蔣興良 王茂政 袁一鈞 張志勁 陳 宇

不均勻積污絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)特性

蔣興良1王茂政1袁一鈞2張志勁1陳 宇1

（1. 重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站 重慶 400044 2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院 長(zhǎng)沙 410007）

自然條件下，絕緣子呈現(xiàn)不均勻積污狀態(tài)，對(duì)絕緣子的雷電沖擊閃絡(luò)電壓有較大影響。為此，該文以XP-70和LXY-70絕緣子為研究對(duì)象，在重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站進(jìn)行不均勻積污絕緣子在預(yù)加交流電壓后的雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)，并對(duì)其閃絡(luò)特性進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不均勻積污條件下存在非常明顯的極性效應(yīng)，且出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在相同等值附鹽密度（ESDD）下，隨著不均勻積污比（/）的減小，預(yù)加交流電壓作用下的泄漏電流隨之減小，而絕緣子串的閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。此外，通過(guò)超高速攝像機(jī)拍攝的不均勻積污絕緣子的閃絡(luò)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，不均勻積污絕緣子下表面會(huì)率先形成非連續(xù)的局部電弧，局部電弧沿面快速發(fā)展最終導(dǎo)致閃絡(luò)。最后，建立了普通瓷絕緣子和玻璃絕緣子的雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度方程，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在±6.56%之內(nèi)。

不均勻積污 雷電沖擊 閃絡(luò)電壓梯度 預(yù)加交流電壓

0 引言

絕緣子污穢閃絡(luò)嚴(yán)重威脅著輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行[1]。在秋冬季節(jié)，一些重污穢地區(qū)的絕緣子由于缺少雨水的沖刷，表面積污嚴(yán)重。當(dāng)受到霧、露、毛毛雨等不利天氣的持續(xù)影響時(shí)，污穢絕緣子表面污層會(huì)因受潮濕潤(rùn)而呈現(xiàn)出導(dǎo)電性，大大降低絕緣子的電氣性能，使其無(wú)法滿(mǎn)足正常運(yùn)行電壓下的絕緣要求，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生閃絡(luò)甚至引發(fā)停電事故[2-4]。近年來(lái)，中國(guó)針對(duì)絕緣子污閃事故的防治做了很多努力，在一定程度上抑制了電網(wǎng)大規(guī)模污閃跳閘事件的發(fā)生，但在一些運(yùn)行電壓、雷電沖擊電壓和污穢共存的高濕度環(huán)境下，仍有污閃事故發(fā)生[5]。

以往的研究通常認(rèn)為，在雷電沖擊電壓作用下，絕緣子的電氣性能受污穢的影響程度很小。但根據(jù)實(shí)際的線(xiàn)路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，中國(guó)的華東、西南地區(qū)以及河南等地均有過(guò)污穢絕緣子因雷電沖擊電壓作用而發(fā)生閃絡(luò)的情況。近年來(lái)有學(xué)者的研究也證實(shí)了污穢絕緣子的耐雷電性能相較于清潔絕緣子更低[6]。

自然條件下，線(xiàn)路絕緣子受風(fēng)、雨水、電場(chǎng)等因素的影響普遍呈現(xiàn)出不均勻積污狀態(tài)，普通懸式絕緣子的上表面積污量（）與下表面積污量（）之比（/）一般在1:5～1:10之間，在某些特殊環(huán)境中/甚至可達(dá)到1: 20[7]。已有不少學(xué)者針對(duì)上、下表面污穢分布不均勻絕緣子的電氣性能展開(kāi)研究。

重慶大學(xué)通過(guò)對(duì)不均勻積污的瓷和玻璃絕緣子串開(kāi)展交流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上、下表面積污量之比/為1:15時(shí)，絕緣子串的50%交流污閃電壓相較于/為1:1時(shí)上升26%，并指出了污閃??電壓隨/的??減小而??升高的根本原因，即/的??減小會(huì)降低絕緣子的??等效??表面電導(dǎo)??率與臨界泄漏電流??[8-9]。美國(guó)電科院對(duì)不同積污比的絕緣子開(kāi)展了直流試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，絕緣子上、下表面的污穢分布越不均勻（即/越?。?，其直流污閃電壓越高[10]。

此外，也有不少學(xué)者對(duì)積污絕緣子的雷電沖擊閃絡(luò)特性進(jìn)行研究。武漢大學(xué)的黃文武、習(xí)文山等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，110 kV瓷絕緣子串的50%雷電沖擊污閃電壓會(huì)隨著等值附鹽密度（Equivalent Salt Deposit Density, ESDD）的增加近似按指數(shù)規(guī)律減小[11]。華中科技大學(xué)的張小福采用固體層法對(duì)2×LXY1-70絕緣子串進(jìn)行均勻污穢條件下的雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著污穢度的增加，絕緣子串的50%雷電沖擊污閃電壓也會(huì)逐漸降低，但當(dāng)絕緣子表面污穢增大到一定值后，其閃絡(luò)電壓將趨于定值[12]。

以上研究大多限于不均勻積污絕緣子的交、直流閃絡(luò)特性和均勻積污絕緣子的雷電沖擊閃絡(luò)特性。污穢絕緣子耐雷電性能相較于清潔絕緣子更低，并且在不均勻積污情況下，會(huì)加劇電場(chǎng)畸變，影響閃絡(luò)電壓。但不均勻積污絕緣子的雷電閃絡(luò)特性及機(jī)理均不夠明確，尚未有統(tǒng)一的解釋?zhuān)枳鲞M(jìn)一步的探究。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文以XP-70和LXY-70兩種懸式絕緣子為例，在重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站對(duì)上、下表面不均勻積污的絕緣子在預(yù)加交流電壓后開(kāi)展雷電沖擊閃絡(luò)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可為復(fù)雜極端環(huán)境下的輸電線(xiàn)路外絕緣設(shè)計(jì)提供理論支持，對(duì)線(xiàn)路的防污閃工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試品、試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試品

本文選用7片XP-70和LXY-70絕緣子作為研究對(duì)象。XP-70和LXY-70絕緣子的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。表1中，為絕緣子結(jié)構(gòu)高度，為盤(pán)徑，為爬電距離，T、B分別為絕緣子上、下表面面積。

圖1 試驗(yàn)絕緣子結(jié)構(gòu)

表1 試驗(yàn)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Structural parameters of test insulators

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在如圖2所示的重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站完成。試驗(yàn)過(guò)程中，沖擊電壓發(fā)生器的級(jí)數(shù)選用7級(jí)，最高可輸出電壓為±1 400 kV，產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波頭、波尾時(shí)間分別在1.12～1.25 μs、44～52 μs之間，波形參數(shù)在《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》[13]的允許范圍內(nèi)。交流電壓發(fā)生器額定容量為1 000 kV·A，最大輸出電壓為500 kV，最大允許通過(guò)電流為75 A，短路阻抗低于6%，電壓波形畸變率低于3%，滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)[14]和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]要求。

圖2 重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站

試驗(yàn)原理如圖3所示。圖中1為交流電壓發(fā)生系統(tǒng)，2為雷電沖擊電壓發(fā)生系統(tǒng)，T為調(diào)壓器，T1為交流試驗(yàn)變壓器，T2為380 kV/120 kV充電變壓器，F(xiàn)1為交流分壓器，F(xiàn)2為沖擊分壓器，0為保護(hù)電阻，1為充電電阻，VD1、VD2為高壓硅堆，1、2分別為波頭、波尾電阻，g為球隙，0為充電電容，I為試品絕緣子串，SAC為交流回路開(kāi)關(guān)，SIM為沖擊回路開(kāi)關(guān)，為1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，G0為保護(hù)放電管。

圖3 試驗(yàn)原理

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開(kāi)始前，用溫水洗去所有樣品表面的污穢和油跡，然后自然晾干至少25 h。試驗(yàn)中采用的涂污方法為濕污法[12]，也稱(chēng)定量涂刷法，即根據(jù)試品所需染污的鹽密、灰密及絕緣子的表面積，計(jì)算出每只試品所需的氯化鈉和硅藻土質(zhì)量，并用1/1 000電子天平稱(chēng)取后混合，然后加上適量的蒸餾水，將其放在小瓷碗中攪拌均勻后，全部均勻地涂刷到試品絕緣子表面上。用硅藻土和氯化鈉模擬污穢物中的惰性成分和導(dǎo)電成分。附灰密度（Non-Soluble Deposit Density, NSDD）與等值附鹽密度（ESDD）之比為6[16]。

自然條件下，輸電線(xiàn)路絕緣子的上、下表面通常呈現(xiàn)出不均勻積污狀態(tài)，且由于上表面易受雨水的沖刷作用，一般積污情況要輕于下表面，如圖4所示。

圖4 雪峰山試驗(yàn)基地中自然積污的輸電線(xiàn)路絕緣子

為模擬自然條件下絕緣子的不均勻積污狀態(tài)，探究不均勻積污對(duì)絕緣子電氣性能的影響。試驗(yàn)中采用對(duì)絕緣子上、下表面分開(kāi)涂污的方式。通過(guò)保持絕緣子全表面總氯化鈉的量不變，只改變上、下表面鹽密比值的方法來(lái)模擬自然條件下的不同積污比，實(shí)際涂刷效果如圖5所示。

圖5 LXY-70絕緣子上、下表面不均勻染污涂刷效果

本文采用的染污方法參考IEC標(biāo)準(zhǔn)[14]、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]及IEEE標(biāo)準(zhǔn)[17]，涂刷后絕緣子表面的污穢滿(mǎn)足規(guī)定的人工污穢標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中，ESDD、ESDDT、T、ESDDB、B和不均勻積污比/滿(mǎn)足條件[18]為

式中，ESDDT、ESDDB分別為絕緣子上、下表面的鹽密值，mg/cm2。

預(yù)加交流電壓的主要作用是確保污閃試驗(yàn)時(shí)，絕緣子表面能充分形成干燥帶，以達(dá)到破壞濕污層連續(xù)性的效果。在交流耐壓的過(guò)程中，絕緣子表面的放電現(xiàn)象會(huì)隨著耐壓時(shí)間的增加逐漸變?nèi)?，泄漏電流的幅值也?huì)慢慢趨于穩(wěn)定值，而從開(kāi)始加壓到最終穩(wěn)定這一過(guò)程通常需要2 min左右，這也是目前大部分污穢試驗(yàn)所采用的加壓時(shí)長(zhǎng)。本文試驗(yàn)為保證預(yù)加的效果，選擇在泄漏電流趨于穩(wěn)定后繼續(xù)加壓1 min，即采用3 min作為預(yù)加交流電壓的時(shí)間。

試驗(yàn)布置完成后，斷開(kāi)SIM，閉合SAC，按 10 kV/片的標(biāo)準(zhǔn)[19]對(duì)絕緣子串施加70 kV的交流電壓；3 min之后，斷開(kāi)SAC，并立即閉合SIM，進(jìn)行雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)。

本文采用升降法作為試驗(yàn)加壓方法[16]，如圖6所示。試驗(yàn)中，電壓級(jí)差Δ設(shè)定為預(yù)計(jì)50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓50%的3%，并進(jìn)行20次有效試驗(yàn)。50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓50%和標(biāo)準(zhǔn)偏差[20-24]分別為

式中，Ui為第i次加壓時(shí)的沖擊電壓試驗(yàn)值；m為有效加壓次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

按照1.3節(jié)的試驗(yàn)方法對(duì)XP-70和LXY-70絕緣子串在預(yù)加交流電壓后進(jìn)行雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 正極性雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Positive polarity lightning impulse flashover test results

表3 負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Negative polarity lightning impulse flashover test results

所有試驗(yàn)結(jié)果的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.97%，并且兩類(lèi)試驗(yàn)絕緣子串的負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差普遍高于正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差。本文試驗(yàn)測(cè)得的閃絡(luò)電壓分散度較小，這意味著本文的試驗(yàn)方法是可行的。

試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出非常明顯的極性效應(yīng)，并且出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當(dāng)/為1:1時(shí)，絕緣子串的負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓；當(dāng)/為1:8和1:15時(shí)，絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓。

相同/值下，隨著ESDD的增加，絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且/的值越小，絕緣子串雷電沖擊閃絡(luò)電壓隨ESDD增加而下降的幅度越小。以L(fǎng)XY-70絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓為例，/為1:1時(shí)，隨著ESDD的增加，50%從415.61 kV下降到336.68 kV，下降了18.99%；/為1:8時(shí)，隨著ESDD的增加，50%從419.87 kV下降到347.89 kV，下降了17.14%；/為1:15時(shí)，隨著ESDD的增加，50%從430.13 kV下降到357.45 kV，下降了16.90%。此外，隨著ESDD的增加，XP-70絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓下降幅度低于LXY-70絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓下降幅度。正極性雷電沖擊電壓下，當(dāng)/為1:8時(shí)，隨著ESDD的增加，XP-70絕緣子串的50%從435.53 kV下降到368.16 kV，下降了15.47%；LXY-70絕緣子串的50%從419.87 kV下降到347.89 kV，下降了17.14%。

在相同ESDD的值下，隨著/的減小，絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓較負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的上升幅度更大。以XP-70絕緣子串為例，ESDD為0.05 mg/cm2時(shí)，隨著/的減小，絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓從428.31 kV上升到442.95 kV，上升了3.42%；負(fù)極性操作沖擊閃絡(luò)電壓從430.56 kV上升到438.91 kV，上升了1.94%。

2.2 不均勻積污比T/B對(duì)泄漏電流的影響

積污絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)電壓與其表面污層電導(dǎo)率有關(guān)，不均勻積污將影響絕緣子表面等效電導(dǎo)率，進(jìn)而影響其閃絡(luò)電壓[19]。

絕緣子表面的平均電導(dǎo)率與ESDD之間成正比，因此，根據(jù)式（1）可以得出

式中，T和B分別為絕緣子上、下表面電導(dǎo)率。

絕緣子表面的等效電導(dǎo)率eq滿(mǎn)足

式中，為絕緣子的表面電導(dǎo)；為形狀因子；為表面電阻。

不均勻絕緣子上、下表面電阻T、B滿(mǎn)足串聯(lián)關(guān)系，總電阻為

根據(jù)式（4）和式（5）可以得到不均勻積污絕緣子表面的等效電導(dǎo)率2為

式中，T和B分別為絕緣子上、下表面的形狀因子。、T和B三者滿(mǎn)足關(guān)系[25]為

式中，d為爬距的增量長(zhǎng)度；()為微段d處的外絕緣直徑。

均勻積污絕緣子表面的等效電導(dǎo)率1等于其表面的平均電導(dǎo)率。因此，根據(jù)式（3）和式（6），可以得到均勻積污絕緣子表面的等效電導(dǎo)率1與不均勻積污絕緣子表面的等效電導(dǎo)率2的比值為

以XP-70絕緣子為例，其上、下表面面積之比T/B為0.735，按式（7）計(jì)算得到、T和B分別為0.82、0.34、0.48。再根據(jù)式（8）計(jì)算，當(dāng)/分別為1:1、1:8和1:15時(shí)，1/2分別為1、2.46和4.11。

可以看出，在ESDD相同時(shí)，1/2隨著/的減小而增大，即/越小，絕緣子表面的等效電導(dǎo)率越小。由于在預(yù)加交流電壓作用下，泄漏電流與絕緣子表面的等效電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，因此相較于不均勻積污絕緣子串，均勻積污絕緣子串的泄漏電流更大，這也與本文測(cè)得的在ESDD為0.08 mg/cm2時(shí)，XP-70絕緣子串在積污比為1:1，1:8和1:15時(shí)的泄漏電流變化情況相同。XP-70絕緣子串預(yù)加交流電壓時(shí)的泄漏電流如圖7所示。

在相同ESDD下，隨著/的增大，預(yù)加交流電壓作用下的泄漏電流也隨之增大，使得絕緣子表面濕污層內(nèi)的水分蒸發(fā)，形成的局部干帶增多，干帶的面積占比由/為1:15時(shí)的不到5%，增加到/為1:1時(shí)的接近20%。

2.3 T/B和ESDD對(duì)雷電沖擊閃絡(luò)電壓U50%的影響

50%、/和ESDD滿(mǎn)足關(guān)系式[19]為

式中，為與絕緣子的結(jié)構(gòu)、材料和大氣環(huán)境等有關(guān)的系數(shù)；為絕緣子積污特征指數(shù)；為與絕緣子結(jié)構(gòu)、材料和積污不均勻性等有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)式（9）對(duì)雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)得到的50%、/和ESDD進(jìn)行非線(xiàn)性曲面擬合，得到的擬合曲面參數(shù)見(jiàn)表4，擬合曲面如圖8和圖9所示。

由表4可知所有擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)2均大于0.95，這表明兩類(lèi)絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓50%、/和ESDD之間的關(guān)系符合式（9）。

表4 擬合曲面參數(shù)

Tab.4 Fitting surface parameters

圖8 正極性雷電沖擊電壓下U50%、T/B和ESDD的擬合曲面

系數(shù)與絕緣子結(jié)構(gòu)和材料等因素有關(guān)，的值越大表示絕緣子耐受雷電沖擊電壓性能越好。從表4可以看出，XP-70瓷絕緣子串和LXY-70玻璃絕緣子串的值相差不大，前者略大于后者。這是因?yàn)閮深?lèi)絕緣子的盤(pán)徑和結(jié)構(gòu)高度都相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和爬電距離也都相近，所以其雷電沖擊電壓耐受性能接近。

為絕緣子積污特征指數(shù)，值越大表示絕緣子的50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓受積污影響越大。LXY-70玻璃絕緣子串的值均大于XP-70瓷絕緣子串的值，這表明玻璃絕緣子受積污影響大于瓷絕緣子。符合2.1節(jié)闡述的隨著ESDD的增加，XP-70絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓下降幅度低于LXY-70絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓下降幅度。

系數(shù)與絕緣子結(jié)構(gòu)、材料和積污不均勻性等有關(guān)，值越大就表示絕緣子受不均勻積污比影響越大。兩類(lèi)絕緣子串的正極性雷電沖擊電壓下的值均大于負(fù)極性雷電沖擊電壓下的值，這表明絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓受不均勻積污比的影響更大。也恰好符合2.1節(jié)闡述的隨著不均勻積污比/的減小，絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓較負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的上升幅度更大。

2.4 不均勻積污絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)過(guò)程

本文采用超高速攝像機(jī)，曝光時(shí)間設(shè)置為10 μs，幀數(shù)設(shè)置為90 000，曝光度設(shè)置為5，對(duì)XP-70絕緣子串在ESDD為0.08 mg/cm2、/為1:8時(shí)的雷電沖擊閃絡(luò)過(guò)程進(jìn)行了拍攝，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不均勻積污絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)過(guò)程

如圖10所示，閃絡(luò)前的絕緣子表面存在許多非連續(xù)性的局部電弧，非連續(xù)性的局部電弧均在絕緣子的下表面形成，隨著時(shí)間的發(fā)展，穩(wěn)定的局部電弧快速發(fā)展最終導(dǎo)致閃絡(luò)。此外，不均勻積污絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電弧幾乎都是沿面閃絡(luò)，這與文獻(xiàn)[12, 26]中的發(fā)現(xiàn)一致。

由于絕緣子上表面的盤(pán)徑大，鋼帽處的電流密度小于鋼腳處，在交流電壓下，不容易烘干形成干帶。不均勻積污絕緣子的上表面污穢量少、電阻大，產(chǎn)生的微弱電弧也難以發(fā)展；相反，下表面電流密度大，會(huì)率先出現(xiàn)干燥帶，雷電沖擊電壓集中在干燥帶兩端，擊穿干燥帶形成穩(wěn)定電弧，并快速發(fā)展最終導(dǎo)致閃絡(luò)。

進(jìn)一步地分析，當(dāng)/為1:8和1:15時(shí)，出現(xiàn)絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

負(fù)極性雷電沖擊電壓作用時(shí)，絕緣子下表面形成的電弧是負(fù)極性電弧，其引發(fā)的污閃為負(fù)極性污閃；正極性雷電沖擊電壓作用時(shí)，絕緣子下表面形成的電弧是正極性電弧，其引發(fā)的污閃為正極性污閃?；谪?fù)極性電弧金屬陰極材料的強(qiáng)電子發(fā)射能力[19]，會(huì)造成負(fù)極性污閃電壓低于正極性污閃電壓。故而，當(dāng)/為1:8和1:15時(shí)，絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓。

3 雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度計(jì)算

本文提出雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度50%[16]，并對(duì)其進(jìn)行定義，定義式為

式中，為絕緣子片數(shù)。

根據(jù)表4的擬合曲面參數(shù)、式（9）和式（10），得到瓷絕緣子和玻璃絕緣子的正極性50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度，如式（11）所示，以及負(fù)極性50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度，如式（12）所示。

為驗(yàn)證式（11）和式（12）的準(zhǔn)確性，本文對(duì)瓷絕緣子串XP-100、XP-120，以及玻璃絕緣子串LXY-100、LXY-120進(jìn)行試驗(yàn)，得到計(jì)算值和試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差見(jiàn)表5和表6。

表5 正極性雷電沖擊電壓下計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差

Tab.5 Relative errors between calculated and tested values under positive polarity lightning impulse voltage

表6 負(fù)極性雷電沖擊電壓下計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差

Tab.6 Relative errors between calculated and tested values under negative polarity lightning impulse voltage

由表5和表6可見(jiàn)，雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度50%的計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差均在±6.56%以?xún)?nèi)，而IEC/IC28推薦的統(tǒng)一平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為10%[19]，這表明本文建立的普通瓷和玻璃懸式絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度方程是合適的，其相對(duì)誤差在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文對(duì)7片XP-70和LXY-70絕緣子在重慶大學(xué)雪峰山能源裝備安全國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站進(jìn)行預(yù)加交流電壓后的雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出非常明顯的極性效應(yīng)，并且出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當(dāng)/為1:1時(shí)，絕緣子串的負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓；當(dāng)/為1:8和1:15時(shí)，絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓高于負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓。

2）在相同ESDD下，隨著/的增大，預(yù)加交流電壓作用下的泄漏電流也隨之增大，使得絕緣子表面濕污層內(nèi)的水分蒸發(fā)，形成的局部干帶增多，干帶的面積占比由/為1:15時(shí)的不到5%，增加到/為1:1時(shí)的接近20%。此外，隨著/的減小，絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且絕緣子串的正極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓較負(fù)極性雷電沖擊閃絡(luò)電壓的上升幅度更大。

3）絕緣子上表面的盤(pán)徑大，預(yù)加交流電壓時(shí)，鋼帽處的電流密度小于鋼腳處，下表面會(huì)率先出現(xiàn)干燥帶；雷電沖擊電壓作用時(shí)，絕緣子下表面先形成非連續(xù)的局部電弧，穩(wěn)定的局部電弧沿面快速發(fā)展，最后導(dǎo)致閃絡(luò)。

4）建立普通瓷和玻璃懸式絕緣子串的雷電沖擊閃絡(luò)電壓梯度方程，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在±6.56%以?xún)?nèi)。

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Lightning Impulse Flashover Performance of Non-Uniform Pollution Insulators

Jiang Xingliang1Wang Maozheng1Yuan Yijun2Zhang Zhijin1Chen Yu1

（1. Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute Changsha 410007 China）

Flashover of pollution insulators is a serious threat to the safe operation of transmission lines, and most existing researches are limited to the AC and DC flashover performance of non-uniform pollution insulators and the lightning impulse flashover performance of uniform pollution insulators. The lightning resistance of pollution insulators is lower than that of clean insulators, and under natural conditions, insulators show non-uniform pollution state, which exacerbates the electric field distortion and has a greater impact on the flashover voltage. To address the shortcomings of existing researches, this paper carries out lightning impulse flashover tests on 7 pieces of XP-70 and LXY-70 suspension insulators with non-uniform pollution top and bottom surfaces after preloading AC voltage in Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University.

Firstly, the inert and conductive components of pollution are simulated using diatomaceous earth and sodium chloride, and the ratio of non-soluble deposit density (NSDD) to equivalent salt deposit density (ESDD) on the surface of insulators is maintained at 6. The top and bottom surfaces of insulators are coated separately using a quantitative painting method, and different non-uniform pollution accumulation ratios (/) are simulated by keeping the total amount of sodium chloride on the surface of insulators constant and only changing the salt density ratio on the top and bottom surfaces of insulators. After the test arrangements are complete, the lightning impulse circuit switch is disconnected, and the AC circuit switch is closed and preloading AC 70 kV voltage to insulators. After 3 minutes of preloading AC voltage, the AC circuit switch is disconnected and the lightning impulse circuit switch is immediately closed. The up and down method is used as the test voltage addition method, and the voltage step is set at about 3% of the expected lightning impulse flashover voltage50%and 20 valid tests are conducted on the same sample.

The results show a very obvious polarity effect and a polarity reversal phenomenon. When the/is 1:1, the negative polarity lightning impulse flashover voltage of insulators is higher than the positive polarity lightning impulse flashover voltage; when the/is 1:8 and 1:15, the positive polarity lightning impulse flashover voltage of insulators is higher than the negative polarity lightning impulse flashover voltage. At the same value of ESDD, as/decreases, the leakage current under preloading AC voltage is also reduced, while the lightning impulse flashover voltage of insulators shows an increasing trend, and the positive polarity lightning impulse flashover voltage of insulators increases more than the negative polarity lightning impulse flashover voltage.

In addition, an ultra-high speed camera with an exposure time of 10 μs, a frame rate of90 000 and an exposure of 5 is used to film the flashover process of the XP-70 insulators at an ESDD of 0.08 mg/cm2and a/of 1:8. The filmed flashover process shows that many discontinuous local arcs exist on the surface of insulators before flashover and the discontinuous local arcs are all formed on the bottom surface of insulators. As time progresses, the stable local arcs develop rapidly along the surface of insulators and eventually lead to a flashover. Finally, according to the form of lightning impulse flashover of non-uniform pollution insulators, the equations of lightning impulse flashover voltage gradient for ordinary porcelain and glass suspension insulators are established and verified, with the verification results showing that the relative errors between the calculated values and the test values of XP-100, XP-120, LXY-100 and LXY-120 insulators are within ±6.56%.

Non-uniform pollution, lightning impulse, flashover voltage gradient, preloading AC voltage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221644

TM216

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（51637002）。

2022-08-29

2022-10-07

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檩旊娋€(xiàn)路覆冰災(zāi)害防護(hù)與高電壓絕緣技術(shù)。E-mail：xljiang@cqu.edu.cn

王茂政 男，1997年生，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜大氣環(huán)境下輸電線(xiàn)路外絕緣及防護(hù)。E-mail：wangmaozheng@cqu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）