張志勁 張東東 劉小歡 蔣興良 胡建林

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044 2.湖北省荊門(mén)市電力局 荊門(mén) 448000）

1 引言

絕緣子污穢閃絡(luò)事故威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行并引起較大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于污閃的危害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，我國(guó)電網(wǎng)的防污閃工作也取得了較大進(jìn)展。然而污閃事故仍時(shí)有發(fā)生，對(duì)絕緣子污閃的研究仍需深入進(jìn)行[1]。

不同地區(qū)的污穢成分有很大差異。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、中國(guó)電科院、東北電力試驗(yàn)研究院等單位通過(guò)對(duì)自然污穢點(diǎn)取樣并進(jìn)行污穢化學(xué)成分分析的研究表明[2-4]：沿海、內(nèi)地的污物中均含有NaCl、CaSO4及其他成分，NaCl 所占百分比一般在10%～30%，CaSO4所占的百分比則可達(dá)20%～60%。G.Ramos N.等通過(guò)對(duì)前蘇聯(lián)7 個(gè)地區(qū)的污穢進(jìn)行化學(xué)成分分析表明，不同地區(qū)的污穢化學(xué)成分及其所占比例是有所不同的，NaCl 所占百分比一般在2.1%～50.8%，CaSO4所占的百分比則可達(dá)5.4%～82.7%，其余成分如Ca(NO3)2、CaCl2、Mg(NO3)2等也占有少量比例[5]。

污穢成分的差異必然會(huì)對(duì)絕緣子的污閃電壓造成影響。為此，文獻(xiàn)[6-10]進(jìn)行了不同化學(xué)成分下的絕緣子污穢閃絡(luò)特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：灰密的大小對(duì)絕緣子污穢閃絡(luò)有影響，當(dāng)灰密達(dá)1～2mg/cm2，絕緣子的污閃或耐受電壓將達(dá)到最低值；不同鹽類(lèi)污穢下的絕緣子的污閃或耐受電壓有所不同，一價(jià)鹽如NaCl 對(duì)絕緣子污閃特性的影響要大一些。

同時(shí)也有研究表明：對(duì)于自然污穢中的可溶物成分，對(duì)絕緣子污閃耐受電壓影響較大的是NaCl和CaSO4兩種鹽類(lèi)，且實(shí)際線(xiàn)路上絕緣子自然積污的主要導(dǎo)電物質(zhì)是CaSO4，NaCl所占比例并不大[11]；對(duì)于自然污穢中的不溶物成分，主要有SiO2、Fe2O3、CuO、Al2O3、Pb和CaO等，且其中SiO2含量較大，F(xiàn)e2O3和Al2O3次之，且兩者含量相當(dāng)[12]。

目前，實(shí)驗(yàn)室普遍使用人工污穢試驗(yàn)法對(duì)絕緣子的閃絡(luò)特性進(jìn)行研究，其中可溶物主要采用NaCl來(lái)模擬，不溶物則主要采用硅藻土或高嶺土來(lái)模擬，而并未考慮自然污穢所包含的成分的復(fù)雜性對(duì)污閃電壓帶來(lái)的影響。因此，有必要對(duì)不同污穢成分對(duì)絕緣子污閃特性的影響進(jìn)行更深入的研究。

本文在重慶大學(xué)多功能人工氣候?qū)嶒?yàn)室，以7片LXY4—160 絕緣子串為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了以NaCl 和CaSO4為可溶性物質(zhì)（可溶性物質(zhì)密度：Soluble Contaminant Density，SCD），硅藻土和SiO2、Fe2O3和Al2O3的混合物為不溶性物質(zhì)（Non-Soluble Salt Deposit Density，NSDD）下的交流污閃試驗(yàn)，得到了不同鹽密下LXY4—160 絕緣子的交流閃絡(luò)特性，分析了污穢成分對(duì)其污閃電壓影響的原因，研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步揭示絕緣子放電特性和外絕緣選擇具有重要參考意義。

2 試品、試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試品

試品采用普通玻璃絕緣子LXY4—160，其具體參數(shù)如表1 所示，絕緣子的具體外形如圖1 所示。

表1 絕緣子主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of LXY4—160 insulator

圖1 絕緣子具體外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of LXY4—160 insulator

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)是在重慶大學(xué)大型多功能人工氣候室進(jìn)行的，其內(nèi)徑7.8m，凈空高11.6m，能夠模擬霧、降雨、覆冰和高海拔等多種復(fù)雜氣候環(huán)境，配套有1.5t專(zhuān)用鍋爐，為其提供蒸汽霧進(jìn)行污穢試驗(yàn)。試驗(yàn)工頻電源由500kV/2 000kVA 交流無(wú)暈污穢試驗(yàn)變壓器提供，最大短路電流為75A，滿(mǎn)足污穢試驗(yàn)對(duì)電源的要求[13,14]，試驗(yàn)原理接線(xiàn)如圖2 所示。

2.3 試驗(yàn)方法

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)過(guò)程中具體步驟如下：

（1）試品的預(yù)處理：首先使用磷酸三鈉溶液仔細(xì)清洗絕緣子各個(gè)部位，除去所有的污物和油脂痕跡，然后再用自來(lái)水徹底清洗，然后晾干。

圖2 試驗(yàn)接線(xiàn)原理示意圖B—調(diào)壓器；T—變壓器；R0—保護(hù)電阻；H—高壓穿墻套管；S—試品；E—人工氣候?qū)嶒?yàn)室；F—電容分壓器；C—泄漏電流檢測(cè)裝置Fig.2 Test circuit

（2）試品染污方法：采用固體涂層法對(duì)絕緣子上/下表面分別進(jìn)行染污。SCD 采用CaSO4和NaCl混合鹽來(lái)模擬，NSDD 采用SiO2、A12O3和Fe2O3來(lái)模擬，選取SCD 為0.06mg/cm2、0.10mg/cm2、0.25mg/cm2表示污穢較輕、一般和嚴(yán)重三種狀態(tài)，且每組試驗(yàn)均在該三種狀態(tài)下進(jìn)行，灰鹽比取3.5，絕緣子上下表面均勻染污。

試驗(yàn)過(guò)程中分兩組進(jìn)行：第一組試驗(yàn)中，固定不可溶物的成分為硅藻土，在同一SCD 下，改變CaSO4和NaCl 的質(zhì)量比，分別取NaCl 比例為100%、80%、50%、20%和0%，則CaSO4的對(duì)應(yīng)比例為0%、20%、50%、80%和100%；第二組試驗(yàn)中，固定可溶物成分為NaCl，在同一NSDD 下，改變SiO2、Fe2O3和Al2O3的質(zhì)量比，SiO2所占比例取100%、90%、75%、和60%，F(xiàn)e2O3對(duì)應(yīng)的比例為0、5%、12.5%和20%，Al2O3取值與Fe2O3相同。

（3）試品的陰干：將染污后的試品放置陰涼處自然陰干24h。

（4）蒸汽霧的產(chǎn)生：蒸汽霧由1.5t/h 鍋爐產(chǎn)生，貼近地表面的蒸汽通過(guò)沿人工氣候室底部周?chē)鶆虿贾玫亩鄠€(gè)放氣孔使人工氣候室產(chǎn)生均勻分布的霧，放氣孔離試品的距離大于3.5m，放氣孔霧氣出口方向與試品絕緣子串軸心線(xiàn)成90°夾角，輸入人工氣候室的蒸汽霧速率為 (0.05±0.01)kg/h·m3。濕潤(rùn)開(kāi)始時(shí)試品的溫度與試驗(yàn)室內(nèi)周?chē)鷾囟鹊牟钚∮凇?K，試驗(yàn)過(guò)程中霧室溫度控制在35℃以下，如果溫度過(guò)高，則采用制冷系統(tǒng)加以控制。

（5）加壓方法：當(dāng)試品濕潤(rùn)時(shí)間足夠長(zhǎng)，即待試品絕緣子表面污穢層充分濕潤(rùn)后，表面形成水膜以致邊緣即將滴水時(shí)，立即采用均勻升壓法對(duì)試品絕緣子施加電壓進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)，每種污穢下選擇3～5 支試品，每支試品閃絡(luò)4～5 次，取其中與平均值誤差低于10%的試驗(yàn)結(jié)果作為污閃電壓Uf，即

式中，Uf為絕緣子的平均污閃電壓（kV）；Ui為第i 次污閃電壓（kV）；N 為試驗(yàn)次數(shù)；σ%為試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 不同污穢成分下絕緣子串交流污穢閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同鹽分比例下試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上述試驗(yàn)程序?qū)? 片串LXY4—160 絕緣子開(kāi)展CaSO4和NaCl 不同比例下交流污穢閃絡(luò)試驗(yàn)研究（不溶性物質(zhì)為硅藻土），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同鹽分比例下絕緣子交流污穢閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of contaminated insulator’s AC flashover under different compositions of mixture salts

由表2 結(jié)果可知：

（1）所有試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在8%以?xún)?nèi)，表明采用本文的試驗(yàn)方法所得的試驗(yàn)結(jié)果分散性比較小。

（2）SCD 對(duì)所試驗(yàn)的絕緣子串交流污閃電壓有影響，且隨著SCD 的增加絕緣子的交流污閃電壓均明顯降低。例如在NaCl 和CaSO4各占一半時(shí)，當(dāng)SCD 從0.06 mg/cm2增加到0.1mg/cm2和0.25mg/cm2后，絕緣子串的污閃電壓從143.2kV 降到了114.5kV和78.8kV，分別下降了19.41%和35.59%。

（3）不同鹽分對(duì)絕緣子串交流污閃電壓有影響，且絕緣子的污閃電壓隨著NaCl 比例減小和CaSO4比例增加而升高。如當(dāng)SCD 為0.06mg/cm2時(shí)，可溶性物質(zhì)全為NaCl，其污閃電壓為124.4kV，當(dāng)NaCl比例下降到80%、50%、20%和0 時(shí)，其污閃電壓分別為140.9kV、143.2kV、145.5kV 和155.0kV，污閃電壓分別提高了13.26%、15.11%、16.96 和24.60%。

3.2 不同不溶性物質(zhì)比例下試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上述試驗(yàn)程序?qū)? 片串LXY4—160 絕緣子開(kāi)展不溶性混合物SiO2、Fe2O3和Al2O3不同比例下交流污穢閃絡(luò)試驗(yàn)研究（導(dǎo)電物質(zhì)為NaCl），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同不溶性物質(zhì)比例下絕緣子交流污穢閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The results of contaminated insulator’s AC flashover test under different proportions of insoluble compositions

由表3 結(jié)果可知：

（1）所有試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在8%以?xún)?nèi)，表明采用本文的試驗(yàn)方法所得試驗(yàn)結(jié)果的分散性比較小。

（2）不溶性物質(zhì)成分對(duì)絕緣子串交流污閃電壓有影響：當(dāng)不溶性物質(zhì)僅為SiO2時(shí)，絕緣子串交流污閃電壓較高；當(dāng)不溶性物質(zhì) SiO2的含量減少，Al2O3和Fe2O3出現(xiàn)時(shí)，絕緣子串的交流污閃電壓將變小，但SiO2的含量從90%減至60%過(guò)程中，絕緣子串的交流污閃電壓基本不變。

4 污穢成分對(duì)絕緣子交流污閃電壓影響原因

4.1 可溶物的成分對(duì)污閃電壓的影響

4.1.1 不同鹽溶液電導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果與分析

由表2 結(jié)果可知，在SCD 一定時(shí)，絕緣子的閃絡(luò)電壓會(huì)隨著NaCl 含量的減少或CaSO4的增加而呈上升趨勢(shì)。為此，測(cè)得不同硫酸鈣質(zhì)量比下鹽溶液的電導(dǎo)率，并換算到標(biāo)準(zhǔn)溫度（20°C）下進(jìn)行對(duì)比（為了排除摩爾電導(dǎo)率隨濃度變化的影響，在較小的濃度下進(jìn)行測(cè)量[15]）。

由圖3 可以看出，鹽溶液的電導(dǎo)率與鹽的濃度有關(guān)，濃度越大，電導(dǎo)率越大；在一定的鹽濃度下，隨著NaCl 含量的減少和CaSO4的增加，電導(dǎo)率逐漸降低，且有飽和趨勢(shì)，原因如下：

（1）CaSO4本身具有弱電解質(zhì)特性，其溶于水后并不能完全電離，降低了其電導(dǎo)率。

圖3 不同CaSO4比例下液體的電導(dǎo)率Fig.3 The liquid conductivity under different ratios of CaSO4

（2）當(dāng)可溶物充分溶解時(shí)，污液里有Na+，Ca2+，Cl-，SO42-四種離子。離子的體積越大，相同濃度時(shí)離子相互碰撞的概率越高，造成離子在原軌道運(yùn)動(dòng)速度減慢，電導(dǎo)率也降低[16]。Ca2+和SO42-在體積上明顯超出Na+和Cl-。因此CaSO4含量越高，污液的電導(dǎo)率越低。

（3）NaCl 的濃度對(duì)CaSO4的溶解度有影響：當(dāng)鹽溶液濃度低時(shí)，NaCl 濃度增加使其離子強(qiáng)度增大，活度系數(shù)降低，從而CaSO4溶解度增加[17]。

顯然，絕緣子表面污層濕潤(rùn)的過(guò)程中，不同鹽分對(duì)絕緣子表面污層電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，即相同鹽密值下，CaSO4含量越高，絕緣子表面污層電導(dǎo)率將越低，則相同作用電壓下，流過(guò)絕緣子表面泄漏電流將減小，使得絕緣子表面不容易形成干燥帶而產(chǎn)生局部電弧，從而使其污閃電壓提高。

4.1.2 硫酸鈣含量與等效鹽密值的關(guān)系

目前污穢等級(jí)的劃分是以絕緣子串的等值鹽密為標(biāo)準(zhǔn)，等值鹽密是根據(jù)絕緣子表面污穢的混合溶液電導(dǎo)率，折算成等價(jià)的NaCl 量[5]。

由于CaSO4對(duì)污層電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)不同于NaCl，試驗(yàn)中所擬定的SCD 值并不能表征混合鹽對(duì)污層電導(dǎo)率的實(shí)際貢獻(xiàn)。因此，根據(jù)電導(dǎo)率值可將CaSO4成分折算等價(jià)的NaCl 量，從而將試驗(yàn)中擬定的SCD 值，折算成鹽分完全為NaCl 的等效鹽密值SDD。不同濃度的CaSO4和NaCl 溶液的電導(dǎo)率如圖4 所示。

圖4 氯化鈉和硫酸鈣溶液的電導(dǎo)率曲線(xiàn)Fig.4 The conductivity curves of NaCl and CaSO4liquors

由圖可得，對(duì)于較低濃度鹽溶液，其電導(dǎo)率與鹽濃度近似呈線(xiàn)性關(guān)系；相同濃度下，CaSO4對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)約為NaCl 的0.485 倍，則試驗(yàn)中的SCD值與等效鹽密值SDD 的關(guān)系可表示為

式中，β 為CaSO4含量所占百分比。

將本次試驗(yàn)中擬定的不同鹽分的 SCD 值，按NaCl 電導(dǎo)率進(jìn)行換算得到的SDD 值見(jiàn)表4。

表4 不同硫酸鈣比例的SDD 值Tab.4 The effective SDD under different values of CaSO4

由表4 可知，如果僅考慮不同鹽分對(duì)污層電導(dǎo)率的影響，CaSO4比例越大時(shí)SDD 值越小。

國(guó)內(nèi)外的大量研究表明，絕緣子污閃電壓（Uf，kV）與鹽密的關(guān)系可表示為[18]

式中，a 為常數(shù)；n 為污穢影響特征指數(shù)。

則將表2 的結(jié)果按式（4）進(jìn)行擬合，當(dāng)鹽分為100%氯化鈉時(shí)，LXY4—160 絕緣子Uf與SDD 的關(guān)系為

式中的SDD 值是與污層電導(dǎo)率直接相關(guān)的。因此在利用式（5）計(jì)算不同污穢成分下的污閃電壓值時(shí)，應(yīng)將表4 中對(duì)應(yīng)的SDD 值代入式（5）中進(jìn)行計(jì)算，得到修正后的污閃電壓值見(jiàn)表5。

表5 鹽密修正后的污閃電壓計(jì)算值與測(cè)量值的相對(duì)誤差Tab.5 The relative error between calculated value after SDD correction and the value of flashover test

由表5 可知，計(jì)算所得的絕緣子交流污閃電壓值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在-20%～39.3%之間波動(dòng)，差異較大?？梢?jiàn)，不同鹽分對(duì)絕緣子污閃電壓的影響并不僅僅體現(xiàn)在對(duì)污層電導(dǎo)率的影響，其影響因素主要還因?yàn)椋篊aSO4為難溶性鹽，而標(biāo)準(zhǔn)懸式絕緣子每片的飽和附水量?jī)H為10ml 左右。

經(jīng)測(cè)試，10ml 純CaSO4溶液標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）下的電導(dǎo)率隨CaSO4含量的變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 10ml 水中硫酸鈣含量與電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.5 The relationship between CaSO4content and its conductivity in 10ml of water

根據(jù)圖5 可知，當(dāng)CaSO4的含量大于20mg 時(shí)，溶液輕度飽和，曲線(xiàn)微微下降；當(dāng)CaSO4含量繼續(xù)增大至40mg 后，電導(dǎo)率上升趨勢(shì)顯著下降并最終持平。因此，硫酸鈣的難溶性是電導(dǎo)率修正后的閃絡(luò)電壓與實(shí)際值仍不相符的原因之一。

同時(shí)，硫酸鈣的存在影響了電弧的熱電離過(guò)程，這是一個(gè)熱電離產(chǎn)生帶電粒子、弧頭徑向電場(chǎng)增大、帶電粒子與表面碰撞加劇、弧頭溫度進(jìn)一步升高、熱電離加劇的正反饋過(guò)程[19]。鈉原子的電離電位最低，鈣原子的電離電位比鈉原子高大約1eV[20]。當(dāng)硫酸鈣含量增大時(shí)，電弧等離子體中鈉元素量減少，需要更高的電壓來(lái)增大弧頭溫度及場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致熱電離正反饋過(guò)程的延緩，從而影響電弧常數(shù)。

在進(jìn)行絕緣子自然積污研究時(shí)，不能僅簡(jiǎn)單測(cè)量污穢物的電導(dǎo)率所等效NaCl 含量來(lái)表征絕緣子的污穢程度或進(jìn)行污穢等級(jí)劃分，必須綜合考慮不同污穢成分的物理化學(xué)特性、內(nèi)在影響關(guān)系、對(duì)實(shí)際污液電導(dǎo)率以及對(duì)電弧發(fā)展過(guò)程等諸多方面的影響。

4.2 不可溶物的成分對(duì)污閃電壓影響的原因

由表3 結(jié)果可知，當(dāng)不溶物成分中不含有金屬氧化物時(shí)，絕緣子的污閃電壓較高；而當(dāng)不溶物成分中出現(xiàn)Al2O3和Fe2O3后，試品的污閃電壓將減小，但金屬氧化物成分的含量繼續(xù)提高，污閃電壓變化不顯著，其原因可能是

（1）不同不溶物成分的附水能力不同。在本試驗(yàn)中，涂刷絕緣子時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiO2的含量為100%時(shí)，將污穢調(diào)和成懸濁液所需的水量相對(duì)較少。

（2）Al2O3和Fe2O3作為離子晶體，呈熔融態(tài)時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)電解質(zhì)的特性。污穢絕緣子串閃絡(luò)過(guò)程中的局部電弧具有強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象。據(jù)文獻(xiàn)[21]測(cè)量結(jié)果可知，在其發(fā)展過(guò)程中，局部電弧溫度約為5 000～10 000K，而Al2O3和Fe2O3的熔點(diǎn)分別為2 303K 和1 838K[22]。因此，兩者作為離子晶體，絕緣子串表面產(chǎn)生局部電弧時(shí)將呈熔融態(tài)而表現(xiàn)出強(qiáng)電解質(zhì)的特性。從而增大絕緣子表面剩余污層電導(dǎo)率，導(dǎo)致泄漏電流增大，促使局部電弧的進(jìn)一步發(fā)展。

（3）不同物質(zhì)的游離電位不同，由文獻(xiàn)[20]可知，Si、Al、Fe 的電離電位分別為8.151eV、5.986eV、7.870eV。當(dāng)溫度達(dá)到3 250K 后，Al2O3會(huì)氣化分解成Al，F(xiàn)e2O3高溫下的分解產(chǎn)物Fe3O4與Al 發(fā)生置換反應(yīng)生成Fe。弧根在電極上形成圓形明亮點(diǎn)叫斑點(diǎn)，此處的有很大的泄漏電流，且電流密度很大[19]，鐵和鋁將被迅速汽化，形成金屬蒸氣進(jìn)入弧柱。因此，Al 和Fe 由于具有較低的電離電位而參與了熱電離，加劇了電弧的穩(wěn)定燃燒，使絕緣子污穢閃絡(luò)更容易發(fā)生。

（4）絕緣子串閃絡(luò)過(guò)程中從局部電弧產(chǎn)生發(fā)展至閃絡(luò)的時(shí)間較短，一般僅為數(shù)秒至數(shù)十秒，導(dǎo)致金屬氧化物熔融量有限，因此過(guò)多的Al2O3和Fe2O3對(duì)污閃電壓不會(huì)產(chǎn)生很大影響。

（5）由于Al2O3和Fe2O3會(huì)明顯降低污閃電壓，因此污閃試驗(yàn)中簡(jiǎn)單地用硅藻土來(lái)代替灰密是有缺陷的，需結(jié)合實(shí)際情況考慮金屬氧化物對(duì)污閃電壓的影響。

4.3 污穢成分與臨界泄漏電流的關(guān)系

泄漏電流是電壓、濕潤(rùn)、污穢三個(gè)主要因素的綜合反映和最終結(jié)果，信號(hào)中包含了豐富的能夠體現(xiàn)絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的信息量。據(jù)此，本試驗(yàn)選取臨界泄漏電流ICR為特征量，分析了污穢成分對(duì)其的影響。圖6 記錄了絕緣子發(fā)生污閃時(shí)的泄漏電流波形，一般將絕緣子在閃絡(luò)前半個(gè)周波的泄漏電流定義為臨界泄漏電流ICR。

圖6 絕緣子臨界泄漏電流示意圖Fig.6 Example for ICR

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同污穢試驗(yàn)條件下的泄漏電流進(jìn)行了測(cè)試，可得到各種試驗(yàn)條件下絕緣子閃絡(luò)時(shí)的臨界泄漏電流值如圖7 所示。

圖7 絕緣子臨界泄漏電流與污穢成分的關(guān)系Fig.7 Relationship between ICRand the composition of contamination

由圖7 可知：

（1）絕緣子污穢閃絡(luò)時(shí)，其臨界泄漏電流值為0.3～1A 之間，且臨界泄漏電流值與污穢度、污穢成分有關(guān)。

（2）鹽密成分對(duì)絕緣子臨界泄漏電流有影響，同一鹽密下，ICR會(huì)隨著NaCl 比例的減少和CaSO4含量的增加而降低。

（3）灰密成分對(duì)絕緣子臨界泄漏電流有一定的影響，同一鹽密下，灰密成分中含有Al2O3和Fe2O3的臨界泄漏電流值均比純 SiO2下的臨界泄漏電流大，但Al2O3和Fe2O3的含量變化對(duì)其臨界泄漏電流值的影響不大。

Obenaus 認(rèn)為污閃過(guò)程的電路模型可用局部電弧與剩余污層電阻串聯(lián)進(jìn)行描述，如圖8 所示，其中x 為局部電弧長(zhǎng)度；L 為泄漏距離；HV 為高壓端。

圖8 污閃電路模型Fig.8 A model of pollution flashover circuit

其電路方程式可描述為

式中，Um和Im分別表示施加電壓和泄漏電流的峰值；Uarc_m為電弧兩端的電壓；Up_m為剩余污層電阻兩端的電壓；A 和n 為反映電弧特性的常數(shù)；R(x)為剩余污層電阻。

文獻(xiàn)[23]提出，為了實(shí)現(xiàn)交流污閃，除了最大弧長(zhǎng)達(dá)到臨界值外，還必須滿(mǎn)足交流電弧的重燃條件和恢復(fù)條件，其中電弧恢復(fù)條件可以，表示為

式中，Ep為剩余污層電阻的電壓梯度；Earc為電弧的電壓梯度，而Ep和Earc可分別由下式求得[24]。

因此，對(duì)于具有相同電弧長(zhǎng)度的絕緣子串，當(dāng)表面污層電導(dǎo)率增大時(shí)，流過(guò)其表面的泄漏電流越大，電弧恢復(fù)條件越容易滿(mǎn)足，電弧向前延伸的機(jī)會(huì)也會(huì)大大增加；而對(duì)于具有較低電導(dǎo)率的絕緣子串，電弧恢復(fù)條件不易滿(mǎn)足，必須靠增大作用電壓來(lái)增加泄漏電流使電弧得以發(fā)展。所以低NaCl 含量、高CaSO4含量的絕緣子串具有較高閃絡(luò)電壓，而且不溶物成分中Al2O3和Fe2O3的存在也會(huì)降低污閃電壓。

5 結(jié)論

本文對(duì)7 片串LXY4—160 玻璃絕緣子在不同鹽密和不同污穢成分的污閃特性進(jìn)行了測(cè)試研究，通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于可溶物成分，隨著NaCl 比例的減小和CaSO4比例的增加，絕緣子的污閃電壓會(huì)有所提高，且當(dāng)可溶物成分僅為NaCl 或CaSO4中一種時(shí)，絕緣子的污閃電壓差別較大；硫酸鈣含量過(guò)多時(shí)，其難溶特性是造成污閃電壓變化的原因之一。

（2）對(duì)于不溶物成分，隨著Al2O3和Fe2O3的出現(xiàn)，污閃電壓將降低，但是當(dāng)Al2O3和Fe2O3繼續(xù)增加，污閃電壓變化不明顯。

（3）可溶物成分會(huì)對(duì)表面污層電導(dǎo)率產(chǎn)生明顯的影響，從而影響泄漏電流。NaCl 含量越多，表面污層電導(dǎo)率越大，流過(guò)的泄漏電流越大，電弧越容易穩(wěn)定發(fā)展，導(dǎo)致污閃容易發(fā)生。

（4）不溶物成分也會(huì)對(duì)表面污層電導(dǎo)率產(chǎn)生一定影響。電弧產(chǎn)生階段，Al2O3和Fe2O3受熱呈熔融態(tài)，表現(xiàn)出強(qiáng)電解質(zhì)的特性，從而增大表面污層電導(dǎo)率，增大泄漏電流，使污閃更容易發(fā)生；但是由于污閃過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，Al2O3和Fe2O3的熔融量有限，過(guò)多的Al2O3和Fe2O3并不會(huì)給污閃電壓帶來(lái)顯著的影響。

（5）污穢成分對(duì)電弧的發(fā)展過(guò)程有一定的影響，從而影響電弧常數(shù)、影響污閃電壓。鈣原子的電離電位大于鈉離子，CaSO4的增多會(huì)延緩熱電離過(guò)程的產(chǎn)生；鋁原子、鐵原子的電離電位低于硅，Al2O3和Fe2O3的存在，會(huì)加劇電弧的熱電離過(guò)程。

（6）在進(jìn)行絕緣子自然積污研究時(shí)，不能僅簡(jiǎn)單測(cè)量污穢物的電導(dǎo)率所等效NaCl 含量來(lái)表征絕緣子的污穢程度或進(jìn)行污穢等級(jí)劃分，必須綜合考慮不同污穢成分的物理化學(xué)特性、內(nèi)在影響關(guān)系、對(duì)實(shí)際污液電導(dǎo)率以及對(duì)電弧發(fā)展過(guò)程等諸多方面的影響。

[1]張志勁,蔣興良,孫才新.污穢絕緣子閃絡(luò)特性研究現(xiàn)狀及展望[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(2):35-40.Zhang Zhijing,Jiang Xingliang,Sun Caixin.Present situation and prospect of research on flashover characteristics of polluted insulators[J].Power System Technology,2006,30(2):35-40.

[2]張仁豫.絕緣污穢放電[M].北京:水利電力出版社,1994.

[3]梁曦東,陳昌漁,周遠(yuǎn)翔.高電壓工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[4]顧樂(lè)觀(guān),孫才新.電力系統(tǒng)的污穢絕緣[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1990.

[5]蔣興良,舒立春,孫才新.電力系統(tǒng)污穢與覆冰絕緣[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[6]Ramos N G,Campillo R M T,Naito K.A study on the characteristics of various conductive contaminants accumulated on high voltage insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1993,8(4):1842-1850.

[7]Matsuoka R,Kondo K.Influence of non-soluble contaminants on the flashover voltages of artificially contaminated insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1996,11(1):420-430.

[8]Sundararajan R,Gorur R S.Role of non-soluble contaminants on the flashover voltage of porcelain insulators[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1996,3(1):113-118.

[9]Ishij M,Komatsubara M,Matsuoka R,Behavior of insoluble materials in artificial contamination tests[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1996,3(3):432-438.

[10]Haseguwa Y,Naito K,Arakawa K.A comparative program on HVDC contamination tests[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1988,3(4):1986-1995.

[11]宋云海,劉剛,李恒真.公路區(qū)與公路農(nóng)田區(qū)絕緣子自然積污成分的對(duì)比分析[J].高壓電器,2010,46(5):22-25.Song Yunhai,Liu Gang,Li Hengzhen.Comparative analysis of natural contamination composition on insulators at highway area and highway-farmland area[J].High Voltage Apparatus,2010,46(5):22-25.

[12]李文祥.輸電線(xiàn)路積污的化學(xué)成分分析[J].廣東輸電與變電技術(shù),2010,12(5):53-55.Li Wenxiang.Chemical composition analysis of transmission line pollution[J].Guangdong Power Transmission Technology,2010,12(5):53-55.

[13]IEC 60507-1991 Artificial pollution tests on high voltage insulators to be used on AC systems[S].1991.

[14]GB/T 16434-1996 高壓架空線(xiàn)路和發(fā)電廠(chǎng)、變電所環(huán)境污區(qū)分級(jí)及外絕緣選擇標(biāo)準(zhǔn)[S].1996.

[15]徐通訓(xùn).鹽量濃度與導(dǎo)電率關(guān)系的比較研究[J].高電壓技術(shù),1996,22(4):46-49.Xu Tongxun.The comparative study on the relation between the salt concentration and conductivity[J].High Voltage Engineering,1996,22(4):46-49.

[16]李恒真,劉剛,李立浧.自然污穢成分CaSO4對(duì)電力設(shè)備外絕緣沿面絕緣特性的影響綜述[J].高電壓技術(shù),2011,3(35):140-145.Li Hengzhen,Liu Gang,Li Licheng.A review on influence of natural contaminant CaSO4 on surface insulation characteristics of external insulation of power equipment[J].High Voltage Engineering,2011,3(35):140-145.

[17]尹忠,趙曉東.硫酸鈣在鹽酸和氯化鈉水溶液中的溶解度[J].油田化學(xué),1994,11(4):345-347.Yin Zhong,Zhao Xiaodong.The solubility of CaSO4in the water solution of HCl and NaCl[J].Oilfield Chemistry,1994,11(4):345-347.

[18]Sun C,Tian Y,Jiang X,et al.Flashover perfor-mance and voltage correction of iced and polluted HV insulator string at high altitude of 4000m and above[C].7th Int.Conf.Properties and Applications of Dielectric Materials,Nagoya,Japan,2003,1:141-145.

[19]謝軍.交流電壓下染污絕緣子閃絡(luò)過(guò)程動(dòng)態(tài)電場(chǎng)計(jì)算及閃絡(luò)機(jī)理研究[D].1987.

[20]Wolfgang Lotz.Ionization potentials of atoms and ions from hydrogen to zinc[J].Journal of the Optical Society of America,1967,57(7):873-878.

[21]李順元,張仁豫,談克雄.沿染污絕緣表面延伸的局部電弧溫度測(cè)量[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1990,10(2):1-7.Li Shunyuan,Zhang Renyu,Tan Kexiong.Measurement of the arc temperature along the surface of polluted insulator[J].Proceedings of the CESS,1990,10(2):1-7.

[22]張思遠(yuǎn).無(wú)機(jī)晶體的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[23]關(guān)志成,張仁豫.染污絕緣子在交流電壓下的污閃條件分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),1986,26(3):30-38.Guan Zhicheng,Zhang Renyu.The pollution flashover conditions of polluted insulator under ac voltage[J].Journal of Tsinghua University,1986,26(3):30-38.

[24]Sima W,Yuan T,Yang Q,et al.Effect of nonuniform pollution on the withstand characteristics of extra high voltage(EHV) suspension ceramic insulator string[J].IET Generation,Transmission &Distribution,2010,4(3):445-455.