直流复合支柱绝缘子淋雨特性研究

郝艳捧，毛桂云，廖一帆,，阳林，念路鹏，张福增，谭傲

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

能源资源与生产力呈逆向分布是我国的现实国情，特高压直流输电以其输电距离远、输送容量大、有功损耗低等优点[1]，成为我国大范围资源优化配置的重要手段。目前我国已建成向家坝—上海、哈密南—郑州、滇西北—广东等14条特高压直流输电线路，总输送容量达110.6 GW，为我国经济社会发展提供了坚实的保障[2]。

支柱绝缘子是换流站重要的绝缘设备，起到机械支撑和电气绝缘作用，在雾、雨、覆冰等气象条件下，其绝缘水平将出现一定程度下降，可能导致闪络事故发生[3-6]，严重影响电力系统安全稳定运行。

近年来，受温室效应和厄尔尼诺现象影响，全球气候变化加剧，暴风、强降雨等极端天气频发，国内外电站外绝缘设备在雨天发生闪络事故的报道屡见不鲜。加拿大McDermid W[7]统计了尼尔逊河直流输电工程换流站1975年至2007年原因明确的闪络事故，雨闪约占50%。2003年9月，法国通往意大利高压输电工程因暴雨发生故障。2009年11月，巴西电网发生复合绝缘子雨闪事故，导致2/3的州停电。国内方面，中国电力科学研究院统计表明，截至1997年，我国交流300 kV、500 kV变电站和直流±500 kV换流站共发生闪络事故84次，由降雨引起的占83.3%[8]。2000年后，江陵、龙泉、天生桥、高坡、兴仁、穗东等换流站均发生雨闪事故，造成巨大的经济损失[9-10]。由降雨引起的外绝缘闪络已成为超/特高压直流输电的薄弱环节之一。

文献[7-10]发现，雨闪发生时天气多为大到暴雨且常伴有大风，闪络发生时间多为降雨初始的前几分钟，设备表面有染污但不一定很严重。发生雨闪的站用设备其主要结构参数(如伞间距、伞伸出、剖面系数等)和技术指标(如工频湿耐受电压、操作冲击湿耐受电压)均满足标准IEC 60815[11]要求，爬电比距已按污秽等级选择且未发生过污闪事故。

针对外绝缘雨闪问题，国内外学者开展了大量研究。在伞裙结构参数方面，华东电力试验院通过结构分析及试验研究得出：外绝缘设备结构参数偏于标准推荐值下限、所留裕度较小可能导致雨闪事故；按污秽等级选择绝缘子时应考虑绝缘子型式、结构对爬电比距有效系数的影响[12]。中国电力科学研究院通过人工雨闪试验得出，支柱绝缘子伞间距较小时，相邻的2个伞裙容易被雨水桥接，导致单位爬距雨闪电压减小[13]。华南理工大学利用有限元软件ANSYS 对复合支柱绝缘子建模仿真，以伞裙沿面电场、空气间隙电场作为伞裙优化判据，研究了伞裙参数对淋雨状态下绝缘子电场分布的影响[14]。清华大学在高海拔地区开展了复合支柱绝缘子污闪和污雨闪试验，得到了雨水电导率、淋雨率和伞形结构对雨闪电压的影响规律[5,15-17]，但未指出伞裙间水柱和水滴的分布及其对雨闪电压的影响。

在电弧发展和水滴放电方面，美国DELA O A[18]通过多种形式的闪络试验指出，电弧和水滴形成的伞裙间放电使爬电距离未得到有效利用是雨闪的主要原因，雨闪在机理上与污闪有本质区别。美国LAN L通过仿真计算指出，绝缘子伞裙间水帘(水柱+水滴)对电场分布影响较大[19]。清华大学结合污雨闪放电特点，考虑了水柱放电引起伞间空气间隙放电，提出了直流污雨闪放电模型[15]。重庆大学测量了硅橡胶上表面存在分离水珠时的局部放电，得出分离水珠最大场强出现在硅橡胶、空气和水珠三者交界处[20-21]。华北电力大学研究发现，当水滴受重力作用悬在伞裙边缘时，水滴表面最大场强出现在水滴圆弧顶点附近[22]。天津大学研究复合绝缘子表面水滴形貌对闪络电压的影响表明，复合绝缘子表面附水质量不能表征闪络电压变化[23]。

综上所述，绝缘子伞裙间水柱和水滴的存在会影响电场分布和闪络电压，若伞裙结构参数不合理导致伞裙间水柱和水滴分布较差，甚至出现伞裙被水柱桥接的现象，导致雨闪电压大幅降低。目前，伞裙结构参数对伞裙间水柱和水滴分布影响的研究鲜有报道。鉴于理论研究和工程应用的需要，本文以特高压换流站常用复合支柱绝缘子为试品，开展了淋雨特性试验，提出了淋雨特性表征参数，系统研究了伞裙参数、淋雨率等因素对淋雨特性的影响规律；此外用瓷支柱绝缘子试品，对比分析了材质对淋雨特性的影响。研究结果可为直流输电工程复合支柱绝缘子参数选型及设计、雨闪防治提供参考。

1 试验

1.1 试验装置

试验地点为特高压工程技术(昆明)国家工程实验基地交直流人工污秽试验室[24-25]，试验室位置海拔高度为2 100 m，试验室长宽高尺寸为26 m×26 m×30 m。人工淋雨系统包含可调电动机、水泵、淋雨架、蓄水箱、控制及保护系统等。淋雨架喷嘴采用标准GB/T 775.2—2003[26]推荐的形状结构，出水量可调且喷出的雨滴细密、均匀，符合人工淋雨试验要求。试验期间，试验室温度为10 ～14 ℃，相对湿度为76%～92%。试验用相机拍摄绝缘子淋雨照片，相机型号为尼康D700。

1.2 试品

图1 支柱绝缘子试品伞裙单元示意图Fig.1 Diagram of one umbrella skirt unit of post insulator sample

此外，试品A16为瓷支柱绝缘子，其伞裙参数与试品A15复合支柱绝缘子的参数相近，用来对比绝缘子材质对淋雨特性的不同影响。

各复合绝缘子试品憎水性良好，均为HC1级。每次试验前，将试品表面仔细清洗干净，并自然干燥。

1.3 试验布置

试验布置如图2所示。将试品垂直放置在淋雨架正前方水平空地上，绝缘子与淋雨架水平距离约6 m。2台相机均架设在三脚架上，并分别放置于绝缘子左右两侧。2台相机的三脚架与试品在一条直线上，且与淋雨架所在平面平行。相机与试品距离根据相机镜头焦距和成像效果调整，调节三脚架使镜头正对绝缘子。

表1 复合支柱绝缘子试品参数Tab.1 Parameters of composite post insulator sample mm

图2 试验布置示意图Fig.2 Diagram of test arrangement

用自来水模拟雨水，电导率为157 μs/cm，按标准GB/T 775.2—2003[26]调节和测量淋雨率，使之达到预定的降雨条件。为模拟风的情况，使淋雨角度为45°，水平与垂直淋雨率相同，且整支试品淋雨率上下分布均匀。调节好后将淋雨系统关闭，待需要时打开。

1.4 试验步骤

试验布置完毕后打开调节好的淋雨系统，待绝缘子表面充分湿润，用相机对淋雨的绝缘子拍照。相机曝光时间为1/2 000 s，调整焦距、光圈、感光度、白平衡等参数使照片清晰。为减少分散性，每次试验两相机拍摄照片数均多于20。

本文提出将淋雨状态下绝缘子大伞边水滴数、大伞间水滴数、大伞水柱数及长度作为绝缘子淋雨特性表征参数，如图3所示。大伞边水滴和大伞水柱均悬垂在大伞边缘，本文定义长度小于5 mm的为水滴，长度不小于5 mm的为水柱。此外，大伞间水滴大小不一，体积较小的水滴对电场影响有限，本文只统计直径不小于2 mm的水滴。各表征参数用Photoshop和ImageJ计算，某条件下的淋雨参数取该条件下所有淋雨照片的平均值。

总而言之，数学同其他学科一样，都具有一定的人文性与艺术性，需引起广大教师与学生的关注。在小学数学课堂教学活动中，教师要善于有针对性、有目的性地对数学文化加以整理，并将其渗透到具体的课堂教学实践中去，让学生能在掌握数学知识、提升能力的同时，深层次地了解数学这门学科产生以及演变的过程。数学是学生学习阶段重要的基础学科，在教师进行教学时要善于对数学文化进行合理地渗透，让学生更好地认识并且掌握运用这种数学文化。数学文化可以帮助学生更为合理高效地解决问题，将复杂问题简单化，提高学生的数学学习能力和学习素养，并在这一过程中喜欢上数学，了解数学利用数学解决生活中的问题。

图3 绝缘子淋雨特性表征参数示意图Fig.3 Characterization parameters of rain characteristics of insulator

2 结果及分析

2.1 伞间距的影响

伞间据不同的试品A3、A6、A7、A8、A9在5 mm/min淋雨率条件下试验结果如图4所示。

由图4可知：淋雨率为5 mm/min时，随着伞间距增大，大伞水柱数、大伞边水滴数、大伞间水滴数均增大，单位绝缘高度大伞间水滴数、大伞水柱长度及其大伞间距占比均减小；伞间距增大时，伞裙间相互遮挡作用减弱，杆径及伞裙受雨面积均增大，受雨量增多，有更多的雨水从大伞边缘滴落，大伞水柱数、大伞边水滴数、大伞间水滴数均有所增大；伞间距增大幅度高于大伞间水滴数增大幅度，因此单位绝缘高度大伞间水滴数减小，即大伞间水滴在空间中垂直方向分布较稀疏；大伞水柱数增多，由伞间距增大导致的受雨量增多不能为每个水柱提供较充足水量，部分水柱因水量不足导致断裂，使得水柱长度略有减小。

综上所述，伞间距增大时，大伞水柱长度占大伞间距明显减小，大伞间水滴在空间中垂直方向分布较为稀疏。绝缘子在此种淋雨特性下，电弧不容易将伞裙桥接，从而提高了爬电距离有效利用率，使得雨闪不易发生；在结构高度固定的情况下，伞间距增大时伞裙数量减少，爬电距离减小。因此对于强降雨地区，在满足爬电距离等技术指标下，可适当增大复合绝缘子的伞间距。

图4 伞间距对复合支柱绝缘子淋雨特性的影响Fig.4 Effects of shed spacing on rain characteristics of composite post insulator

2.2 平均伞伸出的影响

平均伞伸出不同的试品A1、A2、A3、A4、A5在5 mm/min淋雨率条件下试验结果如图5所示。

由图5可知：淋雨率为5 mm/min时，随着平均伞伸出增大，大伞水柱数及其平均值、大伞边水滴数均增大，大伞间水滴数先减小后增大；平均伞伸出增大时，每个伞裙单元的受雨面积变大，受雨量增多，大伞水柱数及其长度、大伞边水滴数均增大。对于大伞间水滴数的变化，其原因可能是在平均伞伸出增加的过程中，大伞伸出增加的幅度大于小伞伸出，大伞对相邻下方小伞的遮挡作用增强，影响了雨水在绝缘子伞裙表面的汇聚、流淌、滴落等过程，需进一步研究确认。

综上所述，平均伞伸出70 mm以上时，各淋雨参数值整体呈增大趋势，淋雨特性变差。对于强降雨地区，在满足爬电距离等技术指标前提下，可适当减小复合支柱绝缘子的平均伞伸出。

图5 复合支柱绝缘子淋雨特性表征参数随平均伞伸出变化Fig.5 Effects of averageshed overhang on characterization parameters of rain characteristics

2.3 杆径的影响

不同杆径的试品A3、A10、A11、A12、A13、A14在5 mm/min淋雨率下试验结果如图6所示。

图6 杆径对淋雨特性的影响Fig.6 Effects of rod diameter on rain characteristics

由图6可知：淋雨率为5 mm/min时，随着杆径增大，大伞水柱数、大伞边水滴数、大伞间水滴数均增大，大伞水柱长度先减小后增大。绝缘子伞裙为圆环形，杆径增大时，圆环形伞裙受雨面积增大，受雨量增多；此外，杆径增大导致伞裙面积和周长增大，大伞水柱、大伞边水滴、大伞间水滴的分布更广，数量增多。当大伞水柱杆径为180 mm时，杆径较小，伞裙面积和周长较小，绝缘子表面雨水相对来说更容易汇聚，大伞水柱数较少且分布相对集中，水柱由于水量较充分而维持在较高长度水平；杆径大于280 mm时，大伞水柱长度呈增大趋势，这与受雨量增加有关。

综上所述，杆径为280 mm以上时，随着杆径增大，复合支柱绝缘子各淋雨特性表征参数值均增大，淋雨特性变差。因此在强降雨地区使用大直径复合支柱绝缘子时，必须采取一定措施防止雨闪事故发生。

2.4 材质的影响

试品A15、A16伞形相同，伞裙参数相近；材质不同，A15为复合材质，A16为瓷。在5 mm/min淋雨率条件下试验结果如图7所示。

图7 支柱绝缘子淋雨特性表征参数随材质变化Fig.7 Effects of materials oncharacterization parameters of rain characteristics

由图7可知：复合绝缘子大伞边水滴数和大伞间水滴数均高于瓷绝缘子，大伞水柱数及其长度均明显低于瓷绝缘子。2支绝缘子受雨面积相近，材质差异导致了淋雨特性的不同。硅橡胶材质具有憎水性，雨水落到复合绝缘子表面汇聚成水流时，水流分布具有较大分散性和随机性且宽度较细，水流在伞裙边缘滴落时因得不到充足的雨水补充而更容易断裂。尽管瓷绝缘子大伞边水滴数和大伞间水滴数均低于复合绝缘子，但其大伞水柱数和长度分别比复合绝缘子高出34.3%、44.9%，极大降低了爬电距离的利用率，增加了电弧将伞裙桥接的概率和雨闪的可能性。在强降雨地区，新建换流站、变电站可考虑采用复合支柱绝缘子，已建输电工程中采用瓷支柱绝缘子必须采取预防措施防止雨闪事故的发生，如在瓷支柱绝缘子表面涂覆防腐剂，增强其表面憎水性。

2.5 淋雨率的影响

A3试品分别在2 mm/min、5 mm/min、8 mm/min、10 mm/min、12 mm/min、15 mm/min淋雨率条件下的试验结果如图8所示。

图8 淋雨率对淋雨特性的影响Fig.8 Effects of rainfall rate on rain characteristic

由图8可知:随着淋雨率增大，大伞水柱数及其长度、大伞间水滴数均增加,大伞边水滴数先增大，淋雨率大于12 mm/min后减小。淋雨率增大的不同阶段，各淋雨特性表征参数值变化规律不同。淋雨率由2 mm/min增大至5 mm/min时，大伞水柱长度增加最明显；淋雨率由5 mm/min增大至8 mm/min时，大伞水柱数增加最明显；淋雨率由8 mm/min增大至10 mm/min时，大伞间水滴数增加最明显；淋雨率由10 mm/min增大至12 mm/min时，各参数均小幅增加；淋雨率由12 mm/min增大至15 mm/min时，大伞裙边液体分布密集、接近饱和，大伞边水滴有充足的雨水补充而长度增加，部分变成水柱，因此大伞边水滴数减少而水柱数增加。综上所述，淋雨率增大时复合支柱绝缘子淋雨特性变差，在强降雨等恶劣天气频发的地区，必须采取一定的措施，警惕雨闪事故的发生。

3 结论

本文进行了大量的直流复合支柱绝缘子人工淋雨试验，提出大伞边水滴数、大伞间水滴数、大伞水柱数及长度等绝缘子淋雨特性表征参数，研究了伞间距、平均伞伸出、杆径、淋雨率对淋雨特性的影响，对比了不同材质支柱绝缘子淋雨特性差异，主要结论如下：

a)当伞间距增大时，大伞水柱数、大伞边水滴数、大伞间水滴数均增大，而单位绝缘高度大伞间水滴数、水柱长度及其大伞间距占比均减小。

b)当平均伞伸出70 mm以上、杆径为280 mm以上时，复合支柱绝缘子淋雨特性变差。

c)淋雨率相同、伞裙参数相近的复合支柱绝缘子的大伞水柱数、长度均明显低于瓷质支柱绝缘子的相应参数。

d)淋雨率由2 mm/min增大到15 mm/min时，复合支柱绝缘子的淋雨表征参数整体呈增大趋势，淋雨率增大的不同阶段各淋雨特性表征参数增大的幅度差别较大。