张志劲 蒋兴良 孙才新 胡建林 舒立春 毛 峰

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044）

1 引言

随着海拔高度的增加，绝缘子的电气性能均将降低。低气压下绝缘子的污秽闪络电压降低越来越引起人们重视。日本、前苏联、加拿大和我国等均对低气压下绝缘子的污闪特性开展了研究。研究结果表明，随着气压降低，绝缘子的交、直流污秽闪络电压均将降低，污闪电压Uf与气压p之间呈非线性关系，可表示为

式中，U0为标准参考大气条件（p0=101.32kPa）的污闪电压；n为污闪电压的气压影响特征指数，国内外目前对n的取值尚未达成共识，n值有较大差异，如日本的T. Kawamura研究结果表明负极性直流下n值为0.35，正极性直流下n值为0.40[1]。V. M.Rudakova和N. N. Tikhodeev研究结果得出，交、直流电压下普通绝缘子的n值均为0.5左右，棱间距或伞间隙很小的绝缘子的 n值可达 0.8或更高[2]。V. I. Bergman和O. I. Kolobova研究结果得出，标准悬式绝缘子串的n值为0.5，耐污型悬式绝缘子串的n值为0.6[3]。瑞典的J. Frywell和A. Schei的研究提出，直流下的n值为0.50，交流下的n值为0.29[4]。加拿大的H. P. Mercure研究得出负极性直流下的n值为0.35，正极性直流下的n值为0.4，交流下的n值为0.5[5]。重庆大学研究得出：染污绝缘子的气压影响特征指数n与绝缘子型式、绝缘子材料、电压类型、污秽度等有关；悬式瓷、玻璃绝缘子在交流下的n值在0.36～0.90之间；负极性直流下的n值在0.14～0.30之间；支柱绝缘子在负极性直流下的n值在0.23～0.63之间，交流下的n值大于直流[6-14]。清华大学研究结论是：在交流下悬式瓷、玻璃绝缘子的n值在0.37～0.60之间，负极性直流下的n值在 0.23～0.77之间；支柱绝缘子交流下的 n值在0.40～0.84之间，负极性直流下的n值在0.60～0.72之间；复合绝缘子交流下的 n值在 0.18～0.52之间[15-19]，此结论与重庆大学得到的结论一致，交流下的n值大于直流。云南电力试验研究所研究结论是CA-580EY型瓷绝缘子的n值为0.63[20]。

以上研究结果主要是根据短串绝缘子的试验结果得出的，n值有较大差异，甚至有些结论互相矛盾。例如瑞典认为交流下的n值为0.29（小于直流时的0.5），中国、日本、前苏联、加拿大等认为交流下的n值大于直流下的n值。n与电压类型、污秽程度、绝缘子结构型式、绝缘子材料等有关，如何取值是高海拔地区绝缘子串污秽外绝缘设计的关键技术之一。而国内外对绝缘子的污闪机理的研究主要是基于一般海拔地区Obenaus的平板模型，低气压下绝缘子的污闪机理研究相对较少，对于污闪电压随气压变化的规律，绝缘子形状、污秽、电压类型等对污闪电压的影响仍待进一步研究。

本文采用高速摄像机，对7片串XP-160绝缘子和FXBZ-±800/530-S特高压复合绝缘子短样的直流污闪放电过程进行了研究，并在此基础上分析了气压对绝缘子污秽闪络特性的影响。

2 试验装置及方法

2.1 试验装置及试品

本文的试验研究是在内径φ 为7.8m，净空高H为11.6m的人工气候实验室进行的。人工模拟气压最低可达30kPa，温度控制范围为-45～50℃，相对湿度在 10%～100%可调，可模拟海拔 7000m及以下高海拔地区的大气条件。

本试验采用±600kV/0.5A晶闸管控制的电压电流双反馈倍压整流直流试验电源，其额定电压为±600kV，额定电流为0.5A。在泄漏电流为0.5A时，其动态压降小于 5%，闪络时电压的纹波系数小于3%，满足 IEC 1245等标准[21-23]对直流污秽试验的电源要求。

试品采用 XP-160瓷绝缘子和 FXBZ-±800/530-S特高压复合绝缘子短样，其基本技术参数及结构示意图见表1，其中：D为公称直径，h为结构高度，L为爬距。

表1 试品的参数和结构示意图Tab.1 The parameters and profiles of tested insulator

2.2 试验方法

本文试验方法如下：

（1）试品预处理：首先用磷酸三钠溶液仔细清洗绝缘子，除去污物和油脂，然后用自来水彻底冲洗，然后干燥待用。对于复合绝缘子还需用干燥棉团在其表面均匀涂敷一层干燥硅藻土，再用洗耳球吹掉表面多余硅藻土，使其表面附着一层很薄的亲水性物质。

（2）试品染污：采用浸污法，用NaCl模拟导电物质，硅藻土模拟不溶性物质。

（3）阴干：将染污的试品放置阴凉处自然阴干24h。

（4）试品的布置：试验时将阴干的试品垂直悬挂于人工气候室内。试品绝缘子的任一部分与任何接地物体之间的最小间距均大于每100kV试验电压不小于0.5m的要求，且最小距离均大于3.5m。

（5）雾的产生：蒸汽雾由1.5t/h锅炉产生，放气孔雾气出口方向与试品绝缘子串轴心线成 90°夹角，距离＞3.5m，蒸汽雾输入速率为（0.05±0.01）kg/（h·m3），试验过程中环境温度控制在30～35℃以内。

（6）海拔高度模拟：由文献[24-25]可得p与海拔H的关系为

式中，p0为零海拔下的大气压，p0=101.3kPa。根据式（2）可计算不同海拔对应的气压。

（7）绝缘子湿润：由于蒸汽雾的输入和内外气压差将使人工气候室的气压上升和蒸汽雾的输入速率提高。因此需进行如下处理：

首先用真空泵抽气将人工气候室内的气压抽至比预定模拟海拔高度下的气压低 5～7kPa，然后打开雾发生器的阀门将蒸汽雾输送到气候室内。为了控制蒸汽雾的输入速率，此时雾发生器的阀门应只开正常海拔下的 1/3～1/2。当污秽层充分湿润且气压到达预定模拟海拔后，进行人工污秽试验。根据测量污层电导率确定污层的湿润，当绝缘子表面污层电导率达到最大值时立即加压。采用均匀升压法，升压速度为3kV/s。

3 直流污闪放电过程

采用HG—100K超高速摄像机记录直流放电过程，其最大分辨率为 1504×1108，最高采样率为100 000帧/s，机载内存为4GB，拍摄放电过程的速度设置为1000帧/s，以局部电弧开始产生为t=0时刻，高压端为1#绝缘子，接地端绝缘子为7#，典型拍摄结果如图1所示。

图1 绝缘子直流污闪放电过程Fig.1 DC pollution flashover process of insulators

由图1可知：

（1）低气压下直流绝缘子串污闪过程中局部电弧并不是完全沿绝缘子串纵向向前延伸发展的，部分局部电弧会飘离绝缘子表面而形成空气间隙电弧，如图1a中t=2.639s时刻，1#～3#绝缘子主要是以空气间隙电弧为主。对于复合绝缘子，甚至在零海拔下也会发生明显的飘弧现象，如图1b中约60%的局部电弧为空气间隙电弧。

（2）拍摄结果（见文献[26]）还表明，海拔高度越高，局部电弧的飘弧情况有加剧的现象，文献[18-19]的试验结果也证实了低气压下污层表面局部电弧存在明显飘弧现象。

低气压下直流绝缘子串污闪过程中局部电弧存在漂移的原因是：由文献[26-27]可知，局部电弧的发展方向主要决定于静电力（其方向是近似平行于绝缘子表面[28]的）和热浮力（方向是垂直向上的）的综合作用，静电力F1、热浮力F2（单位为N）可按下式表示为

由式（3）和式（4）可知，随着气压的降低，静电力将减小，热浮力将增大，即低气压下热浮力的主导作用将加强，因此，海拔越高，局部电弧的飘弧越明显。

4 气压对绝缘子直流污闪放电特性影响分析

4.1 直流污闪放电模型

由高速摄像机拍摄到的低气压下直流放电过程可知：局部电弧的产生和发展过程中存在明显的电弧飘移现象，即局部电弧包含有沿面电弧和空气间隙电弧。而试验结果表明[26]，由于散热媒质的不同，空气间隙电弧的 E-I特性与沿面电弧的 E-I特性有明显差异，因此根据Obenaus模型，采用剩余污层电阻和沿面电弧构成简单的电路模型来描述染污直流绝缘子串放电过程与实际情况（如图2所示）存在较大差异。分析表明，低气压下直流染污绝缘子放电过程中，放电过程是沿面电弧和空气间隙电弧与剩余污层电阻的动态变化过程，其电路模型可简化为图3所示。

由图3可知

其中

式中，U为外施电压，kV；Ux1为沿面电弧电压，kV；Ux2为空气间隙电弧电压，kV；Ux3为剩余污层电阻电压，kV；I为泄漏电流或局部电弧电流，A；A1，m1，n1为反映沿面电弧特性的常数；A2，m2，n2为反映空气间隙电弧特性的常数；rp为绝缘子串上单位长度污层电阻。

图2 低气压下染污绝缘子串放电过程Fig.2 Flashover process of polluted insulator strings under low air pressure

图3 低气压绝缘子串直流污闪放电模型Fig.3 DC pollution model of insulator string under low air pressure

4.2 气压影响特征指数的分析

为了分析气压对绝缘子污闪放电特性的基本规律，对式（3）按两种极端条件进行分析，即低气压下绝缘子放电过程中产生的局部电弧均为沿面电弧（x2=0）或空气间隙电弧（x1=0），现分析如下。

4.2.1 局部电弧均为沿面电弧（x2=0）

设直流污闪放电过程中，所产生的局部电弧均为沿面电弧，则式（5）可写成

对式（6）求偏导[15]

则可得在此条件下绝缘子串直流污秽闪络的临界泄漏电流Ic、临界电压Uc为

4.2.2 局部电弧均为空气间隙电弧（x1=0）

设染污绝缘子串直流污闪放电过程中，所产生的局部电弧均为空气间隙电弧，且所产生的空气间隙电弧长度为其对应所短接的绝缘子串爬电距离长度的k倍（0＜k＜1），则式（5）可写成

同样，对式（10）按式（7）进行求解，则可得在此条件下绝缘子串直流污秽闪络的临界泄漏电流Ic、临界电压Uc为

由式（9）和式（12）可知：

（1）低气压下绝缘子串直流临界闪络电压与气压、污秽度、绝缘子型式等有关。

（2）气压对绝缘子串闪络电压的影响与放电过程中产生的局部电弧的特性有关，即沿面电弧和空气间隙电弧所占的比例将影响气压影响特征指数和污秽影响特征指数。表 2列出了气压（p/p0）对染污绝缘子直流闪络电压Uc影响的极值情况。

表2 气压影响特征指数n的极值Tab.2 Extreme value of n

由表2可知：直流污闪电压受气压影响的特征指数为0.33～0.72。放电过程中局部电弧的特性（即局部电弧中沿面电弧和空气间隙电弧所占的比例）将决定气压影响特征指数，局部电弧中空气间隙电弧的比例越大，气压影响特征指数越靠近0.72，表明气压影响特征指数受气压影响的程度越大。反之，局部电弧中沿面电弧的比例越大，气压影响特征指数越靠近0.33，表明气压影响特征指数受气压影响的程度越小。

对 7片串 XP-160绝缘子和 FXBZ-±800/530-S特高压复合绝缘子短样进行不同海拔高度（232～4000m）、不同盐密（0.03～0.15mg/cm2）下的直流污闪特性试验，根据试验结果拟合得到其气压影响特征指数值范围分别为0.42～0.63和0.53～0.70。由此可见，本文所提出的低气压直流污闪放电模型的理论分析结果与试验结果是相吻合的。

4.3 气压影响特征指数与绝缘子型式关系分析

气压影响特征指数的大小与污闪放电过程中局部电弧的特性有关，由文献[29]可知，绝缘子表面污层电阻与绝缘子形状有关，即相同污秽条件下，不同型式绝缘子的表面污层电阻存在差异。使得在相同电压作用下，不同型式绝缘子表面的泄漏电流存在差异，由式（3）和式（4）可知，泄漏电流的差异使得不同型式绝缘子所产生的局部电弧受静电力和热浮力综合作用效果也不同，从而导致各种型式绝缘子串局部电弧漂移的程度不同，即空气间隙电弧所占比例不一样，因此不同型式绝缘子的气压影响特征指数是不同的。

5 结论

（1）低气压下直流染污绝缘子放电过程是沿面电弧和空气间隙电弧与剩余污层电阻的动态变化过程。

（2）建立了描述低气压下绝缘子直流污闪放电模型，提出气压对绝缘子串直流污秽闪络电压的影响与局部电弧的特性有关，且直流污闪电压受气压影响的特征指数为0.33～0.72。

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