绝缘子污闪的发生及发展

绝缘子污闪的发生及发展在线运行的绝缘子，在大气环境中，受到工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，表面逐渐沉积了一层污秽物。当遇到潮湿天气时，污层中的可溶性物质溶于水中，形成导电水膜，这样就有泄露电流沿绝缘子的表面流过，其大小主要取决于脏污程度和受潮程度。由于绝缘子的形状、结构尺寸等因素的影响，绝缘子表面各部位的电流密度不同，电流密度比较大的部位会先形成干区，干区的形成使得绝缘子表面电压的分布更加不均匀，干区承担较高的电压。当电场强度足够大时，将产生跨越干区的沿面放电，依脏污和受潮程度的不同，放电的类型可能是辉光放电、火花放电或产生局部电弧。局部电弧是一个间歇的放电过程，这种间歇的放电状态可能持续相当长时间，当脏污和潮湿状态严重时，局部电弧会逐步发展；当达到和超过临界状态时，电弧会贯穿两极，完成闪络。3.1污闪的发生污闪放电是一个涉及到电、热、和化学现象的错综复杂的变化过程，宏观上可将污闪过程分为以下4个阶段：1）绝缘子表面的积污2）绝缘子表面的湿润3）局部放电的产生4）局部电弧发展，完成闪络1）绝缘子表面的积污绝缘子表面沉积的污秽物，来源于该地域大气环境的污染，也受大气条件的自清洗（例如，风吹和雨淋），还与绝缘子本身的结构形状、表面光洁度等因素有着密切的关系。长期的运行经验表明，在城市工业区及大气污染较严重的地区绝缘子表面的积污也较多，工业规模愈大，对周围影响的范围也愈大。一般来说，距工业污染源愈愿，影响愈弱，绝缘子表面积污程度的表征量——等值附盐密度也减少。据重点工业城市对44条输电线路上绝缘子表面沉积污秽的盐度值统计，其值可用式（5-3）表示ESDD=Ae-BL（5-3）式中，ESDD为绝缘子表面污秽物等值附盐密度，mg/cm2;L为距污源的距离，A,B为常数。大气污染比较严重地区的浓雾，对绝缘子表面的污染也是明显的。研究表明，城市工业区的浓雾的雾水电导率可达200uS/cm左右，一次大雾可稳定地维持数小时。城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可达数百至1000Us/cm以上。大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。绝缘子表面污秽物的积聚，一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。微粒在绝缘子表面上的沉积，受风力、重力、电场力的作用，其中于风力对绝缘子表面积污起主要作用，因此，有风、无风及风大、风小均对微粒的沉积影响较大，也直接影响绝缘子上、下表面积污的差别以及带电与否对积污的影响。带电与否对绝缘子积污的影响，与地区的地理、气象等条件有很大关系，一般说来，如果污秽是急剧形成的（如风、海、雾），带电与否对积污的影响不大；如果污秽是缓慢积聚的，则带电与否有较大的影响，带电绝缘子的积污比带电绝缘子的积污要严重，在直流电压下绝缘子的积污比交流电压下绝缘子的积污要严重。另外，绝缘子表面的光洁度等也影响微粒在其表面的附着。因此，新的、光洁度良好的绝缘子与留有残余污秽的或者表面粗糙的绝缘子相比，其沉积污秽的状况是不同的。绝缘子表面的光洁度越高，越不沉积污秽。2）绝缘子表面的湿润大多数的污秽物在干燥状态下是不导电的，该状态下绝缘子放电电压和洁净干燥时非常接近。但是当这些污秽物吸水受潮时，在绝缘子表面就会形成一层导电水膜，污物中的电解质成分电离，在水溶液中以离子形态存在时，污秽面的电阻就变小，绝缘子的闪络电压明显降。污秽绝缘子表面的湿润由于小雨和雾等可直接产生，其他也可由相对湿度、绝缘子表面与周围空气的温差等而产生湿润。若相对湿度增高，表面上附着的电解质会吸湿，开始湿润。开始吸湿的相对湿度依电解质的种类而异，例如，食盐为75%左右，氯化镁约为35%，取决于电解质水溶液的饱和蒸汽压。另一方面，由于夜间的辐射冷却和暖气的流入等，绝缘子表面温度比周围的低，其表面附近的空气层的相对湿度上升，导致吸湿。当然，绝缘子表面的吸湿量随相对湿度、温差或附盐密度的增高而增大。闪络电压降低的程度与润湿污层的电导率有关，长期的运行经验表明，雾、露、毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电，其中雾的威胁性最大。华北电力科学研究院统计了1970—1983年华北地区110～220kV线路污闪跳闸的气象条件，其中大雾天气下的污闪占76.4％，毛毛雨占9.7％。这些气象条件之所以容易发生污闪，是因为它们能构使污层充分湿润，使污层中的电解质成分溶解，但又不使污层被冲洗掉。在这种条件下污层的电导率最大，污闪电压最低。露和雾一样也能使绝缘子的上下表面都湿润，是容易造成污闪的气象条件，污闪事故多发生在凌晨，这也与该时刻容易凝露有关。在埃及较干燥的沙漠地区曾发生由凝露引起的严重污闪事故。凝露气象条件对绝缘子污闪的影响是严重的，对此不可掉以轻心。近年来，凝露对室内10kv设备曾造成一连串的闪络事故，也应引起重视。毛毛雨一般仅仅能湿润绝缘子的上表面，在相同的条件下，一般污闪电压比浓雾条件高20％～30％。雨一般分为大雨、中雨和小雨。小雨时，雨点清晰可见，无漂浮现象，1h内的降水量可达2.5mm。大雨和中雨的水滴较大，雨滴的降落速度也较快，对染污绝缘子表面有冲洗的作用，净化绝缘子表面积污的作用较大，一般在大雨和中雨条件下发生污闪的可能较少。因此，一般地说，大雨不是污秽地区绝缘子运行的危险条件。然而，对于伞裙较密、伞伸出不长的棒形支柱绝缘子、套管等设备，特别时在久旱无雨积污较多又突然降大雨的条件下，大雨的情况下，又可能发生闪络。3）局部放电的产生在潮湿的气象条件下污秽绝缘子受潮湿润后，污秽物中的可溶物质会逐渐溶与水中，在绝缘子的表面会形成一层导电水膜。污秽中的不溶物质可起吸附水分的作用，形成水膜，构成了沿绝缘子表面导电的通路，从而有泄漏电流沿绝缘子表面流过。泄漏电流流过就产生焦耳热，其结果，在绝缘子表面上电流密度最大部分（例如在绝缘子的钢脚和铁帽附近，棒式支柱绝缘子的法兰交接处等）形成干区，干区具有很大的表面电阻，从而中断了泄漏电流，沿绝缘子表面的电压分布也随之发生变化。加在绝缘子两端的电压主要由干区分担，当干区某处的场强超过沿介质表面空气放电的临界场强时，该处就会发成沿面的局部放电。对于污秽面上产生的放电，可观测到有电弧放电、电晕放电、及辉光放电。电弧放电由电压降小的充分电离的等离子通道构成，肉眼可以观测到。另一方面，电晕放电和辉光放电是电离密度低的放电，由于电弧放电的加热，干区充分形成后容易产生。灯丝状的电晕放电是与前沿2~5s、持续时间100~300s的短时电流波形相对应，产生在电压峰值附近。然后，有时产生从电晕向电弧的转移。从这种现象至闪络或表面充分干燥后放电停止，取决于污秽量、湿润量、电压等条件。这种放电时不稳定的，呈间歇的脉冲状态。当放电火花熄灭时，泄漏电流的烘干作用几乎终止，大气的潮气会使干区重新湿润，从而在某场强较高处又会产生新的放电火花。放电火花出现的部位使随机的，在一支绝缘子上可能同时出现多个放电火花。这种间歇的沿面放电可持续相当长时间，但绝缘子发生闪络的危险性不大。随着使绝缘子受潮因素的减弱，这种放电现象会逐渐减弱，并最终消失。沿绝缘子表面流过的泄漏电流是不稳定的，泄漏电流的大小不仅取决于绝缘子脏污的程度及污秽物中的可溶物质，不溶物质影响也不能忽略。4）局部电弧发展，完成闪络如果绝缘子的脏污比较严重，绝缘子表面又充分受潮，再加上绝缘子的泄漏距离较小，绝缘子的湿污层的电阻较小，在这种条件下会出现较强烈的放电现象。此时跨越干区的放电形式为电弧放电，电弧呈树枝形状，放电通道中的温度可增高到热电离的程度。与这种放电形式相对应的泄漏电流脉冲值较大，可达数十或数百毫安，局部放电的小电弧越强烈，相应的泄漏电流值就越大。这种间歇脉冲状的放电现象的发生和发展也是随机的、不稳定的，在一定的条件下，局部电弧会逐步沿面伸展并最终完成闪络。对一串绝缘子而言，污闪过程基本如上所述，但有以一些特点：单个绝缘子表面的电压分布取决于整串绝缘子的状态，当其中某个绝缘子首先形成环状干区，跨越干区的电压将是整串绝缘子总电压中的一部分，所以较易发生跨越干区的局部电弧；只有当多个绝缘子均已形成环状干区，分在一个干区上的电压才会减少下来。流过某个绝缘子的泄漏电流，不仅取决于该绝缘子，而且取决于整串绝缘子在次时外绝缘变化的状态，它们互相关联，互相影响。当某个绝缘子的干区被局部电弧桥络时，原来加在该绝缘子上的较高的电压将转移到其他绝缘子上，电压分配的突变，犹如一个触发脉冲，会促使其他绝缘子产生跨越干区的电弧，甚至会迫使整串绝缘子一起串联放电。一旦所有绝缘子的干区都被电弧桥络，泄漏电流将决定于绝缘子串的剩余湿污层电阻，此时泄漏电流大增，强烈的放电有可能发展成整串绝缘子的闪络。3.2污闪特性污秽闪络现象的理论分析很早就有许多研究人员进行研究，在这里将具有代表性的奥本诺斯的研究做简单介绍。奥本诺斯（Obennaus）于20世纪50年代首先提出了表面电弧与剩余污层电阻相串联的污闪物理模型，如图5-1所示：污层电阻图5-1污闪的物理模型X—总长度，12Xxx；L—爬电距离；LX—剩余污层长度当外施电压为U时，电弧的持续方程如下：)(XIRAXUIn（5-4）其中，X为电弧长度；I为流过表面的电流；R(x)为电弧长度为X时的剩余污闪电阻；A，n为静态特性常数。上式中，InAX代表局部电弧的压降，为负伏安特性，压降随着电流的增大而减小；)(XIR代表剩余污层电阻上的压降，为正伏安特性，压降随电流的增大而增大。外施电压U为两者之和，如图5-2所示。对于某一电弧长度为X，必须有一外施电压的最小值Umin。若外施电压小于Umin，则电弧不能维持；若外施电压大于Umin，则电弧可以维持并向前延伸发展。最小维持电压Umin和电弧长X的关系如图5-3所示。当狐长Xc时，每增加弧长X，必须将外施电压相应增加U，否则电弧不能维持，弧长将缩回原长；当弧长大雨Xc时，即使外施电压不增加，电弧仍能自动延伸，直至贯通两端电极。I0UminUUcUminXcLX0图5—2污秽放电试品两端电压与电流关系图5—3最小维持电压Umin和弧长X的关系为简化分析，假设染污表面是一块长度为L的矩形玻璃板（如图5-2），板上污染均匀，每单位长度污层电阻为rc，板上电流分布也均匀，即)()(XLrXR。可以推导出，电弧发展的临界弧长Xc及污闪临界电压Uc为Xc=)1/(nL（5-5）Uc=111nnncLrA（5-6）式中，L为绝缘子的爬电距离；Xc为临界弧长；A，n为电弧常数。当外施电压U≥Uc时，便会发生闪络。第四节、电力线路防止污闪技术措施（李德超）我国在防治污闪方面做了大量的研究，已经有40多年的防污闪的历史。在电力系统中，造成电力设备发生污闪的原因是相当复杂的，它涉及电力设备外绝缘本身的耐污闪能力、当地的气象条件、环境的污染状况、现场运行维护管理水平，以及设备的制造质量、安装水平等许多因素。因此，防治污闪是个需综合治理的复杂问题。绝缘子表面受到污染和绝缘表面的污染物被湿润，是使绝缘子发生污闪的两个必备条件，缺少其中的任何一个条件，都可使污闪事故不发生。因此，针对任何一个因素采取对策，都可以达到防止污闪的目的。4.1加强绝缘1.加强绝缘加强绝缘，限制绝缘子泄露电流是针对作用电压而采取的防污闪方法，主要是可通过增加绝缘子的爬距和改善绝缘子的结构、材料（采用防污型绝缘子或符合绝缘子）来实现。（1）绝缘子的爬电比距一般来说，绝缘子的爬距越长，其耐污闪能力越高。应根据电力设备所在环境下的污秽和潮湿特征来选择绝缘子的爬距，越是脏污和潮湿的地区，爬电比距就越大，原电力部颁布了外绝缘污秽等级的划分标准，其目的就是为了确定不同污区对电力设备外绝缘的爬电比距的最低要求。电瓷外绝缘爬电比距的配置，应符合《部标》电瓷外绝缘所处地区污秽等级的要求。在未达到《部标》要求，需要调整时，应力求以电力系统安全经济运行为基础，同时也需要考虑我国国情及现实的可能性和经济性。因此是否需调优先加强绝缘、是否取相应的污秽等级规定的爬电比距的上限，应根据电力系统的实际情况，并分先后急缓，逐步调整到位。