王胜辉， 王玺铭， 李 楠

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网保定供电公司，河北 保定 071051)

0 引 言

随着我国经济的快速发展,高压电力设备安全性愈加重要,工农业污染物在大气中的含量不断增加,成分也日趋复杂。污闪事故不仅与绝缘子的爬电比距、串长以及环境因素有关,还与表面污秽成分有着密切关系[1]。湿润污秽的绝缘子放电现象是一个涉及电、热和化学因素的复杂过程,随着环境湿度升高,污秽中可溶性电解质开始溶解,污层电导率增加,进而影响到污闪电压。

针对污秽层的受潮和放电特性,国内外开展了相关研究,文献[2]分析了污闪电压与污秽成分间的关系,并为用等值盐密进行污秽度评估提出了修正思路;文献[3]研究了在不同污秽成分下XP-160瓷绝缘子的污秽闪络特性,得出了绝缘子表面电导率在不同污秽成分下的影响规律。清华大学,江苏省电科院分析了不同盐密和灰密对绝缘子闪络电压和积分电导率的影响以及污秽成分对绝缘子表面污秽程度的影响,并分析了CaSO4对等值附盐密度的影响[4-6]。重庆大学分析了在自然污秽下可溶性盐的构成对污闪电压的影响[7-9]。文献[10]研究了绝缘子盐密对闪络电压的影响,得出污秽闪络电压随着绝缘子表面等值盐密的增大而减少,近似满足幂函数规律。基于目前研究现状可知,人工污秽试验中,其污秽物多采用钾盐或钠盐等可溶无机盐与惰性灰份混合[11,12],而对其他可溶无机盐的研究较少,缺少对不同污秽成分的绝缘子污层湿润过程的导电性变化及污闪特性研究。

选取XWP-300瓷悬式绝缘子为研究对象,分析了不同无机盐成分对污秽绝缘子表面电导性和闪络电压的影响。分析了绝缘子表面泄漏电流随加湿时间的变化曲线,得到了不同污秽成分对绝缘污层受潮过程和表面电导性的影响特性,采用人工污闪试验并获得了不同污秽成分对绝缘子闪络电压的影响特性。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置及试品

相关试验在中国电力科学研究院污秽试验室完成,现场加压设备及污秽试验室内绝缘子的接线如图1所示。

图1 试验设备及绝缘子悬挂情况Fig.1 Test equipment and insulator suspension

绝缘子表面污秽湿润采用蒸汽雾法,温度控制在30～35 ℃。试验工频电源由200 kV/1 000 kVA交流试验变压器提供,电源的额定电流为5 A,最大短路电流为25 A,满足IEC60507国际标准的要求。

试验以XWP-300瓷悬式绝缘子为研究对象,结构图如图2所示,具体参数见表1。

表1 绝缘子主要结构参数

图2 试品绝缘子结构和外观Fig.2 The structure and appearance of the sample insulator

1.2 污秽成分选择

绝缘子在自然积污情况下,其表面可溶性污秽成分以NaCl和CaSO4[13]为主,其中CaSO4的质量分数最大,约为74%,而NaCl质量分数约为10.5%,NaNO3和MgSO4等其他成分质量分数约占16%[14,15]。

试验中污秽成分的含量均用可溶性物质附着密度SCD表示,选取SCD为0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2表示染污程度的轻、中、重3种状态[16],不溶性物质固定高岭土,灰密统一取2 mg/cm2。根据表1中绝缘子的表面积,称量出相应质量的盐,溶于40 mL去离子水中,将绝缘子上下表面均匀涂刷,阴干备用。

1.3 试验方法

对泄漏电流进行试验时,采用固体涂刷法对绝缘子进行染污[17],阴干后挂入试验雾室中,给绝缘子施加电压约1 kV,开启锅炉形成热雾气,对绝缘子进行加湿,用 Labview软件对绝缘子表面泄漏电流进行采样监测,选取加湿过程中绝缘子表面每分钟最大泄漏电流峰值为特征参数,对比分析不同污秽成分的绝缘子表面泄漏电流特性。

同样对绝缘子进行染污、加湿,当绝缘子表面泄漏电流达到饱和状态后[18],采用均匀升压法对XWP-300绝缘子进行交流闪络试验。对同种污秽成分下的不同污秽度,每种进行2～3次试验,每次使试验绝缘子闪络3～4次,利用平均值误差小于10%的数据,计算其闪络电压的平均值和相对标准偏差。

2 绝缘子表面泄漏电流特性

2.1 污秽度对泄漏电流特性的影响

基于上述试验方法,可得到不同污秽成分下绝缘子表面每分钟最大泄漏电流峰值随加湿时间的变化趋势。SCD分别为0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2时,泄漏电流随加湿时间的变化曲线如图3所示。

图3 不同污秽状况下的绝缘子表面泄漏电流Fig.3 Leakage current on the surface of insulators under different contamination conditions

分析图3中泄漏电流随时间的变化特性可知,随着湿润时间增长,其泄漏电流均有增加,即污层电导率增加,但不同污秽成分的表面电导率增加速度存在较大差异,表面污秽成分为NaCl时的泄漏电流增加明显。以SCD为0.1 mg/cm2为例,选取不同污秽成分的绝缘子在第5分钟、10分钟和第15分钟的最大泄漏电流峰值如图4所示。

图4 不同时间、污秽成分下的泄漏电流对比Fig.4 Comparison of leakage current of different contamination components at different time

分析图4泄漏电流变化差值可知,增加湿润时间,表面污秽成分为NaCl时,其泄漏电流随加湿时间变化更加明显。这也说明绝缘子污秽层的导电性并不是仅仅与无机盐溶解度有关,还与不同离子的电离程度和导电能力有关。

在SCD分别为0.05 mg/cm2、0.1 mg/cm2、0.2 mg/cm2,时间为10 min下不同污秽成分的最大泄漏电流峰值如图5所示。

图5 相同时间、不同污秽状况泄漏电流对比Fig.5 Comparison of leakage currents under different contamination conditions in the same duration

分析在不同污秽度下,不同污秽成分表面最大泄漏电流可知,表面污秽成分为NaCl时的泄漏电流随着SCD的增加而迅速增加,并趋于饱和。其他无机盐变化趋势相似,随着SCD的增加缓慢增加。

2.2 不同污秽成分对泄漏电流特性的影响

取若干份CaSO4分别以不同比例与NaCl、NaNO3、MgSO4构成5组混合无机盐,SCD取0.2 mg/cm2,不溶污秽成分固定高岭土的灰密取2.0 mg/cm2。5组混合无机盐中CaSO4含量分别为0%、25%、50%、75%、100%。

依照上述方法试验,得到不同比例CaSO4混合污秽对绝缘子表面泄漏电流的影响曲线,如图6中(a)、(b)、(c)所示。

图6 不同比例混合盐的泄漏电流对比Fig.6 Comparison of leakage current of mixed salt in different proportions

分析试验数据可知,其泄漏电流具有如下特点:随着污秽成分中NaCl含量的减少,绝缘子的泄漏电流变化曲线越来越低,且变化趋势越来越平缓,说明混合成分为NaCl时,CaSO4所占含量比例对于绝缘子的泄漏电流的影响不大。

由图6可知,混合污秽成分为 NaCl 时,随着 CaSO4在混合无机物中占比增加,绝缘子的泄漏电流曲线逐渐平缓,其中混合污秽成分间的绝缘子泄漏电流差值很小,且其值远小于混合污秽成分与单种污秽成分差值。

当污秽成分为NaNO3时,不同混合无机盐占比的绝缘子的表面泄漏电流曲线分布较为分散。其中,在CaSO4占比为75%时,泄漏电流在4 min后一直保持最大,污秽绝缘子表面导电率最大;而CaSO4占比为50%时,泄漏电流曲线最低,此时污秽绝缘子表面导电率最小。

混合污秽成分为MgSO4时,随着CaSO4含量的增加,绝缘子的泄漏电流变化曲线越来越低,其中CaSO4所占含量比例为25%时,绝缘子的泄漏电流变化曲线最高,明显高于其他混合比例,说明这种混合比例下,混合污秽的绝缘子导电性最好。

随着CaSO4含量的增加,就导电离子方面而言,其对污层电导率的贡献很小,但随着其含量的增加,CaSO4的作用会表现为不溶物的吸水保水性,增大了污层中可溶物质的溶解量,增加污层电导率。

3 污秽成分对污闪电压的影响

3.1 单种无机盐对污闪电压的影响

基于上述试验方法,同时测得不同无机盐污秽成分下绝缘子交流闪络电压,特性曲线如图7所示。

图7 不同无机盐污秽的闪络电压Fig.7 Flashover voltage of different inorganic salt pollution

分析图7中的曲线的变化趋势可知,其闪络电压随SCD呈明显下降趋势,因此采用了幂函数进行了拟合分析,Uf与SCD(用ρSCD表示)的拟合函数如式(1)所示:

Uf=KρSCD-n

(1)

式(1)中:Uf为污闪电压,单位为kV;K为与绝缘子爬电距离、形状等因素有关的常数,反映绝缘子形状对污闪电压的影响,单位为kV;ρSCD为拟合幂函数的底;n是SCD对Uf影响的特征指数。

将试验结果用式(1)进行拟合,如表2所示。

表2 不同污秽成分下的K、n、R2

由试验结果和拟合分析结果可知不同单种污秽成分绝缘子的污闪电压具有以下特点:

污秽绝缘子闪络电压随着SCD的增加呈幂函数关系减少。在SCD较小时,绝缘子污闪电压快速减少,在SCD较大时,闪络电压减少速度趋于缓和。

可溶物密度对绝缘子交流污闪电压存在较明显的影响。绝缘子的交流污闪电压均随着无机盐成分可溶物密度的增加而降低。如污秽成分为NaNO3的绝缘子,可溶物密度从0.05 mg/cm2分别增加到0.1 mg/cm2和0.2 mg/cm2后,闪络电压从23.2 kV降到了19.7 kV和17.5 kV,分别下降15.37%和10.83%。

这其中,比较特殊的为 CaSO4,CaSO4作为一种弱电解质,微溶于水,有吸湿性。随着SCD增大,CaSO4所对应的闪络电压值更加显著地大于 MgSO4,这是因为 CaSO4,在相同可溶物密度下电离出的离子比较少,而随着CaSO4的SCD不断增大,其对于污秽闪络的影响更多源于它的吸水保湿作用。

污秽成分对绝缘子交流污闪电压存在影响。不同污秽成分的绝缘子闪络电压由低到高依次为:NaCl、NaNO3、MgSO4、CaSO4,其中表面污秽为CaSO4的绝缘子,污闪电压明显高于表面污秽为MgSO4、NaNO3和NaCl的绝缘子。

3.2 混合无机盐对污闪电压的影响

在混合污秽成分试验中,将不同比例的CaSO4与NaCl、NaNO3和MgSO4混合污闪试验,试验结果如表3和图8所示。

表3 不同混合污秽成分比例下绝缘子的污闪电压

图8 不同比例混合污秽下绝缘子的污闪电压Fig.8 Pollution flashover voltage of insulators in different proportions of mixed contamination

分析上述表3和图8中曲线和相数据,可知其闪络电压的变化具有如下特性:

当混合污秽成分相同时,其他几种可溶盐与CaSO4的混合污秽,混合污秽的绝缘子闪络电压均随着CaSO4质量分数的增加呈上升趋势。如CaSO4与NaCl混合时,其质量分数分别为25%、50%、75%时,闪络电压分别为18.23 kV、19.17 kV、20.8 kV,逐渐上升。

当混合污秽不同时,混合污秽绝缘子的闪络电压与污层中导电物质的成分组成有明显的关系,混合污秽的绝缘子闪络电压由低到高依次为:NaNO3、NaCl、MgSO4,由于污秽中NaCl、NaNO3和MgSO4在相同污层含水量下的溶解度和电离程度不同,导致其导电特性不同,即污层的导电性能对闪络电压有影响。

当混合无机盐中CaSO4质量分数一定时,污闪电压随着污秽成分中另一物质的不同而改变,例如在CaSO4质量分数为50%时,混合污秽为NaNO3、NaCl、MgSO4的绝缘子闪络电压分别为19.17 kV、18.79 kV、21.79 kV,此时的闪络电压的大小顺序与单种无机盐成分时略有不同。

4 结 论

(1)不同污秽成分的绝缘子泄漏电流随相对湿度和SCD的增加而增加,NaCl变化幅度较大,其它污秽成分的泄漏电流增长相对不明显。

(2)不同单种可溶污秽成分对绝缘子交流污闪电压的影响不同,绝缘子的闪络电压由低到高依次为:NaCl、NaNO3、MgSO4和CaSO4。

(3)不同混合污秽的绝缘子闪络电压均随着混合污秽中所含CaSO4质量分数的增加呈上升趋势。当混合污秽不同时,绝缘子的闪络电压与污层成分有关系明显,MgSO4的闪络电压最高,NaNO3和NaCl闪络电压较低且接近。