葉自強(qiáng)，梅冰笑

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

近年來電網(wǎng)變電設(shè)備的套管外絕緣雨閃事故屢有發(fā)生，主要集中在變壓器、電流互感器、斷路器及避雷器套管上。大型套管發(fā)生雨閃的氣象條件為雷雨和暴雨，時(shí)間主要集中在6-9月間，而此時(shí)套管外絕緣的積污量一般在0.01～0.03 mg/cm2范圍內(nèi)。調(diào)查表明，無論國產(chǎn)還是進(jìn)口設(shè)備，均發(fā)生過套管雨閃事故，發(fā)生雨閃的套管均滿足GB 311.1-83《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》中各項(xiàng)絕緣水平的要求，結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)條件滿足IEC-815《絕緣子污穢條件選用導(dǎo)則》的規(guī)定，設(shè)備外絕緣的爬電比距符合污穢等級標(biāo)準(zhǔn)。

目前，雖然對于套管外絕緣的雨閃機(jī)理及過程的認(rèn)識(shí)存在一定的差異，但大多數(shù)研究者認(rèn)為：套管外絕緣發(fā)生雨閃的原因是套管結(jié)構(gòu)不適用于污穢地區(qū)，要提高設(shè)備外絕緣水平，除了增加爬電比距外，還應(yīng)重視外絕緣結(jié)構(gòu)的研究。

1 套管雨閃原因分析

輸電線路和敞開式變電站處于復(fù)雜的大氣環(huán)境中，淋雨將影響輸變電設(shè)備外絕緣的放電特性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990-2004年，全國變電設(shè)備外絕緣閃絡(luò)事故中污閃占總數(shù)的30%，而雨閃占40%。上世紀(jì)90年代以來，對輸電線路的調(diào)爬使外絕緣水平有一定提高，污閃相對減少，而變電設(shè)備外絕緣的薄弱環(huán)節(jié)開始顯現(xiàn)，變電設(shè)備的雨閃事故已上升為電力系統(tǒng)外絕緣問題的主要矛盾。

目前，國內(nèi)外對瓷套管外絕緣雨閃事故的分析認(rèn)為，瓷套管外絕緣選用過小的放電距離、采用了不合理的分節(jié)瓷套管、未考慮瓷套管直徑增大對有效爬電距離的影響是導(dǎo)致雨閃事故的主要原因。瓷套管雨閃的特點(diǎn)是：

（1）多發(fā)生于大直徑的瓷套管。

（2）多發(fā)生于進(jìn)口產(chǎn)品。

（3）發(fā)生雨閃的設(shè)備外絕緣均滿足IEC及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）設(shè)備未發(fā)生過污閃事故。

（5）雨閃事故多發(fā)生于污穢地區(qū)久旱后突然來雨，雨量較大且開始下雨幾分鐘后。

分析指出，瓷套管傘裙結(jié)構(gòu)過密而導(dǎo)致雨水橋接了套管傘裙之間的空氣間隙，是導(dǎo)致頻繁發(fā)生雨閃事故的根本原因。

對絕緣子雨閃的機(jī)理及特性，目前國內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛的研究，主要的結(jié)論有：雨水電阻率與絕緣子濕閃電壓的關(guān)系為：

式中：ρs為雨水電阻率；A為系數(shù)；n為與絕緣子形狀相關(guān)的常數(shù)。

重慶大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濕閃絡(luò)電壓隨雨水電阻率的增大而升高，當(dāng)達(dá)到200 Ω·m左右時(shí)逐漸趨于飽和。西安高壓電器研究所對雨水溫度與濕閃絡(luò)電壓的研究表明，在固定雨水電阻率的情況下，不同水溫時(shí)濕閃絡(luò)電壓的差異較大，在進(jìn)行雨閃實(shí)驗(yàn)時(shí)必須把雨水電阻率校核到20℃時(shí) 100 Ω·m。

隨著大氣污染的加劇，酸雨、酸霧氣候也相應(yīng)增多。研究人員對酸雨、酸霧與絕緣子濕閃絡(luò)電壓關(guān)系的研究表明，交流濕閃絡(luò)電壓都隨雨水、霧的pH值減小而下降，以pH=6.0為基準(zhǔn)，當(dāng)pH＞4.5時(shí)，雨、霧閃絡(luò)電壓下降約6%左右，當(dāng)3.0≤pH≤4.5時(shí)，閃絡(luò)電壓下降10%～20%。

2 開關(guān)斷口瓷套管淋雨下沖擊閃絡(luò)特性

為分析220 kV 3AQ1-EE型開關(guān)斷口瓷套管在淋雨條件下發(fā)生外絕緣濕閃絡(luò)的原因，模擬瓷套管在閃絡(luò)時(shí)的大氣條件，進(jìn)行開關(guān)斷口瓷套管操作和雷電沖擊的U50濕閃絡(luò)電壓試驗(yàn)。

2.1 操作沖擊干濕閃試驗(yàn)

在2種操作沖擊電壓波形下進(jìn)行瓷套管外絕緣干閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，電壓波形如圖1，2所示。

表1 正極性干閃絡(luò)電壓試驗(yàn)結(jié)果

瓷套管在模擬人工雨水電導(dǎo)率為375 μs/cm，降雨量分別為0.64，11.5 mm/min的環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

圖1 264/2 680操作沖擊電壓波形

圖2 140/2 540操作沖擊電壓波形

表2 瓷套管操作沖擊濕閃絡(luò)電壓試驗(yàn)結(jié)果

由表1，2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在操作沖擊電壓為正極性及相同的波形條件下，當(dāng)降雨量為0.64 mm/min時(shí)，濕閃絡(luò)電壓比干閃絡(luò)電壓下降了10.4%；在降雨量為11.5 mm/min時(shí)，濕閃絡(luò)電壓比干閃絡(luò)電壓下降了13.7%。

操作沖擊的正極性低于負(fù)極性，取正極性標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.0%，分別計(jì)算不同降雨量時(shí)耐受概率為99.87%（或閃絡(luò)概率為0.13%）時(shí)的正極性操作沖擊電壓。

（1）降雨量為 0.64 mm/min時(shí)：

（2）降雨量為 11.5 mm/min時(shí)：

瓷套管在淋雨條件下放電的物理模型如圖3所示。淋雨條件下，瓷套管傘裙的上表面直接淋濕并被水膜覆蓋而具有較大的電導(dǎo)。傘的下表面和一部分絕緣表面BCA′不直接被雨淋濕，但由下一個(gè)傘裙表面濺回來的水滴以及由電場吸入的一些微小水珠所沾濕，濕潤程度較小，因而表面電導(dǎo)也較小。顯然外施電壓的絕大部分由表面電導(dǎo)較小的BCA′部分承受，如果此表面承受的電壓使表面場強(qiáng)超過了表面空氣的臨界擊穿場強(qiáng)，則形成局部電弧，并沿BCA′放電或直接使空氣間隙BA′擊穿，外施電壓就全部加在AB和A′B′等上。由于AB和A′B′是濕表面，電導(dǎo)較大，因泄漏電流產(chǎn)生的焦耳熱將在瞬間出現(xiàn)分布不均（由于套管直徑、濕潤程度等影響）的干燥帶而使空氣表面擊穿，局部電弧連通ABA′，相當(dāng)于短接了爬電距離ABA′，可以認(rèn)為外施電壓加在A′上，因此電弧就很容易向前發(fā)展而形成貫通性閃絡(luò)。如果雨量特別大，雨水直接將套管的傘緣BB′橋接，則相當(dāng)于雨水將BB′短路，放電就可能在空氣間隙BB′中產(chǎn)生。

圖3 淋雨條件下的瓷套管放電物理模型

淋雨條件下的瓷套管放電電壓與雨量關(guān)系如圖4所示。由圖可知，無論是正極性還是負(fù)極性，操作沖擊濕閃絡(luò)電壓隨雨量的增加而減小。正極性時(shí)，雨量為11.5 mm/min比0.64 mm/min時(shí)的濕閃絡(luò)電壓降低3.7%；負(fù)極性時(shí)，雨量為11.5 mm/min比0.64 mm/min時(shí)的濕閃絡(luò)電壓降低18.1%。

圖4 瓷套管放電電壓與雨量的關(guān)系

濕閃絡(luò)電壓隨雨量增加而減小的機(jī)理分析如下：由于淋雨時(shí)瓷套管放電是沿著被雨淋濕表面和干燥表面空氣間隙串聯(lián)路徑進(jìn)行，在雨量較小時(shí)，表面干燥區(qū)域大，淋濕表面所占比例小，濕閃絡(luò)的電壓就較高；而在雨量較大時(shí)，表面干燥區(qū)域小，淋濕表面所占比例大，濕閃絡(luò)的電壓就低。雨量特別大時(shí)，雨水直接將傘裙緣的空氣間隙橋接，則相當(dāng)于雨水將傘緣短路，濕閃絡(luò)的電壓就更低。

國內(nèi)外的大量研究結(jié)果表明：雨閃事故多發(fā)生于大雨和暴雨的天氣，瓷套管傘裙的結(jié)構(gòu)過密而導(dǎo)致雨水橋接傘裙空氣間隙是導(dǎo)致頻繁發(fā)生雨閃事故的主要原因。附加硅橡膠傘裙套可以有效防止雨閃，在瓷套管傘裙緣上分段膠合幾個(gè)比瓷傘裙稍大的硅橡膠傘裙套，它能像雨帽一樣，將沿瓷裙往下流淌的雨水分段隔離并濺開，避免出現(xiàn)過量的雨水短路瓷裙間的空氣間隙；同時(shí)利用硅橡膠材料的憎水性和絕緣性能，提高瓷套管在污濕狀態(tài)下的表面電阻，抑制泄漏電流，從而達(dá)到提高絕緣強(qiáng)度和防止閃絡(luò)的目的。

2.2 雷電沖擊濕閃絡(luò)試驗(yàn)

瓷套管在正極性雷電沖擊電壓下的濕閃絡(luò)電壓試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，波形如圖5所示。取標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.0%，可算出在耐受概率為99.87%（或閃絡(luò)概率為0.13%）時(shí)的電壓為：

由表2，3可知，在相同的雨水電導(dǎo)率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正極性雷電沖擊濕閃絡(luò)電壓比正極性操作沖擊濕閃絡(luò)電壓高66.6%。

表3 正極性雷電沖擊電壓下的瓷套管濕閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 1.2/42.7雷電沖擊波形

2.3 操作沖擊電壓下的極性效應(yīng)

由表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，操作沖擊電壓下的瓷套管濕閃絡(luò)電壓具有明顯的極性效應(yīng)。正極性低于負(fù)極性的濕閃電壓，如圖6所示。

從圖6可以看出，雨量為0.64 mm/min時(shí)，負(fù)極性操作沖擊濕閃絡(luò)電壓比正極高27.6%；雨量為11.5mm/min時(shí)，負(fù)極性操作沖擊濕閃絡(luò)電壓比正極性高8.5%。

圖6 操作沖擊下瓷套管濕閃絡(luò)電壓的極性效應(yīng)

2.4 沖擊擊穿時(shí)間及放電電壓與沖擊電壓波形的關(guān)系

試驗(yàn)過程中采集了所有發(fā)生瓷套管外絕緣放電的沖擊電壓波形。瓷套管沖擊擊穿時(shí)間的統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。從表4可以看出：對于操作沖擊電壓，無論是干閃絡(luò)電壓還是濕閃絡(luò)電壓，正極性下的擊穿絕大部分發(fā)生在波前，表4中①，②，③，⑤4種條件下波前擊穿的概率分別為90.9%，100%，88.9%，53.8%；負(fù)極性下?lián)舸┙^大部分發(fā)生在波尾，④，⑥兩種條件下波尾擊穿的概率為90.9%，100%。對于雷電沖擊電壓，放電均發(fā)生在波尾。

表4 瓷套管沖擊擊穿時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，無論是干閃絡(luò)還是濕閃絡(luò)，放電電壓與波前時(shí)間存在明顯關(guān)系，波前時(shí)間越短，放電電壓越高。以表4中①，②兩種情況為例，與波前時(shí)間為264 μs的操作波相比，波前時(shí)間為140 μs的操作波的U50升高了13.1%；以⑥，⑦兩種情況為例，相同條件下雷電沖擊U50比操作沖擊U50升高了66.6%。

3 結(jié)論及建議

（1）在操作沖擊電壓為正極性及相同的波形條件下，當(dāng)降雨量為0.64 mm/min時(shí)，濕閃絡(luò)電壓比干閃絡(luò)電壓下降了10.4%；在降雨量為11.5 mm/min時(shí)，濕閃絡(luò)電壓比干閃絡(luò)電壓下降了13.7%。

（2）無論是正極性還是負(fù)極性，操作沖擊濕閃絡(luò)電壓隨雨量的增加而減小。雨量特別大時(shí)，操作沖擊濕閃絡(luò)電壓顯著降低。

（3）操作沖擊電壓下瓷套管的濕閃絡(luò)電壓具有明顯的極性效應(yīng)。正極性濕閃絡(luò)電壓低于負(fù)極性。

（4）在相同的雨水電導(dǎo)率（375 μs/cm）及降雨量（11.5 mm/min）下，正極性雷電沖擊濕閃絡(luò)電壓比正極性操作沖擊濕閃絡(luò)電壓高66.6%。

（5）對于操作沖擊電壓，無論是干閃絡(luò)還是濕閃絡(luò)，正極性下的套管外絕緣擊穿絕大部分發(fā)生在波前，負(fù)極性下?lián)舸┙^大部分發(fā)生在波尾；對于雷電沖擊電壓，放電均發(fā)生在波尾。無論是干閃還是濕閃，放電電壓與波前時(shí)間存在明顯的關(guān)系，波前時(shí)間越短，放電電壓越高。

（6）雨閃事故多發(fā)生于大雨和暴雨天氣，由于瓷套管傘裙結(jié)構(gòu)過密而導(dǎo)致雨水橋接傘裙的空氣間隙，是導(dǎo)致頻繁發(fā)生雨閃事故的主要原因。在條件具備的前提下，建議變電站內(nèi)全部安裝線路避雷器用以限制線路雷電沖擊過電壓幅值，保護(hù)站內(nèi)設(shè)備。對于無法安裝線路避雷器的線路間隔，建議對套管傘裙密集、易被雨水橋接的套管類或支柱類的瓷絕緣子添加硅橡膠傘裙套，防止雨閃事故的發(fā)生。

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