胡大伟，苑经纬，刘桁宇，陈 刚，徐 崇

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.河北硅谷化工有限公司，河北 邯郸 056000)

近年来，随着挂网运行的复合绝缘子在数量逐年攀升、覆盖范围扩大和运行年限延长，运行过程中出现的故障问题也愈发增多，通过全国输电线路运行的复合绝缘子故障统计结果看出，不明原因闪络占全部故障类型的百分比较高为26%。很多学者分析了不明闪络的成因，文献[1-2]将此类不明闪络原因归为鸟粪下落时，绝缘子周围不均匀的电场分布产生畸变导致闪络发生，由于鸟粪残留造成的闪络因其不易被发觉，通常被定义为“不明闪络”；文献[3-4]对复合绝缘子发生闪络的故障原因从以下几方面进行分析：电压等级类型、复合绝缘子实际运行工况及结构和制作工艺方面，包括干弧距离偏小，爬电比距选择，硅质橡胶长时间置于污秽及潮湿的环境中由于吸收了环境中大量水分使其憎水性消耗过量，是否存在部分有效长度被其两端均压环短接现象，在某些特殊场合下其有效爬电距离被其表面附着的杂物丝带状物体等受潮后造成了短路；文献[5]对现有闪络机理学说已经在形成局部电弧后的推动力方面进行研究，但并未研究局部电弧形成的原因及过程。绝缘子在两端施加电压时就存在电离，且绝缘子端部均为金具，所以必然形成等离子团。无论推动局部电弧发展的是何种因素，均会对绝缘子表面形成的等离子体团体积产生影响，缩短有效绝缘距离。此为复合绝缘子闪络分析研判过程中极为关键阶段。

现阶段对于低温高气压等离子体的研究方法中，朗缪尔探针法和发射光谱法均为其诊断研判的有效分析方法[6-7]。对于大气条件下的电晕放电，近年来对其微观特性研究较多，方法多为计算模拟与光谱分析相结合，利用其内部具有很高活性的化学粒子进行空气净化[8-11]，对其宏观特性研究较少，尤其是未见在大气压下电晕放电等离子体特性应用于复合绝缘子闪络过程研究的公开报道。

基于此，设计并完成了复合绝缘子的人工污秽试验。试验在人工污室内进行，可以有效通过调节人工污室的运行参数来模拟绝缘子运行状态。采用匀速加压方式，在加压过程中，用朗缪尔探针法和发射光谱法诊断单个运行状态下绝缘子的端部电晕放电等离子体参数，进而得到不同运行状态下绝缘子的等离子体参数，从而为复合绝缘子污秽闪络过程研究提供重要的试验数据。

1 试验设计及计算方法

1.1 人工污秽试验设计

试品为10 kV复合绝缘子，试验用工频变压器容量为10 kVA，其最大输出电压为100 kV。试验原理如图1所示。

图1 试验原理

a.首先通过喷水分级法来测量复合绝缘子伞裙护套憎水性状态，测试结果显示所有试品的憎水性良好，均为HC1级。为保证本次试验结果具有可靠性与可重复性，其接线方式严格模拟所用试品实际工作方式设置，将试品悬于半空中，通过高压导线将环氧树脂棒架高。

b.然后将其接入污室连接至绝缘子球头侧，将绝缘子球帽侧可靠接地,按照相关标准要求[12]，试验用污液配置方法：通过一定比例的硅藻土、盐及适量的去离子水混合配制而成。依照绝缘子表面积，通过盐密与灰密值计算得出的盐和硅藻土的量进行配置，搅拌均匀配成污液，均匀涂刷至复合绝缘子的伞裙护套上。

c.试验时间设置为每次间隔15 min，确保绝缘子表面能够得到充分湿润，当试品伞裙表面湿度已达充分饱和状态时试验开始。

d.为确保试验绝缘子运行参数可调，试验通过人工污秽试验箱进行，其温湿度均可控。试验开始后，变压器以1 kV/s的速度匀速升压。

1.2 朗缪尔探针装置及计算方法

对于低温等离子体朗缪尔探针法是非常适合的诊断方法，其原因有以下3方面：①低温等离子体不存在强磁场；②等离子体对探针的二次电子发射较少；③由于该方法是接触式诊断方法，因此对探针材料的要求较低。

通常情况下，钨丝因其在硬度及熔点方面较为突出的特点，常被选用作为试验用探针，本文选用针尖长度为7 mm，直径为0.3 mm的钨丝探针。试验过程中，为避免金具处强场强对针尖顶部产生放电现象，做如下处理：选用导电型的环氧树脂系胶结剂把针尖胶合至玻璃绝缘管壁上，其内壁厚度为3 mm，便于针尖时刻保持置于玻璃管外；将钨丝作为参考电极并均匀缠绕至玻璃绝缘管外部，其与探针针尖端部的电容为7 nF；将6个LC谐振线圈并联于探针后，连接于相应的扫描电源上进行扫描；设置扫描电源的扫描周期为30 s，输出电压控制在-100～100 V，以避免高速率电子冲击探针，造成电子重复发射而加大试验误差。

等离子体的基本参数通过探针电压、电流关系来确定。等离子体空间电位Φp、悬浮电位Φf关系为

(1)

式中：κ为玻尔兹曼常数；e为电子电量；mi、me分别为离子与电子的质量；电子温度κTe为

(2)

式中：VB为探针偏置电压；IP为探针电流；Ies为电子饱和电流。

电子密度ne与离子密度ni为

(3)

式中：A为爱因斯坦系数。

将电子能量分布函数积分，即可得到过渡区域范围的探针电流(电子电流)。因此，为获得等离子体电子能量分布函数EEDF，可以通过对所测过渡区域的电压-电流进行微分求解。

1.3 光谱仪诊断装置及计算方法

采用DP-Nicolet iS5型分光仪，其分辨率达到0.05 nm，能够实现光源的波长谱及其功率谱有效输出。电晕放电时发出的光经透镜聚焦后成像于单色仪，为使诊断结果相对准确，成像系统各元件位置及角度均需仔细调节。发射光谱法诊断系统如图2所示。

图2 发射光谱法诊断系统

电晕放电等离子体是具有局部热平衡特性的光性薄等离子体，其电子温度为

(4)

式中:j、k为激发态；i、l为该激发态对应衰减到的能级；I为等离子体辐射强度；λ为波长；E为激发态电离能；g为统计权重。表1给出H原子的2条发射谱线计算用。

表1 类氢类原子谱线参数

2 试验方法

2.1 朗缪尔探针法

复合绝缘子运行参数包括端电压、温度、湿度、气压、憎水性、盐密与灰密等。为考察各参数变化趋势，设定一个标准值。

设绝缘子在标准大气压、憎水性HC1级、端电压10 kV、温度27 ℃、湿度80%RH、盐密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情况下运行时，得到的等离子体参数为其标准值。通过在30 s内设置等间距数据采集方式，采集60个样本，即每0.5 s采集1组U-I值，其数据值经平均值方式平滑后的探针曲线如图3所示。

图3 经平均值方式平滑后的探针电压-电流曲线

经过局部放大后的探针电压-电流曲线，测得其与横轴交点为(5.38,0)，等离子体悬浮电位φf=5.38 V，如图4所示。

图4 探针经过局部放大后的电压-电流曲线

将探针U-I曲线求一阶导数，其导数最大值对应的电压值为等离子体空间电位，如图5所示，求得φp=27.62 V。

图5 探针电压-电流曲线的一阶导数

将探针U-I曲线求二阶导数，获得所需的电子能量分布，如图6所示，电子能量分布可以近似看成双麦克斯韦分布。

图6 探针电压-电流曲线的二阶导数

假设气压和憎水性在运行中始终保持不变，在其余参数不发生变化的情况下，通过每次改变1个参数的方式，并经平均值法拟合后能够得到各种不同状态下的探针U-I特性曲线，如图7—图11所示。

图7 不同端部电压下U-I特性曲线

图8 不同温度电压下U-I特性曲线

图9 不同湿度下U-I特性曲线

图10 不同盐密下U-I特性曲线

图11 不同灰密下U-I特性曲线

2.2 发射光谱法

设绝缘子在标准大气压、憎水性HC1级、端电压10 kV、温度27 ℃、湿度80%RH、盐密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情况下运行时，得到的等离子体参数为标准值。

采用光谱仪录得300～800 nm的发射光谱如图12所示。选取Hα和Hβ2条谱线，根据式(4)、表1中数据，求得κTe=1.95 eV，与相同条件下朗缪尔探针法诊断结果κTe=1.76 eV相差10.8%。

图12 电晕放电产生的活性粒子发射光谱

3 结论

用朗缪尔探针法与发射光谱法对大气条件下复合绝缘子端部电晕放电产生的等离子体参数分别进行诊断分析，得到结论如下。

a.朗缪尔探针法试验显示，当绝缘子运行条件恶化(恶化是指绝缘子运行条件向有利于闪络的方向发展，包括但不限于其端部电压攀升、温湿度增加、污染程度加剧等)时，其端部电晕放电产生的等离子体参数均有扩大趋势，此扩大趋势对闪络现象产生起到了推动作用。根据不均匀等离子体输运原理相关叙述，其内部粒子能够通过扩散的方式逐渐向低密度区域扩散，且等离子体空间分布会随着等离子体密度增大而变广。因此等离子体密度增大导致空间电位升高，缩短了有效绝缘距离，造成绝缘性能下降。

b.由图6可知，被测试样的电子能量出现了偏离麦克斯韦分布的倾向，分析原因是由于电晕放电现象为非低温平衡态的性质决定的，测量结果与文献[13]相符。

c.由图7可知，当端电压升高到20 kV时，有间歇性的局部电弧出现，造成等离子体参数距离标准线有较大偏移。这说明局部电弧的产生同样为闪络过程中的重要阶段，需要更深入研究和探索。

d.利用发射光谱法得到的电子温度与朗缪尔探针法得到的结果相差10.8%，2种方法的诊断结果相符，均可作为电晕放电产生等离子体的有效诊断方法。

e.朗缪尔探针法的误差主要来自探针本身和扫描电压对于探针表面的二次电子发射；发射光谱法的误差主要来自装置本身。