（高电压与绝缘技术专业论文）复合绝缘子冷雾试验装置及方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文结合复合绝缘子污闪高发的气象条件，研制了一种可宽范围调节雾室温 度、起雾速率、雾温度的复合绝缘子污闪试验系统，其温度调节范围为2 0 4 0 ， 起雾速率调节范围为o 0 2 5 0 3 7 5k g ( h m 3 ) ，雾温度调节范围为0 4 0 c 。本文通 过湿污法试验和污耐受试验利用该系统对复合绝缘子的污闪特性进行了初步研究。 结果表明，在复合绝缘子完全丧失憎水性且充分湿润的情况下，温度对复合绝缘子 的污闪电压几乎没有影响：憎水性充分迁移的复合绝缘子试品经过低温及冷雾的长 时间作用有可能发生闪络，发生闪络的试品的表面泄漏电流累积脉冲数目和累积放 电量的上升速度及幅值均高于未闪络的试品，但定量关系需要进一步研究。 关键词：复合绝缘子，闪络，温度，雾 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lm e t e o r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o s tc o n t a m i n a t i o n f l a s h o v e rp r o b l e m so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s ，ac o l df o gt e s t i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d ， w h i c hi n c l u d e st h ef u n c t i o nt or e g u l a t et h et e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n t a lt e s t i n g c h a m b e r , f o g g e n e r a t i n gs p e e da n dt h et e m p e r a t u r eo ff o gi nal a r g er a n g e t h e t e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n t a lt e s t i n gc h a m b e rc a nb ec o n t r o l l e df r o m 2 0t o4 0 ：t h e f o g g e n e r a t i n gs p e e dc a nb ec h a n g e df r o m0 0 2 5t o0 3 7 5k g ( h m ) ；t h et e m p e r a t u r eo f f o gc a nb ec h a n g e df r o m0t o 加b a s e do nt h et e s t i n gs y s t e m t h e t e s to f c o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r sh a sb e e nc a r r i e do u t u s i n ge q u i v a l e n t - f o ga n dc l e a nf o gt e s tm e t h o d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e t e m p e r a t u r eh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h ef l a s h o v e rv o l t a g eo ft h ec o n t a m i n a t e dc o m p o s i t e i n s u l a t o r sw i t h o u t h y d r o p h o b i c i t y t h ec o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e rp r o b a b i l i t y o ft h e c o m p o s i t ei n s u l a t o rs a m p l e sw h o s eh y d r o p h o b i d t yh a v ea l r e a d yw e l lm i g r a t e dc o u l db e i n c r e a s e du n d e rt h ec o n d i t i o n sw i t hl o wt e m p e r a t u r ep l u sl o n gw e t t i n gt i m e ，m o r e o v e r , t h ea m o u n ta n dt h ec h a n g eg r a d i e n to ft h ec u m u l a t ep u l s en u m b e ro ft h ef l a s h e d o v e r s a m p l e sa r em u c hh i 【g h e rt h a nt h o s eo ft h ew i t h s t o o ds a m p l e s t h ec u m u l a t ed i s c h a r g e q u a n t i t yh a sa l s ot h es a m et e n d e n c y h o w e v e r , f u r t h e rw o r ks h o u l db et a k e nt os t u d yt h e q u a n t i t a t i v er e l a t i o n sa m o n g t h e s ep a r a m e t e r s z h a n gs h u q i ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db yp r o f d i n gl i j i a n k e yw o r d s ：c o m p o s i t ei n s u l a t o r , f l a s h o v e r , t e m p e r a t u r e ，f o g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文复合绝缘子冷雾试验装置及方法 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 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了谢意。 学位论文作者签名：弛盗 日 期：皇! 12 ：! 星 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：三蚴导师签名：雄 日期：! 12 ：芝：易日 期：塑2 ：些 ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的选题背景及意义 第一章引言 在输电线路中，绝缘子的主要用途是将高压导线与线路杆塔在机械上相互连 接，在电气上相互绝缘。运行中的绝缘子长期暴露在大气环境中，受大气污染的影 响很大，污闪特性也就成为衡量其电气性能的重要指标。绝缘子发生污闪的主要原 因是：运行中的绝缘子经常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等的污染；在干燥 的情况下，这些污秽物的电阻很大；但当大气湿度较高，在毛毛雨、雾、露、雪等 不利气候条件下，绝缘子表面污秽物被润湿时，其表面电导和泄漏电流剧增，使绝 缘子的闪络电压显著降低，甚至可使绝缘子在工作电压下闪络。 传统的绝缘予以电瓷或玻璃作为绝缘材料并承担机械负荷。然而，传统的瓷、 玻璃绝缘子在运行中发生了大量的污闪事故，严重影响了电力系统的安全运行1 1 n “。 由于受瓷及玻璃绝缘子本身耐污性能的限制，传统的防污闪措施如调爬、清扫等， 也都未能从根本上解决污闪问题【3 】。2 0 世纪9 0 年代以来，我国己多次出现大面积 污闪事故，如1 9 9 0 年华北地区的大面积污闪事故，1 9 9 6 1 9 9 7 年华东地区的大面积 污闪事故，以及2 0 0 0 年辽宁、华北、河南等地的大面积污闪事故，都具有事故影 响范围大、持续时问长、经济损失严重等特点，给电力系统的安全稳定运行带来了 重大威胁，电气设备防污闪新技术的开发和应用已成为长期以来的工作重点。 相关的研究表明：与传统瓷和玻璃绝缘子相比，新型的硅橡胶复合绝缘子具有 明显优异的耐污闪性能。硅橡胶复合绝缘子( s i l i c o n er u b b e ri n s u l a t o r s ) 又称合成绝 缘子( c o m p o s i t ei n s u l a t o r s ) ，由硅橡胶材料制成的伞裙护套、玻璃纤维增强的环氧树 脂芯棒及端部金具组成。硅橡胶复合绝缘子优异的耐污闪性能来源于其外绝缘材料 硅橡胶良好的憎水性( h y d r o p h o b i c i t y ) 和独特的憎水迁移性( h y d r o p h o b i ct r a n s f e r p r o p e r t y ) 。所谓憎水性是指硅橡胶复合绝缘子表面受潮后，吸附的水分以不连续的 孤立小水珠的形式存在，不形成连续水膜，从而限制了表面泄漏电流，提高了闪络 电压；所谓憎水迁移性，是指硅橡胶表面脏污后，硅橡胶可以把自身的憎水性迁移 到污秽物表面，使污秽物表面也具有憎水性【”。 优异的耐污闪性能使得硅橡胶复合绝缘子在电力系统中获得了越来越广泛的 应用。在我国，硅橡胶复合绝缘子的应用开始于2 0 世纪8 0 年代中期，并从9 0 年 代中期开始得到迅速的推广使用【3 1 。据不完全统计，截至1 9 9 8 年底，我国3 5 k v - 5 0 0 k v 交流输电线路硅橡胶复合绝缘子的用量达到6 0 万支【3 】；至2 0 0 1 年，全国电网运行 总数达1 6 0 万支1 5 1 ；至2 0 0 3 年达到2 5 0 万支1 6 】；至2 0 0 5 年达到6 0 0 多万支【”。十几 华北电力大学硕十学位论文 年来的运行经验也表明复合绝缘子在防止大面积污闪方面表现非常突出 3 1i s 】。例如： 1 9 9 6 年底至1 9 9 7 年初，华东、华中、西北、山东、福建等地电网相继发生大面积 污闪，而运行于中等及重污秽地区的全部2 0 多万支复合绝缘子却无一闪络p j 。 然而，硅橡胶复合绝缘子在我国十几年的运行经验同时也表明：硅橡胶复合绝 缘子耐污闪能力强并不等于其可以完全杜绝污闪的发生。在文献1 9 1 统计的数据中， 全国复合绝缘子污闪次数为3 8 次，占复合绝缘子表面闪络总故障率的5 3 。由于 憎水性的引入，复合绝缘予的污闪过程和污闪机理远较瓷和玻璃绝缘子要复杂。如 何来更为合理地评价复合绝缘子的耐污闪性能是我们所面临的问题。 本文对收集到的3 6 起硅橡胶复合绝缘子污秽闪络或疑似污秽闪络案例1 1 “1 进 行了分析总结。在这3 6 起闪络中，有7 起大雾中闪络、3 起毛毛雨中闪络、2 6 起 高湿度或结露环境中闪络；文献中明确指明发生在1 0 月至4 月的有1 3 起；发生在 夜间和凌晨的有2 3 起；闪络时气象条件的共性为低温、有雾、有雨、空气湿度较 大、结露严重。然而，目前对于这些典型气象条件下复合绝缘子的污秽闪络特性， 国内外均没有进行深入系统的试验研究，对闪络原因的解释，相关文献也多以猜测 为主( 1 卯。 另外，从统计数据来看，硅橡胶复合绝缘子的不明原因闪络占闪络事故的相当 大的比例。在文献【9 l 统计的数据中，全国复合绝缘子不明原因闪络次数为1 3 9 次， 占复合绝缘子表面闪络总故障率的1 9 3 。不明原因闪络都是瞬间出现便立即消失 的闪络。有文章【1 2 l 对不明原因闪络进行分析，认为发生不明原因闪络有可能是受持 续的雾湿天气使绝缘子伞裙表面憎水性能暂时消失的影响，从而提出应对污秽复合 绝缘子在低温下、较长时间雾湿条件下的污秽耐受性能进行研究。然而由于模拟低 温下的雾湿试验设备不具备，该文未进行此项试验研究。 近年来，随着复合绝缘子在我国电网中挂网数量日益增多，所占比例越来越大， 运行环境也交得越来越复杂，污闪已经变成了一个不可忽视的问题。从复合绝缘子 的外特性入手，系统的研究不同温度、湿度、雾等气象条件下复合绝缘子的污闪特 性和机理，深入分析环境应力对复合绝缘子耐污闪性能的影响，对硅橡胶的外绝缘 设计和运行维护等方面的工作均具有十分重要的意义。 1 。2 复合绝缘子污闪典型气象条件分析 污闪发生时的典型气象条件为环境温度在o ( 特别是3 范围内) 附近波动， 大雾，相对湿度高，经常伴有其它形式降水【1 。1 引。 在冷暖气流交汇处出现的大雾、降雪和阴雨，是导致区域性和大面积污闪最恶 劣的气象条件，尤以浓度高、持续时间长、气温适中而导致多种易污闪气象条件( 如 雾凇、雨凇、融冰、融雪等) 共生的大雾危害性最大【”1 。 2 华北电力大学硕+ 学位论文 典型案例如，2 0 0 5 年1 月2 4 日7 点5 8 分，河南省平顶山市电业局辖区2 2 0 k v 姚舞线舯杆b 相复合绝缘子污秽闪络。当地气象监测显示2 4 日8 点左右：温度3 5 、湿度9 3 、风速2 4 米秒，铁塔上出现部分结冰现象，当地有大雾，能见度为 2 0 米。 所以，研究复合绝缘子污闪特性时，应对长时间的低温、浓雾等条件给予重视。 1 3 复合绝缘子人工污秽试验方法的发展现状 目前，针对复合绝缘子并无统一的试验方法考核其耐污闪性能。国际国内复合 绝缘子的人工污秽试验方法均参照瓷和玻璃绝缘子人工污秽试验方法均依照固体 层法和盐雾法简单发展而来。其中固体层法得到了最广泛的应用。固体层法的特点 是首先通过喷污、涂污或浸污等方式在绝缘子表面构成人工污秽固体涂层，待涂层 干燥后再在雾室内受潮，进行闪络试验。 固体层法试验可用3 种不同的方法产生雾。即冷雾、冷热混合雾和蒸气雾。冷 雾通过空气压缩机或超声波起雾器产生。蒸气雾通过锅炉或者通过电加热器产生， 包括蒸气雾和蒸发雾。冷热混合雾是由冷雾和蒸气雾混合而成的雾1 2 0 j 。 研究人员在研究复合绝缘子污秽闪络特性时主要采用i e c 推荐的蒸汽雾法【3 2 。2 5 1 。i e c 推荐的蒸汽雾法在进行闪络试验时一般采取下面两种方式： 方式a ：当试品在雾室中受潮至饱和或污层电导率达到最大后对试品加上试验 电压并维持至闪络，如不出现闪络，则维持1 5 m i n 。 方式b ：施加试验电压后供雾。在正常周围温度下，蒸汽雾的输入速率应在 0 0 5 0 0 1 k g ( h m 3 ) 范围内。试验电压应维持至闪络，否则应从试验开始算起维持 1 0 0 r a i n 。或是直至其泄漏电流峰值持续下降至最大峰值的7 0 。 蒸气雾法的优点是起雾操作简单、易于控制，易于规范化，雾滴均匀，能在较 短时间内使绝缘子均匀受潮。蒸气雾法的缺点是温度不易控制。而温度是影响绝缘 子人工污秽试验结果的最主要的参数之一，温度对污闪特性的影响是不能忽略的。 冷雾法使人工污秽试验中雾室温度和雾温都可以获得更好的控制以更接近于 绝缘子的真实运行状态，因而有其独特的优势。但目前研究和应用较少。 1 4 复合绝缘子污闪特性的研究现状 在瓷和玻璃绝缘子的固体层法试验中，污秽、雾和温度是影响试验结果的最主 要的三个参数。在复合绝缘子的固体层法试验中，除了要考虑上述三个参数外，还 要考虑憎水性对试验结果的影响。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 4 1 憎水性状态对复合绝缘子耐污闪性能的影响 硅橡胶复合绝缘子涂污后，随着放置时间( 即憎水性迁移时间) 的增加，污层 表面的憎水性从无到有不断变化，直至饱和1 3 1 。清华大学王绍武等研究人员采用蒸 汽雾法研究了雾闪试验前试品的初始憎水性状态( 用h c 值表示) 和污秽度( 以盐 密表示) 对复合绝缘子污闪特性的影响。研究认为在形状结构确定的前提下，复合 绝缘子的污闪电压由污层表面的憎水性状况与污秽度共同决定。在污秽度一致的情 况下，憎水性越强，闪络电压越高；在憎水性相同的情况下，盐密越高，闪络电压 越低。憎水性充分迁移的绝缘子( 污层表面憎水性恢复至饱和) 的闪络电压与憎水 性完全丧失状态的绝缘子的闪络电压相比，分别提高了5 0 8 0 不等，盐密大时提 高的幅度更大。当憎水性由h c 7 变到h c 5 h c 6 时，绝缘子污闪电压的增幅最大， 约占总增量的6 0 8 0 。憎水性继续增加时，闪络电压的变化趋于平缓1 3 2 1 1 。 王绍武等研究人员认为复合绝缘子的污闪试验中应该包括憎水性完全丧失和 憎水性迁移至规定时间两个状态的试验，提出从憎水性模拟的角度出发，人工污秽 试验中应该选用有利于憎水性迁移的污秽物质，在此方面硅藻土是最佳的选择；为 了考核复合绝缘子在憎水性完全丧失时的极端条件下的耐污闪性能时，应在污层干 燥后立即进行试验，在标准实验室环境条件下，从污层干燥到试验的时问不应超过 1 小时；为了考核复合绝缘子在憎水性迁移至规定时间状态下的耐污闪性能时，应 在涂污后4 天进行试验。目前，上述复合绝缘子耐污闪性能评价方法已经得到电力 行业相关标准的引用f 2 2 ，2 丘卅。但上述方法试验时间从3 0 m i n 2 h 不等，没有考虑到 复合绝缘子在运行中表面受潮和憎水性减弱的动态变化情况，在研究复合绝缘子长 期污湿特性时，具有一定的局限性。但目前，尚无从憎水性动态变化模拟角度来研 究复合绝缘子污闪特性的方法【2 8 】。 1 4 2 雾浓度对复合绝缘子耐污闪性能的影响 i e c 蒸汽雾法规定的蒸汽雾的输入速率应在0 0 5 o 0 1 k g ( h m 3 ) 范围内。这样 的试验方法在评价瓷及玻璃绝缘子时是合适的。清华大学的研究发现，当蒸汽雾的 输入速率由0 0 5 k g ( h m 3 ) 加3 0 k g ( h m 3 ) 逐渐增加时，瓷绝缘子的污闪电压的变化不 超过1 5 ，可以认为起雾速率的变化对瓷及玻璃绝缘子的污闪电压没有影响；而对 于硅橡胶复合绝缘子，污闪电压的下降达到了2 5 以上，并且污闪电压的下降在蒸 汽雾的输入速率达到o 2 0 k g ( h m 3 ) 时基本达到饱和【2 3 1 。研究认为蒸汽雾起雾速率对 复合绝缘子污闪电压的影响是由不同的潮湿条件下绝缘子污层表面憎水性状态的 不同引起的1 2 3 j 。 运行中的复合绝缘子会遭遇持续时间不同，浓度不同的雾，而雾的产生通常又 会经历一个由轻到重的过程。不同的雾参数对复合绝缘子污层表面的憎水性及耐污 4 华北电力大学硕士学位论文 闪性能会产生不同的影响。为了更为合理地进行复合绝缘子人工污秽试验和外绝缘 设计，有必要全面地把握雾参数对复合绝缘子憎水性及耐污闪性能的影响规律。但 截至目前为止，对复合绝缘子人工污秽试验中雾参数的设置尚未达成一致，有待于 继续研究。 1 4 3 温度对复合绝缘子耐污闪特性的影响 蒸汽雾法试验中，温度是需要控制的另一个因素。雾室内的温度将影响雾室中 雾的参数，即使在雾室中保持蒸汽量恒定，雾的密度也会随环境温度而变化1 2 0 1 。绝 缘子自身温度与环境温度之自】的温差对绝缘子在雾中的湿润有重要影响。由于绝缘 子自身温度低于雾室温度所造成的冷凝作用也是一种重要的湿润方式，这种由温差 造成冷凝产生的湿润效果是很强烈的【1 6 l ，因此在绝缘子人工污秽试验时，要控制雾 室温度不要超过4 0 ：c 1 6 】，要使绝缘子与雾室温差达到2 。c 以内【2 2 1 ，雾与试品的温差 推荐不超过5 c 1 2 9 】。此外，在满足上述条件的基础上，环境温度依然对绝缘子的闪 络电压有影响。m i s h i i 等对直流绝缘子污闪电压的研究结果表明，在5 - 3 5 的 范围内，雾室中环境温度每升高i 。c ，绝缘子的直流闪络电压下降0 7 1 0 1 3 0 j 。 而w a c h i s h o l m 等的研究又表明，在特定的操作程序下，在o 附近时，瓷绝缘子 的污闪电压达到最低i ”3 2 1 。 传统意义上的人工污秽试验是为了得到外绝缘在典型污秽条件下的性能，而不 必模拟特定的运行条件【2 2 l 。因此，在传统的人工污秽试验中，只要求试验室的环境 温度在试验开始时在5 3 0 范围内，且试品与环境保持热平衡就行。而在前面的分 析中我们知道，绝缘子污闪的典型气象特征是环境温度在0 c 附近变化( 特别是3 范围内) 1 1 “j 。 w a c h i s h o l m 等根据这种气象条件发展了一种绝缘子冷雾试验方法，即c f t o 法( 其中c 为污秽，f 为雾，t 0 为环境温度经过0 c 的升降) ，并利用该方法对绝 缘子的污闪特性进行了评价【3 1 ，3 2 1 。试验是在一个特殊的气候箱中完成的，其试验系 统由3 7 0 k v 高压电源、控制室、摄像机、超声波起雾器、淋雨喷头、制冷系统、可 旋转风扇等组成。该试验系统的温度控制范围为1 0 。c 一4 0 ，精度为0 2 c ；在0 附近，温度变化速度从0 3 h 到3 0 h 可调；风速变化范围为0 1 3 1 0 n h ，通过两 组风扇群来实现，每组由1 6 台风扇组成并且每组的风速分别调节；风扇提供稳定 的气流通过冷却塔( 1 米宽、5 米高) ；空气流每分钟三次通过热交换器到达箱体内 部；八个超声起雾喷头可产生5 1 0 9 m 的雾滴，雾水的电导率可控；粒径在1 0 - 1 靴m 、 浓度超过o 3 9 m 3 的雾可被产生并被维持2 4 小时。该系统可模拟绝缘子污闪时的典 型气象条件：低于冰点的初始环境温度，一般达到1 0 ；环境温度在几个小时的时 间内上升并经过o ；轻度冻雨，之后伴随着由轻到浓的雾；相对湿度维持在1 0 0 5 华北电力大学硕士学位论文 左右：在1 0 k m h 范围内的合适的风速。其试验程序为：将预积污的绝缘子试品置 于雾室中并预制冷：然后起雾并以0 66 c h 的速度将雾室温度由2 升高至1 ；温 度每变化0 5 ，进行一次升压闪络，一般当露点温度接近0 c 时，闪络电压最低； 至i c 时试验结束。文1 3 l l 相关试验结果证实：对于不同污秽度下的1 1 5 k v 瓷质母线 支撑绝缘子，c f t o 试验结果比传统热雾法的试验结果低3 0 - 4 0 。 但文【3 1 3 2 】对复合绝缘子的c f t o 特性只是略加提及，未进行系统研究。实际上， 对于运行中的复合绝缘子而言，由于受污秽、潮湿以及温度变化等因素的影响，其 表面憎水性处于动态变化中。文【3 3 j 研究发现低温下复合绝缘子憎水性丧失严重。文 1 3 4 】则研究发现随着温度的降低，硅橡胶试品的憎水性、憎水性迁移速度、憎水性 恢复速度均发生下降；文【3 5 】贝u 研究发现，随着覆冰时间的延长，复合绝缘子表面的 憎水性逐渐下降。相应地，与瓷、玻璃绝缘子相比，运行中的复合绝缘子的表面污 闪特性也处于更为复杂的动态变化中。 1 5 复合绝缘子人工污秽研究的评价 一般认为，硅橡胶复合绝缘子良好的憎水性和独特的憎水迁移性是其防污闪能 力强的主要原因。复合绝缘子人工污秽试验是研究复合绝缘子污闪特性的主要方 法。在人工污秽试验中，污秽、温度、雾和憎水性是影响复合绝缘子污闪结果的主 要因素。雾会对环境温度产生影响，雾浓度、温度、受潮时间和污秽又会对憎水性 产生影响，这些因素相互作用，使得复合绝缘子的污闪特性处于复杂的动态变化之 中。为了更为合理地进行复合绝缘子的外绝缘设计，有必要全面地研究和把握不同 温度、不同雾浓度、不同污秽和污秽度等因素长时间作用下复合绝缘子憎水性及污 闪特性的动态变化规律。而现有的人工污秽试验方法无法完成该任务。 同时，低温冷雾气象条件是导致硅橡胶复合绝缘子发生污闪的最恶劣的气象条 件之一，需要予以重视，加强研究。但由于试验手段的缺乏，目前此方面的研究较 少。 因此，有必要研制一种可宽范围精确调节温度、雾浓度、雾温度的复合绝缘子 污闪试验系统，并深入研究更为合理的复合绝缘予的人工污秽试验方法和更为系统 的污秽闪络特性及其机理。 1 6 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 冷雾试验系统。结合复合绝缘子污闪高发的气象条件，研制一种可宽范围精 确调节雾室温度、雾浓度、雾温度的复合绝缘子污闪试验系统； ( 2 ) 为了探索更适用于复合绝缘子的冷雾试验方法，基于所研制的冷雾试验系 6 华北电力大学硕- f ：学位论文 统，初步研究了温度对复合绝缘子污闪结果的影响以及低温雾湿环境下复合绝缘子 的污耐受特性。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章冷雾试验系统的研制 实践证明，合理的人工污秽试验可以在数小时或数天的时间内获得自然污秽试 验数年才能得到的结果。而要使人工污秽试验结果的分散性小，试验的重复性与再 现性好，就需要使尽可能多的试验条件可以比较严格的进行控制。所以，冷雾试验 系统应具备能够宽范围精确控制温度、湿度、雾、风速等试验参数的能力，尤其需 要能够长时间稳定地模拟复合绝缘子污闪高发的低温雾湿气象条件。但通过大量的 市场调研发现，国内无满足我们需要的标准的气候箱产品，需要进行专门的研制。 本文所设计的冷雾试验系统包括高压试验电源、气候模拟试验箱和试验数据采 集系统等，如图2 1 所示。 ( a ) 气候模拟试验箱( b ) 高压试验电源及试验数据采集系统 图2 1 冷雾试验系统外形图 2 1 高压试验电源 本文所选择的污秽试验电源系统由y d t w 1 0 0 5 0 工频污秽试验变压器( 江苏 雷字) 、t y d g z - - 1 0 0 0 3 8 0 o 4 2 柱式调压器( 苏州明达) 、t a w f 一4 0 0 5 0 工频电 容分压器( 江苏雷宇) 、g r 5 0 2 1 工频保护电阻( 江苏雷宇) 和a c 2 0 0 0 操作控制 台( 江苏雷字) 等组成。电气接线原理图如图2 2 所示。试验电压通过g c 3 7 2 5 6 3 0 4 干式硅橡胶高压穿墙套管( 北京伏安) 进入气候模拟试验箱。污秽试验变压器额定 电流2 a ，最小短路电流1 0 a 。整套系统的短路阻抗小于1 0 ，符合i e c 标准对试 验电源的要求。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 气候模拟试验箱的研制 2 2 1 设计参数的选择 图2 2 电气接线原理图 在绝缘子的人工污秽试验中，温度是需要控制的重要条件之一。雾室内的温度 将影响雾室中雾的参数，即使在雾室中保持蒸汽量恒定，雾的密度也会随环境温度 而变化1 2 0 l 。绝缘子自身温度与环境温度之间的温差对绝缘子在雾中的湿润有重要影 响。由于绝缘子自身温度低于雾室温度所造成的冷凝作用也是一种重要的湿润方 式，这种由温差造成冷凝产生的湿润效果是很强烈的1 1 6 】，因此在绝缘子人工污秽试 验时，要控制雾室温度不要超过4 0 1 2 1 “，要使绝缘子与雾室温差达到2 c 以内t 2 2 】， 雾与试品的温差推荐不超过5 1 2 9 】。此外，在满足上述条件的基础上，环境温度依 然对绝缘子的闪络电压有影响。m i s h i i 等对直流绝缘子污闪电压的研究结果表明， 在5 3 5 的范围内，雾室中环境温度每升高1 ，绝缘子的直流闪络电压下降 0 7 1 o 【3 们。而w a c h i s h o l m 等的研究又表明，在特定的操作程序下，在0 c 附 近时，瓷绝缘子的污闪电压达到最低1 3 “”j 。 雾浓度是绝缘子污闪试验的另一个重要影响因素。i e c 蒸汽雾法规定的蒸汽雾 的输入速率应在0 0 5 _ + 0 0 1 k g ( h m 3 ) 范围内。这样的试验方法在评价瓷及玻璃绝缘子 时是合适的。清华大学的研究发现，当蒸汽雾的输入速率由o 0 5 k g ( h m 3 ) 0 3 0 k g ( h m 3 1 逐渐增加时，瓷绝缘子的污闪电压的变化不超过1 5 ，可以认为起雾速率的变 化对瓷及玻璃绝缘子的污闪电压没有影响；而对于硅橡胶复合绝缘子，污闪电压的 下降达到了2 5 以上，并且污闪电压的下降在蒸汽雾的输入速率达到0 2 0 k g ( h m 3 ) 时基本达到饱和1 2 ”。 针对上述分析，本文提出如下所述的气候模拟试验箱的设计参数：( 1 ) 温度控 9 华北电力大学硕士学位论文 制范围为2 0 4 0 c ，温度偏差_ 2 c 1 3 6 l ：( 2 ) 起雾速率在0 0 2 5k g ( h m 3 ) o 3 7 5 k g ( h m 3 ) 范围内可调( 室温下) ；( 3 ) 雾水电导率小于1 0 t s e m ；( 4 ) 雾水温度在o 4 0 范围内可调。 2 2 2 热绝缘试验箱体 图2 - 3 气候模拟试验箱的箱体结构示意图 热绝缘试验箱体的外形尺寸为4 3r e x 2 2m x 2 2m ，内部工作间尺寸为3r e x 2 m x 2m 。箱体是由拼块式库板材料现场组合而成。库板外壳材料为乳白色喷塑镀锌 彩钢板，板厚0 7 r a m ；库板内胆材料为玻璃钢，厚度约为l m m ；外壳和内胆之间是 硬质聚氨脂发泡耐温度应力保温材料层，厚度为1 0 0 r a m 。聚氨脂具有耐高低温，阻 燃烧，传导系数低等优良性能，采用它使整个箱体保温性能好，热损失少。库板之 间采用内锁结构相互连接，然后用玻璃胶密封。 、 热绝缘试验箱整体搁置在一个带有滑轮的钢结构底盘，每个滑轮上均带有刹 车，使整个箱体能够自由移动和停放。箱体工作间顶部用提塑板制作成坡面，使顶 部具有散水功能，避免因长时间起雾而凝结在顶部的水珠滴到试品上。箱体工作间 地面用提塑板做成斜面，在斜面上铺上防水胶垫，然后在最低处用浅水槽导引将冷 凝水排出试验箱。工作问顶部设有3 个金属挂钩，用于悬挂绝缘子试品，挂钩在箱 体顶部均匀排列，间距5 0 0 r a m 。工作间侧壁设有一个4 0 w 的低功率防雾灯，用于 箱体内部照明但同时不增加太大的室内热源。 为了方便工作人员的出入，箱体设有一扇尺寸为1 5 0 0 r a m x 8 0 0 r a m 的门，门体 材料与箱体相同的热绝缘库板材料。门上的观察窗尺寸为4 0 0 m m 3 0 0 m m 。观察窗 由内外两层真空玻璃构成，热绝缘性能良好。 箱体侧壁上反装一6 6 k v 级干式硅橡胶穿墙套管，型号为c g 3 7 2 5 6 3 0 4 ，爬 l o 华北电力大学硕士学位论文 电比距为户外3 1 m m k v ( 级) ，户内2 2 m m k v ( i i 级) 。 2 2 3 制冷制热系统 本文所研制的气候模拟试验箱的制冷制热系统采用双向风源热泵式制冷制热 方式，核心部件由压缩机、冷凝器、膨胀阀、换向阀、室内换热器和室外换热器等， 其工作原理如图2 4 所示： ( 1 ) 制冷时，压缩机将制冷剂( r 2 2 ) 压缩成高温高压气体，经油气分离器将 排出的高温高压气体中含有的油成分分离，并将油成分返回到压缩机，经油气分离 后的高温高压气态制冷剂进入室外换热器被冷凝成高温高压液体，再经干燥过滤器 过滤掉水分；液态的制冷剂通过能量调节电磁阀组及膨胀阀节流后进入室内换热 器；进入室内换热器的制冷剂由于体积膨胀变成低温低压液体，极易吸收工作室空 间内热量，吸热过程中制冷剂由液态变为气态；吸热后的气态制冷剂又被压缩机吸 入压缩成高温高压气体。如此往复循环工作，达到工作室的降温目的。制冷过程中， 室外换热器作为冷凝器对外界散发能量放热，室内换热器作为蒸发器吸收室内热 量。 ( 2 ) 制热时，电子换向阀动作换向，使制冷剂反向循环，室外换热器作为蒸 发器从室外吸收热量，室内换热器作为冷凝器，向气候室内释放热量，达到使气候 室升温的目的f 3 7 3 射。 ( a ) 制冷 ( b ) 制热 ( 实线箭头表示制冷剂输出路线，虚线箭头表示制冷剂的返回路线) 图2 - 4 风冷热泵式制冷方式原理图 如图2 5 所示，室内换热器与工作间之间设置一热绝缘隔离板，隔离板上设置 上、下风口，上风口处安装一组离心式循环风机。通过离心风机强制工作问与隔离 间的空气对流从而实现工作间与室内换热器之间的能量交换。 华北电力大学硕十学位论文 图2 5 工作问与室内换热器之间的换热方式示意图 上述系统中，通过温度控制器来实现试验温度的设定、工作间温度的监测以及 压缩机工作方式的控制。系统采用两路温度控制器，一路对气候箱工作间内的温度 进行控制，温度测量探头安装在工作间内与出风口平行的地方，距离约为3 0 0 m m ； 另外一路则输出开路，用来监测工作间内温度的均匀性，温度测量探头安装在与前 面所述探头水平并且距离为1 5 m 的地方。 此外，对气候箱工作间进行制冷时，当工作问的温度达到温度控制器的预设温 度值后，换向阀动作，压缩机卸载，进入空载状态，经压缩机压缩的高温高压气态 制冷剂会直接在室内换热器和压缩机之间循环。这样既可以对室内换热器进行除霜 又可以避免压缩机的频繁启停从而延长寿命。此后，当检测温度超过允许偏差时， 换向阀再次动作，压缩机恢复工作状态。 制冷制热系统中的核心器件的选择如下： ( 1 ) 压缩机采用法国泰康( t e c u m s e h ) t f h 4 5 4 0 f 型3 5 h e 全封闭活塞 压缩机。外形如图2 - 5 所示。该压缩机具有制冷量大、能耗低、噪声小、转换效率 高的特点。 图2 - 5 泰康压缩机外形图 ( 2 ) 换热器。换热器包括室内换热器和室外换热器。两个换热器均兼有蒸发 器和冷凝器的作用。室外换热器使用的是风冷蒸发器。室内换热器使用的是翅片式 华北电力大学硕士学位论文 蒸发器。 ( 3 ) 制冷配件。膨胀阀和电磁阀采用丹麦d a n f o s s 系列产品。制冷管路采 用优质无氧铜管、充氮焊接、高保压防泄漏工艺以确保焊接质量。 ( 4 ) 离心风机长轴不锈钢结构，功率1 2 w ，风速1 - 3 m s 三级可调。 ( 6 ) 温度控制器a 用于气候箱工作间的温度控制，采用意大利帝思小精灵 ( d i x e l l ) 系列温度控制器x t l 2 0 c 型，其外形如图2 - 6 所示。x t l 2 0 c 为双输出、 带开关功能的温度控制器，控温精度为0 1 ，可根据试验需要实现升温或降温控 制。为x t l 2 0 c 匹配的温度测量探头采用工业级p t l 0 0 铂电阻型，外壳用不锈钢材 料封装。其检测范围在2 0 0 5 4 0 之间，测量精度优于o 5 或o 8 ，具有测 量范围宽、精度高、稳定、响应快等特点。 图2 - 6d i x e l l 温控仪外形图 ( 6 ) 温度控制器b 输出开路，用于气候箱工作问温度均匀性的监测。采用意 大利帝思小精灵( d i x e l l ) 系列温度控制器x r 2 0 c 型，外形与x t l 2 0 c 相似，测温 精度为0 1 。与x r 2 0 c 匹配的温度测量探头为n t c 半导体热敏电阻型，工作范 围为5 5 * ( 2 + 5 0 0 。c 。 2 2 4 供雾系统 供雾系统由制水机、储水箱、起雾水箱、缺水压力保护、水满压力保护、水温 控制系统等组成，如图2 7 所示。采用制水机提供的纯水为水源，经过水温控制系 统进行雾水温度的控制，通过超声波起雾器起雾，再利用循环风机将雾由管道输送 至气候模拟试验箱的工作室内。 自泉水，厕，l 酉：；再两瑟i 磊焉器丽 驻力镰护强力舀 护 图2 7 供雾系统示意图 1 制水机 制水机由北京爱思泰克科技开发有限公司提供，为三级反渗透r o 纯水设备， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 外形图如图2 8 所示。产水量为1 0 - - 2 0 l h ，出水电导率小于l o u s c m 。水源为城市 自来水，进水压力在o 1 5 一o 3 m p a 之间。制水机前后分别设置缺水压力保护和水满 压力保护。制水机出水电导率通过一在线电导率监测仪实时监测。 图2 8 制水机外形图 2 超声波起雾系统 超声波起雾系统由北京金迈德利科技有限公司设计提供，由储水水箱、起雾水 箱、超声波起雾振子排、电气控制装置、循环风机、起雾管路、回风管路、高湿度 测控仪。由制水机制取的纯水储存在储水水箱中，并由储水水箱源源不断地补充到 起雾水箱。超声起雾的工作原理是：采用电子高频震荡( 震荡频率为1 7 m h z ) ，通 过超声波起雾振子的高频谐振，以定向压强将水抛离水面并雾化。雾化颗粒直径为 1 l o a m a 储水水箱和起雾水箱均为不锈钢材料制作，并设有给水口、排水口、溢水口和 水位浮子等。 超声波起雾振子排由1 5 个单振子组成，每个单振予起雾速度为0 3k g m 3 ，总 起雾量为4 5k m 3 ，箱体内室体积为1 2 m 3 ，所以，起雾量可在2 5 3 7 5k g ( h m 3 ) 范围内分级调控。超声波起雾振子的工作可以由两套系统控制，既可实现自动控制， 又可实现手动控制。控制原理示意图如图2 - 9 。当采用自动控制时，由高湿传感器 采集信号并传输给控制器，再由控制器控制雾化器工作，以实现自动控湿。如果1 5 个振子同时工作时加湿量过大，造成加湿精度不易控制时，可手动关闭其中一个或 几个振予，以满足精度要求。当模拟大雾状态时，采取手动控制，根据需要的雾的 浓度开启1 个或几个振予，以满足要求。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 能。 l l 础挣糍 圆圈园圆 煎j 因崮崮囟 厂罚门 l ! 燮! l 图2 - 9 超声波起雾器控制原理示意图 高湿度控制仪为w l c h t - i i d 型，如图2 1 0 所示。该仪器同时具有温度监测功 图2 9w l c h t - i id 型温湿度测控仪表图 3 水温控制系统 若雾的温度与绝缘子表面温度相差过大，则容易造成强制湿沉降，模拟效果就 会与现场绝缘子运行的自然气候环境差异较大，在这种情况下的试验结果必然与现 场有一定的偏差。本文通过一小型温度控制系统控制起雾水温度的方式来控制雾的 温度，从而减小雾与气候室的温差的目的。 为了达到更好的水温控制效果，本文对储水水箱和起雾水箱中的水同时进行温 度控制，如图2 7 所示。水温控制系统同样采用双向风源热泵式控温方式，由压缩 机、箱外换热器、箱内换热器、温控仪、毛细管膨胀机构、电磁阀、循环水泵等组 成。控温原理与气候箱的温控系统类似。设计水温控制范围为0 4 0 ，设计温度波 动度1 。 储水箱与起雾水箱尺寸相同，均为2 5 0 m mx3 4 0 r a m 4 0 0 r a m ，最大储水量3 4 l 左右。储水箱和起雾水箱共用一套制冷制热机组，压缩机采用法国泰康 ( t e c u m s e h ) c a e 9 4 6 0 t ，0 5 h p - 全封闭活塞压缩机。由钛管制成的箱内换热器 一分为二，分别置于储水水箱和起雾水箱中。与传统材料铜相比，钛管具有防锈耐 1 5 华北电力大学硕士学位论文 腐蚀的优点。通过两个温控仪和一个交流接触器来设定水温控制的优先顺序，即先 对起雾水箱里水的温度进行控制，当起雾水箱里的水温达到设定值后，交流接触器 动作，之后制冷机组由储水箱的温控仪控制并实现对储水箱水温的控制。温控仪均 采用台湾得意d e i 1 0 7 温控仪，控温精确度为1 。每个温控仪配套一个双路温度 p t c 温度探头，一路探头监测箱内换热器表面的温度，一路探头监测水温。由于水 的热容量比较大，为了使水箱中不同位置的水具有良好的温度均匀性，储水箱和起 雾水箱中分别配备一个微型循环水泵以强制水快速流动内循环换热。 2 3 数据采集与分析系统的设计 全面监测污闪试验过程中复合绝缘子表面泄漏电流的变化规律和发展趋势，尤 其是监测绝缘子临闪过程中泄漏电流的变化规律，有助于分析闪络过程中电弧发 生、发展的过程，有助于建立该气候条件下绝缘子的闪络模型。因此，本文设计了 基于l a b v i c w 的复合绝缘子泄漏电流监测系统，如图2 1 0 所示。实现对复合绝缘子 闪络过程中的泄漏电流和闪络电压变化的测量、保存和分析。 ( a ) 图2 1 0 复合绝缘子泄漏电流监测系统图 2 3 1 泄漏电流测量系统硬件设计与实现 ( b ) 如图2 1 1 所示，本文采用高精度精密电阻分三段采集泄漏电流信号，采用由快 恢复二极管、氧化锌压敏电阻和放电管构成的三级保护电路。由于采集卡带选的范 围为- + 5 v ，那么采集卡可分辨的最小电压在1 5 劾v 。 它的工作原理为： 电流小于1 0 m a 时，三组二极管均不动作。l i i = r 3 x i , 电流大于1 0 m a ，小于 1 a 时，第一组2 1 v 的二极管动作。u 2 = 2 1 + r 2 x i ；电流大于1 a ，小于2 a 时，第 一、二组2 1 v 和2 8 v 的二极管动作。u 3 = 2 8 + r l x l ；当电流大于2 a ，小于3 a 时， 1 6 华北电力大学硕七学位论文 三组二极管均导通，u l = 2 1 v ，u 2 = 2 8 v ，u 3 = 4 2 v ：当电流等于3 a 时，z n o 压敏 电阻动作；1 8 v 压敏电阻所应许的长时间工作电流为2 0 m a ，p = u i ( 交流允许的最 大持续工作电压为