盐雾条件下染污绝缘子交流污闪特性

郭裕钧 蒋兴良 孟志高 李源军 高 标

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 重庆 400030 2. 国网杭州供电公司 杭州 310002）

盐雾条件下染污绝缘子交流污闪特性

郭裕钧1蒋兴良1孟志高1李源军2高 标2

（1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学） 重庆 400030 2. 国网杭州供电公司 杭州 310002）

染污绝缘子表面污秽在盐雾中吸湿受潮，雾中的盐分沉积在绝缘子表面增大了其表面电导率，使得绝缘子闪络特性降低，绝缘子可能在较低电压甚至工作电压下发生闪络，威胁电网的安全稳定运行。本文对瓷、玻璃、复合三种典型绝缘子在不同盐密（SDD）和雾水电导率（γ20）下的交流闪络特性进行试验研究，提出附加盐密（ASDD）的概念，分析了附加盐密与绝缘子表面盐密和雾水电导率的关系及其对交流闪络特性的影响。结果表明：随着盐密和雾水电导率的增大绝缘子交流雾闪电压均降低，且与盐密呈负幂指数关系，与雾水电导率呈线性关系。可以用附加盐密表征雾水电导率和盐密对绝缘子雾闪电压的综合影响，即附加盐密与雾水电导率和绝缘子盐密之积成正比。同时绝缘子闪络电压与绝缘子表面盐密和附加盐密之和呈负幂指数关系，绝缘子雾闪的本质是一种特殊的污秽闪络。

雾水电导率 附加盐密 污染 交流闪络特性 盐雾

Keywords：Fog water conductivity, additional salt deposit density, pollution, AC flashover characteristics, salt fog

0 引言

随着我国经济的快速发展，电力需求日益增大，电力系统输电线路的电压等级不断提高，这对输电线路外绝缘提出了更高的要求[1,2]。沿海地区由于海水激烈扰动、涨落潮时海水相互间的冲击以及海浪拍岸，致使海浪水滴及泡沫进入空气中，水分蒸发后盐粒在空气中扩散开来形成盐雾。同时，城市现代化和工业发展所导致的环境问题日益严重，大范围雾霾天气频发，雾水电导率和绝缘子污秽程度增大，绝缘子串的电气强度下降，因绝缘子串闪络导致电网大范围、长时间的停电事故时有发生，威胁电网的安全运行[3-6]。

绝缘子雾闪是一个复杂的过程。在盐雾环境中，绝缘子表面污秽吸湿受潮，导电物质溶解。与此同时，雾中的盐分在绝缘子表面吸潮湿润过程中会沉积在绝缘子表面，使得绝缘子表面的导电离子增多。绝缘子可能在较低电压甚至工作电压下发生闪络[7,8]。然而目前对于绝缘子雾闪特性的研究将雾水电导率和绝缘子表面盐密分别进行分析，认为绝缘子雾闪电压随着污秽程度和雾水电导率的增大而下降，却忽视了其对于绝缘子闪络的综合影响，没有揭示绝缘子雾闪的本质[9-12]。

绝缘子人工雾闪试验常用方法主要是冷雾法、蒸汽雾法和混合雾法[13-15]。IEC[16]推荐蒸汽雾的试验方法，但由于蒸汽雾温度较高，会导致绝缘子闪络电压降低，且蒸汽雾的雾水电导率难以进行调节，不能有效模拟盐雾条件下绝缘子的实际运行情况，所得试验结果存在较大偏差[15]。本文采用冷雾法对瓷、玻璃、复合三种典型绝缘子进行试验研究，提出了附加盐密（Additional Salt Deposit Density，ASDD）的概念，分析了附加盐密与绝缘子表面盐密和雾水电导率的关系及其对交流闪络特性的综合影响。绝缘子雾闪这一复杂过程可简化为一种特殊的污秽闪络，可以帮助更好地理解绝缘子雾闪的机理，为盐雾和雾霾高发地区超特高压输电线路绝缘子的选择和设计提供技术参考。

1 现场试验装置、试品与试验方法

1.1 试验装置和试品

试验在长4.0m、宽3.7m、高4.0m的人工雾室内进行，试品交流试验接线如图1所示。试验电源由TDJY-1000/10移圈式调压器（T1）和YDJ-900/ 150试验变压器（T2）组成。试验变压器输出电压在0～150kV之间可调，额定电流为6A，最大短路电流30A，满足IEC 60507[16]和GB/T 4584—2004[17]交流污秽试验电源的要求。试验电压经过保护电阻（R0），通过穿墙套管（H）接入人工雾室（K）。S为绝缘子试品。D为SGB-200A电容式分压器，分压比为1∶10 000。F为YC-G030T型超声波水雾发生器。

图1 交流试验接线Fig.1 AC test circuit

本文试品为FZBW4-35/70复合绝缘子、5片XP-160瓷绝缘子串和5片LXY4-160玻璃绝缘子串。其结构示意图及基本技术参数如图2和表1所示，其中，H、D、d、L、A分别为试品结构高度、绝缘子盘径或大伞直径、小伞直径、爬电距离和表面积。

图2 试品绝缘子结构Fig.2 Configuration of test insulators

1.2 雾水电导率参数

本试验采用在纯净水（20℃下雾水电导率γ20约为0.01mS/cm）中添加一定量氯化钠的方式，利用超声波水雾发生器产生人工盐雾，其工作原理是利用带有高频振荡电路的陶瓷雾化片高频谐振将液态水打碎而产生水雾。不同地区自然雾雾水电导率的差异较大，表2为近年我国部分地区的最大雾水电导率[18,19]。因此，综合考虑轻度盐雾到重度盐雾的变化范围，与我国自然雾雾水电导率情况相吻合，本文试验采用的雾水电导率分别为0.01mS/cm、0.50mS/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm。

表1 试品绝缘子参数Tab.1 Parameters of test insulator

表2 我国部分地区自然雾最大雾水电导率Tab.2 The maximum natural fog water conductivity in some regions of China

1.3 绝缘子雾闪试验程序

（1）试品预处理。每次试验前用清洁剂及蒸馏水清除绝缘子表面的油迹和污秽，然后将清洁后的绝缘子悬挂在绝缘子架上自然阴干，待试品干燥后方可进行染污。复合绝缘子需要在表面均匀涂敷一层很薄的干燥硅藻土，去掉其憎水性。

（2）试品染污。本文试验采用固体涂层法预染污，模拟绝缘子在雾湿润前已染污的情况，即试验前先采用定量涂刷方式对绝缘子分别涂以0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2、0.30mg/cm2的盐密，试验中污秽的盐密和灰密之比为1∶6，分别采用氯化钠和硅藻土进行模拟。

（3）污秽湿润。将染污并自然阴干24h的试品绝缘子按照其布置方式放置在人工雾室，将四个超声波雾发生器分别放置在人工雾室的四个角落，让超声波水雾能够快速均匀地布满整个人工雾室，使试验在饱和受潮（相对湿度100%）的条件下进行。大约50min后绝缘子表面电导率达到最大值，用激光粒度仪测得该超声波水雾发生器产生的雾的平均粒径为1～10μm，与自然环境中实际雾水粒径分布基本相同，满足模拟自然雾的要求[18]。

（4）绝缘子雾闪试验。本文采用IEC 60507[16]和GB/T 4585[17]推荐的“恒压升降法”获得绝缘子50%雾闪交流电压U50%。具体试验方法如下：绝缘子湿润达到预期要求后，停止喷雾，对绝缘子施加预期闪络电压U的50%，此后每次施加电压值由前一次试验结果决定，若前一次闪络，则下一次降低ΔU；若前一次未闪络，则下一次升高ΔU，ΔU取预期电压的5%。每只试品只能加压一次，并且如果没有发生闪络则耐受时间至少为30min。每种条件下共进行不少于10次有效试验，所谓的有效试验，是从与前一次试验结果不同的那一次开始计算。

根据试验结果，绝缘子的U50%及标准偏差σ 为

式中，Ui为某一次试验施加电压（kV）；N为总有效试验次数。

2 试验分析

2.1 试验结果

试验研究绝缘子表面盐密和雾水电导率对绝缘子交流雾闪电压U50%的影响，盐密分别为0.05mg/cm2、0.10mg/cm2、0.15mg/cm2、0.20mg/cm2、0.25mg/cm2和0.30mg/cm2，雾水电导率分别在0.01mS/cm、0.50S/cm、1.00mS/cm、2.00mS/cm和3.00mS/cm条件下变化。三种试品的试验结果见表3，试验结果标准偏差σ 均小于6%。分析表3可知：

（1）对于三种试品，随着盐密的增加绝缘子50%交流雾闪电压均下降。相同雾水电导率下盐密从0.05mg/cm2增加至0.30mg/cm2，A、B、C三种试品的50%交流雾闪电压分别下降了35.9%～37.8%、49.3%～50.4%和48.3%～49.0%。

（2）对于三种试品，随着雾水电导率γ20的增加，绝缘子50%交流雾闪电压均下降。相同盐密下，雾水电导率从0.01mS/cm增加至3.00mS/cm，A、B、C三种试品的50%交流雾闪电压分别下降了11.5%～14.1%、15.4%～17.8%和14.6%～16.6%。

表3 试品试验结果Tab.3 Test results of specimens

2.2 不同雾水电导率下盐密对雾闪电压的影响

大量研究结果表明，随着盐密的增大，污秽绝缘子闪络电压U50%降低。绝缘子污秽闪络电压与盐密的关系可表示为[20-24]

式中，A为与绝缘子结构、材料等相关的系数；SDD为绝缘子盐密（mg/cm2）；a为绝缘子盐密影响U50%的特征指数。

在盐雾条件下，利用式（2）对表3的试验数据进行拟合，拟合结果见表4，拟合方差的二次方R2均大于0.99。

分析拟合结果可得：

（1）在不同雾水电导率下，随着盐密的增加，绝缘子50%交流雾闪电压降低。并且三种不同绝缘子雾闪电压的变化趋势相同，50%雾闪电压与盐密呈负幂指数关系。

表4 试验数据A和a的拟合Tab.4 Test data fitting of A and a

（2）对于A、B、C三种绝缘子，不同雾水电导率下的平均特征指数aave分别为0.256、0.389和0.372。B、C两种绝缘子的特征指数较为接近，均明显大于A型绝缘子，说明盐密对瓷和玻璃绝缘子的影响大于对复合绝缘子的影响，复合绝缘子在盐雾条件下仍具有较好的耐污特性。

（3）对于A、B、C三种绝缘子，不同雾水电导率下特征指数a与平均特征指数aave间的最大绝对偏差分别为2.73%、2.31%和1.34%，雾水电导率对a的影响很小，闪络电压降低是由于污秽绝缘子在盐雾中湿润后，绝缘子表面的导电离子增多。

2.3 不同盐密下雾水电导率对雾闪电压的影响

污秽绝缘子表面在盐雾中湿润后，由于导电离子增多，表面电导率增大；随着雾水电导率的增大，绝缘子50%交流污闪电压U50%降低。在不同盐密下，绝缘子闪络电压与雾水电导率的关系可表示为

式中，B为与绝缘子结构、材料等相关的系数；U0为绝缘子不同盐密下洁净雾（γ20近似为0）中的闪络电压（kV）。

根据式（3）对表3中的试验数据进行拟合，拟合结果见表5，拟合方差的二次方R2均大于0.97。

表5 试验数据B和U0的拟合Tab.5 Test data fitting of B and U0

分析拟合结果可知：

（1）在不同的盐密下，随着雾水电导率的增大，绝缘子50%交流雾闪电压降低。雾闪电压与雾水电导率呈线性关系。

（2）对于三种试品绝缘子，随着盐密的增大，雾水电导率影响系数B逐渐减小，说明盐密较小时雾水电导率对绝缘子50%雾闪电压的影响更显著。U0同样随着盐密的增大而逐渐减小。

2.4 盐雾条件下附加盐密模型的验证及分析

由2.3节分析可以看出，随着绝缘子盐密和雾水电导率的增大，绝缘子闪络电压均降低。染污绝缘子在盐雾中吸湿受潮过程中，雾中的盐分会沉积在绝缘子表面，使得绝缘子表面电解质溶液的电导率增大，即增大绝缘子表面污秽的盐密。为了表征湿润过程中由于盐雾中盐分沉积绝缘子表面增大的这部分盐密，本文提出了附加盐密的概念，定义为吸湿受潮后绝缘子表面每平方厘米面积上所附加导电物质的含量所相当的氯化钠的量（mg/cm2），即吸湿受潮前后绝缘子表面盐密间的差值。

附加盐密与绝缘子表面盐密/灰密（试验中盐密与灰密之比为1∶6）和雾水电导率均相关。绝缘子表面盐密/灰密越大，即表面污秽物质越多，其吸潮能力越好，即吸收的雾水越多，使其附加盐密越大；雾水电导率越高，雾水中所含的导电物质越多，从而使沉降在绝缘子表面的导电物质越多，同样使绝缘子附加盐密增大。附加盐密与盐密和雾水电导率的关系可以表示为

式中，k为盐密和雾水电导率对绝缘子附加盐密的影响系数，k值与绝缘子材料、结构相关。则

式中，A为清洁雾（γ20近似为0）中绝缘子的交流污秽闪络系数，可近似取为表3中雾水电导率为0.01mS/cm的对应值。

三种绝缘子试品的50%交流雾闪电压可表示为

为了对盐雾条件下的附加盐密模型进行验证，利用式（5）对表3的试验数据进行拟合，三种试品的附加盐密影响系数k和拟合方差的二次方R2见表6。拟合结果如图3所示。

表6 试验数据k和R2的拟合Tab.6 Test data fitting of k and R2

图3 不同雾水电导率下50%雾闪电压和盐密的关系Fig.3 U50%vs. SDD at various salt fog conductivities

附加盐密与绝缘子表面盐密和雾水电导率之积成正比。为了研究附加盐密与雾水电导率的关系，将三种绝缘子试品根据式（4）的附加盐密计算值与试验结果（表3）按式（5）反推得到的附加盐密试验值进行对比，结果如图4所示。

图4 不同盐密下50%雾闪电压和雾水电导率的关系Fig.4 U50%vs. γ20at various equivalent salt deposit densities

通过分析表6、图3和图4，可知：

（1）盐雾条件下，FZBW4-35/70复合绝缘子、5片XP-160瓷绝缘子串和5片LXY4-160玻璃绝缘子串的50%雾闪电压均满足式（6）所示关系（拟合方差的二次方R2＞0.99），绝缘子雾中闪络的本质是一种特殊的污秽闪络。

（2）绝缘子附加盐密与盐密和雾水电导率之积成正比。其原因是盐密越大，即表面污秽物质越多，其吸潮能力越好，即吸收的雾水越多，导致其附加盐密越大；雾水电导率越高，雾水中所含的导电物质越多，从而湿沉降在绝缘子表面的导电物质越多，同样使得附加盐密增大。

（3）FZBW4-35/70复合绝缘子、XP-160瓷绝缘子和LXY4-160玻璃绝缘子的附加盐密影响系数分别为0.232、0.180和0.190。附加盐密影响系数与绝缘子材料、形状和结构相关。XP-160瓷绝缘子和LXY4-160玻璃绝缘子材料特性和形状结构相近，附加盐密影响系数接近，低于FZBW4-35/70复合绝缘子。

3 结论

1）在不同雾水电导率下，随着盐密的增大，绝缘子50%交流雾闪电压降低。雾闪电压与盐密呈负幂指数关系，瓷、玻璃绝缘子的盐密影响特征指数接近，均明显大于复合绝缘子，并且雾水电导率对a的影响很小。

2）在不同的盐密下，随着雾水电导率的增大，绝缘子50%交流雾闪电压降低。雾闪电压与雾水电导率呈线性关系，盐密较小时雾水电导率对绝缘子雾闪电压的影响更显著。

3）盐雾中绝缘子雾闪电压可以表示为U50%= A(SDD+ASDD)-a，与绝缘子表面盐密和附加盐密之和呈负幂指数关系，绝缘子雾闪的本质是一种特殊的污闪。

4）绝缘子附加盐密与盐密和雾水电导率之积成正比，附加盐密影响系数与绝缘子材料、形状和结构相关。FZBW4-35/70复合绝缘子、XP-160瓷绝缘子和LXY4-160玻璃绝缘子的附加盐密影响系数分别为0.232、0.180和0.190。

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（编辑 张洪霞）

AC Pollution Flashover Characteristics of Polluted Insulators under Salt Fog Conditions

Guo Yujun1Jiang Xingliang1Meng Zhigao1Li Yuanjun2Gao Biao2
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China 2. State Grid Hangzhou Power Supply Company Hangzhou 310002 China）

The surface pollution of polluted insulators absorbs fog water and damps in the salt fog. Meanwhile, the salt in the salt fog deposits on insulators surface, which increases the surface conductivity and degrades the flashover performance of insulators. Insulators may flashover under lower voltage level even under operating voltage. This will threaten the safe and stable operation of the power grid. In this paper, experiments on three typical insulators, i.e. porcelain, glass and composite insulators, were conducted in different salt deposit densities (SDD) and fog water conductivities (γ20). The concept of additional salt deposit density (ASDD) was proposed to analyze the relationship among ASDD, SDD and fog water conductivity. The test results show that the ac flashover voltage decreases with the increases of both SDD and fog water conductivity, which has a negative exponential relationship with SDD while a linear relationship with fog water conductivity. The ASDD can be applied to analyze the combined effects of SDD and fog water conductivity. The relation between the fog flashover voltage and SDD and ASDD is a negative power exponent. The fog flashover can be treated as a special kind of pollution flashover.

TM852

郭裕钧 男，1989年生，博士研究生，研究方向为复杂大气环境中输电线路外绝缘、输电线路覆冰及防护。

E-mail： gyjcqu@126.com（通信作者）

蒋兴良 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为复杂大气环境中输电线路外绝缘、输电线路覆冰及防护。

E-mail： xljiang@cqu.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151720

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2014CB260401），输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主重点项目（2007DA10512714101）和国家创新研究群体基金（51021005）资助。

2015-10-20 改稿日期 2016-01-29