余 穎 劉亞東 李 維 叢子涵 嚴(yán)英杰

配電線路針式絕緣子早期故障動(dòng)態(tài)特性研究

余 穎1劉亞東1李 維2叢子涵1嚴(yán)英杰1

（1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240 2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217）

針式絕緣子在配電線路上廣泛應(yīng)用，由其導(dǎo)致的故障占比約為10%。從機(jī)理上探究早期故障的電弧動(dòng)態(tài)發(fā)展過程、捕捉其波形特征，是實(shí)現(xiàn)針式絕緣子早期故障的檢測(cè)與辨識(shí)基礎(chǔ)。該文分析針式絕緣子裂縫內(nèi)部放電發(fā)生機(jī)理，基于磁流體動(dòng)力學(xué)仿真建模，同時(shí)試驗(yàn)?zāi)M針式絕緣子裂縫內(nèi)部放電，探究裂縫內(nèi)部電弧的發(fā)展過程和電流電壓波形特征。結(jié)果表明：絕緣子內(nèi)部燃弧與熄弧交替，電流電壓波形符合早期故障間歇性起弧的特征；相比絕緣子外部，裂縫內(nèi)部形成沿面閃絡(luò)用時(shí)短、閃絡(luò)瞬間電流變化率大；裂縫內(nèi)部放電具有明顯的極性效應(yīng)，鋁導(dǎo)線施加正電壓時(shí)起弧概率更大。該文研究結(jié)果為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)針式絕緣子早期故障的檢測(cè)與辨識(shí)奠定了基礎(chǔ)。

配電線路 早期故障 針式絕緣子 磁流體動(dòng)力學(xué) 電弧特性 波形特征

0 引言

針式絕緣子廣泛運(yùn)用在郊區(qū)、農(nóng)村的中壓配電線路，其頂部凹槽和鐵腳之間瓷體較薄，易開裂，在裂縫內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生間歇性電弧。裂縫故障為高阻接地故障，電流幅值小，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，且該故障具有自清除特性，稱為針式絕緣子早期故障[1]。早期故障間歇性發(fā)生、電氣量特征微弱，其信號(hào)湮沒在大量擾動(dòng)事件中，容易被忽視[2]。間歇性電弧產(chǎn)生的高溫、熱應(yīng)力會(huì)對(duì)瓷體表面造成不可逆損傷，損傷累積使早期故障逐漸轉(zhuǎn)化為炸裂、掉線等永久性故障[3]。某省2019年數(shù)據(jù)顯示，配電網(wǎng)中壓線路跳閘停運(yùn)有11.2%由針式絕緣子永久性故障引起，配網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行受到巨大威脅。在永久性故障前及時(shí)排查隱患，實(shí)現(xiàn)由事后故障處理到事前主動(dòng)預(yù)防的轉(zhuǎn)變，是降低配電網(wǎng)故障率、提高供電可靠性的關(guān)鍵[1]。為實(shí)現(xiàn)該故障的事前預(yù)防，首要工作是結(jié)合針式絕緣子早期故障發(fā)展過程與電弧的內(nèi)外特性，捕捉針式絕緣子裂縫故障獨(dú)有特征量。

隨著電網(wǎng)信息化程度提高，早期故障電流電壓波形可被智能終端設(shè)備檢測(cè)記錄，為早期故障辨識(shí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有早期故障檢測(cè)方法主要分為機(jī)器學(xué)習(xí)法[2,4-6]、波形特征法[7-3]和模型法[14-16]。文獻(xiàn)[4]提出了基于復(fù)合判據(jù)的小電流接地系統(tǒng)接地型早期故障檢測(cè)算法，文獻(xiàn)[2,6]提出基于類人概念學(xué)習(xí)的人工智能方法，通過對(duì)波形進(jìn)行分解以及分層概率學(xué)習(xí)進(jìn)行早期故障辨識(shí)，文獻(xiàn)[8]提出了基于行波反演的故障重演方法，獲取故障暫態(tài)波形信息，但是早期故障因?yàn)楣收衔恢?、設(shè)備參數(shù)、負(fù)載電流、噪聲等問題而具有強(qiáng)隨機(jī)性，無法利用暫態(tài)波形特征進(jìn)行故障辨識(shí)。文獻(xiàn)[10]主要通過故障波形時(shí)頻特征和電弧特征來辨識(shí)故障類型，識(shí)別率高達(dá)90%。但配電設(shè)備早期故障案例較少，不能滿足上述辨識(shí)方法需大量數(shù)據(jù)樣本集的要求。文獻(xiàn)[11-12]提出了基于波形分布特性、相似度計(jì)算等高靈敏的擾動(dòng)檢測(cè)算法，有較高的精度與魯棒性，但此算法對(duì)硬件條件要求高，無法大范圍推廣至實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]結(jié)合單相接地故障模型與Prony算法，提取電流電壓暫態(tài)波形衰減因子作為電纜接頭故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征量。文獻(xiàn)[14]在PSCAD中建立電纜早期故障模型，利用電弧電壓波形畸變特性來進(jìn)行早期故障檢測(cè)與定位，文獻(xiàn)[15-16]建立樹線早期故障模型模擬放電過程，研究樹線閃絡(luò)電弧的發(fā)展特性與影響因素，但未從故障發(fā)生機(jī)理上建立故障發(fā)展過程與電弧特征的聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)具體故障類型辨識(shí)。

針對(duì)上述問題，本文基于故障發(fā)生機(jī)理，采用仿真與試驗(yàn)交互驗(yàn)證的方式研究針式絕緣子早期故障。建立磁流體動(dòng)力學(xué)電弧模型，通過裂縫內(nèi)部電弧形態(tài)、溫度、長(zhǎng)度等動(dòng)態(tài)變化特性，探究裂縫結(jié)構(gòu)對(duì)放電的影響，提取針式絕緣子早期故障獨(dú)有的特征量；并在人工試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。研究結(jié)果可指導(dǎo)針式絕緣子裂縫早期故障的檢測(cè)與識(shí)別，為針式絕緣子裂縫早期故障辨識(shí)奠定基礎(chǔ)。

1 故障分析

1.1 裂縫內(nèi)部放電發(fā)展過程

圖1所示為PL1.4/60CL16/150型號(hào)針式絕緣子實(shí)物圖，其傘裙與柱式絕緣子的外傘裙不同，為“鐘罩型”的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，下方不易積污，難以形成污穢沿面閃絡(luò)。

圖1 10kV針式絕緣子實(shí)物圖

針式絕緣子頂部凹槽和鐵腳之間的瓷體較薄，長(zhǎng)期的機(jī)械負(fù)荷、冷熱變換的外部環(huán)境以及化學(xué)物質(zhì)的腐蝕等因素易導(dǎo)致瓷體出現(xiàn)裂縫[17]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，裂縫多出現(xiàn)在頂部凹槽與鐵腳之間，為一道或多道貫穿性裂縫。晴朗天氣下，裂縫絕緣子仍有良好的絕緣性能，不會(huì)產(chǎn)生放電；但雨霧天氣時(shí)，水分從頂部滲入裂縫內(nèi)部，在裂縫內(nèi)產(chǎn)生分布不均勻的泄漏電流。

裂縫內(nèi)部放電發(fā)展過程如圖2所示，水分滲入裂縫后，沿粗糙表面分散成多股細(xì)流，靠近鐵腳的部分形成高阻值干區(qū)，兩端的電壓幾乎都施加于此。外施電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，出現(xiàn)局部電弧，隨后電弧向兩極拓展延伸，形成閃絡(luò)。電弧燃燒產(chǎn)生的高溫在短時(shí)間內(nèi)即可蒸干裂縫內(nèi)部水分，干區(qū)長(zhǎng)度增加，電壓過零點(diǎn)時(shí)交流電弧熄滅，下一半波電弧重燃與否需重新考慮外加電壓峰值和電弧重燃電壓re的大小關(guān)系[18-19]。

圖2 裂縫內(nèi)部放電發(fā)展過程

re值取決于干區(qū)長(zhǎng)度，同時(shí)受到裂縫內(nèi)殘留熱氣柱的影響。

配電網(wǎng)10kV電壓能夠擊穿的干區(qū)較短[20]，電弧燃燒產(chǎn)生高溫使干區(qū)長(zhǎng)度增加，長(zhǎng)度超過可擊穿長(zhǎng)度時(shí)電弧熄滅，因此電弧難以持續(xù)，通常燃燒1～2個(gè)工頻周期后自行熄滅。當(dāng)水分滲入裂縫時(shí)，干區(qū)變短被擊穿，電弧重燃。因此在雨霧天氣，裂縫內(nèi)部不斷重復(fù)“形成干區(qū)—局部擊穿—沿面閃絡(luò)—電弧熄滅”的過程，形成熄弧與重燃交替的間歇性放電。此類故障不能觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，也難以自行消除。間歇性放電是早期故障的典型表現(xiàn)，本文重點(diǎn)討論此階段裂縫內(nèi)部電弧的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

1.2 裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部放電對(duì)比

電弧發(fā)展速度快慢由局部電弧發(fā)展為閃絡(luò)所用時(shí)間長(zhǎng)短比較得出，用時(shí)越短表明電弧發(fā)展速度越快。裂縫內(nèi)部故障電弧發(fā)展速度遠(yuǎn)大于外部沿面放電，原因有四點(diǎn)，具體分析如下。

絕緣子裂縫內(nèi)部為“固體-氣體-固體”的結(jié)構(gòu)，裂縫內(nèi)部對(duì)流散熱和輻射散熱占比小，主要依靠瓷體傳導(dǎo)散熱，瓷體熱導(dǎo)率較低，僅為2.00W/(m·K)。電弧產(chǎn)熱功率相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)產(chǎn)熱與散熱達(dá)到平衡時(shí)，電弧整體溫度高。電弧在裂縫內(nèi)部難以形成飄弧，扭曲程度低，高溫區(qū)域集中，有利于電弧拓展延伸，加快電弧發(fā)展速度。

相較于裂縫內(nèi)部放電，絕緣子外部沿面電弧的散熱以對(duì)流散熱為主，開放環(huán)境中空氣對(duì)流帶走大部分熱量，表達(dá)式[21]為

式中，為與氣流運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的系數(shù)；為電弧長(zhǎng)度；為電弧直徑；h為弧柱溫度；0為外部環(huán)境溫度。對(duì)流散熱功率受到溫度差的影響，并且與電弧直徑、電弧長(zhǎng)度成正比。外部沿面電弧在開放空間中受到外界氣流熱浮力影響，脫離放電表面形成飄弧，彎曲程度高導(dǎo)致長(zhǎng)度增加，電弧等離子體與周圍環(huán)境的輻射熱量和傳導(dǎo)熱量均增大。電弧燃燒產(chǎn)熱功率相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到平衡時(shí)弧柱溫度較低，抑制電弧延伸，減慢電弧發(fā)展速度。

然后，從界面組成來看，絕緣子外部為固-氣單界面；裂縫內(nèi)部為固-氣-固雙界面。在瓷體與空氣的交界面上有電荷積聚[22]，能促進(jìn)放電的發(fā)生。裂縫內(nèi)部?jī)晒?氣交界面均存在電荷積聚，其對(duì)瓷體表面放電初期的促進(jìn)效果更突出[23]，加快了電弧發(fā)展速度。

最后，在爬電距離方面，絕緣子裂縫內(nèi)爬電距離短，局部電弧可迅速發(fā)展為沿面閃絡(luò)，絕緣子外部存在傘裙，爬電距離遠(yuǎn)大于裂縫內(nèi)部?？偨Y(jié)以上四點(diǎn)，裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部放電對(duì)比見表1。

表1 裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部放電對(duì)比

Tab.1 The comparison of internal discharge with external discharge along the surface

1.3 極性效應(yīng)

針式絕緣子豎直安裝，雨霧天氣下水分從頂部凹槽滲入裂縫，形成電解液。裂縫內(nèi)部放電電極分別為電解液和金屬鐵腳，其示意圖如圖3所示，鋁導(dǎo)線電壓為正時(shí)，金屬鐵腳為陰極，電解液為陽極；鋁導(dǎo)線電壓為負(fù)時(shí)，金屬鐵腳為陽極，電解液為陰極。

圖3 裂縫沿面極性電弧示意圖

電弧由陰極區(qū)、弧柱和陽極區(qū)組成，陰極完成電子發(fā)射，弧柱處于中間位置，陽極被動(dòng)接收電子。陰極的差異對(duì)起弧的影響更大[24]，陰極的電子發(fā)射機(jī)制包括熱電子發(fā)射和強(qiáng)場(chǎng)電子發(fā)射，其電流密度表示為

式中，1、2為常數(shù)。陰極溫度、逸出功函數(shù)、電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度為影響電流密度的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

鐵腳作為陰極比電解液作為陰極時(shí)的電流密度更大，原因有三點(diǎn)。首先，電解液沸點(diǎn)較低，作為陰極時(shí)溫度上升慢，熱電子發(fā)射能力弱；反之，當(dāng)鐵腳作為陰極時(shí)，陰極溫度上升快，熱電子發(fā)射能力強(qiáng)。其次，鐵腳表面凹凸不平，電場(chǎng)畸變易形成高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域，強(qiáng)場(chǎng)電子發(fā)射能力強(qiáng)。最后，金屬內(nèi)有大量自由電子，且逸出功較小。

由于鐵腳作為陰極時(shí)電流密度更大，裂縫內(nèi)部故障具有極性效應(yīng)，鋁導(dǎo)線為正電壓時(shí)，裂縫內(nèi)部起弧比鋁導(dǎo)線加負(fù)電壓時(shí)更容易。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

本文以10kV配網(wǎng)廣泛使用的PL1.4/60CL16/ 150型號(hào)針式絕緣子為例進(jìn)行研究，提取針式絕緣子側(cè)面視角，在COMSOL仿真軟件中建立針式絕緣子裂縫放電二維模型。

國(guó)標(biāo)[25]中規(guī)定PL1.4/60CL16/150針式絕緣子尺寸如圖4所示。測(cè)量不同批次該型號(hào)絕緣子，瓷體中央厚度均為18mm，本文仿真模型與試驗(yàn)所用絕緣子尺寸保持一致，頂部瓷體厚度設(shè)置為18mm。裂縫內(nèi)部放電仿真幾何圖如圖5所示，計(jì)算域高240mm，寬300mm，包括整個(gè)針式絕緣子以及部分鋁導(dǎo)線，有鋁導(dǎo)線、瓷體、瓷體裂縫、空氣域、水泥和鐵腳六部分。絕緣子瓷體上方是直徑為12mm的鋁導(dǎo)線，裂縫設(shè)置在瓷體最薄處，寬度設(shè)置為0.5mm。10kV配網(wǎng)能擊穿的干區(qū)較短，故在瓷體下方靠近鐵腳處設(shè)置一小段干區(qū)，裂縫其余處均為濕區(qū)，干區(qū)設(shè)置為2mm。

圖4 PL1.4/60CL16/150針式絕緣子尺寸（單位：mm）

圖5 裂縫內(nèi)部放電仿真幾何圖

網(wǎng)格劃分時(shí)將裂縫處電弧通道細(xì)化處理，遠(yuǎn)離電弧的部分網(wǎng)格劃分稀疏，兼顧模型的收斂性、精確性和高效性。

2.2 模型假設(shè)與控制方程

電弧燃燒的過程視為流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)等在時(shí)間和空間上的耦合變化過程，耦合關(guān)系如圖6所示。

為了降低模型復(fù)雜度，提高計(jì)算效率，針對(duì)絕緣子裂縫內(nèi)部電弧引入下列假設(shè)[26]：

圖6 電弧多物理場(chǎng)耦合關(guān)系

（1）電弧等離子體處于局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

（2）忽略電弧的起始過程，認(rèn)為在仿真初始，裂縫內(nèi)2mm干區(qū)表面存在一段穩(wěn)定電弧。

（3）等離子體流是非可壓縮的，流動(dòng)為層流，黏性耗散對(duì)流體的影響可忽略不計(jì)。

（4）忽略其他雜質(zhì)離子對(duì)電弧等離子體的影響，即視電弧為純空氣等離子體。

裂縫內(nèi)部電弧模型基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論建立，控制方程包括流體動(dòng)力學(xué)方程和電磁場(chǎng)方程。流體動(dòng)力學(xué)方程由流體質(zhì)量守恒方程式（7）、動(dòng)量守恒方程式（8）和式（9）與能量守恒方程式（10）～式（12）組成。

電磁場(chǎng)方程由電場(chǎng)方程式（13）～式（15）和磁場(chǎng)方程式（16）和式（17）組成。

式中各符號(hào)的含義見表2。

表2 控制方程符號(hào)含義

Tab.2 The meaning of the symbols in the MHD equation

2.3 初始值與邊界條件

建模過程涉及電場(chǎng)、磁場(chǎng)、層流、流體傳熱、電路物理場(chǎng)模塊，多物理場(chǎng)模塊采用洛倫茲力、平衡放電熱源、靜態(tài)電流密度分量、流動(dòng)耦合和溫度耦合。考慮實(shí)際工況和模型的收斂性，各物理場(chǎng)模塊的邊界條件設(shè)置如下。

流場(chǎng)設(shè)置為層流，應(yīng)用流體傳熱模塊耦合溫度場(chǎng)。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算中常用的處理方法，絕緣子壁邊界均設(shè)置為非滑移邊界，流固邊界處速度法向分量和切向分量均為零。絕緣子故障發(fā)生在開放環(huán)境中，模型中外圍邊界均設(shè)為開放邊界，氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度設(shè)置為293.15K，模型計(jì)算過程中根據(jù)外圍邊界上壓力和溫度分布情況確定氣體流動(dòng)方向。求解域溫度設(shè)為大氣溫度，即293.15K。求解域內(nèi)空氣電弧的密度、熱導(dǎo)率、粘滯系數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)設(shè)為溫度的函數(shù)[27]。在電極與氣體的交界面處采用熱守恒定律，能量由高溫等離子體向低溫電極傳輸。

電場(chǎng)的邊界條件設(shè)置中，鐵腳設(shè)置為接地，鋁導(dǎo)線設(shè)置為電路終端，絕緣子上部鋁導(dǎo)線對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)a，鐵腳對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)b，從而將絕緣子接入圖7所示外部電路中。形成沿面閃絡(luò)后，電路經(jīng)電桿電阻接地，為高阻接地故障，經(jīng)過極短的暫態(tài)過程快速過渡到穩(wěn)態(tài)階段[28]，因此本文忽略暫態(tài)僅考慮穩(wěn)態(tài)階段。以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)為例，健全線路在特征頻帶內(nèi)可用集總參數(shù)電容進(jìn)行簡(jiǎn)化，而故障線路的阻感抗與絕緣子裂縫故障接地的高接地電阻相比可忽略不計(jì)[29]，等效電路中僅考慮線路對(duì)地電容。圖中A、B、C分別為10kV工頻系統(tǒng)三相電壓，幅值為8 165V，Σ為各相等效對(duì)地電容，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流通常小于10A，在此將Σ設(shè)為1.6mF，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)電容電流約為9A。設(shè)置C相為故障相，故障相串聯(lián)2000W阻值的G來等效電桿電阻，故障電流約為3A。

圖7 仿真模型外接電路

2.4 仿真結(jié)果分析

本文通過仿真計(jì)算裂縫內(nèi)部放電發(fā)展過程；綜合裂縫內(nèi)部故障的特點(diǎn)，對(duì)比了絕緣子裂縫內(nèi)部放電故障與絕緣子外部放電故障。

2.4.1 裂縫內(nèi)部放電

裂縫電弧所在區(qū)域電流密度分布放大如圖8所示，圖8電流密度分布清晰地展現(xiàn)電弧的形態(tài)發(fā)展。初始時(shí)刻僅在鐵腳附近存在局部電弧，電弧在絕緣子表面發(fā)展的過程中，受到向前的靜電力和氣流渦旋壓力，以及向后的空氣粘滯阻力的共同作用，發(fā)展速度慢，裂縫內(nèi)其他區(qū)域仍有良好的絕緣性能，表面僅通過少許泄漏電流，弧柱區(qū)電流密度均維持在104數(shù)量級(jí)。隨著外部電壓升高，局部電弧向電極兩邊延伸，閃絡(luò)時(shí)刻電流陡增，弧柱區(qū)域電流密度達(dá)到107數(shù)量級(jí)。

圖8 裂縫內(nèi)部放電電流密度分布

0～60ms三個(gè)周期的電流電壓波形如圖9所示。從單次起弧波形來看，電壓波形有燃弧尖峰和輕微的熄弧尖峰，電流波形在過零點(diǎn)附近出現(xiàn)持續(xù)2～3ms的平肩部，且在燃弧尖峰附近電弧電流由mA級(jí)別的泄漏電流突增至4A。閃絡(luò)瞬間電流波形陡峭，電流變化率可達(dá)382.47kA/s，隨后在熄弧尖峰附近，電流減小為0，波形特征符合交流電弧電壓電流波形。從多周期波形來看，第一個(gè)半周期起弧，電弧產(chǎn)生的高溫蒸干濕區(qū)，使干區(qū)長(zhǎng)度增加，此時(shí)，外施電壓峰值小于電弧重燃電壓數(shù)值，因此第二個(gè)半周期干區(qū)未擊穿。隨后濕區(qū)電導(dǎo)率隨溫度降低而增大，干區(qū)縮短至可擊穿長(zhǎng)度，在1=20ms、2=30ms處擊穿起弧，間隔半周期后在3=50ms處再次擊穿，總體呈現(xiàn)間歇性起弧放電的狀態(tài)，符合早期故障熄弧與重燃交替的特征。

圖9 0～60ms電弧電流電壓波形

2.4.2 裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部沿面放電對(duì)比

絕緣子外部沿面放電與裂縫內(nèi)部放電機(jī)理相似，但在電弧動(dòng)態(tài)發(fā)展方面存在差異。

裂縫內(nèi)部狹窄，由固體-氣體-固體組成，限制了電弧形態(tài)發(fā)展，外部沿面是固體-氣體的組成結(jié)構(gòu)，電弧延伸發(fā)展隨機(jī)性更大。在外部條件相同的情況下，控制爬電距離為18mm，移除一半瓷體，模擬半開放空間沿面電弧，對(duì)比裂縫內(nèi)部放電與外表面沿面放電的異同。外部沿面放電仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示，其余設(shè)置與絕緣子裂縫內(nèi)部仿真保持一致。

圖10 外部沿面放電仿真結(jié)構(gòu)

圖11為外部沿面電弧電流密度分布，展現(xiàn)電弧形態(tài)發(fā)展。與裂縫內(nèi)部電弧相比，外部電弧脫離瓷體表面形成飄弧，扭曲程度高，長(zhǎng)度更長(zhǎng)。

圖11 外部沿面電弧電流密度

裂縫內(nèi)部電弧與外部沿面電弧仿真得到的特征量對(duì)比見表3。兩種結(jié)構(gòu)放電在弧柱溫度、電弧形態(tài)、閃絡(luò)瞬間電流變化率、形成閃絡(luò)所用時(shí)間有較大差異。

表3 裂縫內(nèi)部放電與外部沿面放電對(duì)比

Tab.3 Comparison of internal discharge and external surface discharge in simulation

固-氣界面上的電弧，在外界氣流的作用下，散熱功率大，電弧整體溫度低。熱浮力的作用使電弧脫離瓷體表面，形態(tài)扭曲，弧長(zhǎng)增加，導(dǎo)致局部電弧發(fā)展成閃絡(luò)的時(shí)間增加，電弧發(fā)展速度慢。

外部沿面放電閃絡(luò)瞬間電流變化率為172kA/s，比同等厚度固-氣-固裂縫情況低54%，仿真表明閃絡(luò)瞬間電流變化率可以作為針式絕緣子裂縫內(nèi)部故障的特征量。

3 真型試驗(yàn)驗(yàn)證

針式絕緣子早期故障等效模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖12所示單相電路[30]。負(fù)載電容根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)為3×1.6μF=4.8μF，電阻設(shè)置為2 000W。根據(jù)簡(jiǎn)化的單相電路搭建真型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖12 針式絕緣子早期故障單相等效模型

試驗(yàn)裝置與試品布置如圖13所示，包括試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)由200kV×A/6kV的工頻試驗(yàn)變壓器、限流電阻和人工氣候室組成，試品絕緣子豎直立在人工氣候室內(nèi)的支架上，裸導(dǎo)線固定在絕緣子凹槽處，噴頭沿著支撐架固定在絕緣子正上方。通過調(diào)節(jié)水泵的功率改變噴頭出水量的大小，模擬雨霧天氣。測(cè)量系統(tǒng)由分壓器、錄波器組成，電流線和電壓線從絕緣子頂部導(dǎo)線處引出，電壓經(jīng)過電壓比為1:195的分壓器接入錄波器，電流直接接入。錄波器的型號(hào)是MR1200，錄波頻率為100kHz。

圖13 試驗(yàn)裝置與試品布置

與仿真相對(duì)應(yīng)，試品裂縫損傷設(shè)置為凹槽部位垂直向下延伸至鐵腳的貫穿性裂縫，圖13中試品的截面圖對(duì)應(yīng)圖15中立體模型的正視角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下。

3.1 裂縫內(nèi)部放電

每次試驗(yàn)進(jìn)行約10min，放電發(fā)展過程可分為泄漏電流階段和間歇性起弧階段。

開始噴霧時(shí)，裂縫沿面出現(xiàn)持續(xù)的泄漏電流，幅值在100mA以下，無明顯特征，波形信息難以用于故障檢測(cè)。隨著水分進(jìn)一步滲入，局部電弧發(fā)展至沿面閃絡(luò)，進(jìn)入間歇性起弧階段，每次起弧僅持續(xù)0.5～2個(gè)周期。

圖14a～圖14c是間歇性起弧階段幾種典型的電流、電壓波形。圖14a中電弧持續(xù)時(shí)間僅4ms230ms，間歇性起弧前期階段，以此類波形為主；圖14b中a處起弧，b處電弧未能重燃，在c處又重新起弧，兩次電弧間隔時(shí)間短，a處電弧燃燒殘留的高溫氣體促進(jìn)c處電弧的重燃，降低了c處燃弧尖峰的數(shù)值。圖14c中一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)存在正負(fù)半波。圖14d中兩次起弧間隔半周期，且第二次電弧持續(xù)了三個(gè)半波。瓷體的絕緣性能隨著電弧造成的損傷累積而下降，圖14b～圖14d中的電弧更多出現(xiàn)在間歇性電弧階段后期。

圖14 間歇性起弧階段電流電壓波形

從單個(gè)電弧波形來看，電流波形在正弦波的基礎(chǔ)上畸變，電壓波形有燃弧尖峰、平臺(tái)期和熄弧尖峰。起弧瞬間，電壓值驟降形成燃弧尖峰，電流瞬間增大；電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電流波形接近正弦波形，電弧產(chǎn)熱與散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電弧等離子體的電導(dǎo)率維持穩(wěn)定，電壓數(shù)值變化幅度??；電流數(shù)值在0A左右時(shí)，電弧熄滅，電壓波形出現(xiàn)熄弧尖峰，電弧進(jìn)入零休期。從多個(gè)周期波形來看，裂縫內(nèi)部間歇性放電，電弧重燃和熄滅交替，與理論分析相吻合。試驗(yàn)采集的電流電壓波形與圖8仿真波形有著相同的變化特點(diǎn)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.2 裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部放電對(duì)比

從電弧形態(tài)和閃絡(luò)瞬間電流變化率兩方面將裂縫內(nèi)部放電與絕緣子外部放電進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)見表4。

表4 真型試驗(yàn)裂縫內(nèi)部放電與外部沿面放電對(duì)比

Tab.4 Comparison of internal and external discharge in test

放電后試品截面如圖15所示。放電過程中電弧在裂縫內(nèi)部發(fā)展，難以通過高速攝像機(jī)捕捉電弧形態(tài)變化，但電弧產(chǎn)生的高溫灼燒瓷體表面留下的放電痕跡可以表征電弧的形態(tài)。

圖15 試品截面放電痕跡

圖15a是絕緣子裂縫內(nèi)部放電留下的多條清晰放電通道。間歇性燃弧熄弧過程中，單次電弧燃燒持續(xù)時(shí)間短于5ms，對(duì)瓷體表面造成微小損傷，但多次起弧損傷逐漸積累形成熔融放電通道，這些放電通道即為電弧發(fā)展路徑。試品截面是正視角度，二維仿真模型平面是側(cè)面視角，故試驗(yàn)結(jié)果可見多條放電通道，而仿真可見一條放電通道。圖15 b是絕緣子外部沿面放電，電弧飄弧嚴(yán)重，在表面隨機(jī)產(chǎn)生，沒有固定放電通道；且外部氣流對(duì)流帶走電弧大部分熱量，電弧燃燒對(duì)瓷體的損傷小，因此未留下清晰的放電通道，僅在鐵腳部分有雜亂的灼燒痕跡。真型試驗(yàn)電弧形態(tài)與仿真所得電弧形態(tài)相符。

在電流變化率方面，提取電流波形數(shù)據(jù)，計(jì)算300個(gè)周期內(nèi)電流變化率，電流變化率隨時(shí)間的變化如圖16所示，圖16中出現(xiàn)峰值時(shí)刻為閃絡(luò)瞬間，其余時(shí)刻電流變化率近似為0。裂縫內(nèi)部放電，電流變化率峰值均在250kA/s以上；外部沿面放電，電流變化率峰值均在80kA/s以下。閃絡(luò)瞬間裂縫內(nèi)部故障電流變化率遠(yuǎn)大于外部沿面故障，與仿真所得大小關(guān)系一致。兩種情況的數(shù)值都低于仿真所得數(shù)值，主要原因是試驗(yàn)電弧因?yàn)榛〉垒p微扭曲導(dǎo)致爬電距離比仿真大，局部電弧發(fā)展至閃絡(luò)所用時(shí)間長(zhǎng)。此外，試驗(yàn)中采用噴水的方法模擬雨霧情況，水霧蒸發(fā)過程帶走電弧的部分熱能，降低了弧柱的溫度，一定程度上抑制了電弧的發(fā)展。

圖16 試驗(yàn)電流變化率

兩種情況閃絡(luò)瞬間電流變化率的大小關(guān)系與仿真保持一致，驗(yàn)證了仿真的合理性，說明閃絡(luò)瞬間電流變化率可以作為針式絕緣子裂縫內(nèi)部故障的特征量。

3.3 極性效應(yīng)

由于仿真軟件計(jì)算的局限性，難以模擬長(zhǎng)時(shí)間早期故障發(fā)展的情況，且磁流體電弧模型主要反映電弧流體的整體宏觀屬性，不能體現(xiàn)粒子微觀屬性，因此極性效應(yīng)只能通過真型試驗(yàn)體現(xiàn)，不能由仿真得到。

分析試驗(yàn)波形數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)正負(fù)極性起弧情況得到表5。以試驗(yàn)1的結(jié)果為例，此次試驗(yàn)錄波時(shí)間為7min 47s 349ms，共23 367個(gè)周期，其中，有2 195次起弧發(fā)生在鋁導(dǎo)線施加正電壓時(shí)，占總起弧次數(shù)的72.18%，而鋁導(dǎo)線側(cè)電壓為負(fù)電壓時(shí)，僅有846次起弧。試驗(yàn)結(jié)果表明鋁導(dǎo)線施加正電壓時(shí)放電更易發(fā)生，與第1節(jié)故障分析中裂縫內(nèi)部放電具有極性效應(yīng)的結(jié)論相符。

表5 正負(fù)極性起弧統(tǒng)計(jì)表

Tab.5 Statistics of positive and negative polarity arc

4 結(jié)論

本文對(duì)針式絕緣子早期故障進(jìn)行理論分析，結(jié)合仿真和真型試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）雨霧天氣下，針式絕緣子裂縫內(nèi)部潮濕，絕緣性能下降，易發(fā)生間歇性起弧的早期故障。裂縫內(nèi)部燃弧、熄弧交替，電流電壓波形符合間歇性起弧特點(diǎn)。

2）裂縫內(nèi)部故障形成閃絡(luò)用時(shí)短，閃絡(luò)瞬間電流變化率數(shù)值遠(yuǎn)高于絕緣子外部放電故障?？商崛￠W絡(luò)瞬間電流變化率為針式絕緣子早期故障的一個(gè)特征量，為早期故障辨識(shí)提供一個(gè)思路。

3）絕緣子裂縫內(nèi)部故障具有明顯的極性效應(yīng)。同一間隙距離下，相較于鋁導(dǎo)線施加負(fù)電壓，鋁導(dǎo)線為正電壓時(shí)，裂縫內(nèi)部電弧電流密度更大，間隙更容易被擊穿而形成閃絡(luò)。

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Simulation and Experimental Research on Pin Insulator Incipient Fault Dynamic Characteristic in the Distribution Network

Yu Ying1Liu Yadong1Li Wei2Cong Zihan1Yan Yingjie1

（1. School of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 2. Yunnan Grid Electric Power Research Institute Yunnan Power Gird Co. Ltd Kunming 650217 China）

Pin insulators are widely used in distribution lines, and the faults caused by them account for about 10%. The thin porcelain between the top groove and the iron feet is prone to cause crack faults. Crack faults are high-resistance ground faults with low current amplitude, which will not trigger protection devices, it has self-clearing characteristics. We call it incipient fault of pin insulators, and one of its typical features is intermittent arcing. The high temperature and thermal stress generated by arc cause irreversible damage to the porcelain, thus the incipient faults gradually transform into permanent faults. Timely detecting the hidden dangers before the permanent failure is the key to lower the fault rate of the distribution lines. In order to realize the pre-fault prevention, the primary work is to research the incipient fault development process and extract the unique characteristics of the pin insulators’ incipient fault.

The paper explores the dynamic development process and waveform characteristics of pin insulator incipient faults by theoretical exploration, simulation and experiment. Arcing and extinction occur alternately inside the crack of the pin insulator according to the theory of arc re-ignition. The mechanism of external discharge on the surface of the insulator is similar to that of the internal discharge inside the crack, but there are differences in the dynamic development of the arc. The speed of arc development is decided by comparing the time it takes for a partial arc to develop into a flashover. The shorter time it takes, the arc develops faster. The development speed of the internal discharge is much faster than that of the external discharge. The property of the two electrodes of the pin insulator discharge is quite different, which cause the differences of the positive and negative arcs in the fault.We establish multi-physics model of arc by COMSOL to obtain the dynamic development process of arc, temperature distribution, electro-magnetic field distribution and current and voltage waveforms. The different characteristics of internal discharge and external discharge arc are compared to get unique characteristics, which are consistent with the theoretical analysis. In addition, we simplify the three-phase system into a single-phase circuit, and build an artificial test platform. The pin insulator sample is placed in an artificial climate chamber for testing, the collected current and voltage waveforms verify the simulation results.

Based on Magnetic Hydro Dynamics arc simulations and validation experiments, we get several characteristics of pin insulators’ incipient faults. ①Crack faults occurs in rainy and foggy weather, arc burn and extinguish alternately inside the crack, and waveforms of current and voltage conform to this feature. ②It takes a short time for the internal arc forming the flashover in the crack, thus the current change ratio at the instant of the flashover is much higher than that of the external discharge, which provides an idea for incipient fault identification. ③The fault has an obvious polarity effect. At the same gap distance, when the aluminum wire is at a positive voltage, the gap is more likely to be broken down compared with the negative voltage applied to the aluminum wire.The research results provide a guidance for the detection and identification of pin insulators’ incipient fault.

Power distribution line, incipient fault, pin insulator, Magneto Hydro Dynamics, characteristics of arc, features of waveform

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221013

TM501.2

余 穎 女，1999年生，碩士，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)早期故障檢測(cè)與辨識(shí)。E-mail: yuying@sjtu.edu.cn

劉亞東 男，1982年生，博士，副研究員，主要從事輸配電設(shè)備故障檢測(cè)與診斷方面的研究工作。E-mail: lyd@sjtu.edu.cn（通信作者）

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019YFE0102900）。

2022-04-14

2013-05-14

（編輯 郭麗軍）