叶自强，梅冰笑

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

近年来电网变电设备的套管外绝缘雨闪事故屡有发生，主要集中在变压器、电流互感器、断路器及避雷器套管上。大型套管发生雨闪的气象条件为雷雨和暴雨，时间主要集中在6-9月间，而此时套管外绝缘的积污量一般在0.01～0.03 mg/cm2范围内。调查表明，无论国产还是进口设备，均发生过套管雨闪事故，发生雨闪的套管均满足GB 311.1-83《高压输变电设备的绝缘配合》中各项绝缘水平的要求，结构参数和技术条件满足IEC-815《绝缘子污秽条件选用导则》的规定，设备外绝缘的爬电比距符合污秽等级标准。

目前，虽然对于套管外绝缘的雨闪机理及过程的认识存在一定的差异，但大多数研究者认为：套管外绝缘发生雨闪的原因是套管结构不适用于污秽地区，要提高设备外绝缘水平，除了增加爬电比距外，还应重视外绝缘结构的研究。

1 套管雨闪原因分析

输电线路和敞开式变电站处于复杂的大气环境中，淋雨将影响输变电设备外绝缘的放电特性。据统计，1990-2004年，全国变电设备外绝缘闪络事故中污闪占总数的30%，而雨闪占40%。上世纪90年代以来，对输电线路的调爬使外绝缘水平有一定提高，污闪相对减少，而变电设备外绝缘的薄弱环节开始显现，变电设备的雨闪事故已上升为电力系统外绝缘问题的主要矛盾。

目前，国内外对瓷套管外绝缘雨闪事故的分析认为，瓷套管外绝缘选用过小的放电距离、采用了不合理的分节瓷套管、未考虑瓷套管直径增大对有效爬电距离的影响是导致雨闪事故的主要原因。瓷套管雨闪的特点是：

（1）多发生于大直径的瓷套管。

（2）多发生于进口产品。

（3）发生雨闪的设备外绝缘均满足IEC及国家相关标准。

（4）设备未发生过污闪事故。

（5）雨闪事故多发生于污秽地区久旱后突然来雨，雨量较大且开始下雨几分钟后。

分析指出，瓷套管伞裙结构过密而导致雨水桥接了套管伞裙之间的空气间隙，是导致频繁发生雨闪事故的根本原因。

对绝缘子雨闪的机理及特性，目前国内外已进行了广泛的研究，主要的结论有：雨水电阻率与绝缘子湿闪电压的关系为：

式中：ρs为雨水电阻率；A为系数；n为与绝缘子形状相关的常数。

重庆大学的实验结果表明，湿闪络电压随雨水电阻率的增大而升高，当达到200 Ω·m左右时逐渐趋于饱和。西安高压电器研究所对雨水温度与湿闪络电压的研究表明，在固定雨水电阻率的情况下，不同水温时湿闪络电压的差异较大，在进行雨闪实验时必须把雨水电阻率校核到20℃时 100 Ω·m。

随着大气污染的加剧，酸雨、酸雾气候也相应增多。研究人员对酸雨、酸雾与绝缘子湿闪络电压关系的研究表明，交流湿闪络电压都随雨水、雾的pH值减小而下降，以pH=6.0为基准，当pH＞4.5时，雨、雾闪络电压下降约6%左右，当3.0≤pH≤4.5时，闪络电压下降10%～20%。

2 开关断口瓷套管淋雨下冲击闪络特性

为分析220 kV 3AQ1-EE型开关断口瓷套管在淋雨条件下发生外绝缘湿闪络的原因，模拟瓷套管在闪络时的大气条件，进行开关断口瓷套管操作和雷电冲击的U50湿闪络电压试验。

2.1 操作冲击干湿闪试验

在2种操作冲击电压波形下进行瓷套管外绝缘干闪络试验结果如表1所示，电压波形如图1，2所示。

表1 正极性干闪络电压试验结果

瓷套管在模拟人工雨水电导率为375 μs/cm，降雨量分别为0.64，11.5 mm/min的环境条件下进行试验，结果如表2所示。

图1 264/2 680操作冲击电压波形

图2 140/2 540操作冲击电压波形

表2 瓷套管操作冲击湿闪络电压试验结果

由表1，2试验数据可以看出，在操作冲击电压为正极性及相同的波形条件下，当降雨量为0.64 mm/min时，湿闪络电压比干闪络电压下降了10.4%；在降雨量为11.5 mm/min时，湿闪络电压比干闪络电压下降了13.7%。

操作冲击的正极性低于负极性，取正极性标准偏差为5.0%，分别计算不同降雨量时耐受概率为99.87%（或闪络概率为0.13%）时的正极性操作冲击电压。

（1）降雨量为 0.64 mm/min时：

（2）降雨量为 11.5 mm/min时：

瓷套管在淋雨条件下放电的物理模型如图3所示。淋雨条件下，瓷套管伞裙的上表面直接淋湿并被水膜覆盖而具有较大的电导。伞的下表面和一部分绝缘表面BCA′不直接被雨淋湿，但由下一个伞裙表面溅回来的水滴以及由电场吸入的一些微小水珠所沾湿，湿润程度较小，因而表面电导也较小。显然外施电压的绝大部分由表面电导较小的BCA′部分承受，如果此表面承受的电压使表面场强超过了表面空气的临界击穿场强，则形成局部电弧，并沿BCA′放电或直接使空气间隙BA′击穿，外施电压就全部加在AB和A′B′等上。由于AB和A′B′是湿表面，电导较大，因泄漏电流产生的焦耳热将在瞬间出现分布不均（由于套管直径、湿润程度等影响）的干燥带而使空气表面击穿，局部电弧连通ABA′，相当于短接了爬电距离ABA′，可以认为外施电压加在A′上，因此电弧就很容易向前发展而形成贯通性闪络。如果雨量特别大，雨水直接将套管的伞缘BB′桥接，则相当于雨水将BB′短路，放电就可能在空气间隙BB′中产生。

图3 淋雨条件下的瓷套管放电物理模型

淋雨条件下的瓷套管放电电压与雨量关系如图4所示。由图可知，无论是正极性还是负极性，操作冲击湿闪络电压随雨量的增加而减小。正极性时，雨量为11.5 mm/min比0.64 mm/min时的湿闪络电压降低3.7%；负极性时，雨量为11.5 mm/min比0.64 mm/min时的湿闪络电压降低18.1%。

图4 瓷套管放电电压与雨量的关系

湿闪络电压随雨量增加而减小的机理分析如下：由于淋雨时瓷套管放电是沿着被雨淋湿表面和干燥表面空气间隙串联路径进行，在雨量较小时，表面干燥区域大，淋湿表面所占比例小，湿闪络的电压就较高；而在雨量较大时，表面干燥区域小，淋湿表面所占比例大，湿闪络的电压就低。雨量特别大时，雨水直接将伞裙缘的空气间隙桥接，则相当于雨水将伞缘短路，湿闪络的电压就更低。

国内外的大量研究结果表明：雨闪事故多发生于大雨和暴雨的天气，瓷套管伞裙的结构过密而导致雨水桥接伞裙空气间隙是导致频繁发生雨闪事故的主要原因。附加硅橡胶伞裙套可以有效防止雨闪，在瓷套管伞裙缘上分段胶合几个比瓷伞裙稍大的硅橡胶伞裙套，它能像雨帽一样，将沿瓷裙往下流淌的雨水分段隔离并溅开，避免出现过量的雨水短路瓷裙间的空气间隙；同时利用硅橡胶材料的憎水性和绝缘性能，提高瓷套管在污湿状态下的表面电阻，抑制泄漏电流，从而达到提高绝缘强度和防止闪络的目的。

2.2 雷电冲击湿闪络试验

瓷套管在正极性雷电冲击电压下的湿闪络电压试验结果如表3所示，波形如图5所示。取标准偏差为3.0%，可算出在耐受概率为99.87%（或闪络概率为0.13%）时的电压为：

由表2，3可知，在相同的雨水电导率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正极性雷电冲击湿闪络电压比正极性操作冲击湿闪络电压高66.6%。

表3 正极性雷电冲击电压下的瓷套管湿闪络试验结果

图5 1.2/42.7雷电冲击波形

2.3 操作冲击电压下的极性效应

由表3的试验数据可以看出，操作冲击电压下的瓷套管湿闪络电压具有明显的极性效应。正极性低于负极性的湿闪电压，如图6所示。

从图6可以看出，雨量为0.64 mm/min时，负极性操作冲击湿闪络电压比正极高27.6%；雨量为11.5mm/min时，负极性操作冲击湿闪络电压比正极性高8.5%。

图6 操作冲击下瓷套管湿闪络电压的极性效应

2.4 冲击击穿时间及放电电压与冲击电压波形的关系

试验过程中采集了所有发生瓷套管外绝缘放电的冲击电压波形。瓷套管冲击击穿时间的统计情况如表4所示。从表4可以看出：对于操作冲击电压，无论是干闪络电压还是湿闪络电压，正极性下的击穿绝大部分发生在波前，表4中①，②，③，⑤4种条件下波前击穿的概率分别为90.9%，100%，88.9%，53.8%；负极性下击穿绝大部分发生在波尾，④，⑥两种条件下波尾击穿的概率为90.9%，100%。对于雷电冲击电压，放电均发生在波尾。

表4 瓷套管冲击击穿时间统计

从试验结果还可以看出，无论是干闪络还是湿闪络，放电电压与波前时间存在明显关系，波前时间越短，放电电压越高。以表4中①，②两种情况为例，与波前时间为264 μs的操作波相比，波前时间为140 μs的操作波的U50升高了13.1%；以⑥，⑦两种情况为例，相同条件下雷电冲击U50比操作冲击U50升高了66.6%。

3 结论及建议

（1）在操作冲击电压为正极性及相同的波形条件下，当降雨量为0.64 mm/min时，湿闪络电压比干闪络电压下降了10.4%；在降雨量为11.5 mm/min时，湿闪络电压比干闪络电压下降了13.7%。

（2）无论是正极性还是负极性，操作冲击湿闪络电压随雨量的增加而减小。雨量特别大时，操作冲击湿闪络电压显著降低。

（3）操作冲击电压下瓷套管的湿闪络电压具有明显的极性效应。正极性湿闪络电压低于负极性。

（4）在相同的雨水电导率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正极性雷电冲击湿闪络电压比正极性操作冲击湿闪络电压高66.6%。

（5）对于操作冲击电压，无论是干闪络还是湿闪络，正极性下的套管外绝缘击穿绝大部分发生在波前，负极性下击穿绝大部分发生在波尾；对于雷电冲击电压，放电均发生在波尾。无论是干闪还是湿闪，放电电压与波前时间存在明显的关系，波前时间越短，放电电压越高。

（6）雨闪事故多发生于大雨和暴雨天气，由于瓷套管伞裙结构过密而导致雨水桥接伞裙的空气间隙，是导致频繁发生雨闪事故的主要原因。在条件具备的前提下，建议变电站内全部安装线路避雷器用以限制线路雷电冲击过电压幅值，保护站内设备。对于无法安装线路避雷器的线路间隔，建议对套管伞裙密集、易被雨水桥接的套管类或支柱类的瓷绝缘子添加硅橡胶伞裙套，防止雨闪事故的发生。

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