表面粗糙度对变电站绝缘子冲击闪络特性的影响*

姚 鑫， 张长胜， 谭向宇， 马 仪， 王 科， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)

表面粗糙度对变电站绝缘子冲击闪络特性的影响*

姚 鑫1， 张长胜1， 谭向宇2， 马 仪2， 王 科2， 李 川1

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)

为了研究表面粗糙度对绝缘子闪络特性的影响，使用了不同目数的砂纸对绝缘子表面进行均匀打磨，并利用激光共聚焦显微镜对绝缘子表面粗糙度进行了量化处理。利用陡前沿冲击试验装置产生标准雷电冲击，并对不同粗糙度的绝缘子施加正负标准雷电波，观察了在不同极性的标准雷电波的作用下绝缘子沿面闪络电压和表面粗糙度的关系，并从实验得出，随着绝缘子表面粗糙度增大，绝缘子50 %闪络电压逐渐降低，在正、负极性的标准雷电波下，新绝缘子即未经过砂纸打磨的绝缘子的平均50 %击穿电压最高，分别为424.9，429.1 kV，各个粗糙度下的绝缘子的闪络电压与未打磨的绝缘子的闪络电压的比值在半对数坐标系下与粗糙度呈线性关系。

表面粗糙度； 绝缘子； 闪络； 标准雷电冲击； 陡前沿冲击试验

0 引 言

电力设备内绝缘污闪，是阻碍电力系统安全运行的难题之一[1～11]。经机械加工形成的电极表面的缺陷,装配时残留的金属导电微粒、电极的凸缘毛刺以及支撑绝缘子与电极交界面处的气隙等因素均会造成很强的电场集中。发生闪络故障时，由于微机保护交流采样算法数据窗的存在，使得故障切除时间在断路器开断时间的基础上增加了延时，对系统的暂态稳定造成影响。目前，国内外众多学者对冲击闪络进行研究[12～15]，张璐等人研究发现，对于SF6棒—板极不均匀电场间隙，存在正极性快速暂态过电压(VFTO) 和雷电冲击50 %放电电压比负极性高的情况[16]。日本Shigemitsu Okabe等人实验研究了其定义的数种非标准雷电冲击电压下油纸绝缘的击穿特性，但其中单脉冲波形波前时间范围较小，波形持续时间短，波形振荡频率范围为400 kHz～1 MHz[17～19]。

本文利用了陡前沿冲击试验装置产生标准雷电冲击，并对不同粗糙度的绝缘子施加正负标准雷电波，观察了在不同极性的标准雷电波的作用下，绝缘子沿面闪络电压和表面粗糙度的关系，并由实验得出各个粗糙度下的绝缘子的闪络电压与未打磨的绝缘子的闪络电压的比值在半对数坐标系下与粗糙度的关系呈线性关系。

1 实验原理与方法

气体绝缘全封闭组合电器(GIS)设备在气体绝缘与固体绝缘配合设计时，应以固体绝缘设计为主，这是因为气体绝缘可通过更新恢复其绝缘与灭弧能力。与敞开式断路器相比，主绝缘度要缩小4～6倍，那么固体绝缘中的任何缺陷就更容易暴露并扩大成事故，绝缘子表面粗糙度产生尤为重要的影响。

本文搭建了一种全封闭小型化冲击电压发生装置，其结构如图1所示。其中，Marx发生器、GIS短母线两者同轴连接起来，用有机玻璃做成的油气隔离绝缘子隔开。另外，最终输出波形的测量采用锥形电压传感器，安装在试验腔体内。装置通过冲击电压发生器(由充电触发装置和Marx组成)提供冲击电压波形，然后通过自击穿陡化间隙来进行陡化和实现电压控制，陡化得到的波形在回路电感电容的振荡及短母线的折反射作用下形成叠加在陡波上的高频振荡。基于上述原理，最终在试验腔体内形成符合要求的VFTO波形。若将陡化间隙短接，则通过前端的冲压装置来实现标准雷电波的输出。装置具有紧凑，小型化、小电感及接线符合实际的特点。同时，既能产生陡波头VFTO波形，也能产生标准雷电波。

图1 快前沿冲击发生器

实验过程中，冲击电压发生器应调整使之产生所需要的波形。然后选取接近于50 %击穿电压水平的一个电压Uk作为起始点，再选取一个约为Uk的3 %电压间距ΔU。在Uk水平上施加一次电压，如果不发生击穿，则下次施加Uk+ΔU的电压；如果在Uk水平上发生击穿，则下次施加Uk-ΔU的电压。该程序重复约40次。每次冲击水平由前次冲击结果来确定，记录在每个Uk电压下施加冲击的次数Nv。确定第一个有用的起始电压值，应是在随后的试验过程中出现过2次或更多次数冲击的那个电压值，以避免由于Uk取得太高或太低而引起的误差。50 %击穿电压由式(1)确定

U50 %=∑NvUv/∑Nv

(1)

实验间隙可能在VFTO波头或波尾处击穿。图2为对应的冲击电压发生器输出雷电波形图。

图2 冲击电压发生器输出波形

2 表面粗糙度对绝缘子冲击闪络特性的影响

利用不同目数的砂纸对72.5 kV支撑绝缘子进行打磨，打磨后将绝缘子用无水酒精擦拭干净防止脏污影响表面粗糙度的观察和测量，再使用激光共聚焦显微镜对打磨过的绝缘子进行观察并计算了绝缘子表面的平均粗糙度。经激光共聚焦显微镜测量可知：未经打磨的绝缘子的表面最光滑，其平均粗糙度也最小；使用80#砂纸打磨过的绝缘子，表面最粗糙，其平均表面粗糙度也最大。绝缘子表面粗糙度与砂纸目数的关系如表1所示。

表1 绝缘子表面粗糙度与砂纸目数关系

由于冲击电压具有分散性，在研究中通常以50 %放电电压，即在多次施加电压时，半数导致放电的电压作为在设计与运行工作中的参考。尤其是在非均匀电场中，50 %冲击放电电压与静态放电电压的相差较大，更有必要进行此项研究。用升降法在正负标准雷电波作用下不同粗糙度绝缘子的平均50 %闪络电压值如图3、图4所示。

图3 正雷电波作用下不同粗糙度绝缘子平均50 %闪络电压

由图3可知，在正极性的标准雷电波新绝缘子即未经过砂纸打磨的绝缘子的平均50 %击穿电压最高，为424.9 kV；经过1 500# 砂纸打磨过后，绝缘子的平均50 %闪络电压为423.5 kV；150# 砂纸打磨过的绝缘子的闪络电压的平均50 %击穿电压为419.6 kV；经过80#砂纸打磨过绝缘子的平均50 %击穿电压变为了417.3 kV，即随着绝缘子表面粗糙度的增大绝缘子平均50 %击穿电压逐渐降低。

图4 负雷电波作用下不同粗糙度绝缘子平均50 %闪络电压

由图4可知，在负极性的标准雷电波的作用下新绝缘子即未经过砂纸打磨的绝缘子的平均50 %击穿电压最高，为429.1 kV；经过1 500#砂纸打磨过后，绝缘子的平均50 %闪络电压为414.8 kV；150#砂纸打磨过的绝缘子的闪络电压的平均50 %击穿电压为411.8 kV；经过80#砂纸打磨过的绝缘子的平均50 %击穿电压变为了403.7 kV。即随着绝缘子表面粗糙度的增大绝缘子平均50 %击穿电压逐渐降低。

3 不同粗糙度对绝缘子冲击闪络的影响分析

由表2分析可知，不论是在正标准雷电波还是负标准雷电波的作用下，绝缘子的闪络电压均随着绝缘子表面粗糙度的增大而降低。将表面粗糙度进行量化处理可以得到绝缘子闪络电压与平均表面粗糙度的关系，如图5所示。

表2 绝缘子闪络电压与表面粗糙度关系

图5 绝缘子闪络电压与表面粗糙度的关系

从图6绝缘子平均50 %闪络电压与平均表面粗糙度的关系可以看出，绝缘子的闪络电压随着粗糙度的增大而降低，该结果与国内外已有的相关研究结果基本吻合，即不论是在正雷电波还是负雷电波作用下，表面粗糙度增大会使GIS支撑绝缘子的冲击闪络电压降低。

图6 绝缘子平均50 %闪络电压与平均表面粗糙度关系

将没有经过砂纸打磨的绝缘子即新绝缘子的冲击闪络电压作为基准值，将用砂纸打磨过的绝缘子的沿面闪络电压与基准值相比，在半对数坐标下该比值与粗糙度的关系如图7所示。

图7 绝缘子闪络电压和基准值比值与表面粗糙度关系

图7中纵坐标是不同砂纸打磨绝缘子后绝缘子闪络电压值与未经砂纸打磨过的绝缘子的闪络电压值的值，横坐标为在半对数坐标系下的表面粗糙度。从图7可以看出，不论是在正极性还是在负极性雷电波下，绝缘子表面的平均粗糙度增大时绝缘子的闪络电压会降低，即将绝缘子打磨后绝缘子的闪络电压会降低，并且降低基本呈线性关系，图中的两条直线就是基于这两者关系的线性拟合直线。

4 结 论

1)对不同粗糙度的绝缘子施加正负标准雷电波，观察了在不同极性的标准雷电波的作用下绝缘子沿面闪络电压与表面粗糙度的关系，即随着绝缘子表面粗糙度的增大绝缘子50 %闪络电压逐渐降低。

2)在正、负极性的标准雷电波新绝缘子即未经过砂纸打磨的绝缘子的平均50 %击穿电压最高，分别为424.9，429.1 kV。

3)各个粗糙度下的绝缘子的闪络电压与未打磨的绝缘子的闪络电压的比值在半对数坐标系下与粗糙度的关系基本呈线性关系。

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Influence of surface roughness on impulse flashover characteristics of substation insulator*

YAO Xin1, ZHANG Chang-sheng1, TAN Xiang-yu2, MA Yi2, WANG Ke2, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd，Kunming 650217,China)

In order to study the effect of surface roughness on the insulator flashover characteristic, using different mesh uniform sand paper on the insulator surface with grinding and using laser confocal microscopy to quantify the insulator surface roughness.Using the steep front impulse test device to produce standard lightning shock, and the different roughness of insulator on the positive and negative standard thunder electric wave,observed in the standard of different polarity thunder electric wave along the surface under the action of insulator flashover voltage and the relationship between the surface roughness,and from the experiment with the increase of insulator surface roughness insulator flashover voltage decreases 50 %,the positive and negative polarity standard ray waves new insulator without sanding the highest average 50 % breakdown voltage of the insulator,424.9 kV,429.1 kV,the roughness of insulator flashover voltage and has not polishing the insulator flashover voltage ratio under semilog coordinate system of the relationship with the roughness of a linear relationship.

surface roughness; insulator; flashover;standard lightning impulse; steep impact test

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0080—03

2016—05—13

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)；中国博士后科学基金面上资助(一等资助)项目(2014M552552XB)

TM 853

A

1000—9787(2017)05—0080—03

姚 鑫(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感技术及应用等。

李 川(1971-)，男，通讯作者，教授，博士生导师，主要从事光纤传感器技术与应用方面的研究工作，E—mail:boatriver@eyou,com。