气压泄漏对复合绝缘横担内绝缘特性的影响

黎小林，边美华，刘磊，张兴森 ，唐力，李君华

(1. 南方电网科学研究院，广州 510640；2. 广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁530023)

0 引言

在输电线路复合化的趋势下，伴随我国树脂和纤维材料性能改进以及制造工艺的进步，复合绝缘横担受到了行业内的广泛关注。传统的钢材存在生产过程污染严重、易锈蚀或开裂、低温性能差等缺陷。以高性能纤维增强复合材料为基础设计的复合绝缘横担具有质量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘性能高等特点，能够成为环境友好型绿色电网建设的核心基建技术[1 - 3]。

目前，我国对复合绝缘横担的研究日益增多。电网中运行的复合绝缘横担主要分为填充聚氨酯芯体或填充微正压的惰性气体2种类型。南方电网在500 kV雷州电厂至港城送点线路工程中试点应用了填充惰性气体的复合绝缘横担。此外，部分站内支柱绝缘子上也采用填充惰性气体的方式提高绝缘水平。户外服役对于复合绝缘横担的密封性能具有较高的要求，复合绝缘横担在服役过程中往往要经受复杂的气候环境，包括高低温交替、潮湿、紫外线、盐雾等因素，同时其自身还需承受导线等带来的机械载荷及电压[4 - 5]。复合绝缘横担密封往往在端部金具与芯体间使用环氧树脂材料进行物理胶接，在极端气象条件或长期的环境作用下，由于机械和化学老化作用，可能导致复合绝缘横担的密封性能破坏而造成气压泄漏，当惰性气体压强达到大气压水平时，由于温度变化产生压差引起内外气体交互，致使外部湿润空气侵入腔体，在一定温度下使复合横担内壁表面形成凝露，极易导致复合绝缘横担内绝缘问题产生。

近年来，诸多学者针对复合绝缘横担运行情况下的适用性能、外绝缘特性展开了相关研究。文献[6]研究了750 kV复合横担在标准雷电压下的暂态电场，基于成分分析提出了暂态电场分布的分频域计算方法，计算了750 kV复合横担在标准雷电压下的暂态电场分布。文献[7]应用子模型技术研究了各均压环不同结构参数变化对500 kV复合杆塔横担关键位置场强的影响规律。文献[8]对纳米改性聚丙烯复合绝缘材料开展交流电场击穿特性分析，发现混合纳米颗粒后的聚丙烯复合绝缘材料击穿场强明显提高。文献[9]开展了500 kV复合横担塔正负极性雷电冲击作用下的伏秒特性试验，获得了复合横担闪络的判据。清华大学的沈余峰等人通过高海拔地区人工污秽试验，研究了污闪过程中的局部电弧电流及电弧发展过程[7]。文献[8]计算了750 kV复合横担在不同设计方案下的电场分布，研究了中间法兰以及横担端部配置均压环、屏蔽环对复合横担电位分布的影响。文献[9]则通过植入光纤光栅传感器的方法实时监测横担在多种老化因素作用下的应力应变状态。大部分的试验研究及理论分析均集中在聚氨酯填充型复合横担及其外绝缘特性上，然而，针对惰性气体填充型复合横担的研究尚处于起步阶段，尤其是在气压泄漏情况对复合绝缘横担的绝缘性能的影响尚无相关的试验结论。为了确保复合绝缘横担安全稳定运行，亟需对气压泄漏情况下复合绝缘横担内绝缘特性开展深入的研究。

本文以惰性气体填充型复合绝缘横担为研究对象，人工模拟气压泄漏情况下复合绝缘横担内部的温湿度情况，研究了内部温湿度情况对内表面闪络电压特性及泄漏电流的影响，并提取部分泄漏电流特征量分析了其与内部温湿度之间的相关性。系统地研究气压泄漏情况下复合绝缘横担内绝缘特性,可加强对复合绝缘横担绝缘特性的认识,为复合绝缘横担在线监测方案的设计提供技术参考,对保证电力系统安全稳定运行具有一定的工程实用价值。

1 试验部分

1.1 样品制备及试验设置

为了便于开展实验研究，按照复合绝缘横担原工艺制作了长度为200 mm的短试样。该试样玻璃钢管内径140 mm，外部硅橡胶伞裙为交替伞裙，大伞高47 mm，小伞高32 mm，伞间距为40 mm，法兰、法兰盖板、气阀均为铝制。法兰金具与芯体通过环氧树脂胶水采用粘胶工艺密封连接。复合绝缘横担的结构如图1所示。

图1 试品结构

通过前期调研了解到气体泄漏或水分侵入内部的主要原因有界面粘接不良导致水分侵入[10 - 11]、硅橡胶伞裙水分迁移[12]、法兰盖板与法兰之间的密封圈性能劣化[13]，以及长期机械疲劳造成螺栓松动[14]等。本文模拟螺栓松动导致内部气压泄漏，将样品放置于具有一定相对湿度的人工气候室中，观测试样内部湿度变化情况。人工气候室保持恒温20 ℃，通过超声喷雾发生器调节室内空气相对湿度至20%、40%、60%、80%、100%。超声喷雾发生器产生的雾粒直径小于10 μm，雾水为去离子水，雾水电导率小于10 μS/cm。将样品静置于气候室内部并利用湿度传感器实时观测试样内部的湿度变化情况，达到设定湿度后开展后续试验研究。

由于相对湿度表示空气中的绝对湿度与同温度下饱和绝对湿度的比值，在不同温度下相同的绝对湿度具有不同的相对湿度，为对比不同温度情况下的绝缘特性，因此选取绝对湿度值来表征湿度与内绝缘特性之间的关系，上述湿度值所对应的绝对湿度为3.5 g/m3、7 g/m3、10.4 g/m3、13.8 g/m3、17.3 g/m3。

为了分析潮气侵入后复合横担在不同温度环境下的电气性能，将制备好的试样紧固螺栓，保证内部湿度不会在电气试验过程中发生变化。将试样置于人工气候室内部，其温度可在-30～50 ℃范围内调节。不考虑个别极端温度情况，我国最低温为大兴安岭1月份的平均气温-31.5 ℃，最高温为吐鲁番盆地7月份的平均气温46.7 ℃，电网分布较为密集的华北、华东、华南、华中等地区年均气温在15～25 ℃之间。综合考虑将试验温度选择为-30 ℃、20 ℃及50 ℃。

由此本文温湿度选择涵盖了15种不同的温湿度情况，基本概括了国内绝大多数地区的气象条件。试验过程中密封横担可以保证横担内部水分保持相对平衡，使得试验时的横担内部情况接近实际泄漏工况。

1.2 内表面闪络电压及泄漏电流的测量

试验在人工气候室中进行，试验接线原理如图2所示。

图2 试验接线图

图中的试验变压器最高输出电压为250 kV，额定容量为50 kVA。试验电源经100 kV屏蔽电缆引入人工气候室。通过交流电容式分压器测量试验电压，分压器分压比为1 000:1。泄漏电流通过电流传感器进行采集。数据采集系统由电脑、DAQ2010采集卡及基于Labview平台的控制软件组成，采样率为2 MSa/s。为了屏蔽伞裙的表面泄漏电流的干扰，在硅橡胶伞裙靠近金属法兰盘的端部粘贴屏蔽电极。

在闪络电压测量试验中，加压方式为恒压升降法，以2 kV/s的升压速率上升至内部闪络，若发生内部闪络，则为一次有效试验并结束本次试验，考虑闪络会对横担内部状态产生影响造成结果误差，因此采用单次击穿测试，至少进行10次有效试验来统计内部平均闪络电压。

在泄漏电流测量试验中，以2 kV/s的速率均匀升压，每升高5 kV记录1次泄漏电流数据，每组时长300 ms，所有样品均测试至50 kV，在各条件下进行多次试验能够获得相似的泄漏电流趋势图以确保泄漏电流具有一定的可重复性，并选取泄漏电流幅值包络线及脉冲统计作为泄漏电流特征值。

2 试验结果

2.1 气压泄漏情况下横担内表面闪络特性

本文采用威布尔分布模型对气压泄漏情况下的复合绝缘横担内部闪络特性进行统计。威布尔分布函数广泛应用于绝缘电性能试验中，其基于弱点理论，将整个系统看作若干个小元件串联而成，其强度由最薄弱的环节强度决定[15]。常用的威布尔分布模型有双参数和三参数，本文选取双参数威布尔分布模型作为统计模型，其中双参数威布尔分布的概率分布函数如下。

(1)

式中：α和β分别为尺度参数和形状参数，物理意义分别表示发生概率为63.2%的内部闪络电压以及闪络电压的变化幅度，β越大其内部闪络电压变化幅度越小。

图3为复合绝缘横担内部平均闪络电压与绝对湿度的对应关系，需要说明的是在-30 ℃时的横担存在饱和水凝结的现象，饱和水凝结程度随湿度值升高而升高，由于无法找到合适的量化指标比较饱和水凝结程度，因此考虑用充湿时的起始绝对湿度值代表内部水分的多少。从图中可以看出各温度下平均闪络电压与复合绝缘横担内部的绝对湿度有明显的负相关性。在20 ℃、50 ℃及-30 ℃的情况下，内部平均闪络电压均随着绝对湿度值的增加而有不同程度的下降，在20 ℃及50 ℃环境下，随着绝对湿度增加，平均闪络电压下降速率约为2 kV/(g/m3)，17.3 g/m3绝对湿度值下的闪络电压相较于3.5 g/m3绝对湿度值下降了24%。而在-30 ℃环境下，下降速率约为3.2 kV/(g/m3)。17.3 g/m3湿度值下的闪络电压相较于3.5 g/m3湿度值下降了38%。在同一湿度情况下，温度与平均闪络电压值呈现正相关性。50 ℃至-30 ℃的温度范围内，闪络电压随温度下降呈现下降的趋势，除在3.5 g/m3的低湿度环境下，下降速率仅为0.15 kV/℃，其余湿度环境的平均下降速率在0.25 kV/℃。分析相同湿度下温度的作用可以看出，温度对于内部闪络电压的变化作用与湿度相关，随着湿度的升高，温度对平均闪络电压的影响作用逐步增大。分析相同温度下湿度的作用，任何温度条件下水分含量的变化对内部闪络性能影响较大。

图3 内部温湿度与平均闪络电压的关系

试验说明对于密封条件较完整的复合横担产品，在内部无水分含量变化的情况下，温度对该产品的绝缘性能的影响较小，但在密封性能下降时，一旦外部水气侵入，将对复合横担产品的绝缘性能产生严重影响。同时，在试验过程中试样内壁出现放电通道，放电通道如图4所示。放电通道呈现为柱状黑褐色，总长度为150 mm，由高压端向接地端生长以及接地端向高压端生长两条放电通道构成，对横担内部绝缘性能造成不可逆的破坏。

图4 放电通道

2.2 气压泄漏情况下横担泄漏电流特征量分析

泄漏电流能够较为动态地反应绝缘件的状态变化，泄漏电流特征量能够较为准确地表征内部放电的剧烈程度。幅值包络线、脉冲统计等能够较为直观地反映泄漏电流情况[16]。因此本文选取幅值包络线、脉冲统计进行分析，需要说明的是在-30 ℃时的横担存在饱和水凝结的现象，饱和水凝结程度随湿度值升高而升高，由于无法找到合适的量化指标比较饱和水凝结程度，因此考虑用充湿时的起始绝对湿度值代表内部水分的多少。

2.2.1 泄漏电流幅值包络线分析

泄漏电流幅值包络线反映了泄漏电流发展变化规律，通过包络线的幅值及波动情况可以较为清晰地观察样品的状态[17]。各温湿度情况下的幅值包络线如图5所示。

图5 泄漏电流幅值包络线

从泄漏电流幅值波动来看，不同温度条件差异明显。50 ℃环境下，在电压升高至15 kV以上时各湿度的泄漏电流幅值的波动逐渐开始剧烈，且绝对湿度值越高，波动越为剧烈。-30 ℃环境下，泄漏电流幅值的波动普遍在升压至25 kV以上时逐渐剧烈。20 ℃环境下，泄漏电流幅值的波动出现在低压阶段，在升压至20 kV以上时波动逐渐减缓。不同湿度条件下对比可以看出，绝对湿度高于10.4 g/m3的情况下泄漏电流的波动相比之下较为剧烈，而在绝对湿度低于这一值的情况下，泄漏电流波动相对缓和。从包络线的情况可以推测温度的差异会造成闪络过程的差异，而绝对湿度将影响内部放电的剧烈程度。

表1中罗列了部分电压幅值下不同温湿度情况造成的泄漏电流幅值大小。同等温度情况下，不同绝对湿度下的泄漏电流幅值存在大小差异，泄漏电流幅值随绝对湿度升高的增量与施加电压的有效值有关，在电压等级较高的情况下，不同湿度情况的泄漏电流幅值差异明显。在同等绝对湿度条件下，-30 ℃情况的泄漏电流幅值低于20 ℃情况的幅值，而50 ℃情况下泄漏电流幅值最大。以50 kV电压、17.3 g/m3的高湿度环境为例，此条件下50 ℃的泄漏电流幅值达到147 μA，20 ℃的泄漏电流达到102 μA，-30 ℃的泄漏电流仅有92 μA。

表1 泄漏电流幅值

对照平均闪络电压的变化关系，绝对湿度的增加将导致平均闪络电压的降低并造成泄漏电流幅值的增大，但温度的升高造成平均闪络电压的升高，泄漏电流幅值也随之增大。

2.2.2 泄漏电流脉冲统计

横担内部的短时放电在泄漏电流中表现为脉冲，对不同幅值脉冲分量统计是较为重要的特征量[18]。各幅值段脉冲数统计如表2所示。

由表2可知，各温湿度情况下多数脉冲集中在1 mA以下，在高湿度的条件下会出现高幅值脉冲。同时-30 ℃及50 ℃相较于20 ℃的情况，各湿度的脉冲数目均有所增多，并伴随有高幅值脉冲的出现，且50 ℃下脉冲现象较为严重。详细来看，在20 ℃情况下，脉冲数较少且没有超过3 mA的脉冲数，当绝对湿度大于10.4 g/m3时脉冲数明显增多。在-30 ℃情况下，10.4 g/m3以下的绝对湿度脉冲数目较少，且无高幅值脉冲，在10.4 g/m3以上的绝对湿度时将造成脉冲明显增多并伴随有高幅值脉冲。在50 ℃情况下各绝对湿度的脉冲数均有所增多，同样在绝对湿度值超过10.4 g/m3的情况下伴随有较多的高幅值脉冲。同时绝对湿度值对脉冲数目的影响呈线性关系，随着绝对湿度值的增加，内部的放电剧烈程度显著增加。

表2 脉冲数目统计

3 分析及讨论

造成上述绝缘状态差异的本质原因在于复合绝缘横担内表面的凝露情况。参考电力系统绝缘设备的凝露机理研究[19 - 21]，通常情况下元件内外存在较大温差时会出现凝露现象，但由于绝缘横担内部不存在较强热源，因此横担内部的凝露现象应为温度变化导致气体饱和湿度变化，在温度下降时饱和湿度低于空气绝对湿度值，造成水分析出凝结于内表面，因此造成的凝露情况也不易察觉。

通过光学显微镜对各温度下17.3 g/cm3的内壁表面进行观察，验证了凝露现象的存在。观察图6中间方形线框可以看出，在20 ℃情况下，内壁存在部分湿润的情况，但无明显的液滴附着在表面。在50 ℃情况下表面相对干燥光滑，在-30 ℃情况下可以明显发现存在液滴凝结成冰晶的现象。

图6 凝露现象

结合上述的凝露现象作出分析，在20 ℃环境下，由于表面的部分湿润，因此仅在20 ℃高湿度的情况下，闪络电压值上下浮动。在-30 ℃低温情况下，由于液滴析出且凝结于内壁而造成闪络电压值低于20 ℃，各绝对湿度条件下液滴与液滴间的距离、液滴的大小均存在差异[22]，会对内部电场产生不同的影响，因此在-30 ℃情况下闪络电压的标准差较大。而在50 ℃情况下，大部分的水份以气体形式游离于横担内部，内壁表面相对干燥光滑，致使平均闪络电压在高于20 ℃及-30 ℃的情况下均无明显的波动情况。

试验中绝对湿度的增加将造成平均闪络电压的降低、泄漏电流幅值的增大，并伴随有脉冲数目的增多。在绝对湿度值越高的情况下，空气中的水分含量越高，液滴密度也就越大，造成闪络电压幅值随绝对湿度的升高而下降。同时在施加电压过程中，液滴之间的干燥表面闪络引起脉冲，液滴的密集程度随绝对湿度值的增加而增加，因此施加电压所引起的脉冲数目也随之增加。

温度的升高造成平均闪络电压的升高，但泄漏电流幅值也随之增大，这一现象与内壁凝露情况相反。本文认为造成这一现象的主要原因在于本文所测量时仅屏蔽了硅橡胶伞裙处的泄漏电流，所测得的泄漏电流包含流经内壁表面、玻璃钢管内部的泄漏电流。流经内壁表面的泄漏电流幅值与内壁表面的凝露情况相关，但流经玻璃钢管内部的泄漏电流受温度的影响较大，考虑到玻璃钢管是由环氧树脂作为基体材料拉挤制成，环氧树脂的电导会随温度而变化，导致在温度变化的过程中，流经玻璃钢管内部的泄漏电流随温度的升高而升高，造成温度越高泄漏电流幅值越大的情况。

4 结论

本文对复合绝缘横担在气压泄漏情况下的内绝缘性能进行了试验研究及分析，对实验结果进行分析可以得出以下结论。

1) 温度对于充气型复合绝缘横担内绝缘的影响与湿度相关，在3.5 g/m3湿度条件下，闪络电压随温度的变化速率仅为0.14 kV/℃，当湿度逐步升高时，温度对闪络电压的影响程度也逐步升高，在17.3 g/m3湿度条件下，闪络电压随温度的变化速率升至0.25 kV/℃，这是由于温度的变化造成内部凝露状态的不同进而更大程度地影响了其内绝缘性能。

2) 同等温度条件下，内部绝对湿度值的变化会显著影响充气型复合绝缘横担的内绝缘性能。20 ℃、50 ℃及-30 ℃的环境下，随着绝对湿度值由3.5 g/m3提升至17.3 g/m3，内部闪络电压幅值分别下降24%、24.7%和38.7%。保证横担内表面干燥是保证其内绝缘强度的关键。

3) 泄漏电流的幅值包络线及脉冲统计分析结合光学显微镜观察明确了不同温度情况下横担内表面具有不同的凝露状态。同时绝对湿度的增加造成凝露现象加剧，使得平均闪络电压降低且泄漏电流幅值增大；温度的升高使得内表面干燥，造成平均闪络电压升高，但由于试验未能屏蔽流经材料的泄漏电流，导致泄漏电流幅值随温度升高而增大。