出了该模型的数学表达式： u = 硝1 + x r ( x )( 1 1 ) 式中：【厂为外施电压；彳为与电弧周围介质及电弧冷却情况有关的常数；r t 为与电 弧电流有关的常数；工为电弧总长度；，为电弧电流；胄为剩余污层电阻。 a l s t o n 等对长为三、宽为d 的均匀染污平板玻璃进行污秽放电试验，在o b e n a u s 模型的基础上提出亲水性表面污秽闪络的l 临界电压以、临界弧长x 。、临界电流l 和 相应的剩余污层电阻r ( x ) 为【1 3 1 ： 上_ u 。1 = a “l r t 石t( 1 2 ) ， x o l = ：；j ( 1 3 ) 厅十j j 上 k = ( = ) ”1 ( 1 4 ) r 墨( 力= r o ( l 一力 ( 1 5 ) 式中：为单位长度污层电阻；当弧长小于j ，c 时，必须相应增加外施电压，否则燃 弧不能维持；当弧长大于丘时，即使电压不增加，电弧仍能自动延伸，直至贯通两 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 极。 近年来，国内外学者研究了硅橡胶复合绝缘子的闪络机理，提出表面污层具有 憎水性的复合绝缘予污闪过程如下【1 4 1 坷： 1 ) 污层的形成；经过一段时间运行的复合绝缘子表面均能够累积一层连续污 层。 2 ) 低分子聚合物的扩散：硅橡胶伞裙护套中的一些憎水性低分子聚合物o m w ) 能够迁移至表面污秽物中，使污层具有憎水性。 3 ) 污层的受潮：具有憎水性的污层使雾、雨、露等各种形式的水分只能在污层 表面形成离散的水滴，水滴之间则为高阻于区，如图1 1 ( a ) 所示。水滴仅能够轻微 地向污层扩散，扩散程度取决于污层憎水性的强弱。 4 ) 污层电阻的发热；高阻干区的存在使得仅有微小的泄漏电流流过污层。电流 流过污层电阻产生的热量一方面干燥污层，使污层阻值增大；另一方面，因电解液 具有正温度系数，又使污层阻值减小这两个相反的因素使泄漏电流平衡在一个微 小值上。 5 ) 电场对水滴的作用；长时间的潮湿条件使水滴间的干区减少，因而水滴间的 电场增强。在足够大的电场力作用下，沿电场方向的相邻水滴可能连接成细长水带， 如图1 1 所示。 6 ) 火花放电：水带的形成进一步增强了沿电场方向的相邻水带间的电场，使相 邻水带的端部发生放电，如图1 1 ( b ) 所示。此时的污层阻值还很大，其限流作用使 这些放电成为此起彼伏的火花放电。 7 ) 憎水性的丧失：火花放电使污层的憎水性部分丧失，这使污层与水带之间的 相互溶解程度增大，水带电导率增大，且较短的水带进一步凝结成较长的水带或面 积较大的湿区，如图1 1 ( c ) 所示。 8 ) 闪络：长水带和湿区的形成为电弧的形成和发展提供了条件。当点二五二蛔 时( 艮为单位长度电弧弧柱压降，巨。为单位长度水带压降) ，某处的电弧( 一般在 高压电极处) 迅速跃起，越过各水带表面，连接各个局部电弧，导致闪络 电报 h v 水漪千医 电梗 ood o0 00d b00000o o oaooo 口oooooooooo o o ooo ooooo oooo o d ( a ) 离散的水滴 4 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 电权 水带 火花放电 电梗 ( b ) 水带和火花放电 长水带电甄灌区电扳 ( c ) 长水带和电弧 图憎水性表面染污放电过程 f i 9 1 i c o l l t r f f l i n a l i o n d i s c h a r g e p r o c e s s o n h y d r o p h o b i es t l t f a c e m i n e s hs h a h 等研究结果表明【16 ，1 7 1 ：与传统瓷和玻璃绝缘子在任一时间点上沿着 干燥带只有一条电弧产生不同，复合绝缘子表面可以形成若干条丝状干燥带，并可 以同时产生几条独立的电弧，外施电压则是电弧电压和丝状干燥带电压降之和。高 阻值的丝状干燥带限制了泄漏电流从而提高了闪络电压。复合绝缘子闪络的必要条 件是：电弧电场小于丝状干燥带电场，即点k 1 1a ：为反映污层憎水性强弱的溶解系数，a 2 l 。 将上述结果与亲水性表面的模型相比较可得到： ( 1 ) 剩余污层阻值：恐( 力= a l a 2 r l ( x ) r d x ) ( 2 ) l 豳界闪络电流；如# 士l ， o ( 1 1 3 ) 憎水性表面与亲水性表面的临闪电压差值中的第1 项是由憎水性表面和亲水性 表面的串联电弧数的差异造成的，即维持憎水性表面多个短电弧比维持亲水性表面 单个长电弧需要更高的压降，二者差值为这些短电弧的阴、阳极压降之和【1 9 j ；第2 项是由憎水性表面和亲水性表面的剩余污层阻值的差异造成的。上述模型清楚地反 映了憎水性表面的优良耐污闪性能，即临闪电流低和临闪电压高的特点。 王绍武等研究认为刚：尽管憎水性表面的污闪模型与亲水性表面污闪模型在表 述方法上相同，但实际的物理过程却是有明显差异的。在憎水性表面，水带的发展 延伸是闪络过程中的主导因素，剩余干区击穿时，水带的长度已是可能的最大值， 如果外施电压u 芝u 。，沿面闪络将立即发生。因此，闪络前电弧不表现出明显的发 展延伸过程，电弧的发展速度远高于亲水性表面的情况。如果此时u u a ，在短时 间内闪络将不会发生，除非憎水性状况明显下降或受潮条件明显加重。而亲水性表 面的污闪是与静电力、电磁力以及热浮力有关的局部电弧不断向前延伸的过程【2 l l 。 1 2 2 均匀染污复合绝缘子直流污秽闪络特性 直流绝缘子的污闪过程和污闪特性与交流情况下有较大差异。这些差异主要体 现在直流污闪过程中直流电弧不存在零休并伴有明显瓢弧现象。因此，直流绝缘子 的污闪电压比交流污闪电压低。并且随着污秽程度的增加，直流污闪电压比交流污 闪电压低的比率增大。 ( 1 ) 复合绝缘子直流污闪电压与串长的关系 从目前国内外所进行的研究结果来看，即使在特高压输电线路的范围内，直流 瓷和玻璃绝缘子串的污闪电压与串长基本呈线性关系。对于复合绝缘予，在这方面 的研究较少，但从目前已有的研究结果来看，二者也基本呈线性关系。 中国电科院的研究结果表明阎：对伞型完全相同、仅结构高度不同的两支复合 绝缘子，在盐密( 配i d ) 和灰密a 观l d ) 分别为o 1 0 m g c m 2 ；r h l o 6 0 n 删且表面憎水性 完全丧失的情况下，其单位爬电距离下的5 0 直流闪络电压是相同的，即亲水性复 合绝缘子的直流污秽闪络电压和复合绝缘子的爬电距离或结构高度成正比。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 中国南方电网公司在瑞典s t r i 实验室的研究结果表明倒：盐密分别为0 0 5 、 0 1 0 m g g m 2 对 ，串长8 1 6 m , 蝴，特高压直流复合绝缘子的污闪电压与绝缘子长度 ( 绝缘距离) 呈线性关系，如图1 2 、1 3 所示 8 0 0 6 0 0 1 4 s 2 0 0 0 0246 81 0024681 0 绝缘距离m绝缘距离m 图i 2 s d d = o 1 0 r a g e r a 2 、n s d d = 0 6 0 删咖m 2 时图1 3 s d d = o 0 5 m g c m 2 、n s d d = o 3 0n 1 i 咖m 2 污闪电压与绝缘距离的关系时污闪电压与绝缘距离的关系 f i g1 2r e l a t i o nb c 船lp o l l u t i o nf l a s h o v e rf i g1 3r e l a t i o nh 钿a mp o l l u t i o nf l a s h o v e r v o l t a g e 锄di n s u l a t i o nd i s t a n c ev o l t a g ea n di n s u l a t i o nd i s t a n c e ( s d d = 0 1 0m g ，b 矿、n s d d = 0 6 0 加g 咖。) ( s d d t 0 0 5m g b 一，n s d d = o 3 0m g b t ) ( 2 ) 盐密对复合绝缘子直流污闪电压的影响 盐密( s d d ) 是表征绝缘子运行状态的重要特征量之一阴，是电力系统进行外绝 缘污秽等级划分、外绝缘设计、运行维护工作的重要依据，在电力系统中得到广泛 的应用。 大量研究结果表明3 嘲：以n a c l 模拟导电物质，均匀染污下复合绝缘子的污 闪电压( u f ) 与盐密( s d d ) 之间为幂函数关系，将跚i d 当作独立参量，则污秽绝缘子 污闪电压( 珥) 与s d d 的关系为： 玑= a ( s d d ) 一6( 1 1 4 ) 式中；& ) d 为绝缘子等值盐密，m p j c m 2 ：以为污闪电压，k v ；么是与绝缘子型式等 有关的系数；6 为表征艇 d 对污闪电压影响的特征指数。 国内外大量试验研究结果表明p t - z 吩l ：直流电压下，表面污层具有一定憎水性的 复合绝缘子污闪电压的盐密影响特征指数( 6 ) 为0 2 0 - 4 ) 2 8 ，小于瓷和玻璃绝缘子的 0 3 0 4 ) 3 7 1 2 6 , 3 0 l ，即直流下盐密对表面污层具有憎水性的复合绝缘子的影响小于瓷和 玻璃绝缘子。 文献【2 2 】试验结果表明：即使复合绝缘子表面憎水性完全丧失，其直流污闪电 压仍高出相同长度的瓷或玻璃绝缘子串2 0 - - - 5 0 ，且盐密越重，复合绝缘子污闪电 压比瓷或玻璃绝缘子提高的幅度越大。现场运行经验表明，运行多年的复合绝缘子 表面仍具有一定憎水性。即便在极端情况下，复合绝缘子表面憎水性完全丧失，其 耐污性能也优于相同长度的瓷和玻璃绝缘子。完全丧失僧水性的复合绝缘子直流污 闪电压的污秽影响特征指数为0 4 9 。 7 啪 啪 啪伽 娜。 童g 苦 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 3 污秽不均匀分布对复合绝缘子直流污闪电压的影晌 绝缘子表面的积污状态是实际运行环境综合作用的结果，可以反映自然污秽状 态下绝缘子的耐污特性，所以自然污秽条件下的试验有着重要的意义，有助于建立 人工污秽试验结果与实际运行数据问的等价关系。 运行直流输电线路实测结果表明刚司3 】：直流绝缘子积污比交流绝缘子严重。直 流绝缘子表面灰密与盐密的比值平均在5 - 6 左右。这是由于在风力和直流电场力的 作用下，大气中的带电粒子更易被引向绝缘子周围；对于未带电的粒子，在电场中 因静电感应也会沿电场方向移动，最后积聚在绝缘子上。在运行中由于雨水冲洗作 用，一般直流绝缘子上表面积污较下面表面轻。但在快速污染下，则上表面比下表 面积污严重。有时还会因单向风的作用使绝缘子表面沿圆周积污不均匀，所以直流 绝缘子在运行中不均匀积污的现象较普遍，也较严重。 日本n a i t o 等人研究了标准悬式瓷和玻璃绝缘子运行条件下的污闪特性，结果表 明刚：运行中的绝缘子上、下表面积聚的污秽是非常不均匀的，分布不均匀与绝缘 子各部位的场强、自然条件下风、雨清洗有关。根据绝缘子形式和其自清洗情况， 上、下表面积污比( 刀功有所不同，一般在1 5 1 1 0 ，有时高达1 2 0 。绝缘子污秽不均 匀分布的污耐压n 相对于污秽均匀分布的污耐压圪的倍数如图1 4 。从图中可以看 出，当明睁l ，5 时，耐压增加约3 0 ，当刀b = l l o 时，耐压值增加约5 0 ，当t b 趔z 到 1 1 5 或1 2 0 时，耐压值增加大于5 0 。 2 1 5 乏1 0 5 o oo 20 40 6o 8l 上，下表面盐密比 图1 4 污秽不均匀分布污耐压h 相对于均匀分布污耐压圪比率 f i g1 ar j l t i oo f w i t h s t a n dv o l t a g eo f n o n - u n i f o r m l yc o n t a m i n a t e di n s u l a t o r s t ot h a to f t m i f o r m l yc o n m m i n a m di n s u l a t o r s 绝缘子上、下表面盐密之比对污耐压特性影响较大，美国e p r i 提出直流绝缘子 上、下表面污秽不均匀分布对绝缘子直流污闪电压( ) 影响的修正公式为阅： 矿下 足2 管2 1 一0 3 8 l g ( ( 1 朋) 阪 一矗 、7 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 式中：巧、既分别为上、下表面积污不均匀和均匀时绝缘子的直流污闪电压；哟上 表面的污秽状况；曰为下表面的污秽状况；z 陋为上、下表面污秽分布不均匀的比值。 该公式主要应用于瓷绝缘子，并以下表面盐密为基准，即试验时保持下表面盐密不 变，不断改交上表面盐密，从而获得不同的上、下表面盐密比。 河北电力部门对相同污秽环境下复合绝缘子和瓷绝缘子自然积污规律的研究结 果表明州：由于复合绝缘子表面光洁度比瓷质绝缘子低，更易吸附自然界的各种污 秽，其盐密较相同污区内的瓷质绝缘子要高出1 2 倍。 瑞典a s e a 公司与美国b p a 公司对复合绝缘子在自然污秽条件下积污规律的试 验结果表明【3 刀：复合绝缘子在风雨下有自清洗能力，但其积污量是瓷绝缘子的1 5 2 倍；复合绝缘子下伞面比上伞面积污要多，户外带电绝缘子的污秽为不带电绝缘子 的3 倍，大伞径伞比小伞径伞的盐密要小。经一年、一年半、两年积污后，上下伞表 面积污比分别为0 3 、0 。3 5 、0 1 。 中国南方电网公司通过对长4 3 m 的特高压直流复合绝缘子短样进行试验，结果 表明口硼：当复合绝缘子表面憎水性完全丧失，上、下表面平均盐密为o 。1 0 n l g c m 2 、 灰密为0 6 0 i n g 锄2 不变时，复合绝缘子直流污秽闪络电压梯度与污秽不均匀度的关 系如图1 5 所示，并通过线性拟合得到二者的关系为： u 5 庐7 7 4 + 0 8 5 ( s d d b s d d r ) ( 1 1 6 ) 式中：s d d s 、& i d r 分别为下、上表面盐密值；嗡为直流复合绝缘子沿绝缘距离的 污闪电压梯度，k v m 。 02468 污秽不均度( f 上) 图1 5 闪络梯度与污秽不均匀度的关系 f i g1 5 r e l a t i o n b e t w e e n f l a s h o v e r v o l t a g e o f p e r u n i t i n s u l a t i o n d i s t a n c e a n d d e g r e eo f n o n - u n i f o r ma b o u tc o m m i n a t i o n sd i s t r i b 咖 文献 2 2 】在盐密统一取o 1 0 m g c m 2 、灰密统一取o 6 0 m g c m 2 情况- f ，对上、下表 面污秽比分别为l ：l 、1 ：3 、1 ：5 、l ：7 和l ：i o 的复合绝缘子进行无憎水性的人工污秽试 验。结果表明：当复合绝缘子上下表面污秽不均匀程度较轻时，如1 ：3 和1 ：5 时。其 9 暑； 伯 舳 蚰 菖，a)d憾嚣田廿船匿 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 人工污闪电压同均匀污秽时相比差别不大，几乎没什么变化，但随着不均匀程度的 增加，其污闪电压逐渐升高。 1 2 4 憎水性对复合绝缘子直流污闪电压的影响 憎水性是指绝缘材料所吸收的水分在其表面仅以不连续的孤立小水珠形式存 在，不形成连续水膜，绝缘表面难以构成导电通道。许多材料都具有憎水性，目前， 电力系统中大多采用硅橡胶复合绝缘子，这源于硅橡胶复合绝缘子具有独特的憎水 性、憎水迁移性以及可自恢复性1 3 9 - a l 。 表征复合绝缘子憎水性的方法主要有静态接触角法、喷水分级法m 1 饵c 法) 等， 也可直接通过湿润条件下的表面电阻或泄漏电流来表征材料的僧水性l 柏j 。 由于复合绝缘子具有憎水性，因此传统的人工污秽试验首先要解决的是如何在 憎水性表面获得污层。一般在染污前对复合绝缘子进行预处理，即在复合绝缘予表 面均匀涂摸一层很薄的干燥硅藻土，暂时屏蔽了复合绝缘子基材的憎水性，从而使 污秽物能很好地附于其表面。关于憎水性动态变化的影响，目前有两种不同的意见， 一是等待污层获得憎水性后进行污秽试验；二是不等憎水性迁移就立即在亲水性状 态下进行试验，该种方法模拟了复合绝缘子在最严酷的条件下的污闪特性。 清华大学通过对硅橡胶复合绝缘子样品进行试验，结果表明1 4 ； 1 ：复合绝缘子沿 爬电距离的污闪电压梯度( 最) 主要取决于表面污层的憎水性及污秽度。当表面污层 憎水性保持不变时，e 随盐密( s d d ) 的增加而减小，并且在各个憎水性级别下都呈 现这样的关系；当s d d 保持不变，并且憎水性从h c 7 逐渐上升到h c 4 级时，五，逐 渐增大。当憎水性从h c 3 上升到h c l 时，e 趋于饱和，如图1 6 所示。 1 4 1 2 冒1 生0 日 譬 一0 a 0 t l o 2 d正l 0 2 d 3 皿4 5 d d ( m 鳓 图1 6 闪络电压梯度与憎水性级别及污秽度的关系 f i g1 6r e l a t i o nb e “卅np o l l u t i o nf l a s h o v e r