应用硅橡胶材料附件提高瓷支柱绝缘子外绝缘强度的实验研究

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(1.国网新疆电力公司 乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐830011； 2.湖北鑫德赛绝缘技术有限公司，武汉 430072； 3.武汉大学 电气工程学院，武汉 430072)

0 引言

瓷支柱绝缘子是高压变电站设备的关键组件，广泛应用于变电站中，是一种常见的户外绝缘子。在目前的输电电压日益提高和运行环境日趋恶劣的情况下，绝缘子的外绝缘强度在运行中会遇到许多的挑战，下面只是讨论这些众多挑战中的一小部分[1-2]。户外绝缘子的运行性能，在很大程度上，取决于其伞裙表面在潮湿或者积污环境下的表现，而积污和湿润的综合作用，可以引发绝缘子表面出现放电现象。而瓷支柱绝缘子属于无机材料，具有亲水性，会使得绝缘子在工作电压下发生污秽闪络[3-5]。此外，对于传统绝缘子，当绝缘子从制造厂生产出来后，再要提高其工频干闪络电压是非常困难的[6-8]。湿闪络电压也是户外绝缘子最重要的性能指标，特别是对于户外支柱绝缘子，其上部的伞裙边缘流下的雨水很容易短路伞缘之间的空气间隙，因此它们的湿闪络电压不高，常常在运行中出现问题，这在大雨时特别明显，而对于传统绝缘子，当绝缘子从制造厂生产出来后，绝缘子的伞裙形状和伞裙数目已经确定确定，因此它的湿闪络电压几乎很难提高[9]。

传统的提高绝缘子污秽闪络电压的手段并不多，通常的方法就是对绝缘子进行清扫、覆盖硅橡胶材料(RTV)和增加爬电距离以延长污秽闪络的路径。其中的第二种方法是应用非常普遍的一个方法，但是RTV涂层遇到的挑战是：尽管它们一开始具有不错的憎水性，但是这些涂料通常与绝缘子的运行环境息息相关，包括电晕、温度和湿度、还有紫外线强度等，所有这些因素，无论是单独存在或是综合作用，都会影响到涂层的憎水性能。此外从用户的观点看来，其中的一个关键问题是：何时应该对带涂层的绝缘子进行清洁或再涂覆，但是这个要求难以定量，难以为涂覆绝缘子的维护建立可靠的标准。另一个问题是：在超高压、特高压的情况下，由于绝缘子此时多处存在高场强，由于高场强引发的流注放电，也可能在某些污秽条件下造成绝缘子闪络，因此仅仅依靠泄漏距离将无法阻止这些闪络。因此污闪机理还需要进行深入研究，还需要进一步对污闪现象进行完整清晰的解释[10-12]。

综上所述，我们应该从科技创新的角度出发，尝试一些新的设计思想和技术路线，不应该一直停留在传统绝缘子的结构上，去应付在绝缘子表面出现的各种复杂的情况[13-15]。绝缘子的外绝缘强度基本上是由它的3种闪络电压来判定，虽然这3种闪络电压的路径有所不同，但是它们基本上最终都是沿绝缘子表面空气放电的结果，所以为了更好地从细节上去考虑提高绝缘子的外绝缘问题，应该深入研究气体放电理论。本研究将在充分考虑气体放电理论、沿面放电理论以及绝缘子电场分布的基础上，以现有绝缘子的结构形式为基底，考虑空间电荷的因素，在绝缘子两电极上、或者在两电极之间设置一重和多重主要由硅橡胶材料组成的附件系统，将传统绝缘子的二元素结构(电极和绝缘体)改变为三元素结构，即本研究的绝缘子是由电极、绝缘体和主要以硅橡胶材料组成的附件系统3部分组成[16-17]。

笔者对110 kV瓷支柱绝缘子进行了3种闪络电压的试验性研究，试验结果表明，硅橡胶材料附件可以提高绝缘子的外绝缘强度。

1 附件系统可以提高绝缘子的起始电晕电压和工频干闪络电压

绝缘子的干闪络电压，主要取决于绝缘子的两个电极间沿空气的最短距离。当绝缘子生产出来之后，其干闪距离已经确定，所以再想提高其干闪电压，是一件比较困难的事情。但是通过一些理论分析，还是可以寻找出一些新的思路。绝缘子外绝缘强度出现问题，本质上是因为在强电场下产生的气体放电破坏了这部分的绝缘，所以我们应该从气体放电理论入手，来分析影响放电发展的因素。绝缘子一般都属于极不均匀电场结构，而在极不均匀电场中，放电的第一个阶段一定是发生在电极附近的高场强的狭窄区域内，这种现象称之为电晕放电。所以想提高绝缘子的干闪电压，首先需要提高绝缘子的起始电晕电压，而有效的措施之一就是减小绝缘子电极表面的电场强度，而通过在绝缘子的电极上设置附件系统就可以达到这种目的。

不带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子见图1，带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子见图2，附件系统由高压电极附件和接地极附件组成，基本材料由硅橡胶制成。附件由绝缘部分和导电部分组成，导电部分与电极相连，绝缘部分与导电部分紧密接触。

图1 不带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子Fig.1 110 kV porcelain post insulator without accessories system

图2 带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子Fig.2 110 kV porcelain post insulator withaccessories system

为了分析附件系统能否改善绝缘子的电场，用计算机仿真计算了高压电极附近的电场分布，计算结果见图3和图4。从图3可看出，110 kV支柱绝缘子电场强度最强的位置是高压电极的上边缘和下边缘，第一片瓷伞裙的上表面同样是电场强度最强的地方之一。从图4可看出，有了附件系统之后，第一片瓷伞裙的上表面电场最大强度有明显的减弱，计算数据为：从图3的1.6 kV/mm下降到约1.1 kV/mm,下降幅度为45.5%，因此附件系统可以提高绝缘子的电晕起始电压。

图3 不带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子高压电极附件的电场分布Fig.3 Electrical field distribution along high voltage electrode of 110 kV porcelain post insulator without accessories system

图4 带附件系统的110 kV瓷支柱绝缘子高压电极附件的电场分布Fig.4 Electrical field distribution along high voltage electrode of 110 kV porcelain post insulator with accessories system

另外从气体放电理论中知道，在放电的发展过程中气体中还会产生光子，而光子的能量足以使绝缘子电极的表面释放出电子。气体的光电离和电极表面的光电效应所产生的自由电子，使放电形成自持，造成气体放电可以继续发展下去，直至绝缘子闪络。而上述的附件系统将高压电极的大部分表面与空气隔绝，可以减少电极表面的光电效应，而且可以进一步提高绝缘子的电晕起始电压。此外附件系统将绝缘子通常产生放电的起点(电极下边缘)转移到电极上边缘，延长了放电距离，可以提高绝缘子的干闪络电压。这从图1和图2看出，图2的B处，是绝缘子产生放电的起点，它高于图1传统绝缘子开始放电的A处，即附件系统使得放电距离延长了。

根据气体放电理论，气体放电是带电粒子在电场作用下从一个电极趋向另一个电极的过程。除了上述高压电极附件系统之外，我们在接地极也设置了附件系统，其基本材料也由硅橡胶制成。当气体放电进入主放电阶段时，放电的发展将以贯通电极间的电弧告终，而绝缘子两端的附件系统在电弧从高压电极到达接地电极的路径上设置了屏障，它改变了传统绝缘子的闪络路径，可以提高绝缘子的干闪络电压。

传统绝缘子的工频干闪路径见图5。图5的D、E是传统绝缘子工频干闪电弧的起点和终点。

图5 传统绝缘子的工频干闪路径Fig.5 Power frequencydryflashover path along the traditional insulator

图6的F、G是带附件系统的绝缘子工频干闪电弧的起点和终点，显然这两点的距离大于图5中的D、E两点，这说明附件系统可以提高传统绝缘子的干闪电压。

图6 带附件系统的绝缘子的工频干闪路径Fig.6 The power frequency dry flashover path alongthe insulator with accessories system

无附件系统的工频干闪络的试验结果见表1。

表1 无附件系统时的工频闪络电压Table 1 Power frequency flashover voltage without accessories system kV

带有附件系统的工频干闪络的试验结果见表2。

表2 带有附件系统时的工频闪络电压Table 2 Power frequency flashover voltage with accessories system kV

从上述结果中可看出，加入图2的附件系统后，工频干闪络电压提高5.9%。

2 附件系统可以提高绝缘子的工频湿闪络电压

洁净绝缘子在淋雨时的闪络电压，是户外绝缘子最重要的性能指标，该闪络电压由绝缘子伞的形状和数目决定。当伞裙表面被雨水淋湿时，雨水形成的导电层会产生泄漏电流，使得绝缘子的外绝缘强度大大下降。绝缘子的湿闪络，实际上是沿着被雨淋湿的伞裙表面和润湿程度小的绝缘子干表面之间的空气间隙相串联的放电。当绝缘子定型后，其外形结构已经确定，所以它的湿闪络电压也随之确定。而在定型绝缘子上安装附件系统，就可以增加绝缘在淋雨状态下的外绝缘强度。我们在本文1中所论述的附件系统的设计，均可以提高绝缘子的湿闪电压，而且附件系统还可以有效挡住外界的雨水对两个电极附近伞裙的直接侵袭，增加了防雨淋的区域，这也是提高绝缘子的湿闪电压的因素之一。

图7是传统绝缘子在做工频湿闪络试验时，刚刚发生放电的情况。

图7 传统绝缘子的工频湿闪络(绝缘子刚刚放电)Fig.7 Power frequency wet flashover along the traditional insulator(The insulator just discharged.)

从图7的H看到，湿闪络路径沿第1片伞裙的表面运动。

图8是带附件系统的绝缘子在工频湿闪络试验时，刚刚发生放电的情况。

图8 带附件系统的绝缘子的工频湿闪络(绝缘子刚刚放电)Fig.8 Power frequency wet flashover along the insulatorwith accessories system(The insulator just discharged.)

从图8的I看到，湿闪络路径沿高压电极附件系统的表面运动，该附件系统既挡住了其附近绝缘子伞裙免遭雨水的淋湿，又改变了传统绝缘子的湿闪络路径，这在传统绝缘子的外形结构下，是不容易实现的。

无附件系统的工频湿闪络的试验结果见表3。

表3 无附件系统时的工频湿闪络电压Table 3 Power frequency wet flashover voltage without accessories system kV

带有附件系统1的工频湿闪络的试验结果见表4。

表4 带有附件系统1时的工频湿闪络电压Table 4 Power frequency wet flashover voltage with first accessories system kV

从上述结果中可看出，加入图2的附件系统后，工频湿闪络电压提高5.33%。

我们还对另一种附件系统(附件的数目多于图2的附件系统，我们称之为附件系统2，同时将图2的附件系统称为附件系统1)进行了同样的试验。

此时无附件系统的工频湿闪络的试验结果见表5。

表5 无附件系统时的工频湿闪络电压Table 5 Power frequency wet flashover voltage without accessories system kV

带有附件系统2的工频湿闪络的试验结果见表6。

表6 带有附件系统2时的工频湿闪络电压Table 6 Power frequency wet flashover voltage with second accessories system kV

从上述结果中可看出，加入附件系统2后，工频湿闪络电压提高12.37%。

3 附件系统可以提高绝缘子的污秽闪络电压

运行经验表明，目前电网中许多跳闸是因为绝缘子表面的污秽受潮湿而引起的。实践证明，改进绝缘子的表面形状，能够提高外绝缘在污秽和潮湿情况下工作的可靠性。我们知道，绝缘子表面的污秽层是因为固体或者液体悬浮微粒从气流中降落而形成的。过去的研究结果告诉我们，微粒从气流中降落的强度与气流经过绝缘子表面附近的速度梯度成正比。此外无伞裙的光滑棒形绝缘子的受污性远远小于悬式盘型绝缘子的受污性，而且前者的污秽程度随其直径的增大而减少。运行经验还告诉我们，电网中的绝缘子发生污秽闪络，往往是直线塔上的绝缘子，而耐张塔上的绝缘子几乎很少发生污秽闪络的，这说明后者的绝缘子伞裙的方向便于雨水洗刷绝缘子上沉积的物质。本文的附件系统的形状设计，充分考虑和吸收了以上的运行经验和理论分析，可以有效减少污秽在附件表面的沉积，也便于雨水冲洗附件上的污秽层。同时附件系统的绝缘部分为憎水性的硅橡胶材料制成，而且附件系统也增加了原有绝缘子的爬电距离，再加上在本文1中所论述的附件系统的设计思想，这些因素都能够有效提高绝缘子的污秽闪络电压。

3.1 试验设备及方法

试验在国家电网中国电科院高压所的小型人工雾室中进行。

绝缘子染污采用IEC-60507—1991(GB/T4585—2004)中固体层法进行。采用定量涂刷法对绝缘子进行染污，即根据污秽度和绝缘子表面积称量可溶性和不可溶性物质，加入适量电导率小于10 μS/cm的去离子水，配成污秽液，并将污秽液均匀地完全涂覆于试品表面。

试验采用闪络法，待雾室内浓度达到一定程度，观测绝缘子表面润湿情况，在绝缘子表面饱和受潮开始加压至绝缘子闪络，间隔5 min后再次加压至闪络，共重复3次，记录试验数据。闪络电压取3次数据平均值。

3.2 试验内容

110 kV瓷支柱绝缘子4支，2支带附件与2支不带附件的污秽闪络的对比试验。污秽试验盐密、灰密分别为附件部分0.06 mg/cm2、0.24 mg/cm2，瓷件部分0.125 mg/cm2、0.5 mg/cm2。

3.3 试验结果

试验结果见表7和表8。

表7 附件系统1污闪电压的对比Table 7 Comparison of pollution flashover voltage withandwithoutfirst accessories system kV

从表7中可看出，加入附件系统1后，污秽闪络电压提高11.91%。

表8 附件系统2污闪电压的对比Table 8 Comparison of pollution flashover voltage withandwithoutsecond accessories system kV

从表8中可看出，加入附件系统2后，污秽闪络电压提高22.06%。

4 结论

1)对110 kV瓷支柱绝缘子进行了3种闪络电压的实验性研究。试验结果表明：加入附件系统1后，工频干闪络电压提高5.9%，工频湿闪络电压提高5.33%，污秽闪络电压提高11.91%。加入附件系统2后，工频湿闪络电压提高12.37%，污秽闪络电压提高22.06%。

2)本次试验只是证明附件系统对提高干闪络电压、工频湿闪络电压和污秽闪络电压均有作用，在实际中可以通过改变附件系统的材质、形状、尺寸以及厚度等因素来达到所需要的闪络电压值。

3)研究结果对提高瓷支柱绝缘子的外绝缘强度有一定的指导意义。