复合绝缘子的主要职能是电气绝缘和机械支撑，其性能优劣直接关系到整个电力系统能否安全稳定运行.户外绝缘子长期暴露于大气中，受外界因素影响颇为严重.由污秽造成的绝缘子闪络事故仅次于雷击事故，在整个电网事故中处于第二位，但污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍[1]，故对绝缘子污闪形成机理及影响因素进行研究具有实际意义.
针对绝缘子污闪的研究主要有试验和数值仿真计算两种方法.由于自然积污的绝缘子试品较难获得，故现有试验通常采用等效试验方法.Chrzan等采用盐雾室和人工涂污两种试验方法研究污闪放电过程，发现污闪放电往往集中在绝缘子表面的一个地方或多个地方，且发生在顶部或底部的概率高于中间位置[2]；张志劲等[3]针对低气压下绝缘子污闪放电过程做了试验，发现染污绝缘子串直流放电过程中出现局部飘弧现象；文献[4]研究了简单结构下的交直流污闪电弧发展过程，但没有考虑伞裙结构对污闪电弧发展的影响；文献[5]基于Ansoft有限元软件计算了清洁及染污绝缘子的电场分布规律，并对不同形式干燥带下的电场进行了分析；文献[6]在Ansys中建立了染污绝缘子模型，比较了干燥带出现前后电场和电位的变化情况，得出柱体较伞群部分易产生干燥带的主要原因[7]；张盈利等借助COMSOL有限元软件分析了复合绝缘子沿面电场的影响因素及空气间隙电场强度发生畸变的主要原因[8]；文献[9]分析了绝缘子间插大伞片对端部电场强度的影响.
现有研究多是建立在稳态基础上，没有考虑干区击穿、沿面电弧形成至闪络的全部过程，以及整个过程中对应的电参数变化，因此，本文以FZSW-10/4复合支柱绝缘子为例进行人工污秽试验.不仅研究了绝缘子起晕电压、闪络电压与盐密的规律关系，并观测记录了从局部电弧产生、桥接及形成沿面闪络的全部动态过程，从物理机理上解释污闪动态过程的成因，通过对试验现象与仿真结果进行对比分析得出不同污秽电导率、干区个数及大气压强对污闪的影响规律，为降低绝缘子发生污闪的概率提供了理论参考.
1 试验研究
1.1 试验装置和试品
绝缘子污秽放电受到环境因素、绝缘子结构及表面污秽情况等多种条件的影响，为了建立准确的污闪等效模型，获得仿真条件，提供合理的数据支持，本文搭建了复合绝缘子污闪试验平台，试验线路如图1所示.主要试验设备有调压器、试验变压器(容量为100 kVA，输出电压最大值1 MV)、限流水电阻(2 MΩ)、过电压保护球隙分压比为1 000∶1的、FRC-150交、直流阻容分压器.试品为FZSW-10/4复合支柱绝缘子，其结构参数如表1所示.
图1 试验线路图
Fig.1 Experimental circuit diagram
表1 FZSW-10/4复合支柱绝缘子结构参数
Tab.1 Structural parameters for FZSW-10/4 composite post insulators
额定电压kV额定机械负荷kN结构高度mm伞间距mm大伞伸出mm小伞伸出mm芯棒直径mm电气间隙mm10421520382834197
1.2 试验原理和方法
本试验采用GB/T 26218-2010《污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定》标准，该标准第5部分可适用于直流系统聚合物绝缘子.试验采用盐雾闪络方法，即基于等值盐密法通过一定浓度的氯化钠(NaCl)溶液来等效绝缘子自然界积污受潮的情况.试验步骤包括试品洗涤、盐溶液配制、试品污染处理及试品加压试验[10].
清洗绝缘子污秽物的自来水电导率应小于等于0.001 S/m，用水量取决于绝缘子的表面积.本文由FZSW-10/4型号复合支柱绝缘子的实际尺寸计算出伞裙表面积为380 cm2，本次试验用水量为100 mL.加压方式采用均匀升压法避免升压速度对局部电弧发展的影响[11]，盐液浓度计算公式为
(1)
式中：NS为100 mL溶液中含盐的毫克数；S为绝缘件表面单位面积含盐量；AS为绝缘子绝缘部件总面积；QW为清洗污秽用的蒸馏水量.
1.3 试验结果分析
本文对起晕电压和闪络电压进行了多次测量并计算了平均值，得出了起晕电压和闪络电压在不同盐密条件下的关系，如图2、3所示.起晕电压、闪络电压都随着盐密的增大而降低，且下降指数在盐密低于0.10 mg/cm2时较大.图4为用DSC-RX10M3型高速照相机记录的盐密0.10 mg/cm2时绝缘子串闪络全过程.
图2 起晕电压与等值盐密的关系
Fig.2 Relationship between corona voltage and equivalent salt density
图3 闪络电压与等值盐密的关系
Fig.3 Relationship between flashover voltage and equivalent salt density
从图4可以看出，最易产生局部电弧的位置是距离高压端较近的立柱.随着电压的增加，伞裙间隙的立柱出现了干区，随之多个局部短电弧形成，它们与剩余污层串联分布在绝缘子表面.电压升到22 kV时，局部电弧亮度更大，金具两侧局部电弧的长度也有了明显增加；继续增加电压至28～31 kV时，各局部短电弧之间发生了桥接，形成长弧；电压达到36 kV时，电弧沿着伞裙间的立柱发展到伞裙上、下表面，连成一条沿整个绝缘子表面的完整电弧，整个发展过程即为绝缘子的闪络过程.
图4 局部电弧形成至闪络过程
Fig.4 Local arc formation to flashover process
2 仿真计算
2.1 几何模型和材料参数
本文仿真模型以FZSW-10/4复合支柱绝缘子的实际尺寸为依据建立，绝缘子表面污层厚度设为1 mm.绝缘子表面污秽的分布有很强的不均匀性，本文基于奥本斯诺污闪放电模型，假设仿真模型中干污和湿污交替分布，几何模型如图5所示.仿真模型共用到6种材料，材料的具体参数如表2所示.
2.2 数学模型
绝缘子污闪局部电弧形成直至闪络的过程涉及到复杂的多物理场耦合，本文主要计算了整个发展过程中的温度场、电场强度.由于整个过程是动态发展的，满足质量守恒和动量守恒方程，因此，选用MHD多物理场耦合模块来进行仿真，包括的各方程如下：
图5 FZSW-10/4复合支柱绝缘子仿真模型
Fig.5 Simulation model for FZSW-10/4 composite post insulators
表2 仿真材料基本参数
Tab.2 Basic parameters for simulation materials
材料相对介电常数电导率/(S·m-1)金具1×10105.998×107芯棒87.1×10-13硅橡胶3.510-13湿污81变量干污2.8变量空气110-30
质量守恒方程
+
(ρV)=0
(2)
式中：ρ为电弧等离子体密度；V为电弧等离子运动的速度矢量.
动量守恒方程
(3)
式中：p为流体微元上的压力；μ为流体的动态粘度；I为单位矩阵.
能量守恒方程
(4)
(5)
式中：H为热焓；λ为热导率；Cp为定压比热；SH为等离子热源；
为焦耳热；Srad为总体积辐射项；Sφ为电子焓传递项，即电流携带的能量.
2.3 绝缘子闪络过程仿真分析
在一个标准大气压，温度初始值为293.15 K条件下，对FZSW-10/4复合支柱绝缘子污闪的动态过程进行仿真计算，污层电导率根据试验取值为0.072 1 S/m.根据绝缘子特殊的结构特点，在直径较小的地方，电流密度比较大(如绝缘子立柱)；在直径较大的地方，电流密度会比较小(如伞裙)，立柱单位面积电流发热功率可达伞裙外侧的2～3倍，更易形成干燥带，因此将绝缘子立柱视为干区，伞裙视为湿区.
图6、7分别为污闪动态发展过程的温度场、电场分布云图.污闪全过程分为3个阶段：局部电弧产生阶段、局部电弧桥接阶段和沿面闪络阶段.
图6 局部电弧发展过程中温度场分布
Fig.6 Distribution of temperature field during development process of local arc
图7 局部电弧发展过程中电场分布
Fig.7 Distribution of electric field during development process of local arc
图6中0.1 s最初产生局部电弧的地方是绝缘子上下金具的立柱处，且高压侧金具立柱较早产生，这是绝缘子金属附近的高场强分布所导致的.随着时间的增长，绝缘子表面泄漏电流在增大，因而烘干作用会越来越显著，干区个数及长度都会增加，中间立柱上的干区位置由于承担较高电压，温度开始升高并逐渐产生局部电弧.
随着立柱上各局部电弧之间距离减小，相互之间的桥接产生，如图6第2行图片序列所示，紧随立柱上干区发展之后，伞裙尖端及下表面温度也渐渐升高，说明这些地方慢慢满足了产生局部电弧的条件.图7中第2行图片刚开始伞裙尖端的电场较第1行图片序列中有所降低，因为局部电弧产生后电阻率下降，同理伞裙下表面的电场也降低了.随着电阻率的下降，漏电流开始增加，干区面积越来越大，干区分担的电压也增高，局部电弧的能量较之前有了很大提升，相互发生桥接.
桥接后的局部电弧继续发展，形成图6、7中1.1 s后的沿面闪络阶段.闪络电弧贯通伞裙尖端路径的概率大于沿面发展路径的概率；根据电弧特性可知，此阶段电弧通道电阻性很低，电流很大.整个仿真过程中的电弧形态与试验时高速摄像机记录下的闪络现象(见图4)基本一致.
2.4 不同宏观参数对绝缘子闪络的影响
根据绝缘子特殊结构，从上金具侧开始将沿面爬电距离标记为9部分，如图8所示.采集整个沿面爬电距离下电弧不同发展阶段的温度数据，其中局部电弧产生阶段细分为金具侧立柱起弧阶段和伞间立柱起弧阶段.
0-I：上金具侧和上金具侧立柱；Ⅰ-Ⅱ：大伞裙1；Ⅱ-Ⅲ：伞间立柱1；Ⅲ-Ⅳ：小伞裙1；Ⅳ-Ⅴ：伞间立柱2；Ⅴ-Ⅵ：大伞裙2；Ⅵ-Ⅶ：伞间立柱3；Ⅶ-Ⅷ：小伞裙2；Ⅷ-Ⅸ：下金具侧和下金具侧立柱.
图8 数据截线标记图
Fig.8 Data line marking diagram
2.4.1 不同污秽电导率对绝缘子闪络的影响
为与实际污秽电导率值相对应，选出不同污秽等级下的3组电导率作为仿真电导率进行研究，相应电导率分别是0.072 1、0.175 4、0.260 1 S/m.图9为不同污秽电导率下各阶段绝缘子表面温度.
由图9a～b可知，在起弧阶段电导率对温度值影响较大，污秽电导率越大，局部电弧的温度越高.图9a为最初的阶段，整个绝缘子沿面的最大温度值约为3 500 K，且三个伞间立柱Ⅱ-Ⅲ，Ⅳ-Ⅴ，Ⅵ-Ⅶ的位置也已开始起弧.图9b与图9a相类似，但温度峰值有所升高，这是由于多个局部电弧形成，泄漏电流变大，电流的热效应增强所致，伞裙处温度依然偏低，因为此阶段伞裙处还未形成局部电弧.图9c～d表明电弧桥接之后，电导率对绝缘子沿面各处的温度影响不再显著，因为电弧桥接之后的温度主要依赖于等离子体中的热电离.如图9c所示，伞裙起弧后局部电弧温度上升，尖端结构导致图9d中完整电弧形成之后，弧柱通道主要分布在各伞裙尖端.小伞裙1的尖端位置(Ⅲ-Ⅳ的中间位置)较其他伞裙尖端温度最大值低，这是因为相邻两伞裙为大伞裙，大伞裙尖端电弧桥接到小伞裙尖端需要的路径比两大伞裙尖端相桥接路径长，途中有一部分能量会散失，而小伞裙2 Ⅶ-Ⅷ与高压端金具相邻，所以此小伞裙尖端的温度较小，伞裙1的温度较高.
图9 不同污秽电导率下各阶段绝缘子表面温度
Fig.9 Surface temperature of insulators at each stage under different pollution conductivities
2.4.2 干区个数对绝缘子闪络的影响
根据绝缘子积污规律，假设伞裙上下表面均为湿区，干区分布在立柱位置，且立柱上干区、湿区间隔分布.本文分别取干区10、14和18个进行仿真分析，干区长度随机取值2～7 mm.
图10为不同干区个数时各阶段绝缘子表面温度，图10a上金具侧0-Ⅰ位置只有10个干区与14个干区情况下温度曲线重合.由伞间立柱温度可知，干区个数越多，局部高温位置越多，且对相邻位置湿区的烘干作用较干区少时明显，但温度最大值却随干区个数的增加而减小，这是因为随着干区个数的增多，单个干区分压减少.图10b为伞间起弧阶段，此时干区数目少，单个干区分压高，所以伞裙位置由于尖端结构能较早被烘干，出现局部电弧温度升高，局部电弧更容易发展.图10c为局部电弧桥接阶段，可见不同干区个数对伞裙上的电弧温度无影响，但伞间立柱区电弧温度在14个干区分布时最高，主要原因是干区数为10时，升温速度快，但随着局部电弧不断发展，使周围出现干区的概率较小；而干区数为18时，立柱上局部电弧较多，但每个电弧的相对能量有所降低，因此温度值没有14个干区时大.图10d为完整电弧形成阶段，整个绝缘子沿面的温度较之前各阶段都有所升高，高温区域仍处于各伞裙尖端，此时干区个数对局部电弧温度无显著影响.
2.4.3 大气压强对绝缘子闪络的影响
结合绝缘子的实际运行情况，考虑大气压强对绝缘子污闪的影响.一般针对高海拔地区低气压条件下的污闪放电特征，故本文选0.3、0.5及1倍标准大气压作分析.
在金具侧立柱起弧阶段、伞间位置起弧阶段和局部电弧桥接阶段的温度曲线在3种大气压强下基本重合，只是各阶段的温度值有所不同，但在完整电弧形成阶段时的温度曲线有了明显差异，故图11只列出起弧阶段和完整电弧形成阶段绝缘子表面温度数据图.如图11a所示，压强对绝缘子起弧和桥接阶段影响不大，这是因为局部电弧发展前期电弧形态还不稳定，泄漏电流比较小，主要依靠静电力沿绝缘子表面逐步发展，飘弧作用不显著.闪络阶段如图11b所示，0.5与1倍标准大气压的绝缘子沿面温度曲线变化规律一致.0.3倍标准大气压时，金具侧及金具侧立柱0-Ⅰ和3个伞间立柱Ⅱ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅴ、Ⅵ-Ⅶ温度值变化规律相同，说明较低气压时电弧飘弧现象对绝缘子沿面温度产生了一定影响，飘弧现象会使电弧之间的桥接更容易，使相邻干区跨越过湿区直接桥接.伞裙位置温度变化规律分为伞裙上下表面及尖端位置处的差异，伞裙尖端位置3种大气压强下温度值基本相同，而伞裙上下表面温度在0.3倍标准大气压时比其他两种情况时低很多，尖端位置3种情况一致是因为电流密度较大，弧足向前延伸的作用明显，飘弧现象会被削弱；而在伞裙上下表面飘弧现象显著，从而使原本的高温区域发生位移改变.
图10 不同干区个数时各阶段绝缘子表面温度
Fig.10 Surface temperature of insulators at each stage under different dry band number
图11 不同大气压强下各阶段绝缘子表面温度
Fig.11 Surface temperature of insulators at each stage under different atmospheric pressure
3 结 论
根据上述分析，可以得出结论如下：
1) 绝缘子污闪分为局部电弧产生、桥接与沿面闪络3个阶段，且高压金具侧立柱产生局部电弧的概率较大.
2) 污秽电导率在局部电弧产生阶段对绝缘子沿面温度影响较大，当闪络发生后绝缘子沿面温度不再受污秽电导率的影响.
3) 局部电弧产生阶段，干区个数增加，局部高温区增多，但平均温度下降；闪络发生后，干区个数对沿面电弧温度无显著影响.
4) 局部电弧产生阶段泄漏电流比较小，与大气压强关联度不大；闪络后由于低气压导致的飘弧现象使立柱上温度值波动较大，伞群上下表面温度降低.
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