劉云蔚，劉于新，余龍龍，桑建平

（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安710077）

空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子空氣中沖擊擊穿特性的研究

劉云蔚，劉于新，余龍龍，桑建平

（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安710077）

快波前沖擊過(guò)電壓對(duì)輸電線路用盤(pán)形懸式瓷絕緣子危害較大，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20642-2006《高壓線路絕緣子空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)》，對(duì)盤(pán)形懸式瓷絕緣子中的空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子進(jìn)行了50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓和陡波試驗(yàn)，并與鐘罩型瓷絕緣子進(jìn)行了比對(duì)研究；研究了瓷絕緣子的形狀及大氣相對(duì)濕度對(duì)閃絡(luò)電壓的影響。試驗(yàn)表明：空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓較鐘罩型瓷絕緣子低；空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子在規(guī)定的試驗(yàn)電壓下，波前 （放電）時(shí)間不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)，當(dāng)大氣相對(duì)濕度較大時(shí)，會(huì)對(duì)瓷絕緣子陡波試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

快波前沖擊；50%雷電沖擊閃絡(luò)；陡波；空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子；波前 （放電）時(shí)間

0 前言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，輸電線路逐步擴(kuò)展延伸，輸電電壓的等級(jí)不斷提高。作為輸電線路重要的絕緣部件——懸式瓷絕緣子，其耐雷電沖擊性能也越來(lái)越受到關(guān)注和重視。實(shí)際運(yùn)行觀測(cè)表明：架空線路用盤(pán)形懸式瓷絕緣子，在遭受雷擊時(shí)，有一部分陡度陡的沖擊過(guò)電壓，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致絕緣子內(nèi)部絕緣擊穿，甚至引起掉線事故。對(duì)于這種危害極大的沖擊過(guò)電壓，稱(chēng)之為陡波沖擊電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)陡波[1-3]。

一些重要電力用戶方已將160 kN及以上強(qiáng)度等級(jí)的絕緣子陡波試驗(yàn)列為必試項(xiàng)目[4]。

筆者在依據(jù)GB/T 20642，對(duì)結(jié)構(gòu)較為特殊的懸式瓷絕緣子——空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子進(jìn)行陡波試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓下，試品經(jīng)常提前發(fā)生閃絡(luò)，波前時(shí)間縮短前移，通常無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)波前時(shí)間范圍的要求。

針對(duì)此現(xiàn)象，筆者對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子的陡波試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，并選取鐘罩型瓷絕緣子進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備由CDY-1200/22.5的1 200 kV沖擊電壓發(fā)生器、陡化間隙及600 kV陡波分壓器組成。陡化球隙球體的直徑為215 mm。采用TDS520數(shù)字示波器進(jìn)行波形采集。見(jiàn)圖1。

圖1 陡波試驗(yàn)回路原理圖Fig.1 Circuit schematic diagram of steep wave test

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20642：試驗(yàn)中應(yīng)采用一個(gè)單調(diào)上升、并由試品閃絡(luò)截?cái)嗟臎_擊電壓，對(duì)波前的線性度不做要求。其波前時(shí)間一般在100 ns～200 ns之間。試驗(yàn)電壓以標(biāo)幺值（p.u.）來(lái)表示，即試驗(yàn)電壓與單只絕緣子U50的比值。對(duì)于盤(pán)形懸式瓷絕緣子，其試驗(yàn)電壓應(yīng)不小于2.8 p.u.，并允許有+10%的幅值偏差[5-7]。

標(biāo)幺值p.u.是由負(fù)極性下絕緣子串的雷電閃絡(luò)電壓-U50除以總片數(shù)得到的。

2 空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子沖擊擊穿特性研究

2.1 絕緣子雷電閃絡(luò)電壓研究

本研究選用鐘罩型和空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子，如圖2所示。

不同型式的絕緣子形狀存在一定差異，本研究選取空氣動(dòng)力學(xué)型和鐘罩型絕緣子各三種規(guī)格，進(jìn)行了50%雷電沖擊負(fù)極性5片串（-U50）電壓試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定了絕緣子單片負(fù)極性50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓（-U單）[8]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，圖3。

表1 絕緣子-U50電壓值與-U單關(guān)系表Table 1 Relationship of-U50voltage and-U單

由上可知：

圖2 試品結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of samples

空氣動(dòng)力學(xué)型：

鐘罩型：

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓為2.8 p.u.，由式（1）和式（2）可得出：

空氣動(dòng)力學(xué)型：2.8 p.u.≈2.8（-U單）

鐘罩型：2.8 p.u.≈1.95（-U單）

可以看出：空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子在進(jìn)行陡波試驗(yàn)時(shí)，其承受電壓約為單片閃絡(luò)電壓的2.8倍，即其陡波倍數(shù)為2.8倍。而鐘罩型絕緣子僅為1.95倍。對(duì)于單片閃絡(luò)電壓U單，空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子實(shí)際承受的電壓倍數(shù)較高，即陡度較大，更容易發(fā)生閃絡(luò)。

2.2 絕緣子陡波試驗(yàn)研究

在相同試驗(yàn)條件下，分別對(duì)以上兩種絕緣子進(jìn)行陡波試驗(yàn)。

兩種型式絕緣子陡波典型示波圖見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪表見(jiàn)表2。

其中，實(shí)際p.u.倍數(shù)M=Up/U單。

取實(shí)際p.u.倍數(shù)M和波前時(shí)間t1，繪制趨勢(shì)圖如下：

由圖5可以看出，空氣動(dòng)力學(xué)型和鐘罩型絕緣子波前時(shí)間t1與實(shí)際p.u.倍數(shù)M曲線呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，可表達(dá)為

圖3 空氣動(dòng)力學(xué)型和鐘罩型絕緣子單片、5片串-U50典型示波圖Fig.3 U50Typical oscillogram of single and 5 pieces of aerodynamic and bell-jar insulators strings

表2 施加電壓和波前時(shí)間t1關(guān)系表Table 2 Relationship of voltage and wave front time t1

其中A、B、C為系數(shù)，各種型式下取值不一樣。鐘罩型絕緣子的波前時(shí)間t1大多集中在冪函數(shù)的左半段。在進(jìn)行陡波電壓時(shí)，實(shí)際p.u.倍數(shù)M為1.95。波前時(shí)間t1在100 ns～200 ns之間，滿足試驗(yàn)要求。而空氣動(dòng)力學(xué)型波前時(shí)間t1大多集中在冪函數(shù)的右半段，在實(shí)際p.u.倍數(shù)M為2.8時(shí)，其波前時(shí)間t1低于100 ns，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。適當(dāng)降低陡度，即p.u.倍數(shù)M，能保證試品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波前時(shí)間內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)。

圖4 兩種型式絕緣子陡波典型示波圖Fig.4 The steep wave typical oscillograms of two types insulators

圖5 波前時(shí)間t1和實(shí)際p.u.倍數(shù)M關(guān)系圖Fig.5 Relationship of wave front time t1and actual p.u.multiple M

同時(shí)，在實(shí)際p.u.倍數(shù)M相同的情況下，空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子波前時(shí)間t1明顯低于鐘罩型絕緣子，說(shuō)明了空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子實(shí)際承受的電壓倍數(shù)較高，其波前時(shí)間t1較鐘罩型絕緣子短。

2.3 相對(duì)濕度對(duì)閃絡(luò)電壓的影響

選取一只120 kN空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子，在不同環(huán)境下對(duì)其施加1.6 p.u.的陡波試驗(yàn)電壓，每種環(huán)境下正、負(fù)極性各進(jìn)行10次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

表3 不同試驗(yàn)環(huán)境下空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子波前時(shí)間t1變化Table 3 The change of the time t1of the aerodynamic insulator under different test conditions

其中，T：試驗(yàn)室環(huán)境干球溫度；P：大氣壓；RH：相對(duì)濕度。

相對(duì)濕度60%時(shí)典型示波圖見(jiàn)圖6：

表3中環(huán)境干溫為14.3℃～14.6℃、大氣壓為97.6 kPa～97.9 kPa，變化不大。取變化較大的相對(duì)濕度為橫坐標(biāo)，波前時(shí)間t1為縱坐標(biāo)，得出圖7。

上圖表明：在施加電壓大約為1.6 p.u.時(shí)，負(fù)極性陡波波前時(shí)間t1在相對(duì)濕度增加時(shí)基本保持不變，而正極性隨相對(duì)濕度的增加而減小。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通常情況下，絕緣子試品的實(shí)際閃絡(luò)電壓Uf可表達(dá)為：

其中，U0：閃絡(luò)起始電壓，經(jīng)驗(yàn)公式為[9-10]

圖6 相對(duì)濕度60%空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子陡波示波圖Fig.6 The steep wave oscillogram of Aerodynamic insulator under 60%relative humidity

圖7 相對(duì)濕度與波前時(shí)間t1關(guān)系圖Fig.7 Relationship of relative humidity and wave front time t1

s：電壓陡度；τ：閃絡(luò)的放電時(shí)延；C0：絕緣子單位面積的電容；k：常數(shù)。

研究表明：

電壓陡度s與設(shè)備輸出電壓有關(guān)，會(huì)隨著電壓的升高而增大。

放電時(shí)延τ隨著電壓的升高而減小，當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)，τ將接近于一個(gè)穩(wěn)定的值[11]。

由式（4）和式（5）可以看出：絕緣子的實(shí)際閃絡(luò)電壓Uf會(huì)受絕緣子單位面積的電容C0的影響，而C0與絕緣子的形狀（即實(shí)際閃絡(luò)路徑）及大氣相對(duì)濕度等有關(guān)。

絕緣子串的實(shí)際閃絡(luò)路徑可分解成d1、d2、d3、d4四個(gè)部分，如圖8所示。

圖8 絕緣子串的實(shí)際閃絡(luò)電弧路徑Fig.8 Actual flashover arc path of insulator strings

其中d1為絕緣子瓷面閃絡(luò)路徑；d2為絕緣子側(cè)面閃絡(luò)路徑；d3為兩片絕緣子之間的閃絡(luò)路徑；d4為絕緣子底部閃絡(luò)路徑。根據(jù)圖示，絕緣子串-U50閃絡(luò)路徑D實(shí)際為：

2 片串時(shí)：D=d1+2d2+（2-1）d3+d4

3 片串時(shí)：D=d1+3d2+（3-1）d3+d4

4 片串時(shí)：D=d1+4d2+（4-1）d3+d4

可推導(dǎo)出：

由此得出，閃絡(luò)路徑與絕緣子串片數(shù)n呈線性關(guān)系。

但空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子外形特殊，其閃絡(luò)路徑如圖9所示。

圖9 空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子閃絡(luò)路徑Fig.9 Flashover path of aerodynamic insulators

可以看出，空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子沒(méi)有側(cè)面放電路徑，即d2=0。

由式（6）可知，實(shí)際放電路徑D隨串片數(shù)增加線性增加。其中，空氣動(dòng)力學(xué)型僅沿瓷面，而其它型式絕緣子是瓷面與空氣間隙的混合路徑。

因此，即使盤(pán)徑及結(jié)構(gòu)高度相同，由于空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子的放電路徑不存在空氣間隙，其沖擊電壓耐受能力較其它型式絕緣子弱，沖擊擊穿電壓較低。試驗(yàn)表明：空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子的陡波沖擊電壓耐受能力與雷電沖擊電壓耐受能力較為接近。這是由于：絕緣子瓷件表面粗糙，使得表面電阻分布不均勻，容易引起電場(chǎng)畸變；同時(shí)，瓷件表面吸附空氣中的水分形成水膜，導(dǎo)電性能增加，絕緣特性降低。因此，空氣動(dòng)力學(xué)型瓷絕緣子極易在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.8倍p.u.陡波電壓下發(fā)生閃絡(luò)[12-14]。

大氣相對(duì)濕度對(duì)正、負(fù)極性下的絕緣子陡波放電時(shí)間的影響不同，是由于正、負(fù)極性下其法向電場(chǎng)的方向不同造成的。

在正極性下，空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子表面隨濕度增大釋放電子，在法向電場(chǎng)作用下發(fā)展成為電子崩而匯入放電的主通道，增加了主通道的導(dǎo)電性，并使其通道壓降減小，更容易發(fā)生閃絡(luò)，致使波前時(shí)間t1縮短。

在負(fù)極性下，法向電場(chǎng)的方向與正極性正好相反，表面隨濕度增大不會(huì)釋放電子至主放電通道，閃絡(luò)電壓保持不變，所以波前時(shí)間t1基本沒(méi)有變化[15-16]。

由于相對(duì)濕度會(huì)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子陡波試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，不宜進(jìn)行陡波試驗(yàn)。

3 結(jié)論

針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子進(jìn)行了陡波試驗(yàn)，研究了電壓峰值、波前時(shí)間、濕度等因素，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析，得出了以下結(jié)論。

1）空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子實(shí)際能承受的沖擊電壓較低，使其在進(jìn)行陡波試驗(yàn)時(shí)，常在規(guī)定的試驗(yàn)電壓下提前發(fā)生沿面閃絡(luò)，波前時(shí)間縮短前移，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)波前時(shí)間的要求。

研究表明：適當(dāng)降低空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子的陡波電壓，即p.u.倍數(shù)，即可保證試品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波前時(shí)間內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)，滿足試驗(yàn)要求。

2）由于正、負(fù)極性下法向電場(chǎng)方向的不同，正、負(fù)極性陡波沖擊對(duì)波前時(shí)間t1的影響不同。正極性陡波沖擊下，相對(duì)濕度的增加基本對(duì)波前時(shí)間無(wú)影響；負(fù)極性陡波沖擊下，波前時(shí)間隨相對(duì)濕度的增加而減小。

空氣動(dòng)力學(xué)型絕緣子陡波試驗(yàn)結(jié)果受相對(duì)濕度影響較大，當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，不宜進(jìn)行陡波試驗(yàn)。

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Study on Impulse Puncture Characteristics of Aerodynamics Insulator

LIU Yunwei，LIU Yuxin，YU Longlong，SANG Jianping
（Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710077，China）

Fast-front overvoltage causes severe damage to the cap and pin insulators in the overhead line.According to the GB/T 20642-2006 Impulse Puncture Test in Air on Insulator for Overhead Lines，in this essay，the 50%lightning impulse flashover and steep wave tests on aerodynamics insulators and bell-jar insulators are analyzed comparatively，and the influence of the insulators′shape and relative humidity on the flashover voltage are studied.The result shows:50%lightning impulse flashover voltage of aerodynamics insulators is lower than bell-jar insulators，under the standard test voltage，the wave front （discharge）time of aerodynamics insulators could not meet the requirements;and the high relative humidity would have adverse effects on the results of steep wave tests of insulators.

fast-front impulse；50%lightning impulse flashover；steep wave；aerodynamics insulators；wave front（discharge） time

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.027

2015-11-30

劉云蔚 （1986—），男，工程師，主要從事絕緣子檢測(cè)及試驗(yàn)研究方面的工作。