宁夏地区换流站用绝缘子积污特性研究

何紫涵， 伍 弘， 郝金鹏， 朱灵芝， 胡秀雷

(1. 迈阿密大学文理学院，俄亥俄州 牛津 45056; 2. 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750001;3. 重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054)

0 引 言

高压直流输电在输送相同功率时，线路的有功损耗较小、造价低、调节速度快、运行可靠以及能限制系统的短路电流，在远距离输电中优势明显。换流站是高压直流输电系统中电能变换的重要场所，在高压直流输电系统中起着重要作用[1-2]。在沙尘暴和雾霾等极端恶劣大气条件下，换流站内绝缘子可能发生积污，导致其电气性能下降，威胁换流站的安全运行。宁夏所属地区地表形态复杂多样，干旱少雨、风大沙多，霜冻、局地暴雨洪涝等灾害性天气比较频繁[3]。和其他地区相比，宁夏地区绝缘子积污更严重，已积污的绝缘子无法靠自然的雨水冲刷来减缓。因此宁夏地区的换流站内绝缘子更易积污，引发污秽闪络故障，威胁到电网的安全运行[4-5]。

近年来由污秽闪络引起的输电线路故障率降低，主要得益于电力部门采取了有效的防污和治污措施，而掌握绝缘子的积污现状和积污特性是防污和治污的关键。为防止绝缘子污闪，许多学者对绝缘子积污特性和规律开展了广泛的研究。文献[6]研究了极干旱、半干旱、半湿润、湿润四种典型气候下特高压直流线路绝缘子长期积污特性。为不同环境下外绝缘设计的差异化选择提供了参考。文献[7]研究了支柱绝缘上下表面不均匀污秽对直流电压的闪络特性，其研究结果表明支柱绝缘子上下表面的不均匀污秽会影响最表层污秽的电导率，闪络电压也因为电导率的改变受到影响，为不均匀污秽闪络电压变化提供了理论依据；文献[8]研究了电场对运行支柱绝缘子积污规律的影响，现场对支柱绝缘子的积污数据进行测试，运用仿真软件对不同积污情况进行仿真，对于支柱绝缘子积污特性有一定的参考意义。文献[9]研究了在无降雨的环境下绝缘子积污情况，绝缘子的结构和材质对积污的不同影响可以为无雨的绝缘子防污工作提供理论指导。文献[10]基于图像处理技术，研究了不同污秽度的绝缘子的形貌，找到了两种联合判据更加精准地掌握复合绝缘子污秽的情况。文献[11]采用了人工积污试验和仿真分析模型，研究了重污少雨环境下长棒形瓷绝缘子积污特性，对徐州地区少雨环境中绝缘子防污工作提供了理论指导。文献[12]对宁夏典型地区的输电杆塔的复合绝缘子与瓷绝缘子的积污特性做了测量和对比分析，为积污严重地区的绝缘子选择提供了指导。

绝缘子的积污过程较为复杂，绝缘子结构、绝缘子材质、电压类型和各种环境因素等都会对绝缘子表面的积污造成一定的影响。而绝缘子的性能的衰退会造成绝缘劣化，威胁电网安全运行[13]。目前，许多学者对绝缘子积污做了很多研究，但对于宁夏地区特殊环境下的绝缘子积污研究较少，而换流站作为电能变换的重要场所，站中有不同种类的绝缘子的积污特性还未有系统的研究，绝缘子积污特性的规律影响到防污治污的工作。处于我国西北内陆的宁夏地区换流站内的交直流绝缘子积污特性还需要进一步的研究。本文研究了宁夏地区一处换流站积污一年的站用绝缘子的积污特性，对站内普通支柱绝缘子、中性场支柱绝缘子、穿墙套管、避雷器和互感器进行现场积污特性测试和仿真分析研究，获得了换流站内绝缘子积污特性和规律。本文的研究结果可以为宁夏地区换流站站内绝缘子防污工作提供参考。

1 绝缘子污秽取样及污秽度测试方法

1）污秽取样方法

绝缘子污秽的取样方法可以分为直接取样和间接取样，直接取样是将绝缘子更换下来之后按照标准进行测试，间接取样是用取样布取样进行测试。

对于低电压等级输电线路，宜采用直接取样，通过更换绝缘子串中的单片绝缘子来获得绝缘子污秽样品。在超高压、特高压直流线路中，所使用的是大吨位绝缘子，绝缘子质量比较大，绝缘子的更换耗时，技术难度较大，一般采用间接取样。本文采用间接取样的方法对换流站的交直流绝缘子进行污秽测量，即采用绝缘子污秽取样布来采集污秽，将现场采集的积污样本保存并且在实验室对样本进一步测量与研究。

2）污秽度测试方法

交、直流绝缘子污秽测量最常用的方法均为等值附盐密度法，即分别对污秽的盐密和灰密进行测量。等值附盐密度常简称为等值盐密（ESDD）或灰密（NSDD），由于部分绝缘子需要到现场采污，因此把等值附盐密度法中的水洗绝缘子表面更换为采样布擦拭。本文污秽度测量标准按照国家标准GB 26218.1—2010《污秽条件下使用的高压绝缘子选择和尺寸》进行。①将脱脂棉花浸入200 cm3水中（水的电导率小于0.001 S/m）；②压挤棉花分别擦洗绝缘子上表面和下表面；③挤压棉花，使污秽物溶解在水中。当等量等温的含污秽物溶液和NaCl溶液的电导率相等时，NaCl的量即等效为污层盐量。

式中：ESDD——等值盐密，mg/cm2；

Wo——NaCl中等值盐量，g；

A——被擦拭绝缘子污秽的表面积，m2。

等值灰密的测量，需要将清洗污液进行过滤，为了加速过滤过程，试验中使用灰密测量仪器，能够利用真空泵加速过滤过程，并对难溶物进行烘干和精确称量。

式中：NSDD——等值灰密，mg/cm2；

Wf——干燥条件下含污秽过滤纸的质量，g；

Wi——干燥条件下过滤纸自身的质量，g；

A——被擦拭绝缘子污秽的表面积，m2。

本文在宁夏某换流站内进行±660 kV穿墙套管污秽测试，现场情况如图1所示。

图1 ±660 kV穿墙套管现场图

2 站用绝缘子积污特性分析

2.1 ±660 kV穿墙套管沿串积污特性

换流站内±660 kV直流穿墙套管一半安装在户内，一半安装在户外，安装在户外的穿墙套管积污较严重，故对±660 kV外侧穿墙套管沿串的ESDD和NSDD进行测试。对沿串的ESDD和NSDD进行二次拟合得到变化趋势和套管上、下表面的污秽度如图2和图3所示。

图2 沿串污秽度分布

由图2和图3可知，穿墙套管沿串的污秽度具有明显的特征，ESDD和NSDD的上表面和下表面经二次拟合得出的相关系数分别为0.985 6、0.864 6、0.981 1和0.915 1。上表面受伞裙编号、高低压端影响密切；下表面受电场强度分布的影响较小，尤其是ESDD下表面。±660 kV穿墙套管的等值盐密和等值灰密整体积污分布规律基本一致。其ESDD和NSDD分布曲线的趋势差异不大，波动幅度也基本一致。高压端电场强度最高，不同部位的场强差异导致污秽度分布不均匀，电场的集尘效应影响着污秽物的分布[14]，污秽物的分布也会使电场发生畸变，污秽物的分布与电场作用相互影响。在靠近出线高压端的位置高于中压端和低压端的位置，且上表面高于下表面，套管沿串呈现U型分布。考虑到穿墙套管放置的方式接近水平，上下表面的差异应该是伞裙朝向导致。

图3 ±660 kV穿墙套管污秽度

2.2 330 kV互感器沿串积污特性

本文对换流站内330 kV互感器的硅橡胶护套进行了沿串污秽度的测试。该电流互感器的结构由大小伞裙构成，分别测试了大、小伞裙的上、下表面的污秽度，并对其沿串的分布进行分析。对电流互感器沿串的污秽度进行二次拟合得到的污秽度分布特点如图4所示。

从图4中可知，电流互感器沿串的盐密分布比较均匀，大伞裙的等值盐密分布于0.13～0.14 mg/cm2，小伞裙的等值盐密分布于0.08～0.10 mg/cm2。灰密分布呈现微弱的倒U型分布，大伞裙的灰密分布于 0.3～0.4 mg/cm2，小伞裙的灰密分布于 0.4～0.6 mg/cm2。其中经二次拟合得到互感器ESDD和NSDD的上表面和下表面的相关系数分别为0.980 6、0.252 9、0.942 5和 0.169 5。上表面的积污在一定程度上受电场分布影响；下表面的积污与电场分布相关性不大。

图4 330 kV电流互感器沿串污秽分布

330 kV互感器高压端、中压端和低压端的污秽度如图5所示。小伞裙的等值盐密和灰密都比大伞裙大。互感器的平均等值盐密大于等值灰密，可能是该型号绝缘子的硅橡胶吸附可溶盐的能力较强。小伞裙被大伞裙遮挡，受风力作用较弱，由于宁夏地区少雨干旱，也无法受到雨水冲刷的作用，因此可能导致小伞裙的ESDD和NSDD较高。330 kV互感器的等值盐密和等值灰密在不同位置的污秽度差异无明显的规律。

图5 330 kV互感器不同位置污秽度对比

2.3 330 kV避雷器套管积污特性

避雷器是换流站中免受雷击过电压和操作过电压而引起故障的重要设备，绝缘子积污会导致其绝缘性能的下降，易发生污闪事故。为了探究避雷器（大小伞裙结构）的积污特性，本文分别对大伞和小伞的上表面和下表面进行污秽度的测试，得到高压端、中压端和低压端的ESDD和NSDD如图6所示。

图6 330 kV避雷器不同位置污秽度对比

避雷器上下表面污秽度对比如图7所示，330 kV避雷器套管伞裙较密集，污秽易在伞裙间积聚，导致整体的污秽度较高。从图中可以看出，在同一个避雷器设备上，上下表面的污秽度虽略有差别，但无一致性的规律，不同位置小伞裙的污秽度都高于大伞裙。小伞的等值盐密和灰密都略高于大伞裙，小伞裙隐蔽在大伞裙之间，受到降雨、风等因素的影响小，因此污秽容易在小伞裙上得以保留。

图7 避雷器上下表面污秽度对比

2.4 330 kV支柱绝缘子套管积污特性

本文对330 kV支柱绝缘子进行污秽度测试，得到330 kV支柱绝缘子高压端、中压端和低压端的ESDD和NSDD值如图8所示。在高压端和低压端部位，支柱绝缘子大伞裙的等值盐密高于小伞裙，支柱绝缘子的大伞裙的等值灰密普遍高于小伞裙，并且沿串分布比较均匀。

图8 330 kV支柱绝缘子积污特性对比

2.5 中性场支柱绝缘子套管积污特性

中性场支柱绝缘子是换流站内特殊的一组绝缘子，运行电压低于换流站内其他交直流的输变电设备。本文对换流站中性场的支柱绝缘子的高压端、中压端和低压端进行了污秽度的测试。测试绝缘子的ESDD和NSDD如图9所示。

图9 支柱绝缘子污秽度对比

换流站中的中性场的支柱绝缘子一年清扫一次，绝缘子整体伞裙间距较大，因此所测得的污秽度较低。从图中可以看出，在为期一年的积污中，对比发现中性场支柱绝缘子下表面的等值盐密高于上表面，而上下表面的等值灰密比较接近。绝缘子沿串高压端、中压端和低压端的污秽度也比较相似，受电场的影响较小。

2.6 站内绝缘子积污特性分析

为了更直观展现换流站内绝缘子的积污特性，本文将站内绝缘子的上下表面污秽度作对比分析，如图10所示。可以看出，交流绝缘子伞裙下表面比上表面更易积污，直流绝缘子伞裙上表面比下表面更易积污。绝缘子的污秽物沉积主要受到电场力、风力和重力的共同作用，由于交流绝缘子污秽物的运动受到交变电场力的作用，颗粒物运动和受到恒定的电场力作用的直流绝缘子相比更频繁，且直流套管管径较大，伞裙伸出较短导致直流绝缘子的等值盐密和灰密基本低于交流绝缘子；换流站内避雷和支柱绝缘子较站内其他绝缘子更易积污。由于宁夏地区的特殊环境，绝缘子的积污未受到雨水冲刷的效果，较其他地区的换流站更易积污。

图10 换流站内上下表面污秽度对比

3 换流站内套管积污特性仿真分析

为了进一步验证现场积污情况所得出的结论，选择换流站中交流互感器和直流穿墙套管作为代表来进行仿真分析。建模仿真分析互感器和穿墙套管的污秽物颗粒的运动轨迹，得出的积污特性规律再与和现场积污所得出的规律对比是否一致，以验证现场采集的积污数据的有效性。

3.1 仿真模型与计算条件

1）交、直流套管模型

以交流330 kV瓷套管电流互感器为例，建立相应交流套管仿真模型。瓷套管绝缘距离3 400 mm，爬电距离12 380 mm，直径300 mm，仿真模型简化了安装底座和互感器本体；以直流±660 kV出线复合套管为例，建立相应直流套管仿真模型。出线套管室外部分绝缘距离9 575 mm，爬电距离42 500 mm，外径816 mm。伞裙为大小伞结构，大伞伞裙伸出95 mm，小伞伞裙伸出75 mm。均压环外径2 200 mm，直径600 mm。套管的三维模型如图11所示。

图11 套管三维模型

2）流场计算域与计算条件

瓷套管和复合套管都为上下等径结构，伞裙沿套管轴向方向具有周期性特点，即一大一小伞裙为一组，上下组伞裙几何结构相同。因此可认为伞裙附近流场也具有周期性特点，计算流场时不需要包含大量的伞裙结构，建立的流场计算域包裹了两组共4片大小伞裙。因为套管柱型结构也具有左右对称性，计算域也只需包裹1/2套管柱面。计算域上下表面设置为平移周期性边界条件，与套管轴向截面重合的计算域侧表面设置为对称边界条件。330 kV瓷套伞裙和±660 kV出线复合套管伞裙附近流场计算域分别如图12所示。

图12 伞裙附近流场计算域

空气来流方向垂直于套管轴线，来流速率3 m/s，气流出口为零压力扩散条件。湍流场采用稳态求解方式。加入离散相颗粒模拟污秽粉尘在伞裙附近的运动和碰撞吸附，离散相颗粒直径20 μm，套管柱面和伞裙表面设置为颗粒捕捉表面，计算域的其他面为颗粒逃逸表面，当离散相颗粒与伞裙表面接触时，即停留在接触位置。

3.2 仿真计算结果分析

330 kV瓷套管伞裙和±660 kV复合套管伞裙附近颗粒运动轨迹如图13所示。图中颗粒轨迹的颜色代表颗粒运动速度。从图中可以看出，无论是瓷套管还是复合套管，其宽大的套管本体对颗粒物运动轨迹造成了很大程度的偏转，套管直径越大，造成的颗粒运动偏转越强烈。

图13 伞裙附近颗粒运动轨迹

部分颗粒物与套管伞裙发生正面碰撞，滞留在伞裙迎风面；另一部分颗粒物会随着空气湍流绕行至背风面伞裙附近，以较低的速度与背风面伞裙发生接触。直流复合套管管径更大，在背风侧形成了长度更长，宽度更大的湍流区，而交流瓷套管附近的颗粒运动速度比直流套管附近的稍大。

3.3 套管积污特性分析

330 kV交流瓷套管和±660 kV直流复合套管接触的颗粒物分布情况分别如图14和图15所示，图中紫色、蓝色的色块即表示污秽颗粒与伞裙接触的区域。流场仿真加入了离散相颗粒，颗粒运动轨迹分析结果表明，与330 kV瓷套管发生接触的颗粒物多数分布在伞棱迎风面和伞裙下表面；与±660 kV复合套管发生接触的颗粒物在伞裙上、下表面均有广泛接触，且迎风面伞裙上的颗粒多于背风面。

图14 330 kV瓷套管表面接触颗粒分布

图15 ±660 kV瓷套管表面接触颗粒分布

为了更直观地量化对比交直流套管伞裙的积污特性，提出颗粒沉积率这一特征参数。颗粒沉积率与颗粒接触概率类似，也是间接表示伞裙表面的积污程度，用于对比大、小伞，上、下表面的积污差异。颗粒沉积率的单位为kg/（m2·s），表示单位时间内，单位面积上所接触颗粒物的质量。

330 kV瓷套管大小伞裙，±660 kV复合套管大小伞裙上下表面的污秽颗粒沉积率如图16所示。颗粒物的运动受到电场力、风力以及重力的综合作用。直流套管的几何结构特点是套管管径大，伞裙伸出短，无伞棱。颗粒物由于重力下沉的较少，±660 kV复合套管的小伞裙和下表面平均积污程度较重。330 kV瓷套管瓷面棱槽多,瓷面粗糙，不利于风速通过，易形成旋涡，因此下表面的积污程度也较严重。330 kV瓷套管和±660 kV复合套管的仿真数据呈现的规律与实测数据所体现出来的是相符的。其中，绝缘子的积污规律的差异与绝缘子的结构型式和电场分布等存在一定关系。

图16 套管伞裙表面颗粒沉积率

4 结束语

本文通过现场取样对换流站用绝缘子积污特性进行测试分析，并建立三维仿真模型，分析了套管形状参数对其积污的影响规律，得到以下主要结论：

1）直流穿墙套管积污受电场影响较大，高压端均压环附近污秽度明显增加，套管沿串呈现U型分布，高压端和低压端污秽度高于中压端。

2）垂直放置的支柱类绝缘设备沿串的污秽度受电场影响较小，污秽分布比较平均不同部位的污秽度基本一样。

3）在同一支柱上，小伞裙的污秽度高于大伞裙的污秽度；伞间距小的支柱绝缘子，污秽容易积累在伞裙之间，导致污秽度高。