基于紫外成像的复合绝缘子人工污秽实验室设计

苑 舜，刘 洋，李希元

(1．国家电力监管委员会东北监管局，辽宁 沈阳 110006;2．沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870;3．营口供电公司，辽宁 营口 115000)

污秽闪络在复合绝缘子闪络总数中位居第二，对电网的安全运行构成严重威胁。国内外对污闪进行了大量研究试验，目前仍没有一套完整的理论将所有绝缘子闪络原因解释清楚［1］。人工污秽试验就是利用人工方法在绝缘子表面涂以污秽，并使之受潮，以模拟实际运行工况的一项试验。为了更好地建立人工模拟与实际运行情况的等价性，需要建立一个人工气候控制室对试验条件进行严格控制和精确模拟，因此，人工污秽实验室应运而生。

国内外在研究绝缘子闪络的同时，也在不断研究如何防患于未然。基于我国目前检修方式存在的问题，国家电网不失时机开始推行状态检修［2］。目前已应用的在线监测绝缘子运行情况的方法很多，其中紫外成像法以其直观、灵敏、易于发现绝缘子缺陷等优点不断地被优化与推广［3］。利用紫外成像法观测绝缘子污秽试验过程，记录闪络图像及参数可以更精确地量化绝缘子的闪络过程，为污闪机理研究提供重要依据。

基于紫外成像的复合绝缘子人工污秽实验室可以满足最高施加电压为50 kV的复合绝缘子污秽试验要求，并通过电场分析、紫外成像影响研究，论证并设计出该实验室。

1 人工污秽实验室材料的选取

污室主体材料的选取应满足以下试验要求。

a． 材料必须具有足够的绝缘强度，由于该试验是带电操作，材料必须为电气绝缘材料，并具有良好的介电性能，确保绝缘子在闪络过程中不会发生击穿、漏电等现象，确保试验的安全。

b． 材料必须具有较高的紫外线透过率，减小对紫外成像仪的影响。该试验拟采用紫外成像仪进行光子数的采集，因此，对污室的紫外透过率有很高的要求，确保成像的精确性。

c． 材料必须满足试验温度的要求，该试验为复合绝缘子的人工污秽闪络试验，闪络过程中会产生贯穿性电弧，并出现瞬时高温，因此，实验室材料必须满足高温下不变形、不破坏等要求，确保试验安全性。

根据上述试验要求，实验室最终采用玻璃作为实验室的主体材料。玻璃属无机绝缘材料，具有较好的介电性能。在绝缘材料中其耐热性能属C级，极限工作温度为180℃以上，符合实验室的设计要求，并具有良好的透光性，可方便观察实验室内的情况。而普通白玻璃的紫外线透过率几乎为0，无法进行紫外观测。为配合紫外线成像仪，在实验室一侧开设紫外观察窗口，镶嵌具有高紫外透过率的石英镜片。石英玻璃为二氧化硅单一组分的玻璃，这种玻璃硬度大，可达莫氏7级，具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性和电绝缘性能良好，并能透过紫外线等优点。该设计采用的是透明的光学石英玻璃，介电常数ε=3.7，介电损耗tanδ=0.000 3(50周/s)，电阻为 1×1019(Ω/cm)，耐击穿电压与温度有关，其关系见表1［4］。

表1 透明石英玻璃耐受电压与温度的关系

因此，石英玻璃的介电性能和耐热性能满足试验要求。

2 人工污秽实验室的设计

人工污秽实验室的设计尺寸按照试验设备最高工作电压下所需的安全距离 (通常按棒—板或棒—棒长间隙放电距离)估算。

图1 物理模型及场路分析

表2 各种介质的物理参数

当空气间隙的平均电场超过临界击穿场强时，将产生电弧并短接空气间隙。

根据《电工手册》得，所选的普通玻璃的绝缘强度约为25 kV/cm，代入式 (2)可得到临界条件为x≥0.356 m，加上绝缘子伞裙半径等，污室底面尺寸应≥1 m。为了安全起见，设计时留有30%裕度，因此污室底面设定为1.5 m×1.5 m。

该污室模拟人工闪络试验施加的最高电压等级为50 kV。根据GB/T16434—1996，干净或轻度污染的复合绝缘子交流爬电比距 λAC为 16～20 mm/kV，电压等级为50 kV，爬电距离L=λAC×U=1 m［5］;根据IEC507推荐，安装高度应对地有足够的绝缘距离，根据试验电压等级选取对地距离为1 m，因此，污室设计高度内径应为2 m。

对试验绝缘子进行场路模型分析，各介质的物理参数如表2所示，电场模拟结果如图1所示。

图1(a)给出了三维电场计算模型，可以进行沿面电场计算。由图1(b)的电位图可见，空气间隙承担了大部分绝缘子所承受的电压，空气间隙上的场强较绝缘子其它地方的场强强很多。因此，绝缘子高压端和低压端是绝缘子电弧起弧的地方。空气间隙放电电压与间隙距离的关系为

由式 (1)得到绝缘子空气间隙临界平均击穿场强与间隙距离的关系，即:

3 温湿度检测控制系统的设计

图2 喷雾测量及调控系统综合作用机制图

人工污秽试验是用人工的方法在绝缘子表面上涂以污秽并使污层受潮，是模拟实际运行情况的一项试验。其特点是试验条件可以比较严格的人为加以控制，并根据需要加以改变，因此，通过喷雾测量及调控系统对温湿度的控制是重要环节。在人工污室中必须设计温湿度控制系统，且配有温度传感器对室内温度进行实时监测，其工作机制见图2。

4 泄漏电流测试系统

泄漏电流为人工污秽试验中比较重要的参数，因此需要设置泄漏电流采集系统。泄漏电流采集系统由现场监测单元、主站处理单元、过电压保护单元组成。现场监测单元为泄漏电流传感器模块，该监测单元具有分段采取电流信号的功能，内部配有多段保护装置，确保装置工作的安全性;主站处理单元由信号转接盒和装有数据采集卡的计算机组成，具有集中信号并进行分析处理的功能;过电压保护单元起到对主站处理单元过电压保护作用，确保整个系统的安全运行。

5 紫外成像采集系统

紫外成像采集系统主要包括紫外成像设备和图像采集设备。紫外成像设备采用全日盲紫外成像仪(如图3所示)，设备灵敏度高、抗干扰能力强，可完全摆脱太阳光的干扰，检测时间不受限制，能在背景干扰中灵敏探测出电晕部位发出的微弱紫外光。图像采集设备采用高分辨率的数码录像机，用高速传输端口与紫外成像仪连接，即时输出采集的放电紫外图像。

图3 日盲型紫外成像仪

图4 人工污秽实验室的设计结构图

6 人工污秽实验室的设计结构图

根据以上各部分系统的设计，进行合理的配置及优化，基于紫外成像的人工污秽实验室结构如图4所示。

7 结论

a． 根据10 kV复合绝缘子人工污秽试验对电、热性能的要求，选取玻璃作为实验室的构造材料，并选取紫外透过率较高的石英镜片建立紫外观察窗。

b． 通过对绝缘子进行模型模拟和电场分析，结合污室材料的绝缘强度等，并保留适量裕度，设计污秽实验室尺寸为1.5 m×1.5 m×2 m。

c． 为严格设计试验环境，增加温湿度检测控制系统。

d． 为保证试验安全进行，增加泄漏电流测试系统。

［1］ 张志劲，蒋兴良，孙才新．污秽绝缘子闪络特性研究现状及展望 ［J］．电网技术，2006，30(2):35－40．

［2］ 朱 钰，陈瑞国，郝建成．浅谈电力设备状态检修 ［J］．东北电力技术，2010，31(3):48－50．

［3］ 叶会生，刘 敏，雷红才．紫外成像仪在电力设备缺陷检测的应用研究［J］．华中电力，2009，22(5):32－35．

［4］ 孙克军．电工手册［M］．北京:化学工业出版社．2009．

［5］ 徐通训．高压电力设备环境污区分级及外绝缘选择的新标准 ［J］．东北电力技术，1997，18(10):47－50．