关键词：污秽闪络;伞形结构;合理选择分类号：TM216.+1;TM203 文献标识码：B文章编号：1003-8337（2000）01-0014-05▲1 绝缘子运行概况 绝缘子作为各种输变电设备中的主要绝缘件,在电网中运行时主要承受的电压有:雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压和工频长期工作电压。 一般情况下,绝缘子能承受上述电压的作用而正常工作,但在污秽条件下将会不同程度地降低其绝缘性能。 雷电过电压虽作用时间为瞬间,但由于雷击时瞬间聚集的巨大能量,故给人类带来的灾难是严重的,通常人们都把雷电过电压作为破坏输变电设备外绝缘的大敌。如:60年代初因雷击引起美国纽约特大停电事故,造成了巨大的经济损失与严重骚乱。减少雷击对电网造成的事故,成为电力系统的工作重点之一。 近几十年来,世界各国的电力工作者通过大量观察,调研与分析,发现在污秽条件下,在长期工作电压下也会产生使绝缘下降而最终导致电网崩溃、大面积停电情况污秽闪络。这种工频污闪事故造成的危害与损失,比雷害事故严重得多,已成为世界各国电力系统可靠运行的头号大敌。2 工频污闪事故的危害 调查表明,由于我国幅员辽阔,污源繁杂,已导致工频污闪事故为普遍性事故。这种事故一俟发生,就造成大面积长时间停电,甚至一个网区的十几条线路同时停电,给工农业生产和人民生活带来极大的危害。如1987年1月3日～27日,陕西省关中电网发生连续3起大面积崩溃性污闪事故,仅每天少送电量就达几百万度,给陕西和甘肃两省的工农业生产造成巨大损失。 据统计,从1976年～1986年的11年间,因污闪事故造成的电量损失就高达一亿七千多万度,其中线路污闪损失占22.7%,发电厂升压站及变电所污闪损失占77.25%;平均每条线路的污闪损失为2.265万度,每个变电所污闪损失平均为12.208万度,损失惊人。在这些事故中发电厂升压站的污闪事故损失尤为严重,11年间发生了13次电厂污闪事故,事故率仅为1.2%,但损失的总电量高达9600多万度,占总损失的58.06%。 综上所述,污闪损失之巨及其给工农业生产各领域带来的后果是难以统计的对连续性生产的化工、冶金、矿山等部门可造成设备报废损坏,产品质量下降、甚至造成人身伤亡等,还可能对政治、交通运输等方面产生严重影响。3 污闪机理及污闪原因 污闪过程是一个很复杂的过程,它不是简单的空气间隙的击穿过程,而是一种需一定时间和一定电能聚积下的一种热击穿过程。“污秽闪络”,顾名思义就是指污秽条件下发生的闪络。经国内外专家们的长期研究,污闪的发生一般要包括以下几步: a.绝缘子表面沉积一层污秽物不导电的惰性物和受潮能溶解的盐类、酸碱等物。它们在干燥状态下是不导电的。 b.绝缘子表面受潮,污层湿润后变为导电层,在运行电压作用下,表面产生泄漏电流。 c.表面泄漏电流产生焦耳热,在电流密度大或污层电阻较高的局部区域烘干污层,称为干带,干带中断了泄漏电流,使作用电压集中,形成高场强而引起干带上空气击穿和泄漏电流的脉冲。 d.干带上出现的放电与未烘干的污层电阻相串,当串联电阻较低而泄漏电流脉冲较高时,放电将转成电弧,其燃烧和持续发展将导致绝缘子两极间的闪络。 故基本污闪机理为:表面积污→污层湿润→干带形成→局部电弧发展。 根据上述机理,引起污闪的基本原因有以下三点: a.污源众多,污源特性各异,这是提供污物沉积的源头。 b.气象条件中的雾、毛毛细雨、小雨夹雪等,是引起污秽层充分湿润的必要条件,也是最易造成污闪事故的气象条件。 c.长期作用的工频电压。 无污层潮湿状态下运行不会发生污闪;有污层干燥状态下运行不会发生污闪;有污层潮湿状态无电压不会发生污闪。 因此,污闪事故的发生,只有在污秽层、湿润条件与工作电压三者同时并存,相互作用下才会促成。4 绝缘子伞形结构参数及其作用 在理想干燥状态下,由于空气有一定的介电系数,只要空气不击穿即可,故瓷件按电压等级制成不同高度圆柱体即可。但自然界有雨雪,空气中也有湿度,瓷柱受潮后被导通而短接,为了提高淋雨状态下的绝缘性能,户外型绝缘子在瓷柱外设置不同数量的伞裙,户内绝缘子则设置若干伞棱。 为理解污秽条件下绝缘子运行特性,有必要了解伞形结构基本特征参数（见图1）及其作用。图1 绝缘子伞形结构及主要参数 a.瓷柱直径d:决定绝缘子所能承受的机械负荷组合值,对提高机械负荷起决定作用。 b.伞伸出p1:在直径d确定时,决定伞径D（D=2p1+d）,对闪络特性有较大影响。 c.伞间距s:相邻二伞同位点间距离,决定伞间电气性能。 d.伞间比距s/p1:亦称伞伸出系数,决定伞间爬距的有效利用率。 e.伞倾角α:影响绝缘子的自洁性。 f.单伞爬距l:表示相邻伞上二同位点（或一组伞）间的爬电距离,决定绝缘子总爬距。 g.大小伞差p1-p2:决定在淋雨条件下二相邻伞裙间电弧桥接的情况。 h.伞裙数n:在伞伸出p1、p2固定时,决定绝缘子的爬电距离。 i.相邻伞间最小间隙c:决定淋雨条件下相邻二伞裙间的放电桥接情况。 j.伞间气隙h:上伞裙下缘至下伞面间垂直距离,与伞间电气性能有关。 k.伞间表面任意两点间的爬距与该两点间空气隙距离之比的最大值ld/h:它企图表明爬距被空气隙放电所短路的情况所发生的概率。 一种好的伞形结构,应充分兼顾上述各参数的配合,使之具有相应的爬电距离和较好的耐污性能并兼有较好的制造中的工艺成型性。5 合理的结构设计与耐污性能 一般认为,绝缘子的爬电距离与耐污性能成正比,但若单纯追求爬电距离而忽视伞形结构,则会适得其反。例:在我国的铁道电气化工程建设中,曾进口过爬电比距为4.2cm/kV的铁道棒形,运行中发生污闪,现场调查表明,该绝缘子虽爬电比距特大,但由于伞太密,运行中伞间电弧桥接而引起闪络事故。因此我们所指的应是“有效爬电距离。”所谓“有效”,是指在长期工作电压作用下,绝缘子不会因伞裙间电弧桥接而短接了一部分爬电距离。 合理的结构设计是指对“s/p、h、p1-p2”等参数选取最佳值,以保证爬电距离被充分利用。 在研制耐重污秽条件下运行的绝缘子的工作中,我们同电力 部门的同志们共同努力奋斗了几个春秋与寒暑,从绝缘子的结构造形设计、样品研制、带电自然积污运行到人工污秽试验,获得了大量数据与经验,取得了圆满的结果。 35kV～220kV系列耐重污型绝缘子,是经十余种几百只不同伞形结构造形的绝缘子,在不同污源下的多年带电自然积污运行,并经人工污秽最大耐受电压试验的严格筛选而最终定型并研制成功的。各级耐重污型绝缘子均可耐受（0.25/1.0mg/cm2）盐密/灰密条件下的该级的最高工作相电压。比中污型系列棒形的污闪电压提高37%～48%的幅度。是耐污性能优异的绝缘子,对提高电网的运行可靠性起到有力的保证。表1列出了绝缘子的污秽特性比较。表1 绝缘子耐污秽特性比较 绝缘子型式 闪络电压回归方程 U=KS-V 不同盐密/灰密（mg/cm2）下闪络电压 kV 最大耐受电压 kV 等级 类别 0.05/0.2 0.1/0.4 0.2/1.0 0.4/1.0 220 kV 重污 U=117.1S-0.27 262.5 217.8 180.7 149.9 146 （耐受0.25/1.0） 中污 U=84.02S-0.384 196.8 161.6 132.7 109.0 110 kV 重污 U=59.29S-0.256 127.6 106.9 89.5 75.0 73 （耐受0.25/1.0） 中污 U=38.85S-0.336 106.4 84.3 66.8 52.9 63 kV 2212 重污 2100 U=36.49S-0.281 84.5 69.7 57.3 47.2 52.9 （耐受0.25/1.0） U=43.31S-0.208 80.6 69.6 60.5 52.4 35 kV 重污 U=21.78S-0.348 48.7 40.4 33.6 27.9 29 （耐受0.25/1.0） 中污 U=12.74S-0.427 45.9 34.1 25.4 18.8 注:表中63kV级为两种不同伞形和爬距的重污型绝缘子对比。 将表中数据用曲线示于图2,从中可看出以下特点: a.同级绝缘子在相同污密下,重污型比中污型的污闪电压都有较大提高幅度,约37%～48%。 b.从轻污密区到重污密区,重污型绝缘子的闪络曲线较平坦,下降幅度较小;而中污型绝缘子的闪络曲线较陡斜,下降幅度较大。 c.同等级两种绝缘子的两条闪络曲线似牛角型,污密低、时间距小,污密越高两者间距越大,说明重污型绝缘子在重污密区比中污型绝缘子的闪络电压有更大的增值,其耐污特性更加优异。图2 耐重污型与耐污型绝缘子污秽特性比较 在重污系列绝缘子设计开发过程中,我们整理了大量数据,发现前期设计的绝缘子爬距很大,但污闪电压随盐密的递增而下降甚快,说明了单纯追求爬距而忽视伞形结构,造成了爬距虽大,但耐污性并不好的适得其反的结果,明确地揭示了“合理选取伞形结构各技术参数对提高绝缘子耐污性能所具的重要作用”。 表2和图3列出了前、后两期研制的63kV级重污型绝缘子的结构参数及性能、曲线的比较。图3 各期研制的耐重污型绝缘子的污秽特性比较 充分表明了两类绝缘子虽高度与爬距仅相差5%,但污闪电压却相差26.5%～49.7%;两类绝缘子的最大耐受电压之差为无穷大,性能优劣显而易见。 上述比较足见伞形结构的合理性对污闪电压值有决定性作用。合理的伞形参数选择,是“减少伞间电弧桥接,增加爬距的有效利用”的决定性因素。6 合理选择设备的外绝缘 前文中阐述了污闪事故带来的危害及造成的巨大损失,在表3中将摘列部分“变电设备的污闪分类统计数据”。对表中数据分析可看到,在我国六大电网的110kV、220kV变电设备所发生的污闪事故中,几乎隔离开关的污闪事故均占第一位,断路器的污闪事故均占第二位,母线支柱的污闪占第三位。其二,作为开关或母线用的支柱绝缘子综合发生的污闪数高达65.2%,可见支柱类产品是各类设备中绝缘保护水平最纸的,迫切需要有性能优异的绝缘子去更替。表2 各期研制的耐重污型绝缘子结构及特性对比 序 号 高度 爬距 伞 形 结 构 特 点 不同盐密（mg/cm2）下的污闪电压 kV 最大耐受 电压 kV mm 0.05 0.1 0.2 0.4 d 890 2205 大小交替伞、伞下带棱、伞距S较大 84.6 69.7 57.3 47.2 0.25/1.0污密下耐受值52.9 e 2100 等径深棱伞 80.8 69.6 60.5 52.4 a 845 2100 大小交替伞、伞下带棱、伞距S较小 46 （0.08mg/cm2） 40.7 37.3 0.2mg/cm+2盐密下闪络电压仅40.7kV,远离最大耐受值 b 大小交替光伞 40 32 29 c 大小交替伞、大伞带棱、小伞光、伞距较小 46.7 39.7 35.7 比值 1.053 1～1.05 伞间参数差异较大 ＞1.49～1.74 1.408～1.486 1.265～1.405 ∞ 表3 1976年～1986年间全国六大电网变电设备的污闪情况（次数）一览表 网 区 电压等级 kV 隔 离 开 关 断路器 变压器 套 管 穿 墙 套 管 互感器 耦合电 容 器 母 线 支 柱 母 线 悬 式 小 计 华 东 110 18 7 2 1 3 10 7 48 220 8 3 1 5 3 20 西 北 110 18 5 3 2 4 2 2 36 220 7 1 8 华 北 110 17 10 1 2 1 10 4 45 220 东 北 110 2 8 2 3 2 2 19 220 4 2 1 2 9 中 南 110 23 9 3 4 4 7 2 52 220 4 2 1 7 西 南 110 15 3 1 1 2 5 27 220 2 2 合计 111 47 13 14 17 4 41 26 273 % 40.66 17.216 15.018 9.524 100 由于我国目前城乡配电能力不足,严重超负荷,配电网中大量设备陈旧老化,可靠性不高等原因,不能满足电力系统安全运行的要求,同时也影响了国民经济的发展,故从1998年起国家投入大量资金进行城乡电网的改造与建设。 在城网改造与建设中,笔者认为下述几方面十分重要。 a.根据大工业发展变化情况,应对城乡变电站、配站所周边的污源进行普查,重新制订和划分污区图,以便对各相应的变、配电点的污秽等级心中有数。 b.对网点中陈旧老化、绝缘保护水平低下的设备应彻底改造,更换性能优良的产品,确保电力“送得进、供得出、用得上”。 c.在设备更换中,对其外绝缘水平应予充分考虑,尤其是污秽升级的站所,其设备的更换决不能采用“维持原高度不变下的增大爬距”的做法,而应充分考虑耐污伞形的结构选择,以提高耐污性能为根本目标。这也是采用先进技术、提高可靠性的重要基点。否则,虽增了爬距而末增污闪电压,岂不还是徒劳无功吗?7 结论 （1）污闪事故对国民经济发展有严重影响,减少污闪事故,降低其危害与损失,是电力事业发展中设计、制造、科研与运行部门的共同职责。 （2）合理选取绝缘子的伞形结构参数,对提高污闪电压有重要作用。 （3）在城网改造中,更换老化设备,合理选型与使用,对提高设备的运行可靠性有重要意义。■作者单位：俞宜任（抚顺电瓷厂,辽宁 抚顺 113008）参考文献：［1］岳建民.典型雷害事故分析.过电压,防污问题及前景［M］.武汉高压研究所,1988,12.［2］张仁豫.污闪放电理论和放电特性.过电压,防污问题及前景［M］.武汉高压研究所,1988,12.［3］俞宜任.耐污秽绝缘子伞形设计和选用.过电压,防污问题及前景［M］.武汉高压研究所,1988,12.
