胡大偉，苑經(jīng)緯，劉桁宇，陳 剛，徐 崇

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.河北硅谷化工有限公司，河北 邯鄲 056000)

近年來(lái)，隨著掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子在數(shù)量逐年攀升、覆蓋范圍擴(kuò)大和運(yùn)行年限延長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題也愈發(fā)增多，通過(guò)全國(guó)輸電線路運(yùn)行的復(fù)合絕緣子故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，不明原因閃絡(luò)占全部故障類型的百分比較高為26%。很多學(xué)者分析了不明閃絡(luò)的成因，文獻(xiàn)[1-2]將此類不明閃絡(luò)原因歸為鳥糞下落時(shí)，絕緣子周圍不均勻的電場(chǎng)分布產(chǎn)生畸變導(dǎo)致閃絡(luò)發(fā)生，由于鳥糞殘留造成的閃絡(luò)因其不易被發(fā)覺(jué)，通常被定義為“不明閃絡(luò)”；文獻(xiàn)[3-4]對(duì)復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的故障原因從以下幾方面進(jìn)行分析：電壓等級(jí)類型、復(fù)合絕緣子實(shí)際運(yùn)行工況及結(jié)構(gòu)和制作工藝方面，包括干弧距離偏小，爬電比距選擇，硅質(zhì)橡膠長(zhǎng)時(shí)間置于污穢及潮濕的環(huán)境中由于吸收了環(huán)境中大量水分使其憎水性消耗過(guò)量，是否存在部分有效長(zhǎng)度被其兩端均壓環(huán)短接現(xiàn)象，在某些特殊場(chǎng)合下其有效爬電距離被其表面附著的雜物絲帶狀物體等受潮后造成了短路；文獻(xiàn)[5]對(duì)現(xiàn)有閃絡(luò)機(jī)理學(xué)說(shuō)已經(jīng)在形成局部電弧后的推動(dòng)力方面進(jìn)行研究，但并未研究局部電弧形成的原因及過(guò)程。絕緣子在兩端施加電壓時(shí)就存在電離，且絕緣子端部均為金具，所以必然形成等離子團(tuán)。無(wú)論推動(dòng)局部電弧發(fā)展的是何種因素，均會(huì)對(duì)絕緣子表面形成的等離子體團(tuán)體積產(chǎn)生影響，縮短有效絕緣距離。此為復(fù)合絕緣子閃絡(luò)分析研判過(guò)程中極為關(guān)鍵階段。

現(xiàn)階段對(duì)于低溫高氣壓等離子體的研究方法中，朗繆爾探針?lè)ê桶l(fā)射光譜法均為其診斷研判的有效分析方法[6-7]。對(duì)于大氣條件下的電暈放電，近年來(lái)對(duì)其微觀特性研究較多，方法多為計(jì)算模擬與光譜分析相結(jié)合，利用其內(nèi)部具有很高活性的化學(xué)粒子進(jìn)行空氣凈化[8-11]，對(duì)其宏觀特性研究較少，尤其是未見(jiàn)在大氣壓下電暈放電等離子體特性應(yīng)用于復(fù)合絕緣子閃絡(luò)過(guò)程研究的公開(kāi)報(bào)道。

基于此，設(shè)計(jì)并完成了復(fù)合絕緣子的人工污穢試驗(yàn)。試驗(yàn)在人工污室內(nèi)進(jìn)行，可以有效通過(guò)調(diào)節(jié)人工污室的運(yùn)行參數(shù)來(lái)模擬絕緣子運(yùn)行狀態(tài)。采用勻速加壓方式，在加壓過(guò)程中，用朗繆爾探針?lè)ê桶l(fā)射光譜法診斷單個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下絕緣子的端部電暈放電等離子體參數(shù)，進(jìn)而得到不同運(yùn)行狀態(tài)下絕緣子的等離子體參數(shù)，從而為復(fù)合絕緣子污穢閃絡(luò)過(guò)程研究提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

1.1 人工污穢試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試品為10 kV復(fù)合絕緣子，試驗(yàn)用工頻變壓器容量為10 kVA，其最大輸出電壓為100 kV。試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理

a.首先通過(guò)噴水分級(jí)法來(lái)測(cè)量復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套憎水性狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果顯示所有試品的憎水性良好，均為HC1級(jí)。為保證本次試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性與可重復(fù)性，其接線方式嚴(yán)格模擬所用試品實(shí)際工作方式設(shè)置，將試品懸于半空中，通過(guò)高壓導(dǎo)線將環(huán)氧樹(shù)脂棒架高。

b.然后將其接入污室連接至絕緣子球頭側(cè)，將絕緣子球帽側(cè)可靠接地,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[12]，試驗(yàn)用污液配置方法：通過(guò)一定比例的硅藻土、鹽及適量的去離子水混合配制而成。依照絕緣子表面積，通過(guò)鹽密與灰密值計(jì)算得出的鹽和硅藻土的量進(jìn)行配置，攪拌均勻配成污液，均勻涂刷至復(fù)合絕緣子的傘裙護(hù)套上。

c.試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為每次間隔15 min，確保絕緣子表面能夠得到充分濕潤(rùn)，當(dāng)試品傘裙表面濕度已達(dá)充分飽和狀態(tài)時(shí)試驗(yàn)開(kāi)始。

d.為確保試驗(yàn)絕緣子運(yùn)行參數(shù)可調(diào)，試驗(yàn)通過(guò)人工污穢試驗(yàn)箱進(jìn)行，其溫濕度均可控。試驗(yàn)開(kāi)始后，變壓器以1 kV/s的速度勻速升壓。

1.2 朗繆爾探針裝置及計(jì)算方法

對(duì)于低溫等離子體朗繆爾探針?lè)ㄊ欠浅＿m合的診斷方法，其原因有以下3方面：①低溫等離子體不存在強(qiáng)磁場(chǎng)；②等離子體對(duì)探針的二次電子發(fā)射較少；③由于該方法是接觸式診斷方法，因此對(duì)探針材料的要求較低。

通常情況下，鎢絲因其在硬度及熔點(diǎn)方面較為突出的特點(diǎn)，常被選用作為試驗(yàn)用探針，本文選用針尖長(zhǎng)度為7 mm，直徑為0.3 mm的鎢絲探針。試驗(yàn)過(guò)程中，為避免金具處強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)針尖頂部產(chǎn)生放電現(xiàn)象，做如下處理：選用導(dǎo)電型的環(huán)氧樹(shù)脂系膠結(jié)劑把針尖膠合至玻璃絕緣管壁上，其內(nèi)壁厚度為3 mm，便于針尖時(shí)刻保持置于玻璃管外；將鎢絲作為參考電極并均勻纏繞至玻璃絕緣管外部，其與探針針尖端部的電容為7 nF；將6個(gè)LC諧振線圈并聯(lián)于探針后，連接于相應(yīng)的掃描電源上進(jìn)行掃描；設(shè)置掃描電源的掃描周期為30 s，輸出電壓控制在-100～100 V，以避免高速率電子沖擊探針，造成電子重復(fù)發(fā)射而加大試驗(yàn)誤差。

等離子體的基本參數(shù)通過(guò)探針電壓、電流關(guān)系來(lái)確定。等離子體空間電位Φp、懸浮電位Φf關(guān)系為

(1)

式中：κ為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電量；mi、me分別為離子與電子的質(zhì)量；電子溫度κTe為

(2)

式中：VB為探針偏置電壓；IP為探針電流；Ies為電子飽和電流。

電子密度ne與離子密度ni為

(3)

式中：A為愛(ài)因斯坦系數(shù)。

將電子能量分布函數(shù)積分，即可得到過(guò)渡區(qū)域范圍的探針電流(電子電流)。因此，為獲得等離子體電子能量分布函數(shù)EEDF，可以通過(guò)對(duì)所測(cè)過(guò)渡區(qū)域的電壓-電流進(jìn)行微分求解。

1.3 光譜儀診斷裝置及計(jì)算方法

采用DP-Nicolet iS5型分光儀，其分辨率達(dá)到0.05 nm，能夠?qū)崿F(xiàn)光源的波長(zhǎng)譜及其功率譜有效輸出。電暈放電時(shí)發(fā)出的光經(jīng)透鏡聚焦后成像于單色儀，為使診斷結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，成像系統(tǒng)各元件位置及角度均需仔細(xì)調(diào)節(jié)。發(fā)射光譜法診斷系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 發(fā)射光譜法診斷系統(tǒng)

電暈放電等離子體是具有局部熱平衡特性的光性薄等離子體，其電子溫度為

(4)

式中:j、k為激發(fā)態(tài)；i、l為該激發(fā)態(tài)對(duì)應(yīng)衰減到的能級(jí)；I為等離子體輻射強(qiáng)度；λ為波長(zhǎng)；E為激發(fā)態(tài)電離能；g為統(tǒng)計(jì)權(quán)重。表1給出H原子的2條發(fā)射譜線計(jì)算用。

表1 類氫類原子譜線參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

2.1 朗繆爾探針?lè)?/h3>

復(fù)合絕緣子運(yùn)行參數(shù)包括端電壓、溫度、濕度、氣壓、憎水性、鹽密與灰密等。為考察各參數(shù)變化趨勢(shì)，設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。

設(shè)絕緣子在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、憎水性HC1級(jí)、端電壓10 kV、溫度27 ℃、濕度80%RH、鹽密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情況下運(yùn)行時(shí)，得到的等離子體參數(shù)為其標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)在30 s內(nèi)設(shè)置等間距數(shù)據(jù)采集方式，采集60個(gè)樣本，即每0.5 s采集1組U-I值，其數(shù)據(jù)值經(jīng)平均值方式平滑后的探針曲線如圖3所示。

圖3 經(jīng)平均值方式平滑后的探針電壓-電流曲線

經(jīng)過(guò)局部放大后的探針電壓-電流曲線，測(cè)得其與橫軸交點(diǎn)為(5.38,0)，等離子體懸浮電位φf(shuō)=5.38 V，如圖4所示。

圖4 探針經(jīng)過(guò)局部放大后的電壓-電流曲線

將探針U-I曲線求一階導(dǎo)數(shù)，其導(dǎo)數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的電壓值為等離子體空間電位，如圖5所示，求得φp=27.62 V。

圖5 探針電壓-電流曲線的一階導(dǎo)數(shù)

將探針U-I曲線求二階導(dǎo)數(shù)，獲得所需的電子能量分布，如圖6所示，電子能量分布可以近似看成雙麥克斯韋分布。

圖6 探針電壓-電流曲線的二階導(dǎo)數(shù)

假設(shè)氣壓和憎水性在運(yùn)行中始終保持不變，在其余參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，通過(guò)每次改變1個(gè)參數(shù)的方式，并經(jīng)平均值法擬合后能夠得到各種不同狀態(tài)下的探針U-I特性曲線，如圖7—圖11所示。

圖7 不同端部電壓下U-I特性曲線

圖8 不同溫度電壓下U-I特性曲線

圖9 不同濕度下U-I特性曲線

圖10 不同鹽密下U-I特性曲線

圖11 不同灰密下U-I特性曲線

2.2 發(fā)射光譜法

設(shè)絕緣子在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、憎水性HC1級(jí)、端電壓10 kV、溫度27 ℃、濕度80%RH、鹽密0.3 mg/cm2、灰密2 mg/cm2的情況下運(yùn)行時(shí)，得到的等離子體參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。

采用光譜儀錄得300～800 nm的發(fā)射光譜如圖12所示。選取Hα和Hβ2條譜線，根據(jù)式(4)、表1中數(shù)據(jù)，求得κTe=1.95 eV，與相同條件下朗繆爾探針?lè)ㄔ\斷結(jié)果κTe=1.76 eV相差10.8%。

圖12 電暈放電產(chǎn)生的活性粒子發(fā)射光譜

3 結(jié)論

用朗繆爾探針?lè)ㄅc發(fā)射光譜法對(duì)大氣條件下復(fù)合絕緣子端部電暈放電產(chǎn)生的等離子體參數(shù)分別進(jìn)行診斷分析，得到結(jié)論如下。

a.朗繆爾探針?lè)ㄔ囼?yàn)顯示，當(dāng)絕緣子運(yùn)行條件惡化(惡化是指絕緣子運(yùn)行條件向有利于閃絡(luò)的方向發(fā)展，包括但不限于其端部電壓攀升、溫濕度增加、污染程度加劇等)時(shí)，其端部電暈放電產(chǎn)生的等離子體參數(shù)均有擴(kuò)大趨勢(shì)，此擴(kuò)大趨勢(shì)對(duì)閃絡(luò)現(xiàn)象產(chǎn)生起到了推動(dòng)作用。根據(jù)不均勻等離子體輸運(yùn)原理相關(guān)敘述，其內(nèi)部粒子能夠通過(guò)擴(kuò)散的方式逐漸向低密度區(qū)域擴(kuò)散，且等離子體空間分布會(huì)隨著等離子體密度增大而變廣。因此等離子體密度增大導(dǎo)致空間電位升高，縮短了有效絕緣距離，造成絕緣性能下降。

b.由圖6可知，被測(cè)試樣的電子能量出現(xiàn)了偏離麥克斯韋分布的傾向，分析原因是由于電暈放電現(xiàn)象為非低溫平衡態(tài)的性質(zhì)決定的，測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[13]相符。

c.由圖7可知，當(dāng)端電壓升高到20 kV時(shí)，有間歇性的局部電弧出現(xiàn)，造成等離子體參數(shù)距離標(biāo)準(zhǔn)線有較大偏移。這說(shuō)明局部電弧的產(chǎn)生同樣為閃絡(luò)過(guò)程中的重要階段，需要更深入研究和探索。

d.利用發(fā)射光譜法得到的電子溫度與朗繆爾探針?lè)ǖ玫降慕Y(jié)果相差10.8%，2種方法的診斷結(jié)果相符，均可作為電暈放電產(chǎn)生等離子體的有效診斷方法。

e.朗繆爾探針?lè)ǖ恼`差主要來(lái)自探針本身和掃描電壓對(duì)于探針表面的二次電子發(fā)射；發(fā)射光譜法的誤差主要來(lái)自裝置本身。