有机绝缘子冲击与工频电压下的湿污闪对比研究

周理，古亮

(1.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074;2.重庆理工大学，重庆 400054)

有机绝缘子冲击与工频电压下的湿污闪对比研究

周理1，古亮2

(1.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074;2.重庆理工大学，重庆 400054)

线路绝缘子除长期承受工频高电压外，还可能随时承受脉冲过电压。建立了有机绝缘子污湿闪实验平台，采用数字录像及图像处理技术，记录并对比分析了在大气脉冲电压和工频电压下，硅橡胶复合绝缘子表面湿污闪过程中干燥带的变化以及电弧的分布状态，得到了脉冲电压对干燥带和局部电弧的影响规律。所得结论对进一步认识硅橡胶复合绝缘子的老化和污闪机理有一定的参考价值。

绝缘子;湿闪;干燥带;电弧

复合绝缘子由于具有优异的憎水性和耐污闪性能，在输电线路中已得到广泛应用，为电力系统的安全可靠运行做出了重要贡献。但是复合绝缘子污闪仍不断，污闪对电力系统输配电可靠性危害极大，往往导致重合闸的失败和大面积停电，严重影响电力系统的安全运行［1］。

绝缘表面污闪发展过程包含4个步骤:1)表面形成污秽层;2)污秽层受潮;3)形成干燥带与局部电弧;4)局部电弧发展形成闪络。Meyer等［2-4］的研究表明，污闪时强电场作用下的局部放电、冷热聚变、受潮水解和紫外线高能辐射的长期作用是导致复合绝缘子老化的主要原因。局部放电使绝缘子的机电性能因老化而减退。当复合绝缘子工作在潮湿环境时，干燥带极易放电，产生高能辐射、热量和活性产物，导致绝缘表面PDMS分子断链和交换、硅氧烷链水解和碳氢化合物聚合、聚合碳氢化合物的氧化和硅氧烷链的交联等老化劣化和表面憎水性丧失，并最终可能引起输电线路外绝缘的闪络事故。因此，研究复合绝缘子的污闪特性具有重要意义。

Otsubo等［5］进行了复合绝缘子表面盐雾老化试验，测量并分析了放电发射的光谱。试验结果表明:电晕放电发射的光谱主要集中在紫外线区，而干燥带放电发射的光谱主要分布在黄色光谱和红色光谱范围之间;当干燥带放电发生时，伴随电流脉冲产生的光谱成为连续性的宽脉冲。Philips等［6］研究了电晕放电、局部放电以及干燥带放电对硅橡胶绝缘子表面老化的影响。研究结果表明:憎水性导致复合绝缘子表面的水珠都是以分离水珠的形式存在，绝缘子表面局部电场加强，电晕放电活动加剧，首先引起绝缘子表面老化，憎水性不断丧失。一旦表面形成连续水膜，表面泄漏电流增大，干燥带逐渐形成。随后干燥带放电，放电电弧产生的热量又引起复合绝缘子表面老化。

国内目前主要对干燥带放电的形成、干燥带模型、剩余电阻、干燥带放电的频率特性以及试验方法进行研究。以上研究没有考虑大气过电压与操作等脉冲电压对绝缘子表面的闪络的影响。有机绝缘子实际运行期间，一方面受到工频高电压的持续作用，另一方面由于电网分布极广，长期受到随机大气过电压或操作电压侵袭，故线路绝缘子往往还受到脉冲过电压分量的作用。脉冲过电压在有机绝缘子表面湿污闪引起的老化过程中的作用尚不清楚。研究脉冲过电压对干燥带的形成、干区局部电弧的影响等在复合绝缘子防老化和防污闪方面有非常重要的作用。

本文建立了有机绝缘子污湿闪实验平台，采用数字录像及图像处理技术，记录并分析了在大气脉冲电压和工频电压下硅橡胶复合绝缘子表面湿污闪过程中干燥带以及局部电弧的分布状态及变化，得到了干燥带发展及局部电弧的分布特点。所得结论对进一步认识硅橡胶复合绝缘子的老化和污闪机理有一定的参考价值。

1 实验原理

实验原理如图1所示。其中，硅橡胶绝缘子片来源于重庆某输电公司输电线路，绝缘子已运行7年，伞裙表面具有一定的憎水性。Ui是实验电源，当电源为工频高压时，硅橡胶表面的电弧为工频电弧;当电源为脉冲高压时，硅橡胶表面的电弧为脉冲电弧。保护电阻R=100;电极为钢质圆弧电极，曲率半径为7 mm;硅橡胶表面向上并与地面平行;数字相机记录电弧、水带或干燥带的演变过程，以便进一步处理分析。

图1 实验原理图

2 实验步骤

1)将有机绝缘子的伞裙切下，清水洗净晾干。伞裙上表面用极细砂纸打磨，模拟丧失憎水性的绝缘表面。下半部分未进行打磨，憎水性保持较好。

2)电极上分别施加工频试验高压和1.2/50 μs脉冲试验高压15 kV。

3)启动摄像机，记录工频高压和脉冲高压下的沿面电弧以及水带或干燥带的状态变化。

4)对试样表面快速喷洒矿泉水，模拟其表面污秽湿润状态。

5)重复以上步骤，观察趋势。

6)图像处理。对记录的视频数据进行Matlab软件编程，以帧为单位，截取录像数据并计算沿面电弧以及水带或干燥带的分布演变特征。

3 实验结果

3.11 .2/50 μs脉冲高压下放电和干燥带的特征

当未喷水时，两电极间不出现闪络电弧;喷大量水时，两电极之间绝缘被水膜覆盖，电极间立即产生闪络电弧，电弧明亮，持续时间短，如图3所示。用Maltab程序中的图像处理技术计算电弧通道的纵向亮度分布，如图4所示:电弧沿通道方向宽度和亮度分布较均匀。以上放电过程一直持续到干区开始形成。但干区在后续脉冲电弧放电时很可能会由于放电而被水带取代。

图2 有机绝缘子表面

图3 表面脉冲湿污闪典型电弧

多次电弧后，干燥带变宽、水带变窄。由于干燥带宽度较宽，放电频率下降，故很可能会停止几个脉冲周期再放电。在放电停止的前几个脉冲周期内，绝缘表面憎水性较差，部分电极的根部会向对方电极喷射少量水，使其水带显著变长，而干燥带宽度缩短。随后，绝缘表面憎水性较好部分电极的根部也同样向对方电极喷射少量水，使其水带明显变长，缩短干燥带宽度。如图5所示:绝缘表面憎水性较好部分的上电极的根部水带以片状存在，而绝缘表面憎水性较差部分的下电极根部水带以滴状存在。另外，绝缘表面憎水性差的部分的水带长度要比憎水性好的部分的水带长度长。当剩余干燥带宽度减小到一定值时，局部脉冲放电再次产生。

图5 表面脉冲湿污闪后干燥带典型变窄趋势(上电极根部水带呈片状，下电极根部水带呈滴状)

3.2 工频高压下放电和干燥带的特征

当没有喷水时，两电极间不出现闪络电弧;喷大量水时，电极间立即产生闪络电弧，电弧明亮，持续时间长。如图6所示:电弧颜色呈淡黄色或金黄色，电弧持续时间较长、电弧漂浮，这与参考文献描述一致。闪络电弧通道沿通道方向亮度分布不均匀，即电弧处处直径相差较大，如图7所示。

由于电弧出现后，其持续时间长，电弧亮度极大，范围广，故水带的宽度变化不便于观察。多次电弧后，干燥带首先出现在绝缘表面憎水性差的下部分，如图8所示。在图8中，干区形成初期，干区电弧在两电极连中心接线附近出现，水带没有被明显拉长;随后，干区向左右两边及上方不断扩展变宽，水带不断变窄，局部电弧变弱。此时可以观察到在放电点处，水带有时被放电产生的高压气体推开变短，而在其他部位放电时，缩短的水带会再次恢复长度。但水带的这些变化都不明显。最后，由于干区宽度太宽，闪络最终停止。

图7 表面工频闪络电弧通道与其亮度分布

4 讨论

交流与脉冲过电压对复合绝缘子沿面放电各有其特点，表现在电弧通道的均匀程度、污秽水带的缩短与变宽行为等方面。

已有的相关研究结果表明:干燥带是污闪产生的原因。当绝缘表面污湿时，绝缘表面的泄漏电流的热效应使表面水分蒸发，在局部区域首先形成干燥带;干燥带电场强度很大，产生局部放电;最终演变为闪络。

实验结果表明:虽然干燥带的总体趋势是变宽，但在放电过程中其长短有可能在某些时候变窄。推测影响干燥带变窄的因素大致包括:表面放电时电弧头部的局部高气压、绝缘表面的亲水性、水膜的表面张力、电极电压形式等。

绝缘表面亲水性和水膜的表面张力促使水带变宽、干燥带变窄。表面放电时电弧头部出现的局部高气压使得水膜受到推斥，在表面张力的传递下，电弧头部以外的水带变宽而干燥带变窄。

电极电压形式是重要的影响因素。水分子是强极性分子，容易极化;工频交流电压的频率低，极性效应不明显，水带不易拉长;而脉冲电压的等效频率高，极化效应明显，水带容易被拉长。水带被拉长只需要极短的作用时间，因而干燥带会经历形成、变宽、变窄或者消失(水带被拉长)再变宽的反复变化的复杂过程。

一旦交流闪络发生，电弧持续时间长，电弧等效电阻很小而水膜电阻相对较大，电弧电流大都从电弧流注中流过而不从水膜中流过，且呈漂浮状。

5 结论

对比研究了在工频和脉冲电压下有机绝缘子伞裙表面的湿污闪过程中，电弧和干燥带(水带)分布的变化特点。研究结果表明:

1)沿面电弧的分布与电压形式有极大关系:脉冲湿污闪时间短，电弧细小、明亮、无漂浮状;工频湿污闪持续时间长，电弧粗大，有漂浮状。

2)干燥带或水带在脉冲电压下的宽窄变化比工频下更复杂，在干燥整体的变宽过程中存在局部缩短的情况;在脉冲电场下缩短更明显，更易导致局部干区电弧的可能性。

［1］喻华玉.高压电气设备防污闪及带电清扫技术［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［2］El-Hag A H，Member，IEEE.A New Technique to Detect Dry-Band Arcing［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，APRIL 2005，20(2):1202-1203.

［3］关志成，王绍武，梁曦东.我国电力系统绝缘子污闪事故及其对策［J］.高电压技术，2000，26(6):37-39.

［4］许和明，曹建.绝缘子污闪事故发生的原因及防止措施［J］.安徽电力，2005，22(1):19-25.

［5］Otsubo M，Hashiguchi T.Discharge and Emission Spectra on the Surface of Polymer Insulator Materials in salt Fog Aging Test［J］.CEIDP，2001:620-623.

［6］Philips A J，Childs D J，Schneider H M.Aging of Non-Ceramic Insulators due to Corona from Water Drops［J］. IEEE Trans.Power Del，1999，14(3):1081-1089.

(责任编辑 杨黎丽)

Comparative Study of Organic Insulator Impact and Wet Pollution Flashover under Power-frequency Voltage

ZHOU Li1，GU Liang2
(1.School of Electrical and Electronics Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Line insulators sustain power-frequency high voltage for a long time，as well as pulse overvoltage at any time.This paper established the test platform of organic insulator wet flashover，recorded and analyzed the variation of drying zone and arc distribution in the process of silicone rubber composite insulator surface wet flashover under atmospheric pulse voltage and power-frequency voltage by the digital video and image technology.We obtained the impulse voltage influence rule on drying zone and part electric arc.The results have certain reference value for further understanding of aging and waste silicone rubber composite insulator flashover mechanism.

insulator;wet flash;drying zone;electric arc

TM85

A

1674-8425(2014)08-0081-04

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.017

2014-05-20

国家自然科学基金资助项目(51107155)

周理，男，主要从事电气工程高电压新技术应用方面的研究。

周理，古亮.有机绝缘子冲击与工频电压下的湿污闪对比研究［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (8):81-84.

format:ZHOU Li，GU Liang.Comparative Study of Organic Insulator Impact and Wet Pollution Flashover under Power-frequency Voltage［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):81 -84.