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交流电压下染污绝缘子的放电特性
交流电压下染污绝缘子的放电特性
交流电压下染污绝缘子的放电特性，是指工频电压作用下染污绝缘子的闪络电压或耐受电压与污秽程度之间的关系。在我国，通常是以成串悬式绝缘于或支柱型绝缘子的污闪电压或耐受电压与等值附盐密度（ESDD）间的关系曲线来表示的。也常常把整串绝缘子污闪电压折算成单片绝缘子的污闪（耐）电压，或整支绝缘于折合成单位爬电距离的污闪（耐）电压与盐密值的关系来表示。等值盐密法是把绝缘于表面的导电污物密度转化为相当于每平方厘米多少毫克NaC1的一种表示方法。
由于污闪主要是在运行电压下发生的，目前。我国输变电设备主要是在交流电压下运行的，所以本节着重介绍常用的盘形悬式绝缘子（普通型和防污型）及棒式支柱绝缘子在交流污染状态下的放电特性以及影响放电特性的各种主要因素。
（一）人工污染与自然污染下绝缘子的闪络电压特性
大量试验证明：无论是人工污染还是自然污染的绝缘子其放电电压均随污秽度的增加而呈幂函数下降。在污秽度较小时，污闪电压随污秽度的增加下降的很快，在重污秽度下，污闪电压下降缓慢并趋于饱和。其形状如图10－4所示，其数学表达式如下。
Uf（w）= KSd-p（ 10－ 7）
式中Uf（w）——污闪（或污耐）电压，kV；
Sd——盐密值， mg／cm’；
K、P——常数。
1．人工污染绝缘子的放电特性
所谓人工污染绝缘子是在实验室中把洁净绝缘子涂敷一层人工污秽，模拟运行自然条件下的污染绝缘于。常用的方法是用等值的NaCI模拟自然污层中可溶于水的导电物质，用硅藻土或高警上模拟自然污层中不溶于水的非导电物质，然后均匀涂敷于绝缘子表面，晾干后在人工气候室中进行试验，求取绝缘于在各污秽度下的污闪电压。
（l）对常用的盘形悬式绝缘子的污染放电特性，在国标《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及绝缘选择标准》 GWT—16434—1966作了推荐，如表 10－2所示。该表数据是在国内各人工气候室中，进行大量试验的基础上，经过回归分析的结果，表明了各类型式绝缘子，在污秽度相同的情况下。污闪电压一般随爬电距离的增大而升高。但是，污闪电压升高的程度各自不同，与伞裙结构有关；伞裙结构不合理，尽管爬电距离增加很大。但污闪电压提高不多。 （2）棒型支柱绝缘子在电站用绝缘子中使用量最大，污闪事故也最多。棒形支柱也是变电站划分污秽等级，推荐测量盐密值的标准设备。但由于以往电站设备污闪相对较少，矛盾不突出，且试验起来比悬式绝缘子困难。故其杂污放电特性试验也相对较少。本节仅介绍一些单位的试验结果，如表10-3所示，供分析事故时参考。
表10-3 （a） 普通支柱绝缘子污闪电压梯度均值（kV/m）
|
盐密值（mg/cm2） |
0.03 |
0.05 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
|
自然污秽 |
60.63 |
55.30 |
48.82 |
43.09 |
40.06 |
38.04 |
|
人工污秽 |
38.25 |
32.35 |
25.77 |
20.53 |
17.98 |
16.36 |
|
Ez/ER |
1.59 |
1.71 |
1.89 |
2.10 |
1.95 |
2.32 |
表10-3（b） 35~220kV中 重污棒型支柱在人工污闪电压梯度均值（Kv/m）
| 盐密
〔mg／cm2） |
35kV | 63kV | 110kV | 220V | |||
| 中污摔到 | 重污修型 | 重 | 中 | 重 | 中 | 重 | |
| 0.05 | 52.69 | 37.46 | 38.25
38.48 |
39.41 | 34.79 | 35.39 | 35.48 |
| 0.1 | 39.19 | 31.08 | 31.51
33.29 |
30.43 | 29.14 | 29.06 | 29.42 |
| 0．2 | 29.15 | 29.69 | 25.91
28.81 |
24.12 | 24.12 | 23.86 | 24.40 |
| 0.4 | 34.68 | 21.46 | 21.34
24.95 |
19.10 | 19.10 | 19.60 | 20.24 |
注：试验结果是在自然污秽和人工污秽盐密相同情况下得到的，其闪络电压梯度相接近。
2．自然污染绝缘子放电特性。
自然污染绝缘子是暴露在自然环境中污染的绝缘子，其污闪电压与污秽度的关系曲线同人工污染条件下相似。但由于自然染油的随机性很大，绝缘子串各片间，每片的各个部位污秽的分布不均匀，且自然污秽物中组份不同／灰窑也不相等，因而自然污染绝缘子的污闪电压分散性较大。表10－4介绍了近年来华北电力科学研究院和东北电力试验研究院关于《500kV线路用瓷污染绝缘子放电特性》的试验结果，该报告还对各类型式的绝缘子人工污秽网络和对应污秽度下的自然污秽闪络电压进行了比较，如表10－－5所示，由表中数据可知在同一等值附盐密度下，绝缘子自然污秽闪络电压一般比人工污秽闪络电压高，在轻污秽度下大约可高20％～30％。 表10-4 500kV线路用瓷污染绝缘子放电特性
| 绝缘子型式 | 污闪电压回归方程 | 不同盐 | 试验单位 | |||||
| kV | 0.03 | 0.05 | 0.08 | 0.1 | 0.15 | 0.20 | ||
| XP-160 | Uf=5.703Sd-0.3012 | 16.40 | 14.06 | 12.20 | 11.41 | 10.10 | 9.26 | 东北试验研究院 |
| Uf=7.136Sd-0.2221 | 15.55 | 13.88 | 12.51 | 11.90 | 10.88 | 10.20 | 华北电科院 | |
| Uf=6.571Sd-0.2442 | 15.97 | 13.97 | 12.35 | 11.65 | 10.48 | 9.72 | 前两院综合 | |
| XWP2一160 | Uf=5.883Sd-0.3522 | 20.23 | 16.90 | 14.32 | 13.24 | 11.48 | 10.37 | 东北试验研究院 |
| Uf=5.221Sd-0.4214 | 22.88 | 18.45 | 15.13 | 13.78 | 11.61 | 10.29 | 华北电科院 | |
| Uf=5.023Sd-0.4291 | 22.66 | 18.20 | 14.88 | 13.52 | 11.36 | 10.04 | 前两院综合 | |
| XWP-160 | Uf=5.203Sd-0.4262 | 23.31 | 18.75 | 15.34 | 13.95 | 11.74 | 10.38 | 东北试验研究院 |
| XWP5一160 | Uf=4.873Sd-0.4619 | 24.62 | 19.44 | 15.64 | 14.12 | 11.71 | 10.25 | |
| XP3一160 | Uf=7.624Sd-0.1920 | 14.99 | 13.59 | 12.41 | 11.89 | 10.99 | 10.40 | |
| XP4一160 | Uf=6.931Sd-0.3482 | 23.50 | 19.67 | 16.70 | 15.45 | 13.42 | 12.41 | |
| LXP一160 | Uf=4.393Sd-0.5112 | 26.38 | 20.32 | 15.98 | 14.26 | 11.59 | 10.0 | |
表10-5 各型绝缘子自然污染与人工污染的污闪电压比（Uz/UR）
| 绝缘子型式 | XP-160 | XWP2-160 | XWP-160 | XWP5-160 | XP2-160 | XP4-160 | LXP-160 | 范围及（均值） | |
| 盐密值（mg/cm2） | 0.05 | 1.095 | 1.176 | 1.341 | 1.161 | 1.042 | 1.31 | 1.417 | 1.042~1.417(1.22) |
| 0.10 | 1.088 | 1.144 | 1.175 | 1.038 | 1.058 | 1.264 | 1.231 | 1.038~1.264(1.14) | |
| 0.20 | 1.081 | 0.946 | 1.032 | 0.927 | 1.073 | 1.219 | 1.068 | ~1.219(1.05) | |
3．自然污染与人工污染绝缘子放电特性的比较。
对各种形式绝缘子的人工污秽闪络电压和对应污秽度下的自然污秽闪络电压作了对比，结果对于表10－5中,表明了在相同污秽度下自然污染绝缘子的污闪电压比人工污染绝缘子的污闪电压高。在轻污秽度下，污闪电压一般高20%~30%，在重污秽度下，一般高10%左右。
（二）污物中可溶盐成分对污闪电压的影响
1.绝缘子表面污秽物的化学分析
由于自然污秽和人工污秽中盐的成分不同。在试验中有可能造成污闪电压的差异．所以近年来，国内一些单位在测量自然污秽物的等值附盐密度的同时，对其可溶于水部分（俗称盐）和不溶部分（俗称灰）进行了大量的化学分析。各家的分析有许多共同的部分，也因地区的不同存在着差异。这里仅以华北电力试验研究所在京、津、唐地区一百多个测点为主要依据，叙述如下：
- 绝缘子表面污秽物水溶液中，可溶盐的主要阳离子为
主要阴离子为
SO、NO-3、CI－、HCO-3、还有F-等
其中以Ca2+ 和SO离子含量最大，约占总阳离子和总阴离子的 50％～80％。
（2）污秽物水溶液中各种阴阳离子经配合，主要的几种盐有：钙（Ca）盐，锌（Zn）盐，按（NH4）盐，还有镁（Mg）盐和钾（K）盐。一般钙盐占很主要的成份。以阴离子而论，主要是硫酸盐、硝酸盐和氧化物。在确定何种盐而选择阴阳离子配合的问题上，除首先根据溶解度的大小，溶解度大的先配外，其次，从考虑系统安全运行出发，照顾对污闪电压的影响情况，污闪电压低的一价盐先配。
经统计，各类污秽区污秽物中硫酸钙和一价盐占全部盐类比重的分散性较大。按摩尔（mol）数计，一般硫酸钙大约占全部盐类的30％～70％，平均占50％左右，而一价盐大约占全部盐类的10％～30％，其他盐类占25％左右。按污秽的种类区分、其趋势是，盐碱农田污秽、化肥污秽、电厂污秽等一价盐偏高；一般农田地区污秽中的硫酸钙较高；水泥污秽含硫酸钙最高，而一价盐偏低。
2．污物中可溶盐成分对污闪电压的影响
人工污染和自然污染绝缘子的放电特性，均是以绝缘子的污闪电压与等值附盐密度的关系表示的。但人工污秽科自然污秽的成分是不同的，人工污秽的盐是NaC1，而自然污秽的“盐”是多种成分的组合。等值是指用300ml的去离子水洗一片XP一70绝缘子（面积约1500cm2），其污秽水溶液的电导率相等。然而，绝缘子在污闪过想中，接受并保持水份并非300。L可能比 300ml少的多。对于NaC1来讲，少量的水也可以溶解。而对于复杂成分的自然污秽来讲，有些成分在少量的水和300ml的水中的溶解度是不同的。同时，溶液中水的多少是影响溶液浓度的，而溶液浓度又与各类盐的电离度有关。因此，300ml水中的等值盐，和实际的少量水所表现的盐（或电导率）是本同的。这也是造成人工污秽和自然污秽在相等盐密值下污闪电压差异的原因之一。
关于污物中可溶盐成分对污闪电压的影响，国内不少单位做了大量工作。下面选择主要试验单位的数据，以 NaCI的污闪电压为基准，整理分析，绘于图 10－5中，并概括如下三点：
（1）同一等值附盐密度下（300ml水溶液下的电导率相同）的不同种类的盐涂放的污染绝缘子，它们的污闪电压是有所不同的。但常见的几种可溶盐的污闪电压随盐密的变化趋势大致与NaC1相似。在盐密较轻时，污闪电压一般随盐密的增加下降速度较快；在重盐密不趋于平缓；但难溶盐CaSO4例外
（2）在普通悬式绝缘子（X-4．5）上试验表明：
- 几种常见的一价盐（如：KNO3、 NH4NO3、NaNO3等）和NaC1在相同的等值盐密下，它们的污闪电压比较接近。
2）CaSO4与NaC1相同的等值盐密下，CaSO4的污闪电压比NaC1高40%~10%以上；且随着盐密的增加比值有所增加。
3）其余的二价盐 (如:Zn SO4、Zn（NO3）2，MgCl2等)在等值盐密为0.05~0.1mg/cm2下，污闪电压一般比NaCl高10%~20%。
以NaCl的污闪电压为基准，上述各盐试验结果比较如图10-5所示
（3）在CaSO4和NaC1的混合盐中，混合盐的等值盐密与污闪电压的关系曲线与NaC1相似。单纯的CaSO4污秽的污闪电压较高，随着混入NaC1的比例增加。污闪电压迅速下降。当CaSO4和NaC1的干值盐密各占50%时，混合盐的污闪电压仅此NaC1高10％左右；在CaSO4与 NaCI的混合盐比例为5：1和7：3时（即大致银当于一价盐占总盐的15%和30%，而CaSO4占 85%和70%时），混合盐污秽的污闪电压约比 NaC1高 30%和20%，如图10－6所示。
（三）污物中非导电物（灰）对污闪电压的影响
1．污物中非导电物成分测定
现场采用的方法是通过X衍射的半定量物分析及使用燃烧法，对污秽中所含有机物和不定形碳的测定，揭示了不溶物中各种化学成分实际存在的形式和含量。按其吸水性能大小可分为三类：①吸水强的有高岭土、伊利石：石膏。②吸水性次之的有方解石、白云石。③吸水性差的有a-石英、长石、赤铁矿（a-Fe2O3）和不定形碳。
2．灰密对污闪电压的影响及其修正：
（1）灰密与静密比值实测污秽物中不溶物（灰）是影响绝阶污闪电压的因素之一，灰份本身的性能不同对其污闪电压影响也有差异。近年来，我国在开展盐密协量的同时，也开展了绝缘于表面附灰程度的测量；部分测量结果汇总于表10-6和表10-7中。分析部分测量结果可以看出：
1）不同地区、不同季节测量的灰密与盐密的比例是不同的。一般北方地区比值偏大，南方比值偏小。春季雾、雪、毛毛雨过后测量的比值偏大，而夏季雨水过多对比值偏小。这可能是春季小雨使可溶盐流失，而夏和雨水充沛，过多分冲走灰量所致。
2）综合华北、东北地区的实测数据，一般地区灰密与盐密的比值约为4～6。而上海地区比值为1.07~5.296。且盐密值小时，比值偏大。反之比值偏小。 表10－6 部分地区灰密测量值
| 试品来源 | 盐密植范围（mg／Cm2） | 数据个数 | 灰窑与盐赛比值 | 测试单位 |
| 京、津、唐地区110～500kV运行线路 | 0．04～0． 07 0．07～0．15 0．15～0．25 | 18 22 10 | 6．47 6．51 3．39 | 华北电力科学研究院 |
| 清河积污站 | 3．5～4．9，4．2～6．8（D．C） 4． 5～5． 9， 5． 2～6．l（D． C） | 电力科学研究院 | ||
| 富县积污站 | 4.1～6.3，4.3～6.5（D．C） 3．3～4．6，3．9～4．9（D．C） | |||
| 东北地区 |
|
353 345 371 350 62 | 2.05～15.05占 90.93%
4. 05~8.05占48. 16% 2.05～8.05占 79.99% 4.05～8.05占 66.95% 2.05～8.05占87. 80% 2. 05~ 6. 05占70. 62 % 2.05~6.05占83.14% 2.05～6.05占 74. 19% 1.05~6.05占82.25% |
东北电力试验研究院 |
| 年．月 | 87.8～87. 10 | 87． 8～87． 12 | 87.8～88.4 | 87.8～88.6 | 87. 8～88.6 | 87.88～88. 8 | 87.8～89.2 |
| D．C* | 27** | 3．7 | 3．9 | 4．81 | 4．1 | 2．5 | 4.5 |
*D.C直流电压.
**未施加电压
(2)灰密对污闪电压的影响。已有的染污绝缘子的试验表明；在相同的盐密度下，绝缘子的污闪电压随灰密的增加呈下降趋势在灰密较大时呈饱和状态，或者又有上升的趋势.国内外的高压工作者曾进行过这方面的工作，并按灰密对耐污电压进行修正。日本文献中，取绝缘子设计耐污电压VDws等于试验耐压Vws乘以修正系数K。即 VDws=KVws (10-8)
式中的 K值，在绝缘子表面灰密大于0.1mg/cm2时，为小于1的值，如图10-7所示。 由表10-8可见,不溶物质不同,或同一种不溶物质而灰密不同,都对污闪电压有一定的影响.
| 盐密 (mg/cm2) | 高岭±40g/L | 高岭±80g/L | 硅藻±40g/L | 抛光粉±40g/L | ||||
| Uf | 相对值 | Uf | 相对值 | Uf | 相对值 | Uf | 相对值 | |
| 0.02 0.03 0.05 0.1 0.2 | 20.1 17.0 11.3 11.8 10.2 |
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 |
16.5
13.2 10.8 9.2 8.0 |
0.831 0.776 0.775 0.78 0.784 | - 15.5 12.2 1.01 9.0 | -
0.912 0.853 0.856 0.882 |
- 16.5 13.6 11.2 9.8 | -
0.961 |
注 试品为标准普通型悬式绝缘子。
表10－9是我国东北电力试验研究院用不同灰密在几种型式绝缘子上进行污闪电压试验的结民、可以看出灰密对污闪电压的影响与绝缘子的型式有关。
| 绝缘子型式 | X-4.5（单片） | C-104(单片) | X-4.5（3片） | ZS-110 | 备注 | ||||||
| 灰密（mg／cm2） | 0．7 | 2.5 | 0．7 | 2．5 | 4．0 | 0．1 | 0.5 | 1.0 | 0.1 | 1.0 | 盐密均为0.1mg/cm2 |
| 污闪电压（kV） | 10.13 | 9.69 | 15·6 | 15.13 | 14.83 | 37.95 | 31．6 | 27．87 | 104.96 | 80.0 | |
从这两张图中的曲线可以看出，当灰密在 1mg／cm2以下时，污耐受电压随着灰密增加而迅速下降，在灰密为1mg／cm2时，曲线开始趋于平缓，在灰密为2mg／cm2时；污闪电压几乎处于最低点，过此点后曲线又可能是上升趋势。这种现象的解释是：
当绝缘子表面灰密过小时。污秽物的吸水量小，保水性差，易受潮的上表面很快吸潮饱和，并开始怕水流失，而下表面的污秽物尚未充分受潮，因此。绝缘子的表面电导率并非最大。污闪也压也相对较高；在灰密为l～2mg/ cm2范围内，污秽物吸水量和保水性均较好，上表面充分受潮且水份尚未流失时，下表面受潮亦接近饱和，此时，绝缘子的表面电导最大，耐受电压也最低。当灰密度过大时，污层变厚，会出现下表面污层底部尚未来得及受潮，而上表面污层已吸水过多开始流失的现象，导致了耐污闪曲线又有上升的趋势。
根据这样的趋势，对于不同形状的绝缘子，即使在上下表面均匀污染的情况下，上下表面的受潮程度也可能不同，因而需在不同灰窑下对不同形状绝缘子的特性进行详细的试验研究，以取得不同灰密不污闪电压的实际数据：
3．关于灰密的修正问题
前面讨论说明灰密的影响需要加以考虑。如果在人工污秽试验中取灰密为 1～2mg/ cm2而不作任何修正，其试验结果可能与实际出入较大。这个问题目前处理的方法有两种。
（1）根据自然污染绝缘子计洛盐和不溶物的实测结果，规定各类污秽下的盐密和灰密的比值，来进行人工污秽模拟试验，目的在于避免由于污秽物中灰的比例过分悬殊而带来绝缘于污耐压的偏差。例如，在JB2596-79绝缘子人工污秽试验方法（固体污层法）中规定，盐密在0．05～0．4mg／cm2下，灰密取1～2mg／cm2。然而国内有些试验室已根据实测得到的盐密与灰窑的比值按表10－10所列各值进行试验。
| 盐密（mg／cm2） | 0．025 | 0．05 | 0．1 | 0．2 | 0．4 |
| 灰密（mg／cm2） | 0． 2 | 0．2 | 0．4 | 1．0 | 1.0 |
（2）仍然按原《标准》规定的灰密试验，或固定某一灰密值进行人工污秽的模拟试验，然后根据各类绝缘子实测的不同灰窃值对耐污电压（或污闪电压）的影响进行修正。灰密Dd与修正系数a1关系为
a1=0.996Dd-0.1225
修正灰密的影响，或对各类污区采用不同的灰密值进行人工污秽模拟试验，在国内是近几年的事，究竟哪一种方法更为科学、更为方便，将需今后的实践和试验来最后确定。
发布日期：2008-6-14 【返回】