交直流電壓下絕緣子放電紫外脈沖與泄漏電流對(duì)比分析

張慶平，羅海榮，閆振華，李秀廣，史志鵬，康永強(qiáng)

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.蘭州交通大學(xué)新能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

絕緣子污閃是威脅電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的主要因素之一[1-3]，因此，有效檢測(cè)絕緣子污穢狀態(tài)對(duì)于預(yù)防污閃具有重要意義?，F(xiàn)有污穢絕緣子的研究工作中，絕緣子污穢分布大多以均勻分布為研究條件，且污閃特性、污閃現(xiàn)象、污閃過程與污穢絕緣子泄漏電流之間的關(guān)系已有較為詳盡的研究[4-9]，基于泄漏電流法的絕緣子污穢狀態(tài)檢測(cè)已成為主要檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)絕緣子污穢狀態(tài)的檢測(cè)[10-14]；但該檢測(cè)技術(shù)具有接觸式、檢測(cè)復(fù)雜，且在污穢度與濕度較大時(shí)才能有效檢測(cè)絕緣子污穢狀態(tài)等問題。紫外脈沖檢測(cè)法具有非接觸式、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)，已在各種高壓設(shè)備以及絕緣子污穢狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估方面有許多研究與應(yīng)用[15-20]；但目前的工作主要集中于交流電壓下均勻污穢分布絕緣子紫外脈沖檢測(cè)特性研究，未考慮直流電壓下紫外脈沖檢測(cè)法的適用性，且在交直流電壓下及不同污穢分布和濕度下其檢測(cè)特性與泄漏電流未有直接對(duì)比。在實(shí)際中，由于風(fēng)雨等天氣及絕緣子結(jié)構(gòu)、布置形式及外加電壓類型不同，絕緣子污穢分布呈非連續(xù)形態(tài)，造成絕緣子表面污層電阻分布不連續(xù)，且絕緣子所處環(huán)境濕度差異較大，造成絕緣子表面泄漏電流與電壓分布與連續(xù)污穢分布時(shí)有較大差異。為此，本文開展交直流電壓下不同污穢分布與不同濕度下基于泄漏電流與紫外脈沖法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，獲得泄漏電流與紫外脈沖法在不同條件下的檢測(cè)特性與適用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 紫外脈沖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于紫外光電轉(zhuǎn)換原理，本文搭建的紫外脈沖檢測(cè)裝置由紫外光敏管、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、分析模塊及通信模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 紫外脈沖檢測(cè)裝置

1.2 污穢絕緣子樣本制備

以XWP-160陶瓷絕緣子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)絕緣子人工污穢試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)利用固體涂層法對(duì)絕緣子進(jìn)行預(yù)染污，試驗(yàn)中樣品的鹽密和灰密分別為0.1 mg/cm2和2 mg/cm2，并分別采用氯化鈉和高嶺土進(jìn)行模擬[21-22]。為模擬自然形成的非連續(xù)潔凈干帶，對(duì)絕緣子表面污穢進(jìn)行圓環(huán)擦除。絕緣子剖面及不同污穢分布絕緣子試樣如圖2和3所示。

圖2 絕緣子剖面

(a)污穢絕緣子

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由污穢變壓器(600 kV/2 400 kVA)、多功能人工霧室(溫濕度連續(xù)可調(diào))、電子秤(精度為0.1 mg)、紫外脈沖檢測(cè)系統(tǒng)、泄漏電流檢測(cè)系統(tǒng)等組成。對(duì)絕緣子進(jìn)行預(yù)染污后，將其靜置24 h陰干，之后將污穢絕緣子串(三片絕緣子)通過霧室內(nèi)高壓連接裝置懸掛并接地，同時(shí)調(diào)整紫外脈沖檢測(cè)裝置于其斜下方合適距離與位置，控制氣霧室內(nèi)溫濕度，達(dá)到穩(wěn)定之后(溫度20 ℃，濕度70%)，分別利用交、直流電壓源對(duì)絕緣子施加電壓，同時(shí)檢測(cè)污穢絕緣子泄漏電流，實(shí)驗(yàn)測(cè)試布置如圖4所示。試驗(yàn)過程中外加電壓從30 kV加至90 kV(直流電壓從10 kV至50 kV)，每次間隔10 kV，觀察并記錄30 s內(nèi)污穢絕緣子放電紫外脈沖數(shù)與泄漏電流值，同一條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，取5次平均值作為本次實(shí)驗(yàn)的有效測(cè)量值。

圖4 污穢絕緣子放電紫外與泄漏電流測(cè)試

2 交流絕緣子紫外脈沖與泄漏電流

2.1 污穢分布的影響

實(shí)驗(yàn)利用紫外脈沖法和泄漏電流法分別對(duì)潔凈、含清潔干帶和全污穢的絕緣子進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5表明在不同污穢分布下，隨著施加電壓的增大，紫外脈沖數(shù)均相應(yīng)增加，這是由于電壓增大，局部電場強(qiáng)度增大，造成放電增強(qiáng)，紫外光子數(shù)增多，且在全污穢情況下的紫外脈沖數(shù)明顯大于潔凈的情況，造成這種結(jié)果的原因是全污穢絕緣子對(duì)電場影響較大而引起局部放電增強(qiáng)，造成紫外脈沖數(shù)增多。當(dāng)施加電壓大于70 kV時(shí)，潔凈絕緣子的紫外脈沖數(shù)大于干帶絕緣子；當(dāng)施加電壓小于70 kV時(shí)，潔凈絕緣子的紫外脈沖數(shù)小于干帶絕緣子。在較高電壓下，視污穢分布情況不同，其紫外脈沖數(shù)也應(yīng)較低。

圖5 交流電壓不同絕緣子污穢分布紫外脈沖數(shù)

圖6是利用泄漏電流法測(cè)量不同污穢分布絕緣子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中明顯可以看出在全污穢情況下，施加電壓較大時(shí)的泄漏電流很大。如在90 kV時(shí)，全污穢絕緣子的泄漏電流約為120 μA；而對(duì)于潔凈和含清潔干帶的絕緣子，其泄漏電流則很小。造成這種現(xiàn)象的原因是污層分布形狀引起，即污層連續(xù)分布電阻要遠(yuǎn)小于污層非連續(xù)分布電阻，所以連續(xù)分布時(shí)泄漏電流則會(huì)更大；而干帶和潔凈絕緣子的污穢層并沒有連續(xù)分布，其表面污層電阻均比較大，所以它們的泄漏電流較小。

圖6 交流電壓不同絕緣子污穢分布泄漏電流

通過對(duì)比泄漏電流和紫外脈沖兩種檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)泄漏電流法難以檢測(cè)較低電壓等級(jí)情況下絕緣子的污穢分布。在50 kV以下，潔凈、含清潔干帶和全污絕緣子測(cè)量所得的泄漏電流幾乎一致，這是因?yàn)槿N情況下絕緣子的表面電阻均很大，當(dāng)電壓等級(jí)較低時(shí)，泄漏電流均非常小。如果想要通過泄漏電流法來檢測(cè)低電壓情況下絕緣子的污穢分布情況，還需要進(jìn)一步提高泄漏電流的檢測(cè)精度。由于紫外脈沖法檢測(cè)對(duì)象是電極的電暈放電，而電暈放電主要跟電壓等級(jí)相關(guān)，故在較低的電壓等級(jí)下，不同污穢分布的紫外脈沖數(shù)區(qū)別較為明顯，但是該方法受到電壓施加和污穢分布的共同影響，施加電壓較高時(shí)，視污穢分布情況不同，其紫外脈沖數(shù)也可能較低。

2.2 濕度的影響

為進(jìn)一步分析濕度對(duì)污穢絕緣子紫外脈沖數(shù)和泄漏電流的影響，對(duì)不同濕度下全污穢絕緣子進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圖7和圖8分別為紫外脈沖法和泄漏電流法在空氣濕度分別為70%、80%和90%三種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明兩種方法均可區(qū)分不同濕度下的絕緣子，但是紫外脈沖法檢測(cè)結(jié)果與泄漏電流法具有明顯不同規(guī)律。紫外脈沖法檢測(cè)到在濕度為80%時(shí)，紫外脈沖數(shù)最大，其次是濕度90%和70%。造成這種現(xiàn)象的原因是空氣濕度較大時(shí)，會(huì)吸收更多的紫外光譜，導(dǎo)致紫外光敏管接收到的紫外光強(qiáng)度下降，使紫外檢測(cè)效果降低，所以濕度較大時(shí)絕緣子放電紫外脈沖數(shù)相應(yīng)減少。

圖7 交流電壓不同濕度污穢絕緣子紫外脈沖數(shù)

由于空氣濕度增加，絕緣子表面污穢更易于受潮，導(dǎo)致其表面污層電阻降低，因而泄漏電流增大，故泄漏電流法非常適合于檢測(cè)不同環(huán)境濕度下絕緣子表面污穢狀態(tài)。如圖8所示，在不同空氣濕度下，測(cè)量所得泄漏電流有明顯的區(qū)別，且濕度越大，泄漏電流越大。在施加電壓90 kV時(shí)，70%，80%和90%濕度下泄漏電流為120 μA，200 μA和280 μA；但是，與污穢分布檢測(cè)相同，泄漏電流法在檢測(cè)低電壓情況的濕度時(shí)區(qū)分能力較弱，如在50 kV時(shí)測(cè)得濕度70%，80%和90%的泄漏電流分別為35 μA，10 μA和0 μA。

圖8 交流電壓不同濕度污穢絕緣子泄漏電流

通過交流電壓下不同污穢分布與濕度污穢絕緣子紫外脈沖與泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同污穢分布時(shí)，絕緣子放電紫外脈沖數(shù)區(qū)別不大，且會(huì)受到絕緣子污穢分布和施加電壓的共同影響；不同濕度時(shí)，絕緣子放電紫外脈沖數(shù)在80%濕度時(shí)最大，而泄漏電流則在90%濕度下最大，兩者隨空氣濕度變化規(guī)律相異；因此，在交流電壓下絕緣子污穢狀態(tài)難以通過紫外脈沖檢測(cè)實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分。

3 直流絕緣子紫外脈沖與泄漏電流

3.1 污穢分布的影響

圖9和圖10給出了直流電壓下，紫外脈沖法和泄漏電流法對(duì)不同污穢分布絕緣子的檢測(cè)結(jié)果。從紫外脈沖檢測(cè)結(jié)果來看，全污穢絕緣子產(chǎn)生的紫外脈沖數(shù)大于含清潔干帶的絕緣子，潔凈絕緣子的紫外脈沖數(shù)幾乎沒有。在直流電壓下，絕緣子的電壓分布是穩(wěn)定的，較低電壓下光滑潔凈的絕緣子電暈放電仍然不明顯。當(dāng)污穢存在時(shí)，泄漏電流增大，且絕緣子表面電場畸變加劇，在絕緣子鋼腳鋼帽等處更易發(fā)生電暈放電，導(dǎo)致紫外脈沖數(shù)測(cè)量值大。通過紫外脈沖的測(cè)量方法，測(cè)得紫外脈沖數(shù)全污>干帶>潔凈。另外，由圖5和圖9對(duì)比分析可知，潔凈絕緣子在交流電壓下更容易發(fā)生電暈放電，紫外脈沖數(shù)更多。

圖9 直流電壓不同絕緣子污穢分布紫外脈沖數(shù)

直流電壓下，泄漏電流法在絕緣子不同污穢分布下的測(cè)量結(jié)果如圖10所示。污穢絕緣子泄漏電流遠(yuǎn)高于含清潔干帶與潔凈絕緣子泄漏電流，且隨施加電壓的增加，差值也隨之增大。造成這種差異的原因與交流電壓的情況類似。全污絕緣子的污穢層分布連續(xù)，表面電阻小，泄漏電流更大；而干帶和潔凈絕緣子表面電阻較大，泄漏電流較小。

圖10 直流電壓不同絕緣子污穢分布泄漏電流

3.2 濕度的影響

直流電壓下，紫外脈沖法和泄漏電流法檢測(cè)全污穢絕緣子不同濕度的結(jié)果與交流電壓也有所不同，如圖11和圖12所示。直流電壓下，紫外脈沖法和泄漏電流法可以區(qū)分污穢絕緣子的濕度。由圖11中可知，施加直流電壓10～30 kV時(shí)，不同濕度下污穢絕緣子放電紫外脈沖數(shù)接近；當(dāng)施加電壓高于30 kV時(shí)，絕緣子放電紫外脈沖數(shù)明顯增多，濕度90%的污穢絕緣子放電紫外脈沖數(shù)最高，濕度80%的次之，濕度70%的最小。

圖11 直流電壓不同濕度污穢絕緣子紫外脈沖數(shù)

圖12 直流電壓不同濕度污穢絕緣子泄漏電流

與紫外脈沖檢測(cè)結(jié)果接近，在施加直流電壓10～30 kV時(shí)，測(cè)量到的污穢絕緣子泄漏電流很低，且各個(gè)濕度下泄漏電流接近；當(dāng)施加電壓高于30 kV時(shí)，濕度90%的絕緣子紫外脈沖數(shù)最高，濕度80%的次之，濕度70%的最小。這也是因?yàn)榭諝鉂穸仍酱?，絕緣子表面污穢受潮越嚴(yán)重，污層電阻越小，泄漏電流越大。

通過直流電壓下不同污穢分布與濕度污穢絕緣子紫外脈沖與泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同污穢分布與不同濕度時(shí)，絕緣子放電紫外脈沖數(shù)與泄漏電流呈現(xiàn)相似的規(guī)律，因此，在直流電壓下，可采用絕緣子放電紫外脈沖數(shù)作為絕緣子污穢狀態(tài)的表征參量，替代泄漏電流檢測(cè)絕緣子污穢狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果說明污穢分布與濕度對(duì)陶瓷絕緣子放電紫外特性與泄漏電流有重要影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同污穢分布的絕緣子在交流(小于70 kV)與直流(小于50 kV)電壓下紫外脈沖數(shù)與泄漏電流變化規(guī)律基本一致。污穢絕緣子在交流電壓下80%濕度時(shí)紫外脈沖數(shù)最多，在直流電壓下90%濕度時(shí)最多，而泄漏電流都隨濕度增加而增大；同時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣子污穢非連續(xù)分布對(duì)泄漏電流檢測(cè)法具有很大影響，難以有效區(qū)分絕緣子污穢狀態(tài)，但紫外脈沖法較泄漏電流法對(duì)于不同污穢分布形狀檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，研究發(fā)現(xiàn)在交流電壓下，污穢絕緣子放電紫外脈沖數(shù)區(qū)別不大，且受到施加電壓和空氣濕度的影響，導(dǎo)致檢測(cè)精度不如泄漏電流法；而在直流電壓下，紫外脈沖法和泄漏電流法檢測(cè)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，兩者都具有直流電壓下絕緣子污穢狀態(tài)檢測(cè)的可行性。研究得出：采用泄漏電流法檢測(cè)濕度對(duì)絕緣的影響具有更高的準(zhǔn)確性，而采用紫外脈沖數(shù)檢測(cè)污穢分布對(duì)絕緣的影響則具有更好的效果，研究結(jié)果解決了不同電壓類型、污穢分布及濕度下絕緣狀態(tài)的有效檢測(cè)問題。