（高电压与绝缘技术专业论文）污湿环境中复合绝缘子泄漏电流特性与湿润模型的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 虽然关于复合绝缘子的污秽闪络特性已有了大量的研究，但是对于不同条件下 复合绝缘子泄漏电流特性缺乏系统的统计。研究复合绝缘子在雾中的湿润特性对于 详细地掌握复合绝缘子整个湿润过程以及研究污闪机理都有重要意义。针对上述问 题，论文首先基于人工污秽试验，研究了不同温度、污秽以及初始憎水性状态等条 件下复合绝缘子的泄漏电流特性；在充分认识污耐受试验中复合绝缘子泄漏电流变 化特性的基础上，基于泄漏电流工频分量幅值，运用一次分段曲线简化和替代等方 法，提出了描述复合绝缘子湿润过程的模型。同时，基于模型对比分析了两种初始 憎水性状态下复合绝缘子的湿润特性。 根据污闪试验中得到的现象，通过利用有限元软件对复合绝缘子局部电场进行 仿真计算，分析不同水珠状态、电导率以及存在合模缝时的复合绝缘子局部电场畸 变程度，从电场的角度对污闪原因作了验证。 关键词：复合绝缘子；泄漏电流；湿润模型；憎水性；污闪 a b s t r a c t t h o u g hm a n yr e s e a r c h e sa b o u tp o l l u t i o nf l a s h o v e ro fc o m p o s i t ei n s u l a t o r sh a v eb e e n d o n e ，t h ep r o p e r t i e so fl e a k a g ec u r r e n tu n d e rd i f f e r e n tf a c t o r ss t i l ll a c ks y s t e m a t i c a l l y s t a t i s t i c a la n a l y s i s m o r e o v e r , i ti so fg r e a ti m p o r t a n c en o tm e r e l yf o rm a s t e r i n gt h e w e t t i n gp r o c e s sa n db u ta l s of o ra n a l y z i n gt h ef l a s h o v e rm e c h a n i s mt os t u d yt h em o d e l s o ft h ew e t t a b i l i t yp r o c e s sa l o n gt h ec o m p o s i t ei n s u l a t o rs u r f a c e s t h u s ，i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea r t i f i c i a lc o n t a m i n a t i o nt e s t s ，t h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so fl e a k a g ec u r r e n t u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sp o l l u t ea n dh y d r o p h o b i c i t yh a sb e e na c q u i r e d a n db a s e d o nt h el o n gt i m ec h a n g eo ff u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fl e a k a g ec u r r e n to nc o m p o s i t e i n s u l a t o r s ，b yu s i n gs e v e r a lo p t i m a ll i n e a re q u a t i o n st os u b s t i t u t ew e t t a b i l i t yp r o c e s s ，t h e a u t h o r sf i r s t l ys u m m a r i z e dt h em a t hm o d e l st od e s c r i b et h ew e t t i n g p r o c e s so fc o m p o s i t e i n s u l a t o r s m e a n w h i l e ，t h ew e t t i n gc h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f f e r e n tf a c t o r sh a sb e e n c o n t r a s t i v e l ys t u d i e d b a s e do np h e n o m e n ai nt h ep o l l u t i o nt e s t ，s e v e r a lf a c t o r s ，w h i c hm a ya f f e c tt h ee l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o n ，a r es t u d i e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no nc o m p u t e r t h e n ，t h ea u t h o r v a l i d a t e dt h ep h e n o m e n at h a tt h ea r cd e v e l o p e da l o n gt h es l o tf r o mt h ea n g l eo fe l e c t r i c f i e l dd i s t o r t i o n j u nx i o n g ( 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 c h e n g r o n gl i k e yw o r d s ： c o m p o s i t ei n s u l a t o r ；l e a k a g ec u r r e n t ；w e t t i n gm o d e l ； h y d r o p h o b i c i t y ；p o l l u t i o nf l a s h o v e r 华北电力人学硕十学位论文 摘要 虽然关于复合绝缘子的污秽闪络特性已有了大量的研究，但是对于不同条件下 复合绝缘子泄漏电流特性缺乏系统的统计。研究复合绝缘子在雾中的湿润特性对于 详细地掌握复合绝缘子整个湿润过程以及研究污闪机理都有重要意义。针对上述问 题，论文首先基于人工污秽试验，研究了不同温度、污秽以及初始憎水性状态等条 件下复合绝缘子的泄漏电流特性；在充分认识污耐受试验中复合绝缘子泄漏电流变 化特性的基础上，基于泄漏电流工频分量幅值，运用一次分段曲线简化和替代等方 法，提出了描述复合绝缘子湿润过程的模型。同时，基于模型对比分析了两种初始 憎水性状态下复合绝缘子的湿润特性。 根据污闪试验中得到的现象，通过利用有限元软件对复合绝缘子局部电场进行 仿真计算，分析不同水珠状态、电导率以及存在合模缝时的复合绝缘子局部电场畸 变程度，从电场的角度对污闪原因作了验证。 关键词：复合绝缘子；泄漏电流；湿润模型；憎水性；污闪 a b s t r a c t t h o u g hm a n yr e s e a r c h e sa b o u tp o l l u t i o nf l a s h o v e ro fc o m p o s i t ei n s u l a t o r sh a v eb e e n d o n e ，t h ep r o p e r t i e so fl e a k a g ec u r r e n tu n d e rd i f f e r e n tf a c t o r ss t i l ll a c ks y s t e m a t i c a l l y s t a t i s t i c a la n a l y s i s m o r e o v e r , i ti so fg r e a ti m p o r t a n c en o tm e r e l yf o rm a s t e r i n gt h e w e t t i n gp r o c e s sa n db u ta l s of o ra n a l y z i n gt h ef l a s h o v e rm e c h a n i s mt os t u d yt h em o d e l s o ft h ew e t t a b i l i t yp r o c e s sa l o n gt h ec o m p o s i t ei n s u l a t o rs u r f a c e s t h u s ，i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea r t i f i c i a lc o n t a m i n a t i o nt e s t s ，t h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so fl e a k a g ec u r r e n t u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sp o l l u t ea n dh y d r o p h o b i c i t yh a sb e e na c q u i r e d a n db a s e d o nt h el o n gt i m ec h a n g eo ff u n d a m e n t a lc o m p o n e n to fl e a k a g ec u r r e n to nc o m p o s i t e i n s u l a t o r s ，b yu s i n gs e v e r a lo p t i m a ll i n e a re q u a t i o n st os u b s t i t u t ew e t t a b i l i t yp r o c e s s ，t h e a u t h o r sf i r s t l ys u m m a r i z e dt h em a t hm o d e l st od e s c r i b et h ew e t t i n g p r o c e s so fc o m p o s i t e i n s u l a t o r s m e a n w h i l e ，t h ew e t t i n gc h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f f e r e n tf a c t o r sh a sb e e n c o n t r a s t i v e l ys t u d i e d b a s e do np h e n o m e n ai nt h ep o l l u t i o nt e s t ，s e v e r a lf a c t o r s ，w h i c hm a ya f f e c tt h ee l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o n ，a r es t u d i e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no nc o m p u t e r t h e n ，t h ea u t h o r v a l i d a t e dt h ep h e n o m e n at h a tt h ea r cd e v e l o p e da l o n gt h es l o tf r o mt h ea n g l eo fe l e c t r i c f i e l dd i s t o r t i o n j u nx i o n g ( 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 c h e n g r o n gl i k e yw o r d s ： c o m p o s i t ei n s u l a t o r ；l e a k a g ec u r r e n t ；w e t t i n gm o d e l ； h y d r o p h o b i c i t y ；p o l l u t i o nf l a s h o v e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文污湿环境中复合绝缘子泄漏电流 特性与湿润模型的研究，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己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： 虹日期：拦塑 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： 日 期： 导师签名： $ 彘瘫 日 期：岔整：主：! 、 虹蚪 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 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。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【l 】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 。 1 9 9 0 年冬河南电网由于长时间的浓雾天气，造成2 2 条2 2 0 k v 及以上线路共跳 闸1 2 4 次，占当地线路的5 5 t2 。 19 9 6 年1 2 月2 5 日至31 日上午，华东电网由于大雾天气造成全网1 1 条5 0 0 k v 线路、2 4 条2 2 0 k v 线路共跳闸一百多次。事故期间雾的能见度小于5 0 m ，水汽最高 大9 5 0 p a ，湿度一直维持在充分饱和，温度较往年高2 - - 3 1 3 l 。 19 9 9 年3 月1 2 日至l8 同，北京地区电网由于突降雪雾，并夹杂覆冰，造成全 北京地区1 1 0 k v - - - 5 0 0 k v 输电线路共跳闸1 1 路4 3 次，长度占北京地区输电线路的 9 8 ，对首都电网的安全运行造成极大的威胁。事故期间空气湿度接近饱和，雾能 见度在l o o m 内，平均气温较常年高3 - 4 【4 j 。 2 0 0 1 年1 月1 7 同 - - 2 月2 2 同，河南电网由于遭受罕见的浓雾、冻雨、大雪恶 劣气候的袭击，造成2 条5 0 0 k v 线路跳闸9 条次、3 3 条2 2 0 k v 线路跳闸1 4 6 条次， 1 个5 0 0 k v 变电站、6 个2 2 0 k v 变电站闪络，电量损失6 6 0 m w h 。事故期间气象特 征分三阶段1 月l6 日至2 6 日，浓雾静风，温度在6 1 ，湿度在8 5 9 8 ， 绝缘子表面雾淞、覆冰严重；第二阶段2 月9 日1 2 日，持续浓雾，温度在一2 。c 1 ，湿度在9 0 - - - 9 8 ，绝缘子表面雾淞、轻覆冰；第三阶段2 月2 l 同，持续浓 雾，温度在1 5 。c ，湿度在9 5 - - - - 9 8 t 引。 2 0 0 1 年2 月2 1 日 - - - 2 2 日，河北廊坊电网因大雾造成电网跳闸4 次。事故期问 气象条件为持续大雾，期间有小雪，风力1 到3 级，温度约在8 。c 1 2 ，能见度 在l0 以内。2 0 0 1 年2 月2 2 日东北电网由于出现大雾天气，造成5 0 0 k v 线路跳闸 1 7 条次、2 2 0 k v 线路跳闸1 5 l 条次，1 座5 0 0 k v 变电站、1 2 座2 2 0 k v 变电站、1 2 0 座6 6 k v 变电站全停，损失达9 3 7 k w h 。事故期间雾的能见度小于5 m ，相对湿度9 0 1 0 0 ，温度较往年高了3 5 。c 1 6 j 。 2 0 0 4 年2 月19 日至2 0 日，华东地区出现大雾天气，造成上海电网的渡泗5 1 0 1 线、行渡5 1 1 3 线和泗南5 1 1 8 线，浙江电网的窑王5 4 3 2 线和窑武5 9 1 5 线，江苏电 网的斗牌5 2 6 8 线共发生污闪跳闸1 1 次( 强送不成功的未统计) 。事故期间为浓雾， 华北电力人学硕士学位论文 湿度相当达【，j 。 2 0 0 6 年2 月1 2 日夜间至1 3 同凌晨，河南电网发生雾闪，造成牡丹变5 0 0 k v 系 统全停，郑州变5 0 0 k v 母线失电及5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、1 1 0 k v 线路跳闸共记1 5 条次 事故期间雾能见度小于5 0 0 米( 最严重地区能见度不足5 米) 。 从上面的污闪事故可以看出：这类污闪事故是介于覆冰以及高温高湿之间，闪 络时气象条件的共性为低温、有雾、有雨、空气湿度较大、结露严重以及持续时间 较长。需要特别指出发生污闪时绝缘子周围温度具有一定的波动性，其表面污层的 湿润是一个动态变化的复杂过程。 如何准确有效地评价复合绝缘子的耐污闪特性成为当前研究者迫切需要探索 的问题。然而，目前对于这些典型气象条件下复合绝缘子的污闪特性，国内外均没 有进行深入系统的试验研究【8 1 。 近年来，随着复合绝缘子在我国电网中挂网数量所占比例越来越大，运行环境 也变得越来越复杂，污闪已经变成了一个不可忽视的问题。为掌握雾中复合绝缘子 的耐污闪性能，有必要从复合绝缘子的湿润特点入手，探寻表征复合绝缘子耐污闪 性能的方法，对于合理评估复合绝缘子的耐污闪性能具有积极的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 污闪特性 污闪放电是一个涉及到电、热和化学现象的错综复杂的变化过程。宏观上可将 污闪过程分为以下四个阶段：绝缘子表面的积污；绝缘子表面的湿润；局部放电的 产生；局部电弧发展，完成闪络【9 1 。 根据前面的叙述，绝缘子典型污闪的气象条件可大体分为覆冰、冬季雾( 晨雾) 以及高温高湿。绝缘子覆冰闪络，尤其是覆重冰状态下的研究以及高温高湿下的闪 络不属于本文的研究范畴，因此不做细述。 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 0 t 1 u 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 l 】【1 2 】。文献 1 3 】针对0 c 附近的污闪特性，试验时将环境温度在 2 0 c 到2 0 c 范围内循环，根据冷雾中随着温度循环次数的增加试样的闪络电压呈“u 形分布的特征。而且该文认为低温下憎水性的下降以及污层表面薄冰的存在有效地 束缚了长时间雾湿条件下污秽的流失两方面使闪络电压比蒸汽雾条件下降了最大 2 5 5 。需要指出文献 1 3 】运用的是升压法，实际复合绝缘子表面污层在雾中的湿润 持续时间比较长，耐受法则更能贴近现场气象条件。当前，关于温度因素对复合绝 2 华北电力大学硕士学位论文 缘子长期耐污特性的考核还未见报道。 清华大学王绍武等研究人员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闪络电压相比，分 别提高了5 0 8 0 不等，盐密大时能提高的幅度更大。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 4 】【15 1 。现在复合绝缘子耐污闪性能评价方法【婚1 8 】 中关于憎水性因素的研究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。上述方法试验时问从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，在研究复合绝缘子更长时间下耐污特性时具 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 1 9 1 。 1 2 2 泄漏电流特性 针对复合绝缘子污秽闪络的相关研究已有多种分析手段，如电测量、红外测量 以及紫外探测等等【2 仉2 3 1 。通过获取泄漏电流的相关统计信息来掌握绝缘子表面状态 是当前使用得最广泛的方法。主要包括一定时间内电流脉冲计数法、最大脉冲幅值 法、放电量测量3 种手段1 2 4 。2 6 1 。 结合泄漏电流的相关特征量来研究或表征绝缘子表面的各种特性已经有了大 量的报道。文献 2 7 】提到复合绝缘子表面水珠电导率与憎水性下降速率成反比。同 时也指出，泄漏电流波形出现畸变也有可能是由于局部憎水性丧失，甚至有可能没 有任何放电现象。文献 2 8 2 9 1 用蒸汽雾对单片绝缘子进行试验的结果表明：试验开 始到闪络，从电流波形的角度可以分成7 个过程，j 下选波、锯齿状波形、波形严重 畸变、出现间歇性大脉冲、畸变程度进一步加剧、闪络，当出现局部电弧时，泄漏 电流波形成对称波形，因而奇波成分要高：能否发生闪络与电流阈值和电流峰值以 及谐波大小联系密切。文献 3 0 】讨论了泄漏电流的三种组成部分以及各自的频率范 围：工频电流、电晕放电电流、干燥带电弧放电电流。电晕放电电流频率一般不会 超过5 k h z ，干燥带电弧电流一般不会超过2 k h z 。干燥带电弧放电电流脉宽在几个 m s ，电晕放电电流脉宽在几十个n s 。文献 3 1 】以每半个泄漏电流波形为单位进行归 类，将波形分成币弦、局部电弧、过渡、可忽略量。并分别统计试验过程中工频正 弦脉冲、局部电弧脉冲、过渡电流脉冲产生的累积放电量。而且利用累积放电量来 华北电力人学硕十学位论文 评价绝缘子的憎水性与染污程度。文献【3 2 】通过露天试验平台，得出当绝缘子表面 干燥时，污秽和洁净式样的泄漏电流皆为幅值非常小的容性电流：当绝缘子处在高 湿环境中时( r h 高于5 0 ) ，流过污秽式样表面的电流由稳定的阻性电流和暂态电 弧电流分量组成，后者能将污秽式样与洁净式样区分丌来；当绝缘子暴露在雨水中 时，流过污秽绝缘子表面的是变化的阻性电流和暂态分量。文献 3 3 1 研究结果表明 泄漏电流与湿度的关联度最大。在研究硅橡胶平板试样的老化过程中，文献【3 4 】通 过监测泄漏电流波形的变化，建立泄漏电流特征量与老化严重程度之间的关系。该 文中泄漏电流特征量考虑了平均峰值电流、平均峰值电流与有效值之比以及3 次谐 波幅值与基波幅值之比。文献 3 5 】中提到电弧电流和小脉冲电流的区分方法，其中 给出电弧电流的相角一般滞后施加电压相角兀1 0 左右；而通过不同的畸变率来区别 小电流脉冲与传导电流。文献【3 6 报道了聚乙烯材料和瓷材料两种绝缘子的现场泄 漏电流幅值与湿度以及污秽的关联情况，并且比较了他们的频率普分布。文献 3 7 】 报道了利用泄漏电流波形失真度t h d 来表征不同强度的放电情况，即用泄漏电流 幅值结合t h d 来表征绝缘子表面状态。文献【3 8 研究了各种因素对泄漏电流脉冲 数目和幅值的影响，包括污层电导率、污层湿润方式、施加电压大小、不同污秽成 分等等。 从上面的叙述中可见：泄漏电流相关特征量被广泛地运用在评估老化、反映污 秽度以及预测污闪可能性等方面，其中一些特征量如放电脉冲数目和最大脉冲幅值 使用的最多。累积放电量以往被常常用来表征绝缘材料的老化程度，现在也被尝试 运用到评估污闪可能性【3 9 1 。近年来，也有学者将数学领域内的一些函数引入到污秽 放电中，对泄漏电流原始数据进行再处理试图探究这些新的参量与污闪之间的关系 【4 0 4 2 】 o 通常测量绝缘子受潮过程中表面电阻的变化主要通过施加低压直流，获取泄漏 电流【4 引。而在耐受电压或运行电压下，如何反映污层表面湿润状态有一定难度，其 原因在于污层持续受潮以及较高电压联合作用下会产生电弧，电弧的烘干作用使得 污层湿润过程较不带电状态下更为复杂，泄漏电流幅值并不是单一的上升过程。潮 湿环境中运行绝缘子表面污层由干区和湿区组成【4 4 1 。电弧将干区短接，去掉电弧产 生的电流分量，就剩下流过湿区的电流分量，也即泄漏电流工频分量。因此，分析 泄漏电流工频分量的变化规律，可以反映实际绝缘子表面污层的湿润程度。但目前 运用泄漏电流工频分量的变化来研究复合绝缘子的湿润程度以及污秽放电的严重 程度几乎没有报道。此外，环境因素尤其是温度与复合绝缘子泄漏电流特性之间关 系缺乏系统研究。 4 华北电力大学硕十学位论文 1 2 3 湿润特性 在雾条件下，瓷或玻璃绝缘子表面污层将会形成连续的水膜。而复合绝缘子由 于具有憎水迁移特性而使落在表面水分以分离的水珠存在。为说明复合绝缘子材料 表面的湿润机制，g k a r a d y 等研究人员【4 5 】【4 6 1 分别以橡胶平板作为式样，比较细致地 观察了水珠与污层的相互作用，如图1 1 。试验得出随着时问的推移水珠电阻会下 降。说明污层吸潮的过程是一个水珠与污秽之间相 互作用的过程，污层中盐分的溶解以及电解质向水 珠内迁移。实际复合绝缘子由伞裙上下表面以及杆 径三部分组成，在雾中的湿润特性将更加地复杂。 试验观察发现对于迁移充分的试品，上表面可以形 成大量均匀水珠；下表面则很难湿润；杆径部分则 由于电流密度大等原因经常大部分区域处于烘干 状态。那么，研究复合绝缘子的湿润特性最好从整 体着手。前面已经指出泄漏电流工频分量与复合绝 缘子污层湿润整体效果存在对应关系，因此可以试 图依据泄漏电流工频分量的变化来建立一种能有 效表征复合绝缘子污层湿润程度的方法。但目前关 于这方面的研究尚无报道。 1 2 4 我国复合绝缘子护套成型工艺 c o n h m n a i n i s 图1 - 1 水珠与污秽相互作用 示意图 我国复合绝缘子伞裙套加工工艺主要有注射成型工艺和护套挤包穿伞工艺两 种。注射成型工艺是将芯棒固定在注射机的模腔内，硅橡胶被高压注射入模腔，而 后经高温硫化、粘接成形。护套挤包穿伞工艺是将芯棒表面连续挤压护套，芯棒护 套外粘接单个模压硫化成形的伞裙【47 1 。 相比采用护套挤包穿伞工艺，注射成型工艺具有粘结界面较少，粘接强度较好 的优点。但是，由于生产工艺设备和注射成型工艺使产品存在着明显的问题：高温 高压注射成型的外绝缘伞裙上存在突起的两条对称贯穿性合模缝，使得复合绝缘子 的整体性能受到一定影响【4 7 1 。这些缺陷都会引起环接界面和合模缝的机械强度、绝 缘性能、污秽耐受水平和憎水性能降低，与外绝缘其他部位的性能存在一定的差异， 将对复合绝缘子的长期安全运行留下隐患。 目前，注射成型工艺而成的复合绝缘子主要使用在1 1 0 kv 以下电网中。尽管如 此，这种工艺对复合绝缘子的耐污闪性能究竟会造成怎样的影响? 目前，鲜有文献 报道。使用部门应了解注射成型工艺的产品在外绝缘结构性能上存在的差异，在运 行中应加强关注这些部位性能的变化。 华北电力人学硕二仁学位论文 1 3 论文主要内容 论文将基于泄漏电流相关特征量，以复合绝缘子表面动态湿润过程为主线，开 展不同外部条件下复合绝缘子湿润模型的对比研究，主要内容包括： ( 1 ) 基于人工污秽试验，研究两种温度、污秽以及初始憎水性状态等条件下复 合绝缘子的污耐受特性以及泄漏电流特性： ( 2 ) 基于泄漏电流工频分量幅值，将运用一次分段曲线简化和替代等方法以描 述复合绝缘子湿润过程的模型。利用模型对比分析两种温度以及初始憎水性等状态 下复合绝缘子的湿润模型。 ( 3 ) 根据试验中得到的现象，将通过利用有限元软件对复合绝缘子局部模型的 电场进行仿真计算，分析不同水珠状念、电导率以及存在合模缝时的复合绝缘子局 部模型电场畸变程度，从电场的角度对污闪原因进行阐述。 6 华北电力大学硕十学位论文 2 1 试品 第二章人工污秽试验 试验使用一种1 0k v 复合绝缘子， 大伞直径1 2 5m m ，小伞直径1 0 0m m ， 爬电距离为3 7 0m m 。 2 2 试验装置 形状结构如下图2 1 。共有2 大伞1 小伞， 结构高度3 4 0m m ，试品表面积7 2 0m m 2 ， l j i ! 。 一j j r1”1 一1 图2 - 1 试品结构图 试验所用气候箱尺寸为3m x 2m x 2m ，温度控制范围为一2 0 3 5 ，采用空气压缩机 方式起雾。其中，温度均匀度及波动度分别在2 和l 以内。空气压缩机进行起雾是 高压空气强行使水穿过喷嘴而雾化喷出的，喷雾效果将会受温度影响较小，同时由于喷 雾压力比较大，耗水快，使用时应避免喷出的水雾对绝缘子表面的污秽造成强制冲刷。 为避免喷出的水雾直接对试品表面污秽造成冲涮，喷头位置应低于试品的下端，喷头出 水方向偏离试品，喷头距离试品高压端的直线距离为1m 。由5 0k w l 5 0k v a 试验变压器 提供试验电源，满足有关标准和规程对污秽试验的要求【4 引。 3 t s 一调压器；s 一升压器；r l 一保护电阻；f - 一电容分压器； r 2 一测量电阻；b 一穿墙套管；c 一电气设备环境模拟气候箱； t s 一试品；d a q 一数据采集系统 图2 2 试验原理接线图 7 华北电力人学硕十学位论文 2 3 试验方法 涂污前，首先用无水乙醇清洗试品表面，并用自来水冲洗，干燥后置于防尘容器中 保存至少2 4h 。然后按照d l r 8 1 0 _ 2 0 0 2 【4 9 】的规定，用干燥棉团在绝缘子表面上涂一层硅 藻土，并用洗耳球吹掉多余的硅藻土( 或高岭土) 后在lh 内采用定量涂刷法涂覆污秽，以 氯化钠硅藻土( 或高岭土) 为污秽物质，表面污秽等值盐密( e q u i v a l e n ts a l td e p o s i td e n s i t y ， e s d d ) 和表面等值灰密值( n o n s o l u b l em a t e r i a ld e p o s i td e n s i t y ，n s d d ) 分别取o 4 、2 0 m g c m 2 。将涂污后的试品在实验室条件下放置至少4d ，以使试品表面的污层获得充分的 憎水性( 对于高岭土作为污秽物质时，需要更长的放置时间，本文均在3 0 d 以上) 。若是模 拟亲水性表面的情况，则涂污干燥1 小时左右就可以进行试验。 将憎水性充分迁移的试品移入电气设备环境模拟气候箱，同时将箱内温度降至 预定温度，并让试品在该温度条件下保持2h ，以使气候箱内温度达到平衡。然后， 利用空气压缩机开始起雾，雾水温度控制在预定温度。对试品施加一定的交流电压 同时记录泄漏电流，泄漏电流测量系统采用分段式精密电阻测量方法，单通道数据 采样率可达1 1 0k h z s 。气候箱内雾的能见度始终保持在2m 左右，且箱内温度基本 维持在预定值。 电压一般有两种施加方法：恒压与升压。在研究两种温度、污秽以及初始憎水 性状态等条件下复合绝缘子的泄漏电流特性以及湿润特性的时候，本文采用耐受 法。简单的说就是从第一次闪络或者耐受开始计算，连续进行1 0 次试验，每次支 试品只使用一次。最后取1 0 次试品试验电压的平均值作为试品在这种条件下的平 均耐受电压。使用这种方法的首要问题是如何预加一个合适的电压? 文中规定以该 条件下的升压闪络电压为基础。 为分析泄漏电流特性，本文利用可视化图形软件编写了泄漏电流分析模块。文 中一共使用了六个泄漏电流特征量，分别为累积放电脉冲数目、累积放电量、泄漏 电流工频分量、波形畸变率t h d 、每1 0 m i n 放电脉冲数目以及每1 0 m i n 最大脉冲 幅值。数据分析的核心问题是定义一个泄漏电流脉冲。为方便计算累积放电量，文 中将一个泄漏电流脉冲的长度定义为一个周波，即只要其中半波幅值超过阈值，那 么就认为该周波是一个泄漏电流脉冲。阈值的设定带有主观性。本身复合绝缘子表 面泄漏电流脉冲要普遍低于瓷或玻璃绝缘子，分析时阈值设定在4 0 0 至8 0 0 微安之 间能有效将泄漏电流脉冲分量和工频分量区分开来。 2 4 试验结果 试验具体布置如表2 3 所示。每次试验都记录泄漏电流特性的变化。论文一共 进行六组试验，每组试验取1 0 次有效数据，取平均值得出该试验条件下的耐受电 华北电力人学硕j 卜学位论文 压，如图2 1 。从图中可以得出：低温下试品的平均耐受电压要比室温下略高，分 析认为由于低温下盐分电导率有差异所致；同一条件下，硅藻土为污秽的试品平均 耐受电压要比高岭：i 二为污秽要高，分析认为由于高岭土的强吸潮能力所致；同一条 件下，憎水性试品的平均耐受电压比亲水性试品高近2 0 。 表2 1 试验布置 鍪。o i l 多j 凌i j 繁攀v j 一 jj 荔誊j j 爹囊一| 臻溱裳i ? ，誊誊。l ，- i ；i 温度( ) 2 652 652 65 污秽硅藻土硅藻土高岭土高岭土高岭土高岭土 憎水性未迁移未迁移未迁移未迁移充分迁移充分迁移 预设时间h2 22255 1 7 0 9 平均耐受电压 室温_ 低温单位：k v 2 0 8 9 型 1 4 6 2 黼纛 第一组第二组第三组第四组第五组第六组 图2 - 36 组试验的平均耐受电压 此外，每次泄漏电流数据的详细统计结果本文放在附录中，以后面章节分析。 在文中只列出部分典型的试验结果。 q 华北电力大学硕士学位论文 第三章两种温度下复合绝缘子泄漏电流特征量对比分析 复合绝缘子的雾闪电压与温度密切联系。在人工污秽试验方法中，不同的温度 会造成雾本身特性以及污层湿润能力有所差异。因此，本章将首先对比分析两种温 度( 5o c 与2 6 c ) 条件下流过污层的电流特性。 3 1 累积放电脉冲数目与累积放电量 a 累积放电脉冲数目 累积电流脉冲数是指泄漏电流幅值超过某个定值的脉冲数目。如果累积电流脉 冲数多，则表明累积记录时间或潮湿天气的持续时间长( 即受潮严重) ，或绝缘子 的积污严重。本次试验阈值设定为8 0 0 p , a 时能将工频泄漏电流和放电脉冲电流基本 区分。图3 1 分别列出了脉冲幅值大l m a 的泄漏电流脉冲数目。 第三组试验典型数据第四组试验典型数据 图3 - 1 累积放电脉冲数目分档统计 比较图3 1 可以看出：累积放电脉冲数目随受潮时间的增加而增加，但是不同 温度上升的速率不同。2 6 下累积放电脉冲数开始比较多，而后上升比较平缓。5 下累积放电脉冲数从丌始到一段时间内都很少，几乎没有，随着受潮时间的增加， 复合绝缘子表面泄漏电流累积放电脉冲数目上升的速率明显加快。图中很明显的反 映出：5 下闪络试品的泄漏电流累积放电脉冲数目的上升速率明显要快于耐受的 试品；而2 6 下闪络和耐受两者累积放电脉冲数目的差别不是很明显，具有一定的 分散性。 b 累积放电量 累积放电量是指一段时间内电流脉冲放电量的总的大小，是绝缘子表面污秽放 木图中空心以及虚线表示闪络试品，以下a j 1 0 删咖删袱删 m 州圳烈 =黎茸孟；替 华北电力大学硕十学位论文 电状态累积效应的表达。累积放电量时常用于研究复合绝缘子长期性能，尤其是作 为评估材料表面老化程度参数。而且已有研究表明累积放电量的变化与材料表面憎 水性及染污程度联系密切。图3 2 为试验中泄漏电流累积放电量的变化趋势，表3 1 至表3 4 为累积放电量的统计结果。 第三组试验典型数据第四组试验典型数据 图3 - 2 累积放电量变化趋势 累积放电量( q ) 是脉冲幅值和数目的总体反映。比较图3 2 可以看出：总体上看 累积放电量随电压耐受时间的增加而呈上升的趋势，但是不同温度下其上升的速率 有明显的差别。在试验起始阶段( 前3 0 分钟) ，5 c 下泄漏电流累积放电量很小，上 升速率很慢；2 6 下泄漏电流累积放电量比5 下要高。说明5 下在开始一段时 间内的放电很少，几乎没有放电；而2 6 下在试验开始阶段就有比较强烈的放电。 这一结果与在试验过程中观察到的试验现象也是一致的。在试验过程中5 试验的 开始阶段基本听不到放电的声音；2 6 试验中开始耐压时就伴有放电产生的丝丝 声，偶尔会有比较强烈的电弧放电，产生明显的桔黄色的放电弧光。低温下雾的冷 凝作用要比室温下差使得试验起始阶段低温试验中污秽湿润需要较长时问。随着受 潮时间的增加，5 下复合绝缘子泄漏电流累积放电量上升的速率明显加快，比2 6 试验增长的要快；2 6 试验中累积放电量的增长与开始阶段相比变得比较平缓。 而这一点可以通过分析每段单位时间( 1 0 分钟) 内放电量的大小来证明，如图3 3 所示。 此外，对于闪络和耐受的试品来说，闪络试品的泄漏电流累积放电量的上升速 率明显要快于耐受的试品。从图3 3 中可以看出：对于2 6 下耐受的试品，单位时 间内q 值先从一个比较高的起点急剧下降，而后稳定，或略微上升，但基本没有大 的波动；而对于闪络的大部分试品，单位时间内q 值，首先也是下降，但随即有一 个上升的变化。对于5 c 下的试品，单位时间内的q 值开始时较小，而则后快速上 升，期间有下降过程，但总的趋势是在不断的上升。闪络试品单位时间内q 值的上 升速率也明显高于耐受试品。也就是说单位时间内q 值的变化有可能作为判断外绝 华北电力大学硕十学位论文 缘耐污闪性能的指导参数。 试验结果表明：当硅藻土作为污秽物质时，2 6 试验中闪络试品最大累积放电 量为0 2 0 3 7 c ，耐受试品最大累积放电量为0 2 8 3 0 3 c ；当硅藻土作为污秽物质时，5 试验中闪络试品最大累积放电量为0 0 7 4 4 c ，耐受试品最大累积放电量为 0 15 2 4 2 c ；当高岭土作为污秽物质时，2 6 试验中闪络试品最大累积放电量为 0 3 4 0 4 5 c ，耐受试品最大累积放电量为o 6 1 6 8 3 c ；当高岭土作为污秽物质时，5 试验中闪络试品最大累积放电量为0 3 4 7 5 1 c ，耐受试品最大累积放电量为 0 3 7 6 2 9 c 。总体来说，室温条件试品污层表面放电比低温条件发生频繁。为更好的 说明问题本文计算了每组试验累积放电量的平均值。从下图中可以看出低温下试品 的累积放电量平均值比室温下少0 0 7 c 左右。这四组试验的平均累积放电量与各组 试验的平均耐受电压是对应的。 平均累积放电量l c l 平均敦篮电f a 蕾一! 蓄圈一萱 第一组第二组第三组第四组 图3 - 3 平均累积放电量比较 第三组试验典型数据第四组试验典型数据 图3 - 4 单位时间内泄漏电流累积放电量 单位时间内泄漏电流累积放电量的变化可以反映各个时间段内放电的严重程 度。由可以看出，低温下单位时间累积放电量的变化呈锯齿状变化，而且随着时间 的推移呈上升趋势；室温下单位时间累积放电量始终维持在一个比较高的水平，尤 其在试验开始阶段，由于冷凝作用明显，导致单位时间累积放电量非常大。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 3 2 泄漏电流工频分量 泄漏电流工频分量的变化是试品表面湿污层电阻的反映，能够表征试品总体绝 缘水平，它的大小与试品表面有效电阻、受潮状态有关。通常，测量绝缘子受潮过 程中表面电阻的变化主要通过施加低压直流，获取泄漏电流。而在耐受电压或运行 电压下，如何反映污层表面湿润状态有一定难度，其原因在于污层持续受潮以及较 高电压联合作用下会产生电弧，电弧的烘干作用使得污层湿润较不带电状态下更为 复杂，泄漏电流幅值并不是单一的上升过程。污层由干区和湿区组成。电弧会将干 区短接，去掉电弧产生的电流分量，就剩下流过湿区的电流分量，即泄漏电流工频 分量。在泄漏电流特性分析模块中具体实现这一分离。分析泄漏电流工频分量，可 以反映实际污层的湿润程度。图3 5 、3 - 6 、3 - 7 、3 - 8 分别为各组试验所得到的泄漏 电流工频分量变化趋势。 量 叭 ， 1 图3 7第三组试验典型l ct 频分量 时m ( 仕坤， m 图3 - 6 第一组试验典型l ct 频分量 i 叶”， 图3 - 8 第四组试验典型l ct 频分量 从四组试验的统计结果来看：在污秽物同为硅藻土时( 图3 5 ，3 6 ) ，2 6 下复 合绝缘子泄漏电流工频分量幅值首先很大，随后很快下降直到保持平稳，稳定后的 泄漏电流工频分量基本上在1 0 0 i t a 与2 0 0 9 a 之间波动。5 下复合绝缘子泄漏电流 工频分量幅值从5 0 t a 左右开始逐渐增大至峰值，最大值在3 0 0 t a 与4 0 0 1 a a 之间。 增到最大值后开始下降，下降到1 0 0 1 t a 后又开始上升，如此反复循环直到试品发生 闪络或耐受结束。一次循环时间大概为2 5 分钟到3 0 分钟不等。 在污秽物同为高岭土时( 图3 7 ，3 8 ) ，2 6 下复合绝缘子泄漏电流工频分量幅 值同样是在丌始阶段比较大，随后