2018, Vol. 51文章信息
- 杨翠茹, 郑秋玮, 唐铭骏, 刘思逸, 雷璟, 杨帅
- YANG Cuiru, ZHENG Qiuwei, TANG Mingjun, LIU Siyi, LEI Jing, YANG Shuai
- 含葡萄糖污秽对绝缘子泄漏电流的影响
- Influence of glucose contaminant on insulator leakage current
- 武汉大学学报(工学版), 2018, 51(3): 215-219,231
- Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(3): 215-219,231
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2018-03-005
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文章历史
- 收稿日期: 2017-08-15
2. 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072
2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
外绝缘污闪事故可能造成大面积、长时间停电，带来巨大的经济损失[1]，严重危害电网安全稳定[2].污闪事故预测是外绝缘研究的热点问题，绝缘子泄漏电流易于检测且信息量丰富[3, 4]，是目前主要预测手段.外绝缘表面污秽[5]与外界环境湿度[6]是泄漏电流两大影响因素，现有研究主要围绕它们展开.
清华大学[7, 8]、武汉大学[6]、华北电力大学[9]研究了湿度对绝缘子泄漏电流的影响，发现随着温度和相对湿度的增加，泄漏电流也逐渐增加，给出了利用低湿度条件下泄漏电流预测饱和受潮条件下泄漏电流的方法.重庆大学[10-12]、武汉大学[6]、华北电力大学[9]研究了污秽对绝缘子泄漏电流的影响，发现随着污秽度的增加，泄漏电流特征值发生明显变化，泄漏电流幅值随着盐密的增加和气压的降低而上升，随着绝缘子上下表面污秽分布不均匀度的减小而下降.现有研究主要是基于氯化钠、硅藻土或高岭土等常规污秽，得到的基本规律大致相同.随着大气污染加重，污秽物成分日益复杂，部分地区外绝缘表面有机物含量较多，引发了例如港城站等特殊放电现象[13].在污闪预测以及泄漏电流研究中，需要考虑有机物等特殊污秽成分，完善相关体系.
为此，本文针对广东地区500 kV港城变电站外绝缘特殊成分葡萄糖，分析其基本物质特性；并在人工污秽中加入不同含量的葡萄糖，研究不同湿度下含葡萄糖污秽对绝缘子泄漏电流的影响.
1 葡萄糖物质特性分析葡萄糖(化学式C6H12O6)是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛，葡萄糖分子之间主要通过氢键相互作用连接在一起.纯净的葡萄糖为无色晶体，易溶于水.葡萄糖是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，是生物的主要供能物质.植物可通过光合作用产生葡萄糖.葡萄糖在糖果制造业和医药领域有着广泛应用.文献[14]通过研究表明：葡萄糖具备较活泼的化学活性，在强电场中或强烈放电时，电能使葡萄糖断键，生成带电荷的自由基，加快绝缘子表面的电子转移速率，增加放电强度.但断键所需的电场强度极大，在空气介质中无法产生，为此本文不考虑化学活性的影响，主要从电导率和吸湿性2个方面研究其特性.
1) 电导率
将50 mg NaCl加入300 ml纯水中，再将不同量葡萄糖分别加入NaCl溶液中，隔一段时间测量溶液电导率，结果见表 1.葡萄糖的加入对溶液的电导率没有影响.葡萄糖的加入并不能直接改变污层电导率，葡萄糖不是以电解质形式参与放电的.
| NaCl含 量/mg | 葡萄糖含 量/mg | 电导率/(μS·cm-1) | ||||
| 初始 | 10 min | 20 min | 30 min | 60 min | ||
| 50 | 0 | 344 | 343 | 342 | 342 | 340 |
| 25 | 346 | 344 | 344 | 343 | 341 | |
| 50 | 350 | 347 | 347 | 346 | 343 | |
| 100 | 366 | 364 | 359 | 356 | 354 | |
2) 吸湿性
称取4 g无水葡萄糖、高岭土粉末，分别平铺在玻璃片上，放入恒温恒湿箱内.调节湿度，间隔一段时间测量污秽物重量变化.恒温恒湿箱初始湿度为65%，持续2 h.之后将湿度升至70%，持续4 h.最后将湿度提高到80%，持续20 h.然后将湿度降低到70%，持续10 h.再将湿度降低到60%，持续10 h.2种物质重量随时间的变化如图 1所示.在65%及70%湿度下，2种物质重量没有变化.80%湿度下，无水葡萄糖重量增加并达到稳定，高岭土重量没有变化，葡萄糖吸湿性开始体现.湿度重新降到70%及60%后，无水葡萄糖重量继续保持稳定，高岭土重量没有变化，葡萄糖保水性很强.
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| 图 1 2种物质吸湿曲线 Figure 1 Moisture absorption curves of two |
葡萄糖有一定的吸湿性和保水性，高岭土吸湿性很差.当污秽中含有葡萄糖后，低湿度下污层吸湿程度会增强，同时由于葡萄糖具备很好的保水性，污层在高湿度下吸收的水分在低湿度下依旧可以保存下来，这样也会增加污层在低湿度下的吸水量，这两方面的作用将使污层受潮程度更大，有利于外绝缘放电.
2 放电试验在中国南方电网昆明特高压试验研究基地的恒温恒湿箱中，进行染污绝缘子加压放电试验.箱体体积约为75 m3，箱内安装有HF13型恒温恒湿机，最大消耗功率14 kW，温湿度控制系统湿度偏差小于3%.试验回路布置在箱内，原理如图 2所示.试验变压器最高输出电压100 kV，容量5 kVA，其高压端通过保护电阻R0接玻璃绝缘子钢脚.钢帽经200 Ω无感电阻R1接地，将泄漏电流转换为电压信号.交流分压器F用于采集绝缘子两端的电压波形，其分压比为15 000:1.数据采集卡为NI公司的USB-6210，最高采样率为250 kS/s，分辨率为16位.为减小回路电晕的影响，高压引线套在波纹管内.试品S为单片500 kV玻璃绝缘子FC160P/155.
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| 图 2 试验接线图 Figure 2 Test schematic |
根据GB/T 4585-2004[15]，采用定量涂刷法制作污秽绝缘子，污秽物含量见表 2.为产生较稳定的湿度环境，同时保证绝缘子在特定湿度下充分受潮，本文首先设定恒温恒湿箱湿度值，3~4 h后箱内湿度达到设定值.试验过程中通过湿度计记录湿度情况，共完成55%、60%、65%、70%、75%、80%湿度下的试验.试品在箱内放置8 h之后，开始加压试验.试验时采用均匀升压法，每一绝缘子加压时间约为3 min，加压上限为30 kV.加压过程中，每2.5 kV记录一次泄漏电流数据，每次记录3组，每组时长200 ms，通过统计3组数据得到泄漏电流特性值.泄漏电流可以准确记录绝缘子放电信息，本文重点分析泄漏电流的4个特征量：泄漏电流最大值、基波幅值、三次谐波幅值、基波电压电流相位差.
| 编号 | 污秽物含量/(mg·cm-2) | ||
| NaCl | 高岭土 | 葡萄糖 | |
| 1 | 0.2 | 1.0 | 0 |
| 2 | 0.2 | 1.0 | 0.01 |
| 3 | 0.2 | 1.0 | 0.05 |
| 4 | 0.2 | 1.0 | 0.10 |
| 5 | 0.2 | 1.0 | 0.15 |
| 6 | 0.2 | 1.0 | 0.30 |
1) 泄漏电流最大值
泄漏电流最大值是污闪预测的重要参数.图 3为6种试品在55%、80%湿度下泄漏电流最大值的变化曲线.泄漏电流最大值随着电压升高而增加，电压较大时上升趋势变快.当湿度为55%时，6种试品曲线基本一致.当湿度较高时，含葡萄糖污秽试品泄漏电流最大值明显增大，当污秽中葡萄糖含量高于0.1 mg/cm2(4、5、6号试品)时，泄漏电流最大值大于常规污秽；当葡萄糖含量小于0.1 mg/cm2(2、3号试品)时，泄漏电流最大值和常规污秽基本一致.当湿度较低时，葡萄糖的吸湿性未得到体现，当湿度升高后，葡萄糖的吸湿性和保水性开始体现，使其更易出现放电，使得葡萄糖污秽试品泄漏电流最大值高于常规污秽.
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| 图 3 泄漏电流最大值变化曲线 Figure 3 curves of maximum current magnitude at different humidities |
2) 基波幅值
泄漏电流基波幅值由绝缘子阻抗决定，污层电解质含量一定时，其变化规律与污层吸水量密切相关.图 4为6种试品在55%、80%湿度下泄漏电流基波幅值的变化曲线.55%湿度时，6种试品的基波幅值曲线一致，幅值随电压升高呈线性上升.湿度升高后，葡萄糖吸湿性开始体现，吸水量增加，当污秽中葡萄糖含量高于0.1 mg/cm2(4、5、6号试品)时，基波幅值大于常规污秽；当葡萄糖含量小于0.1 mg/cm2(2、3号试品)时，基波幅值和常规污秽基本一致.基波幅值随着电压升高并未线性增加，电压较大时上升趋势变缓.
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| 图 4 基波幅值变化曲线 Figure 4 Curves of fundamental current magnitude at different humidities |
3) 三次谐波幅值
三次谐波主要来自绝缘子放电(电晕、爬电等)，可比较灵敏判别试品起始放电电压与放电强度，对每一测量电压下3组泄漏电流数据进行傅里叶分解，取3组数据三次谐波电流幅值的平均值.试验湿度下，三次谐波幅值随电压升高而增大，会出现一个幅值显著增大的拐点，表征起始放电电压.图 5为6种试品在55%、80%湿度下泄漏电流三次谐波幅值的变化曲线.55%湿度时，6种试品三次谐波幅值曲线基本一致.湿度升高后，含葡萄糖污秽试品的三次谐波幅值迅速增加，当葡萄糖含量高于0.1 mg/cm2(4、5、6号试品)时，三次谐波幅值明显大于常规污秽.80%湿度以下，大部分污秽起始放电电压在20 kV左右.80%湿度时，4、5、6号试品起始放电电压降至15 kV左右.
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| 图 5 三次谐波幅值变化曲线 Figure 5 Curves of third harmonic current magnitude at different humidities |
4) 基波电压电流相位差
洁净或干燥污秽绝缘子表面电阻极大，泄漏电流主要是容性分量，电流超前电压90°.随着污层电阻减小，泄漏电流的阻性分量增多，电压与电流相位差不断减小.根据绝缘子施加电压与泄漏电流基波相位差，可判断试品含水量差异与变化.取每一测量电压下电压波形与电流波形数据，进行傅里叶分解，获取基波电压与基波电流相位，进而得到基波电压电流相位差.图 6为6种试品在55%、80%湿度下基波电压电流相位差的变化曲线.不同湿度下，当污秽中葡萄糖含量高于0.1 mg/cm2(4、5、6号试品)时，基波电压电流相位差小于常规污秽；当葡萄糖含量低于0.1 mg/cm2(2号、3号试品)时，相位差和常规污秽相差不大.葡萄糖的吸湿性使试品吸水量增加，污层电阻减小，相位差减小.
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| 图 6 基波电压电流相位差变化曲线 Figure 6 Curves of phase at different humidities |
图 7为1、6号试品在不同湿度下的泄漏电流特征量曲线.随着湿度增加，试品泄漏电流最大值、基波电流幅值以及三次谐波幅值增大，起始放电电压减小，基波电压电流相位差减小.含葡萄糖污秽曲线数值大于常规污秽，起始放电电压低于常规污秽.1号试品在65%湿度上下曲线出现变化，6号试品在60%湿度上下曲线出现变化.
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| 图 7 不同湿度下两组试品泄漏电流特征值对比 Figure 7 Characteristic values at different humidities |
绝缘子阻抗将影响泄漏电流发展，污层电解质含量一定时，一定范围内，污层阻抗由污层含水量决定.湿度很低时，污层吸湿性还未体现，泄漏电流较小，电流热效应并不明显，污层含水量变化很小，泄漏电流随电压大致呈线性分布.湿度升高后，污层吸湿性开始体现，污层含水量增加，使得泄漏电流幅值变大，电流热效应开始体现.由于葡萄糖较好的吸湿性和保水性，4、5、6号试品污层吸湿性最强，污层含水量最多，其阻抗最小，泄漏电流值最大，相位差的绝对值最小，电流热效应最显著，使得绝缘子表面污层含水量分布差异出现明显变化，从而造成绝缘子表面电位分布不均匀，电位差较大的区域更易出现放电.局部使得泄漏电流出现畸变，三次谐波分量增大.
4 结论1) 葡萄糖不直接改变污层电导率，但具备较好的吸湿性、保水性.污秽含有葡萄糖后会增加污层吸水量，使泄漏电流增加，导致放电.
2) 在本文试验环境下，污秽中加入葡萄糖会影响绝缘子泄漏电流，影响程度由大气湿度与葡萄糖污秽含量决定.当污秽中葡萄糖含量高于0.1 mg/cm2，相对湿度达到60%及以上时，其泄漏电流最大值、基波幅值、三次谐波幅值更大，起始放电电压更小，基波电压电流相位差的绝对值更小.
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