黎小林，邊美華，劉磊，張興森 ，唐力，李君華

(1. 南方電網(wǎng)科學研究院，廣州 510640；2. 廣西電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，南寧530023)

0 引言

在輸電線路復合化的趨勢下，伴隨我國樹脂和纖維材料性能改進以及制造工藝的進步，復合絕緣橫擔受到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的鋼材存在生產(chǎn)過程污染嚴重、易銹蝕或開裂、低溫性能差等缺陷。以高性能纖維增強復合材料為基礎(chǔ)設(shè)計的復合絕緣橫擔具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、絕緣性能高等特點，能夠成為環(huán)境友好型綠色電網(wǎng)建設(shè)的核心基建技術(shù)[1 - 3]。

目前，我國對復合絕緣橫擔的研究日益增多。電網(wǎng)中運行的復合絕緣橫擔主要分為填充聚氨酯芯體或填充微正壓的惰性氣體2種類型。南方電網(wǎng)在500 kV雷州電廠至港城送點線路工程中試點應用了填充惰性氣體的復合絕緣橫擔。此外，部分站內(nèi)支柱絕緣子上也采用填充惰性氣體的方式提高絕緣水平。戶外服役對于復合絕緣橫擔的密封性能具有較高的要求，復合絕緣橫擔在服役過程中往往要經(jīng)受復雜的氣候環(huán)境，包括高低溫交替、潮濕、紫外線、鹽霧等因素，同時其自身還需承受導線等帶來的機械載荷及電壓[4 - 5]。復合絕緣橫擔密封往往在端部金具與芯體間使用環(huán)氧樹脂材料進行物理膠接，在極端氣象條件或長期的環(huán)境作用下，由于機械和化學老化作用，可能導致復合絕緣橫擔的密封性能破壞而造成氣壓泄漏，當惰性氣體壓強達到大氣壓水平時，由于溫度變化產(chǎn)生壓差引起內(nèi)外氣體交互，致使外部濕潤空氣侵入腔體，在一定溫度下使復合橫擔內(nèi)壁表面形成凝露，極易導致復合絕緣橫擔內(nèi)絕緣問題產(chǎn)生。

近年來，諸多學者針對復合絕緣橫擔運行情況下的適用性能、外絕緣特性展開了相關(guān)研究。文獻[6]研究了750 kV復合橫擔在標準雷電壓下的暫態(tài)電場，基于成分分析提出了暫態(tài)電場分布的分頻域計算方法，計算了750 kV復合橫擔在標準雷電壓下的暫態(tài)電場分布。文獻[7]應用子模型技術(shù)研究了各均壓環(huán)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對500 kV復合桿塔橫擔關(guān)鍵位置場強的影響規(guī)律。文獻[8]對納米改性聚丙烯復合絕緣材料開展交流電場擊穿特性分析，發(fā)現(xiàn)混合納米顆粒后的聚丙烯復合絕緣材料擊穿場強明顯提高。文獻[9]開展了500 kV復合橫擔塔正負極性雷電沖擊作用下的伏秒特性試驗，獲得了復合橫擔閃絡(luò)的判據(jù)。清華大學的沈余峰等人通過高海拔地區(qū)人工污穢試驗，研究了污閃過程中的局部電弧電流及電弧發(fā)展過程[7]。文獻[8]計算了750 kV復合橫擔在不同設(shè)計方案下的電場分布，研究了中間法蘭以及橫擔端部配置均壓環(huán)、屏蔽環(huán)對復合橫擔電位分布的影響。文獻[9]則通過植入光纖光柵傳感器的方法實時監(jiān)測橫擔在多種老化因素作用下的應力應變狀態(tài)。大部分的試驗研究及理論分析均集中在聚氨酯填充型復合橫擔及其外絕緣特性上，然而，針對惰性氣體填充型復合橫擔的研究尚處于起步階段，尤其是在氣壓泄漏情況對復合絕緣橫擔的絕緣性能的影響尚無相關(guān)的試驗結(jié)論。為了確保復合絕緣橫擔安全穩(wěn)定運行，亟需對氣壓泄漏情況下復合絕緣橫擔內(nèi)絕緣特性開展深入的研究。

本文以惰性氣體填充型復合絕緣橫擔為研究對象，人工模擬氣壓泄漏情況下復合絕緣橫擔內(nèi)部的溫濕度情況，研究了內(nèi)部溫濕度情況對內(nèi)表面閃絡(luò)電壓特性及泄漏電流的影響，并提取部分泄漏電流特征量分析了其與內(nèi)部溫濕度之間的相關(guān)性。系統(tǒng)地研究氣壓泄漏情況下復合絕緣橫擔內(nèi)絕緣特性,可加強對復合絕緣橫擔絕緣特性的認識,為復合絕緣橫擔在線監(jiān)測方案的設(shè)計提供技術(shù)參考,對保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有一定的工程實用價值。

1 試驗部分

1.1 樣品制備及試驗設(shè)置

為了便于開展實驗研究，按照復合絕緣橫擔原工藝制作了長度為200 mm的短試樣。該試樣玻璃鋼管內(nèi)徑140 mm，外部硅橡膠傘裙為交替?zhèn)闳?，大傘?7 mm，小傘高32 mm，傘間距為40 mm，法蘭、法蘭蓋板、氣閥均為鋁制。法蘭金具與芯體通過環(huán)氧樹脂膠水采用粘膠工藝密封連接。復合絕緣橫擔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試品結(jié)構(gòu)

通過前期調(diào)研了解到氣體泄漏或水分侵入內(nèi)部的主要原因有界面粘接不良導致水分侵入[10 - 11]、硅橡膠傘裙水分遷移[12]、法蘭蓋板與法蘭之間的密封圈性能劣化[13]，以及長期機械疲勞造成螺栓松動[14]等。本文模擬螺栓松動導致內(nèi)部氣壓泄漏，將樣品放置于具有一定相對濕度的人工氣候室中，觀測試樣內(nèi)部濕度變化情況。人工氣候室保持恒溫20 ℃，通過超聲噴霧發(fā)生器調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣相對濕度至20%、40%、60%、80%、100%。超聲噴霧發(fā)生器產(chǎn)生的霧粒直徑小于10 μm，霧水為去離子水，霧水電導率小于10 μS/cm。將樣品靜置于氣候室內(nèi)部并利用濕度傳感器實時觀測試樣內(nèi)部的濕度變化情況，達到設(shè)定濕度后開展后續(xù)試驗研究。

由于相對濕度表示空氣中的絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度的比值，在不同溫度下相同的絕對濕度具有不同的相對濕度，為對比不同溫度情況下的絕緣特性，因此選取絕對濕度值來表征濕度與內(nèi)絕緣特性之間的關(guān)系，上述濕度值所對應的絕對濕度為3.5 g/m3、7 g/m3、10.4 g/m3、13.8 g/m3、17.3 g/m3。

為了分析潮氣侵入后復合橫擔在不同溫度環(huán)境下的電氣性能，將制備好的試樣緊固螺栓，保證內(nèi)部濕度不會在電氣試驗過程中發(fā)生變化。將試樣置于人工氣候室內(nèi)部，其溫度可在-30～50 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。不考慮個別極端溫度情況，我國最低溫為大興安嶺1月份的平均氣溫-31.5 ℃，最高溫為吐魯番盆地7月份的平均氣溫46.7 ℃，電網(wǎng)分布較為密集的華北、華東、華南、華中等地區(qū)年均氣溫在15～25 ℃之間。綜合考慮將試驗溫度選擇為-30 ℃、20 ℃及50 ℃。

由此本文溫濕度選擇涵蓋了15種不同的溫濕度情況，基本概括了國內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)的氣象條件。試驗過程中密封橫擔可以保證橫擔內(nèi)部水分保持相對平衡，使得試驗時的橫擔內(nèi)部情況接近實際泄漏工況。

1.2 內(nèi)表面閃絡(luò)電壓及泄漏電流的測量

試驗在人工氣候室中進行，試驗接線原理如圖2所示。

圖2 試驗接線圖

圖中的試驗變壓器最高輸出電壓為250 kV，額定容量為50 kVA。試驗電源經(jīng)100 kV屏蔽電纜引入人工氣候室。通過交流電容式分壓器測量試驗電壓，分壓器分壓比為1 000:1。泄漏電流通過電流傳感器進行采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電腦、DAQ2010采集卡及基于Labview平臺的控制軟件組成，采樣率為2 MSa/s。為了屏蔽傘裙的表面泄漏電流的干擾，在硅橡膠傘裙靠近金屬法蘭盤的端部粘貼屏蔽電極。

在閃絡(luò)電壓測量試驗中，加壓方式為恒壓升降法，以2 kV/s的升壓速率上升至內(nèi)部閃絡(luò)，若發(fā)生內(nèi)部閃絡(luò)，則為一次有效試驗并結(jié)束本次試驗，考慮閃絡(luò)會對橫擔內(nèi)部狀態(tài)產(chǎn)生影響造成結(jié)果誤差，因此采用單次擊穿測試，至少進行10次有效試驗來統(tǒng)計內(nèi)部平均閃絡(luò)電壓。

在泄漏電流測量試驗中，以2 kV/s的速率均勻升壓，每升高5 kV記錄1次泄漏電流數(shù)據(jù)，每組時長300 ms，所有樣品均測試至50 kV，在各條件下進行多次試驗能夠獲得相似的泄漏電流趨勢圖以確保泄漏電流具有一定的可重復性，并選取泄漏電流幅值包絡(luò)線及脈沖統(tǒng)計作為泄漏電流特征值。

2 試驗結(jié)果

2.1 氣壓泄漏情況下橫擔內(nèi)表面閃絡(luò)特性

本文采用威布爾分布模型對氣壓泄漏情況下的復合絕緣橫擔內(nèi)部閃絡(luò)特性進行統(tǒng)計。威布爾分布函數(shù)廣泛應用于絕緣電性能試驗中，其基于弱點理論，將整個系統(tǒng)看作若干個小元件串聯(lián)而成，其強度由最薄弱的環(huán)節(jié)強度決定[15]。常用的威布爾分布模型有雙參數(shù)和三參數(shù)，本文選取雙參數(shù)威布爾分布模型作為統(tǒng)計模型，其中雙參數(shù)威布爾分布的概率分布函數(shù)如下。

(1)

式中：α和β分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，物理意義分別表示發(fā)生概率為63.2%的內(nèi)部閃絡(luò)電壓以及閃絡(luò)電壓的變化幅度，β越大其內(nèi)部閃絡(luò)電壓變化幅度越小。

圖3為復合絕緣橫擔內(nèi)部平均閃絡(luò)電壓與絕對濕度的對應關(guān)系，需要說明的是在-30 ℃時的橫擔存在飽和水凝結(jié)的現(xiàn)象，飽和水凝結(jié)程度隨濕度值升高而升高，由于無法找到合適的量化指標比較飽和水凝結(jié)程度，因此考慮用充濕時的起始絕對濕度值代表內(nèi)部水分的多少。從圖中可以看出各溫度下平均閃絡(luò)電壓與復合絕緣橫擔內(nèi)部的絕對濕度有明顯的負相關(guān)性。在20 ℃、50 ℃及-30 ℃的情況下，內(nèi)部平均閃絡(luò)電壓均隨著絕對濕度值的增加而有不同程度的下降，在20 ℃及50 ℃環(huán)境下，隨著絕對濕度增加，平均閃絡(luò)電壓下降速率約為2 kV/(g/m3)，17.3 g/m3絕對濕度值下的閃絡(luò)電壓相較于3.5 g/m3絕對濕度值下降了24%。而在-30 ℃環(huán)境下，下降速率約為3.2 kV/(g/m3)。17.3 g/m3濕度值下的閃絡(luò)電壓相較于3.5 g/m3濕度值下降了38%。在同一濕度情況下，溫度與平均閃絡(luò)電壓值呈現(xiàn)正相關(guān)性。50 ℃至-30 ℃的溫度范圍內(nèi)，閃絡(luò)電壓隨溫度下降呈現(xiàn)下降的趨勢，除在3.5 g/m3的低濕度環(huán)境下，下降速率僅為0.15 kV/℃，其余濕度環(huán)境的平均下降速率在0.25 kV/℃。分析相同濕度下溫度的作用可以看出，溫度對于內(nèi)部閃絡(luò)電壓的變化作用與濕度相關(guān)，隨著濕度的升高，溫度對平均閃絡(luò)電壓的影響作用逐步增大。分析相同溫度下濕度的作用，任何溫度條件下水分含量的變化對內(nèi)部閃絡(luò)性能影響較大。

圖3 內(nèi)部溫濕度與平均閃絡(luò)電壓的關(guān)系

試驗說明對于密封條件較完整的復合橫擔產(chǎn)品，在內(nèi)部無水分含量變化的情況下，溫度對該產(chǎn)品的絕緣性能的影響較小，但在密封性能下降時，一旦外部水氣侵入，將對復合橫擔產(chǎn)品的絕緣性能產(chǎn)生嚴重影響。同時，在試驗過程中試樣內(nèi)壁出現(xiàn)放電通道，放電通道如圖4所示。放電通道呈現(xiàn)為柱狀黑褐色，總長度為150 mm，由高壓端向接地端生長以及接地端向高壓端生長兩條放電通道構(gòu)成，對橫擔內(nèi)部絕緣性能造成不可逆的破壞。

圖4 放電通道

2.2 氣壓泄漏情況下橫擔泄漏電流特征量分析

泄漏電流能夠較為動態(tài)地反應絕緣件的狀態(tài)變化，泄漏電流特征量能夠較為準確地表征內(nèi)部放電的劇烈程度。幅值包絡(luò)線、脈沖統(tǒng)計等能夠較為直觀地反映泄漏電流情況[16]。因此本文選取幅值包絡(luò)線、脈沖統(tǒng)計進行分析，需要說明的是在-30 ℃時的橫擔存在飽和水凝結(jié)的現(xiàn)象，飽和水凝結(jié)程度隨濕度值升高而升高，由于無法找到合適的量化指標比較飽和水凝結(jié)程度，因此考慮用充濕時的起始絕對濕度值代表內(nèi)部水分的多少。

2.2.1 泄漏電流幅值包絡(luò)線分析

泄漏電流幅值包絡(luò)線反映了泄漏電流發(fā)展變化規(guī)律，通過包絡(luò)線的幅值及波動情況可以較為清晰地觀察樣品的狀態(tài)[17]。各溫濕度情況下的幅值包絡(luò)線如圖5所示。

圖5 泄漏電流幅值包絡(luò)線

從泄漏電流幅值波動來看，不同溫度條件差異明顯。50 ℃環(huán)境下，在電壓升高至15 kV以上時各濕度的泄漏電流幅值的波動逐漸開始劇烈，且絕對濕度值越高，波動越為劇烈。-30 ℃環(huán)境下，泄漏電流幅值的波動普遍在升壓至25 kV以上時逐漸劇烈。20 ℃環(huán)境下，泄漏電流幅值的波動出現(xiàn)在低壓階段，在升壓至20 kV以上時波動逐漸減緩。不同濕度條件下對比可以看出，絕對濕度高于10.4 g/m3的情況下泄漏電流的波動相比之下較為劇烈，而在絕對濕度低于這一值的情況下，泄漏電流波動相對緩和。從包絡(luò)線的情況可以推測溫度的差異會造成閃絡(luò)過程的差異，而絕對濕度將影響內(nèi)部放電的劇烈程度。

表1中羅列了部分電壓幅值下不同溫濕度情況造成的泄漏電流幅值大小。同等溫度情況下，不同絕對濕度下的泄漏電流幅值存在大小差異，泄漏電流幅值隨絕對濕度升高的增量與施加電壓的有效值有關(guān)，在電壓等級較高的情況下，不同濕度情況的泄漏電流幅值差異明顯。在同等絕對濕度條件下，-30 ℃情況的泄漏電流幅值低于20 ℃情況的幅值，而50 ℃情況下泄漏電流幅值最大。以50 kV電壓、17.3 g/m3的高濕度環(huán)境為例，此條件下50 ℃的泄漏電流幅值達到147 μA，20 ℃的泄漏電流達到102 μA，-30 ℃的泄漏電流僅有92 μA。

表1 泄漏電流幅值

對照平均閃絡(luò)電壓的變化關(guān)系，絕對濕度的增加將導致平均閃絡(luò)電壓的降低并造成泄漏電流幅值的增大，但溫度的升高造成平均閃絡(luò)電壓的升高，泄漏電流幅值也隨之增大。

2.2.2 泄漏電流脈沖統(tǒng)計

橫擔內(nèi)部的短時放電在泄漏電流中表現(xiàn)為脈沖，對不同幅值脈沖分量統(tǒng)計是較為重要的特征量[18]。各幅值段脈沖數(shù)統(tǒng)計如表2所示。

由表2可知，各溫濕度情況下多數(shù)脈沖集中在1 mA以下，在高濕度的條件下會出現(xiàn)高幅值脈沖。同時-30 ℃及50 ℃相較于20 ℃的情況，各濕度的脈沖數(shù)目均有所增多，并伴隨有高幅值脈沖的出現(xiàn)，且50 ℃下脈沖現(xiàn)象較為嚴重。詳細來看，在20 ℃情況下，脈沖數(shù)較少且沒有超過3 mA的脈沖數(shù)，當絕對濕度大于10.4 g/m3時脈沖數(shù)明顯增多。在-30 ℃情況下，10.4 g/m3以下的絕對濕度脈沖數(shù)目較少，且無高幅值脈沖，在10.4 g/m3以上的絕對濕度時將造成脈沖明顯增多并伴隨有高幅值脈沖。在50 ℃情況下各絕對濕度的脈沖數(shù)均有所增多，同樣在絕對濕度值超過10.4 g/m3的情況下伴隨有較多的高幅值脈沖。同時絕對濕度值對脈沖數(shù)目的影響呈線性關(guān)系，隨著絕對濕度值的增加，內(nèi)部的放電劇烈程度顯著增加。

表2 脈沖數(shù)目統(tǒng)計

3 分析及討論

造成上述絕緣狀態(tài)差異的本質(zhì)原因在于復合絕緣橫擔內(nèi)表面的凝露情況。參考電力系統(tǒng)絕緣設(shè)備的凝露機理研究[19 - 21]，通常情況下元件內(nèi)外存在較大溫差時會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，但由于絕緣橫擔內(nèi)部不存在較強熱源，因此橫擔內(nèi)部的凝露現(xiàn)象應為溫度變化導致氣體飽和濕度變化，在溫度下降時飽和濕度低于空氣絕對濕度值，造成水分析出凝結(jié)于內(nèi)表面，因此造成的凝露情況也不易察覺。

通過光學顯微鏡對各溫度下17.3 g/cm3的內(nèi)壁表面進行觀察，驗證了凝露現(xiàn)象的存在。觀察圖6中間方形線框可以看出，在20 ℃情況下，內(nèi)壁存在部分濕潤的情況，但無明顯的液滴附著在表面。在50 ℃情況下表面相對干燥光滑，在-30 ℃情況下可以明顯發(fā)現(xiàn)存在液滴凝結(jié)成冰晶的現(xiàn)象。

圖6 凝露現(xiàn)象

結(jié)合上述的凝露現(xiàn)象作出分析，在20 ℃環(huán)境下，由于表面的部分濕潤，因此僅在20 ℃高濕度的情況下，閃絡(luò)電壓值上下浮動。在-30 ℃低溫情況下，由于液滴析出且凝結(jié)于內(nèi)壁而造成閃絡(luò)電壓值低于20 ℃，各絕對濕度條件下液滴與液滴間的距離、液滴的大小均存在差異[22]，會對內(nèi)部電場產(chǎn)生不同的影響，因此在-30 ℃情況下閃絡(luò)電壓的標準差較大。而在50 ℃情況下，大部分的水份以氣體形式游離于橫擔內(nèi)部，內(nèi)壁表面相對干燥光滑，致使平均閃絡(luò)電壓在高于20 ℃及-30 ℃的情況下均無明顯的波動情況。

試驗中絕對濕度的增加將造成平均閃絡(luò)電壓的降低、泄漏電流幅值的增大，并伴隨有脈沖數(shù)目的增多。在絕對濕度值越高的情況下，空氣中的水分含量越高，液滴密度也就越大，造成閃絡(luò)電壓幅值隨絕對濕度的升高而下降。同時在施加電壓過程中，液滴之間的干燥表面閃絡(luò)引起脈沖，液滴的密集程度隨絕對濕度值的增加而增加，因此施加電壓所引起的脈沖數(shù)目也隨之增加。

溫度的升高造成平均閃絡(luò)電壓的升高，但泄漏電流幅值也隨之增大，這一現(xiàn)象與內(nèi)壁凝露情況相反。本文認為造成這一現(xiàn)象的主要原因在于本文所測量時僅屏蔽了硅橡膠傘裙處的泄漏電流，所測得的泄漏電流包含流經(jīng)內(nèi)壁表面、玻璃鋼管內(nèi)部的泄漏電流。流經(jīng)內(nèi)壁表面的泄漏電流幅值與內(nèi)壁表面的凝露情況相關(guān)，但流經(jīng)玻璃鋼管內(nèi)部的泄漏電流受溫度的影響較大，考慮到玻璃鋼管是由環(huán)氧樹脂作為基體材料拉擠制成，環(huán)氧樹脂的電導會隨溫度而變化，導致在溫度變化的過程中，流經(jīng)玻璃鋼管內(nèi)部的泄漏電流隨溫度的升高而升高，造成溫度越高泄漏電流幅值越大的情況。

4 結(jié)論

本文對復合絕緣橫擔在氣壓泄漏情況下的內(nèi)絕緣性能進行了試驗研究及分析，對實驗結(jié)果進行分析可以得出以下結(jié)論。

1) 溫度對于充氣型復合絕緣橫擔內(nèi)絕緣的影響與濕度相關(guān)，在3.5 g/m3濕度條件下，閃絡(luò)電壓隨溫度的變化速率僅為0.14 kV/℃，當濕度逐步升高時，溫度對閃絡(luò)電壓的影響程度也逐步升高，在17.3 g/m3濕度條件下，閃絡(luò)電壓隨溫度的變化速率升至0.25 kV/℃，這是由于溫度的變化造成內(nèi)部凝露狀態(tài)的不同進而更大程度地影響了其內(nèi)絕緣性能。

2) 同等溫度條件下，內(nèi)部絕對濕度值的變化會顯著影響充氣型復合絕緣橫擔的內(nèi)絕緣性能。20 ℃、50 ℃及-30 ℃的環(huán)境下，隨著絕對濕度值由3.5 g/m3提升至17.3 g/m3，內(nèi)部閃絡(luò)電壓幅值分別下降24%、24.7%和38.7%。保證橫擔內(nèi)表面干燥是保證其內(nèi)絕緣強度的關(guān)鍵。

3) 泄漏電流的幅值包絡(luò)線及脈沖統(tǒng)計分析結(jié)合光學顯微鏡觀察明確了不同溫度情況下橫擔內(nèi)表面具有不同的凝露狀態(tài)。同時絕對濕度的增加造成凝露現(xiàn)象加劇，使得平均閃絡(luò)電壓降低且泄漏電流幅值增大；溫度的升高使得內(nèi)表面干燥，造成平均閃絡(luò)電壓升高，但由于試驗未能屏蔽流經(jīng)材料的泄漏電流，導致泄漏電流幅值隨溫度升高而增大。