±500kV直流复合绝缘子沿串积污特性研究

吴明雷，郗晓光，王永福，杨朝翔，贾志东，陈灿，董艳唯，张春晖

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300022； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

环境试验

±500kV直流复合绝缘子沿串积污特性研究

吴明雷1，郗晓光1，王永福1，杨朝翔2，贾志东2，陈灿2，董艳唯1，张春晖1

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300022； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

复合绝缘子的积污特性与瓷绝缘子和玻璃绝缘子有所不同，研究其积污规律对防止污闪有着重要意义。为此，以3支实际运行后的±500kV直流复合绝缘子为研究对象，系统测量其沿串不同位置的污秽度，用等值盐密（ESDD）和灰密（NSDD）表征。试验发现绝缘子不同伞上下表面的等值盐密和灰密大多呈现出U形的分布规律，尤其以等值盐密的U形分布更为明显，而且不同伞上下表面污秽U形分布规律性的强弱有一定差异。讨论了积污过程中电场对污秽沉积的作用以及自清洗过程中雨水冲洗的随机作用，更好地解释了直流复合绝缘子的沿串积污规律。

直流复合绝缘子；积污；等值盐密；灰密；分布规律；电场

引言

高压输电线路的污闪问题是电力系统安全运行的一大威胁，而绝缘子表面积污是发生污闪的基本前提。因此，研究绝缘子表面的积污特性对防止污闪有着重要意义[1]。我国电力系统早期多用瓷绝缘子和玻璃绝缘子，而复合绝缘子凭其优异的耐污性能在现在的电网中被大量使用。但是复合绝缘子有着与瓷、玻璃绝缘子不同的积污特性，所以复合绝缘子积污特性的研究是现代防污闪研究的重要组成部分。

硅橡胶材料不同于传统的无机材料，在近些年开展了很多对硅橡胶材料积污特性的研究，发现一般情况下比无机材料积污更重[2]。是否带电、带交流电或直流电对复合绝缘子积污有很大影响，试验发现带电绝缘子比不带电绝缘子积污重很多，一般直流绝缘子比交流绝缘子积污更重[3]。除了对运行绝缘子积污结果的测量分析，一些学者对绝缘子积污过程进行了分析，主要考虑了重力场、电场、流体场对积污的作用[4]。

综合上述研究成果可以看出，复合绝缘子在我国的运行经验较少，其积污特性是现在的研究热点。多项研究结果均说明电场对绝缘子积污作用明显，文献[5]讨论了电场作用下绝缘子污秽的沿串分布规律，但主要为仿真计算、实验室模拟的测试结果，欠缺实际运行直流复合绝缘子沿串的污秽测量结果。本文基于±500kV直流复合绝缘子沿串的等值盐密和灰密值，分析了不同污秽（对应等值盐密和灰密的污秽“盐成分”和“灰成分”）在电场下的沉积作用以及绝缘子不同伞受到的雨水冲洗作用，对其不同的沿串分布规律给出了解释。

1 绝缘子样品介绍

进行污秽度测量的3支复合绝缘子都取自实际运行的直流±500kV线路，取样时间统一为2013年2月，详细信息见表1。

对绝缘子所处地理位置做了调研，1#绝缘子在城镇内，周围有较多的工厂和道路，而2#和3#绝缘子在山区内，周围植被覆盖情况良好。

从表2中可以看出3支绝缘子所在地区的降雨量都比较充沛，尤其是2#绝缘子。结合取样时间，调查了2012年2月至2013年2月的降雨天数的数据，如图1所示。根据相关气象资料，每年4月至9月为汛期，降雨量可占到全年的80%左右。

表1 试验绝缘子信息

表2 绝缘子所在地区年降雨量

从低压端到高压端对绝缘子的伞裙单元进行编号（每个大伞和相邻的中伞、小伞构成一个伞裙单元），由第1个伞裙单元开始，1#、2#绝缘子每4个单元测一组污秽度，3#绝缘子每3个单元测一组，一组污秽度包括大、（中）、小伞上下表面的等值盐密（ESDD）和灰密（NSDD）。污秽度测量严格按照标准GB/T 26218.1-2010进行。

2 复合绝缘子污秽度沿串分析

2.1 3#绝缘子等值盐密和灰密的沿串分布

本文重点研究污秽的沿串分布规律，污秽度用等值盐密和灰密表征。因为不同伞形的上表面和下表面在污秽的沉积和自清洗这2个过程中有不同的特点，因此以伞形结构最复杂的3#绝缘子为例，分析了不同伞上下表面的等值盐密和灰密的沿串分布特征。具体结果如图2所示。

自然积污的影响因素很多，积污量有着很大的分散性，相邻伞裙单元可能出现污秽值相差很大的情况。为了更清楚的表现其沿串规律，图中加入二次曲线拟合。

从图2可以看出：3#绝缘子大、中、小伞上下表面的等值盐密和灰密大多表现出U形的沿串分布，即污秽重的点更多出现在高压端和低压端。

图1 降雨天数统计

图2中二次曲线拟合的结果多为开口向上的抛物线，表3给出了拟合优度R2的结果。图2中12条二次曲线拟合的R2都很小，说明污秽的沿串分布不是严格的U形，只是表现出U形的大致趋势。应用R2的大小比较沿串的U形趋势强弱。

从表3可以看出：等值盐密比灰密表现出更强的U形分布规律；对于不同伞形，中伞和小伞比大伞表现出更明显的U形分布；上下表面的区别在等值盐密结果中并不明显，而灰密下表面比上表面U形分布规律明显更强。

2.2 1#和2#绝缘子等值盐密的沿串分布

上文以3#绝缘子为例分析了不同污秽类型（污秽度测量中表现为等值盐密和灰密的两类污秽）、不同伞形对沿串污秽度分布的影响，下面就U形分布规律更强的等值盐密，结合1#和2#绝缘子的试验结果，主要分析不同运行环境对污秽沿串分布的影响。

图2 3#绝缘子污秽的沿串分布

表3 3#绝缘子不同伞上下表面U形趋势拟合优度

从图3可以看出，1#和2#绝缘子大伞、小伞上下表面的等值盐密大多表现出U形的沿串分布。分析表4中拟合优度R2的结果发现：运行于城镇地区的1#绝缘子的小伞比大伞表现出更明显的U形分布，与3#绝缘子的结果相同；而2#绝缘子大伞和小伞下表面的U性分布规律明显强于上表面，考虑到2#绝缘子所在地区年降雨量较大，认为这是由强降雨对上表面污秽的随机性冲洗造成的。

3 讨论

分析污秽沉积到复合绝缘子表面的过程，主要受到空气流场的作用力、电场作用力和重力。而绝缘子污秽度的沿串U形分布主要与电场作用力有关，尤其对于直流绝缘子，其轴向场强的U形分布是造成沿串污秽U形分布的主要原因。±500kV复合绝缘子的沿串电场仿真见图4，仿真所选模型为3#绝缘子，1#和2#绝缘子也表现出相同的沿串电场分布规律。

图3 1#、2#绝缘子等值盐密的沿串分布

表4 1#和2#绝缘子不同伞上下表面U形趋势拟合优度

从污秽沉积的角度，具体讨论等值盐密和灰密在沿串分布上的差异。等值盐密和灰密是在污秽度测试中得出的概念，而实际积污过程中的污秽颗粒很可能既包括等值盐密的一部分，也包括灰密的一部分。但是在统计上根据粒径大小可以对污秽颗粒进行一定的区分，有研究结果表明在我国南方地区对应“盐成分”的Ca2+、Cl-粒径主要在1.8～10μm，对应“灰成分”的SiO2、Al2O3粒径主要在30～50μm范围内[6]。而污秽颗粒静电带电的方式主要有接触带电、扩散荷电、场致荷电，在绝缘子周围的空间内，当颗粒粒径大于2.0μm时，场致荷电起主要作用。因为荷电后的颗粒会出现对离子的排斥电场，所以随着荷电量增加，排斥电场增大，会出现饱和荷电状态[4]。在饱和荷电状态下，随着颗粒粒径增大，其电荷质量比会下降。而且粒径大的颗粒更容易带上异种电荷，从而在整体上呈现电中性。综合以上分析，认为在直流复合绝缘子周围空间内粒径小的颗粒更容易出现较大的电荷质量比，有学者在情况相近的模型试验和仿真计算中也得出了同样的结论[7]。将上述讨论应用于等值盐密和灰密的沉积过程分析，认为统计上粒径更小的污秽“盐成分”容易出现较大的电荷质量比，电场对此类污秽的积污作用更明显，所以电场的沿串U形分布使等值盐密表现出较为明显的U形分布规律。

图4 3#绝缘子沿串强场分布

从自清洁的角度，关注不同伞及同一片伞上下表面，讨论污秽沿串分布的差异。绝缘子挂网运行时在雨水和风的作用下会将表面一部分污秽清洁掉，由于风的作用随机性较强，主要分析雨的冲洗作用。上文中二次曲线的拟合优度不高，原因在于污秽沉积和自清洗的随机性，而雨的冲洗作用是其中比较重要的随机因素。比较不同伞形，大伞相比于中伞和小伞更容易受到随机因素作用，1#、3#绝缘子的大伞U形分布规律较弱；比较上下表面，降雨量大的2#绝缘子上表面U形分布规律较弱，降雨量小的3#绝缘子上、下表面规律相似。

因为很难全面分析积污和自清洁过程中的随机性，只能定性说明等值盐密的沿串U形分布强于灰密，大伞及强降雨地区的伞裙上表面U形分布规律较弱。

4 结论

1）绝缘子周围的环境条件和地区降雨量对绝缘子积污有很大影响，结合环境条件和气候信息能对污秽度测量结果进行更有效的分析。

2）由于电场力的作用，直流复合绝缘子的污秽大多呈现U形的沿串分布。

3）等值盐密的沿串U形分布强于灰密，大伞及强降雨地区的伞裙上表面U形分布规律较弱，通过积污和自清洗过程定性解释了上述结论。

[1] 舒印彪, 张文亮. 特高压输电若干关键技术研究[J].中国电机工程学报, 2007(31):1-6.

[2] 王康, 王建国, 江健武, 等. 涂覆RTV对瓷绝缘子盐密和灰密影响的对比观测[J].高电压技术, 2012(4):847-854.

[3] 江健武, 赵灵, 方春华, 等. 带电复合绝缘子积污特性的对比观测[J].高电压技术, 2012(10):2633-2639.

[4] 王晶. 输电线路绝缘子表面污层形成过程的研究[D].北京: 清华大学, 2013.

[5] 王晶, 陈林华, 刘宇, 等. 电场对复合绝缘子积污特性影响的探究[J].高电压技术, 2011(3):585-593.

[6] 李恒真, 王颖凯, 刘刚, 等. 电力外绝缘污秽颗粒等效模型和粒径分布探讨[J].电瓷避雷器, 2013(01):34-38.

[7] 雷玉明, 张蓉, 殷鹏飞, 等. 静电分散中粉体荷电规律的数值模拟[J].中国粉体技术, 2013(03):6-8.

Study on the Contamination Distribution Along ±500k VDC Composite Insulator

WU Ming-lei1, XI Xiao-guang1, WANG Yong-fu1, YANG Zhao-xiang2, JIA Zhi-dong2, CHEN Can2DONG Yan-wei1, ZHANG Chun-hui1
（1. State Gr id Tianj in Elect ric Power Research Insti tute, Tianjin 300022;
2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055）

The contamination character istics of composite insulators are different with porcelain and glass insulators and research about its contamination character istics is of great significance to prevent pollution flashover. Thus, three ±500kV DC composite insulators in service were selected for test. The contamination density of different places along the insulators was measured and characterized by ESDD and NSDD. Experimental results indicate that the ESDD and NSDD of upper and lower sur faces of different sheds along the insulators commonly distribute as U-shape, especially for ESDD, and the regularities of different places on the insulators are different. With the discussion about the influence of electric fields in the contamination process and the influence of rainfall in the cleaning process, the regularity of contamination along DC composite insulators is better explained.

DC composite insulator; contamination; ESDD (equivalent salt deposit density); NSDD (non soluble deposit density); distribution regularity; electric field

TM216

A

1004-7204（2014）03-0006-05

项目：特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室开放基金

吴明雷，1982年2月出生，男，毕业于山东大学高电压与绝缘技术专业，研究生，工程师，现从事输电线路及外绝缘专业工作。