雾霾环境下微细导电颗粒诱发复合绝缘子沿面放电特征

刘勇，张迪，杜伯学，刘宝成（.天津大学电气与自动化工程学院，天津30007；.天津市电力公司电力科学研究院，天津3000）

雾霾环境下微细导电颗粒诱发复合绝缘子沿面放电特征

刘勇1，张迪1，杜伯学1，刘宝成2
（1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.天津市电力公司电力科学研究院，天津300022）

针对当前雾霾大气环境对输变电设备外绝缘运行可靠性的影响，在实验室条件下采用微米级铁粉模拟雾霾中微细导电颗粒，研究交流电压下铁粉颗粒直径、含量以及位置对复合绝缘子沿面放电特征的影响，运用高速摄像机观察分析沿面闪络过程中导电颗粒物动态变化及其诱发的沿面放电现象，获取电晕放电、电晕和沿面流注放电共存、沿面流注放电3个主要阶段的放电特征，建立了闪络电压、放电发光亮度与导电颗粒物粒径、含量与位置的变化规律。研究结果有助于掌握雾霾环境下绝缘子放电机理，对提高污染新形势下电力系统外绝缘可靠性具有重要意义。

复合绝缘子；雾霾环境；微细导电颗粒物；沿面放电；沿面闪络

绝缘子在电力系统中发挥电气绝缘与机械连接的双重作用，是输变电设备的重要组成部分[1-4]。目前挂网运行的绝缘子依据主体绝缘材料的不同主要有3种类型：陶瓷、玻璃与复合绝缘子，其中复合绝缘子以其耐污性能好、重量轻等优点得到了日益广泛的应用，特别是在超、特高压输电线路中，大量使用了复合绝缘子[5-7]。然而，随着人类工农业的发展和自然环境的恶化，矿粉、煤粉、金属粉尘和水泥等不断悬浮于大气，导致空气细微颗粒物的污染状况逐年加剧，大范围持续性雾霾天气不断发生，造成了电力系统的安全可靠运行新的染污形式[8-10]。

当粒径不同的飘尘随空气漂浮在电气设备的周围时，会以碰撞、扩散和沉积等方式滞留在电气设备的不同部位。滞留在设备背风侧的飘尘，不但会腐蚀设备金属表面，而且会由于持续不断地作用而导致绝缘子表面形成连续的飘尘链，并逐步发展成通道，引发局部放电与电弧。飘尘在大气污染物中还起到载体作用，累积到一定程度时，就不可避免地发生空气放电。虽然国内外研究人员针对大气中颗粒物染污绝缘子引发的放电、绝缘问题开展了一些研究，但所模拟的污染物多为尺寸较大的有机、无机以及金属颗粒，对于雾霾天气下微细（粒径μm级）的颗粒物对绝缘子绝缘特性影响仍鲜有研究[11-16]。因此，开展微细颗粒物对电力系统外绝缘运行影响的研究工作，对防止输变电设备在新型雾霾染污形式下发生闪络事故，保障电力系统安全可靠运行具有重要的理论意义与工程价值。

1 雾霾典型组分分析

图1为雾霾环境的典型大气组合（以北京地区为例），其重要来源与比例分别为：土壤尘15%，燃煤18%，生物质燃烧12%，汽车尾气与垃圾焚烧4%，工业污染25%和二次无机气溶胶26%（一般由汽车尾气和燃煤排放物等转化而来）。其本质就是细微颗粒物污染，高浓度细颗粒物是雾霾天气污染的主要诱因与重要指标，根据粒径大小和沉降速度可分为3类：①总悬浮颗粒物TSP（粒径＜l00 μm），即分散在大气中的颗粒物的总称；②PM10，即空气动力学直径小于10μm的悬浮颗粒物；③PM2.5，即空气动力学直径小于2.5μm的悬浮颗粒物。用电镜检测发现，在飘尘颗粒表面富含有镍、铬、锌等金属元素，并以颗粒状态存在于大气中。

图1 雾霾主要组分（北京地区）Fig.1 Ingredients offog-haze environment（Beijing area）

本文在实验室条件下采用微米级粒径的铁粉模拟雾霾环境下导电细微颗粒物，以平板复合绝缘子为试样，将不同粒径的微细导电颗粒按照不同位置与含量分布在试样表面，在常温常压实验环境中采用匀速升压法在试样表面施加交流电压直至发生闪络，并通过高速摄像机记录闪络过程中表面微细颗粒物的动态变化过程及其诱发放电的特征，建立闪络电压与沿面放电光学特征随微细颗粒物参数的变化规律，揭示雾霾环境下细微颗粒物对复合绝缘子沿面放电的影响机理。

2 实验过程与方法

2.1 实验试样

图2为实验采用的试样与电极结构示意。实验试样为RTV硅橡胶复合绝缘子，取自未投入运行的复合绝缘子制成平板试样，其尺寸为50 mm× 30 mm×5 mm，如图2（a）所示；实验电极为“平板-平板”不锈钢电极，由电极和绝缘支架两部分组成，如图2（b）所示，绝缘支架采用环氧树脂绝缘材料，通过连接螺栓把电极和试样固定在一起，采用弹簧通过机械紧压方式把电极固定在试样表面，左侧电极接地，右侧电极接高压电源，电极间隙为30 mm。实验前将制备好的试样表面用无水乙醇擦拭，然后在干燥容器内室温干燥24 h。

图2 实验试样与电极结构Fig.2 Experimentalspecimen and electrode pattern

2.2 实验装置与方法

实验电源的额定容量为100 kV·A，输出电压为0～100 kV，经过100 kΩ的水电阻接入高压电极。将微细铁粉分别均匀置于地电极侧（0 mm）、1/4位置（7.5 mm）处、中间位置（15 mm）、3/4位置（22.5mm）以及高压侧（30 mm），铁粉的粒径分别为38 μm（400目）、32μm（500目）、28μm（600目）和24 μm（700目），铁粉质量10、20、30、40和50 mg。采用匀速升压法在试样上施加交流电压，升压速率为1.0 kV/s，待试样发生沿面闪络时，此时施加的电压值记为闪络电压。每个条件下实验重复10次，闪络电压取为10次电压的平均值。为观察分析加压过程中试样表面微细颗粒的动态变化及其引发的沿面放电、闪络过程与特征，所有实验均在暗室中开展，以便降低周围环境光源对放电光学检测的干扰，并采用5 000帧/s的高速摄像机对实验过程进行记录，进而通过图像特征提取技术建立放电可见光特征与微细铁粉参数的对应关系，揭示微细导电颗粒诱发绝缘子沿面放电、闪络过程及机理。

3 放电可见光特征提取

电气设备中产生的放电现象是一个引起空气分子电离，带电质点中和、复合的过程，通常伴有电、光、声等特征的出现。本文通过高速摄像机记录微细导电颗粒诱发绝缘子沿面放电的可见光特征，通过Matlab软件将获取的三维全彩色图像转变成一维矩阵的灰度图，其像素值在0～255之间且与放电可见光亮度相对应，0表征未发生放电以及实验背景的像素值，255表征试样表面发生了最强烈放电的像素值，像素值从0到255的变化表征了沿面放电强度逐渐增强，故通过对放电图像亮度特征进行分析可以反映沿面放电情况[17]，其计算方法为

式中：S为灰度值总和；I（i，j）为放电灰度图像中第i行第j列的像素点的灰度值。

通过提取放电灰度图像的灰度值总和，能够定量反映出该时刻下绝缘子沿面放电强度。灰度值总和越大表明放电电弧发光越剧烈，放电强度越大。

4 结果与讨论

4.1 沿面放电、闪络过程分析

图2为微细颗粒置于地电极侧（0 mm）、含量为30 mg、粒径为38μm时，试样的沿面放电闪络过程及其特征分析。

当复合绝缘子表面存在微细导电颗粒物时，在外加交流电压作用下，微细导电颗粒物在交变电场作用下附着在试样表面运动，并吸附一定的电荷形成带电体，形成大量表面电荷，改变了表面电场分布并引发局部电场畸变产生局部放电，随着电压的升高，局部电弧进一步延伸发展，进而形成贯穿两极的电弧放电，引发沿面闪络，如图3（a）所示，其过程可以按照放电现象分为4个阶段：起始阶段，即电晕放电阶段；发展阶段，即电晕放电和沿面流注放电共存阶段；临闪阶段和闪络阶段。各个放电阶段的现象及特征如下。

（1）起始阶段：如图3中a1所示，绝缘子表面放电通道尚未明显形成，主要呈现电晕放电特征。放电主要为表面金属颗粒端部对空气的电晕放电以及对绝缘子表面的电晕放电。放电次数少，强度较弱，放电产生的可见光较少，亮度较弱。

（2）发展阶段：如图3中a2所示，沿面放电通道开始逐渐形成，出现较为明显的爬电现象，放电主要呈现在表面金属颗粒端部电晕放电和绝缘子沿面流注放电共存的特征。放电逐渐增强，产生的可见光较多，亮度较强。

（3）临闪阶段：如图3中a3所示，随着电压的进一步升高，放电通道逐渐增长，爬电电弧增长，放电面积增大，主要呈现沿面流注放电特征，放电可见光增多，亮度进一步加强。

（4）闪络阶段：如图3中a4所示，随着爬电电弧的进一步增长，最终形成了贯穿性放电通道，引发沿面闪络。

与沿面闪络过程相对应，得出了放电发展各个阶段与放电发光亮度的对应关系，如图3（b）所示。从图中可知，随着放电过程的发展，放电发光亮度显著增强，特别是在临闪与闪络阶段，放电发光亮度出现突变与突增。

4.2 微细颗粒位置对沿面闪络的影响

在微细铁粉粒径38μm时，不同微细颗粒物含量下，颗粒物位置对绝缘子沿面闪络电压的影响如图4所示。从图中可以看出，随着颗粒物位置从地电极侧向高压电极侧变化，闪络电压呈现先增大后减小的变化趋势，在中间位置时出现最大值。

当微细颗粒置于两侧电极时，由于颗粒物自身的导电特性，可以等效为电极，从而缩短了电极间隙，增强了绝缘子沿面电场强度，导致阴极场致发射电子以及电子与空气碰撞电离较容易发生，从而在较低的电压下发生沿面闪络，同时由于微细导电颗粒物在地电极时能够有效吸附且阻止电子在电场下的加速移动，从而导致微细颗粒物在地电极侧时的闪络电压高于其在高压电极侧时的闪络电压。

图3 微细颗粒置于地电极侧（0 mm）、含量30 mg、粒径38 μm时试样的沿面放电闪络过程及其特征分析Fig.3 Process and characteristics analysis of surface flashover with the fine particles placed at the grounded electrode，content of 30 mg and size of 38μm

图4 粒径38μm时，不同颗粒物含量下试样沿面闪络电压与微细颗粒物位置的关系Fig.4 Relationship between surface flashover voltage and position offine particle with the size of38μm under differentcontents

在微细颗粒物含量50 mg、粒径38μm时，微细颗粒物位置对沿面闪络各个阶段放电发光亮度的影响如图5所示。虽然颗粒物置于不同位置时沿面放电发光亮度随着闪络发展阶段呈现显著增大的趋势，但是在起始和发展阶段，颗粒物位置对放电发光亮度影响较小，主要因为在这两个阶段放电主要为电晕放电与微小流注放电共存状态，放电发光亮度较弱，变化相对较小。在临闪与闪络阶段，放电电弧增强，发光亮度增大，颗粒物位置的影响较为明显，颗粒物在高压侧时较易引发沿面闪络，放电发光亮度较小。

图5 微细颗粒物含量50 mg、粒径38μm时，试样沿面闪络过程中发光亮度与微细颗粒物位置的关系Fig.5 Relationship between light intensity emitted by surface discharge and position of fine particle with contentof50 mg and the size of38μm under differentprocesses

图6 粒径38μm时，不同颗粒物位置下试样沿面闪络电压与微细颗粒物含量的关系Fig.6 Relationship between surface flashover voltage and contentoffine particle with the size of38μm under different positions

图7 微细颗粒物粒径38μm、置于中间位置时，试样沿面闪络发光亮度与微细颗粒物含量的关系Fig.7 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and contentoffine particle with the size of38μm at the middle position

4.3 微细颗粒含量对沿面闪络的影响

在微细铁粉粒径38μm时，不同微细颗粒物位置下，颗粒物含量对绝缘子沿面闪络电压的影响如图6所示。随着颗粒物含量的增大，闪络电压逐渐减小，主要是由于颗粒物含量越多导致绝缘子表面电场发生畸变的程度越强，表面电场分布越不均匀，导致闪络电压显著下降。

在微细颗粒物粒径38μm、置于中间位置时，微细颗粒物含量对沿面闪络发光亮度的影响如图7所示。随着颗粒物含量的增加，闪络发光亮度增大，主要是颗粒物含量越多引发的局部场强集中较为明显，局部放电电弧增多，放电亮度较高。

4.4 微细颗粒粒径对沿面闪络的影响

在微细铁粉含量30 mg时，不同微细颗粒物位置下，颗粒物粒径对绝缘子沿面闪络电压的影响如图8所示。随着颗粒物粒径的增大，沿面闪络电压呈现增大的趋势。由于较大粒径的颗粒物对电子从电极中逸出以及迁移的阻碍作用较大，需要较高的电场强度引发沿面闪络。图9为微细颗粒物含量30 mg、置于高压电极侧时，微细颗粒物粒径对沿面闪络发光亮度的影响。随着颗粒物粒径的增大，沿面闪络发光强度减弱。

图8 微细颗粒含量30 mg时，不同位置下试样沿面闪络电压与微细颗粒物粒径的关系Fig.8 Relationship between surface flashover voltage and size offine particle with the content of 30 mg under differentpositions

图9 微细颗粒含量30 mg时，置于高压电极侧时，沿面闪络发光亮度与微细颗粒物粒径的关系Fig.9 Relationship between lightintensity emitted by surface flashover and size offine particle with the contentof30 mg atthe HV-electrode position

5 结论

（1）微细导电颗粒在绝缘表面引发的闪络过程主要呈现电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面流注放电3个阶段。

（2）随着微细导电颗粒从地电极侧向高压电极侧变化，沿面闪络电压呈现先增大后减小的变化趋势，在中间位置时出现最大值，并且在地电极侧时的闪络电压高于高压电极侧的闪络电压。

（3）随着微细导电颗粒物含量的增加，沿面闪络电压呈现明显的下降趋势，放电发光亮度增强。

（4）随着微细导电颗粒物粒径的减小，沿面闪络电压呈现减小的趋势，放电发光亮度变强。

[1]陈华林，姚建刚，李佐胜，等（Chen Hualin，Yao Jiangang，LiZuosheng，etal）.利用径向温度分布特征检测绝缘子污秽等级（Insulator pollution leveldetection using radial temperature distribution features）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（5）：56-61.

[2]关志成，彭功茂，王黎明，等（Guan Zhicheng，Peng Gongmao，Wang Liming，etal）.复合绝缘子的应用及关键技术研究（Application and key technicalstudy ofcomposite insulators）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2011，37（3）：513-519.

[3]郑会军，帅定新，陈洪，等（Zheng Huijun，Shuai Dingxin，Chen Hong，etal）.用于绝缘子串泄漏电流测量的光纤电流传感器（Opticalfiber currentsensor for leakage currentmeasurementofinsulatorstring）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings ofthe CSU-EPSA），2012，24（4）：25-29.

[4]张彦，姚建刚，毛田，等（Zhang Yan，Yao Jiangang，Mao Tian，etal）.WebGIS红外热像零值绝缘子在线检测系统（Infrared thermal imaging on-line detection system of zero value insulator based on WebGIS）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（4）：51-57.

[5]Du Boxue，Liu Yong.Pattern identification of surface flashover induced by discrete water droplets on polymer insulator[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2014，21（4）：1972-1981.

[6]刘勇，杜伯学，陆宇航，等（Liu Yong，Du Boxue，Lu Yuhang，etal）.复合绝缘子表面液滴形貌特征及其对闪络电压的影响（Morphologic characteristics of water droplets on composite insulator surface and their effects on flashover voltage）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2014，40（4）：1017-1021.

[7]Liu Yong，Du Boxue.Recurrent plot analysis of leakage currentin dynamic drop testfor hydrophobicity evaluation ofsilicone rubber insulator[J].IEEE Trans on Power Delivery，2013，28（4）：1996-2003.

[8]宿志一（Su Zhiyi）.雾霾天气对输变电设备外绝缘的影响（Influences offog-haze on externalinsulation oftransmission and distribution equipments）[J].电网技术（Power System Technology），2013，37（8）：2284-2290.

[9]Liu Yong，Du Boxue.Recurrent plot analysis of leakage current on flashover performance of rime-iced compositeinsulator[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（2）：465-472.

[10]邓鹤鸣，何正浩，马军，等（Deng Heming，He Zhenghao，Ma Jun，etal）.沙尘天气下大沙粒对放电发展的影响（Effect of large sanddust particles on discharge developmentin sand dustweather）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2010，36（5）：1246-1252.

[11]常国梁，张淑珍（Chang Guoliang，Zhang Shuzhen）.飘尘污染对输变电设备外绝缘的影响（Influence offloating dustpollution on externalinsulation ofpower transmission and transformation equipment）[J].电力设备（Electrical Equipment），2007，8（6）：63-64.

[12]齐波，李成榕，郝震，等（Qi Bo，Li Chengrong，Hao Zhen，etal）.GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征（Evolution phenomena and features of surface partial discharge initiated by immobilized metal particles on GIS insulators）[J].中国电机工程学报（Proceedings ofthe CSEE），2011，31（1）：101-108.

[13]李恒真，刘刚，李立浧（Li Hengzhen，Liu Gang，Li Licheng）.自然污秽成分CaSO4对电力设备外绝缘沿面绝缘特性的影响综述（A review on influence ofnatural contaminant CaSO4on surface insulation characteristics of external insulation of power equipment）[J].电网技术（Power System Technology），2011，35（3）：140-145.

[14]司马文霞，程浩，杨庆，等（Sima Wenxia，Cheng Hao，Yang Qing，etal）.沙尘环境下绝缘子交流闪络特性及机理（AC flashover performance and mechanism ofinsulator in wind sand environment）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2011，37（4）：834-840.

[15]Qi Bo，Li Chengrong，Hao Zhen，et al.Surface discharge initiated by immobilized metallic particles attached to gas insulated substation insulators：process and features[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18（3）：792-800.

[16]El-Zohri E H，Abdel-Salam M，Shafey H M.Mathematical modeling offlashover mechanism due to deposition offireproduced sootparticles on suspension insulators ofa HVTL [J].Electric Power Systems Research，2013，95：232-246.

[17]Liu Yong，Du Boxue，Du Dongming.Pattern analysis on dielectric breakdown characteristics of biodegradable polyethylene film under nonuniform electric field[J].International Transactions on Electrical Energy Systems，2013，23（1）：72-82.

Surface Discharge Characteristics Induced by Fine Conductive Particles on Polymer Insulator in Fog-haze Environment

LIU Yong1，ZHANG Di1，DU Boxue1，LIU Baocheng2
（1.SchoolofElectricalEngineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Electric Power Science and Research Institute，Tianjin 300022，China）

The frequent occurence of fog-haze weather is becoming one of hazard conditions to affect the insulation reliability of outdoor insulator in electrical devices.In this paper，concentrating on the influence of fine conductive particles in the fog-haze environmenton the insulation characteristics ofoutdoor insulator，the iron powders atdifferent micro sizes are selected to simulate different sized fine conductive particles.Effects of the fine particle parameters，including particle sizes，contents and relative locations，on surface discharge characteristics of polymer insulator are investigated under AC high voltage.During the whole experimental process，both the dynamic morphology of fine particles and the induced discharge phenomena on the insulator surface are captured via a high-speed camera.It is indicated thatthe process of surface discharges triggered by fine conductive particles on polymer insulators is mainly divided into three stages，which are corona discharges，coexistence of corona discharges，and streamer discharges. And the relationship among surface flashover voltage，discharge light intensity and the size，content and relative location of conductive particles can be obtained.The results are beneficial to further investigation on flashover mechanism of outdoor insulator under fog-haze conditions，which can enhance the operating reliability of outdoor insulator in powersystem with new contaminated conditions.

polymerinsulator；fog-haze environment；fine conductive particle；surface discharge；surface flashover

TM615

A

1003-8930（2015）03-0048-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.09

刘勇（1980—），男，博士，讲师，研究方向为输变电设备外绝缘状态检测与评估。Email：tjuliuyong@tju.edu.cn

2014-09-17；

2014-10-09

张迪（1990—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统外绝缘状态评估。Email：178286676@qq.com

杜伯学（1961—），男，博士，教授，研究方向为高电压与绝缘技术。Email：duboxue@126.com