第十章 高海拔区特高压输变电设备的外绝缘问题Word文件下载.docx
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20～35
0.83
0.77
前苏联V.M.Rudakova和N.N.Tikhodeer总结了本国对于悬式绝缘子、支柱绝缘子、套管及外瓷套在不同气压下的人工污秽试验结果，在交流或直流电压下的n值大部分都在0.5左右，对于棱间距离或伞间隙很小的绝缘子，n值可达0.8以上。
V.I.Bergkuan和O.I.Kotobova在常压及气压为68kPa的条件下，进行了标准悬式绝缘子串和耐污型悬式绝缘子串的交流人工污秽试验，得出前者的n值为0.5，后者的n值为0.6。
前苏联学者通过比较这两种绝缘子的污闪电压随气压变化的关系发现，在其余条件相同的情况下，随着海拔的升高，复杂形状绝缘子的电气强度比简单形状绝缘子下降得严重，系数n不是常数，随着绝缘子形状不同而变化。
因此他们认为，对简单形状绝缘子n的平均值可取0.5，对复杂形状绝缘子n的平均值可取0.6，之所以产生这种差别，是因为在复杂形状绝缘子上发现有伞棱间弧络现象发生。
瑞典的T.Frywell和A.Schei对于表面湿润的清洁或染污绝缘子进行了试验，提出在直流电压下n为0.5，在交流电压下n为0.29，这意味着海拔高度或气压对直流污闪电压的影响比交流污闪电压更严重，这与其它单位的研究结论恰好相反。
加拿大学者H.P.Mercure对于窄矩形平板模型进行了直流染污放电试验，污层为电解液，得出负极性直流污闪电压对应的n值为0.35，正极性直流污闪电压对应的n值为0.40。
他总结了以往不同国家研究者的试验结果，汇总了不同研究者所推荐的n值如表10.2所示。
表10.2国外学者推荐的n值
国家
AC
DC（-）
DC（+）
备注
日本
0.500.55
（1）
（2）
0.35
0.40
（1）标准悬式绝缘子
（2）形状复杂的耐污型绝缘子
前苏联
0.500.60
0.50
（1）
—
（1）悬式绝缘子或支柱绝缘子
（2）耐污型绝缘子串
瑞典
0.29
加拿大
综上所述，国外虽然做过一些试验研究，但所作研究多数是模型上的试验结果，例如日本和加拿大的试验研究是在平板模型或尺寸缩小一半的绝缘子上进行的。
前苏联和瑞典做的是真实绝缘子的试验，但所得出的试验结果差别很大，特别是都没有做高海拔、低气压条件下的大吨位、大尺寸绝缘子的试验。
因此对高海拔地区染污放电问题的研究，国外尚无成熟经验可借鉴，所得试验结果还不能直接用于我国高海拔地区输变电设备外绝缘的设计。
我国清华大学等单位曾对绝缘子污闪电压随气压或海拔高度的变化规律进行过较深入研究，相对其他国家我国在此领域所做试验研究较多。
清华大学在高海拔污闪特性问题上发表的文章在国际上引起同行的普遍关注，文章被多次引用，得到很高的评价。
可以认为在高海拔染污绝缘研究领域我国的研究水平已处于国际前列。
我们不仅在模型上作了较深入的基础研究，而且对实际绝缘子在不同气压下的染污放电特性做了大量的试验。
可以说，在高海拔外绝缘特性研究领域，我国已做了相对较深入的研究，已积累了大量的试验数据和研究经验，为此项目的完成，已有较好的技术储备和研究条件。
清华大学赵铁滨的硕士论文课题，是我国最早涉及高海拔低气压条件下绝缘子污闪特性领域的研究工作。
他通过对四种悬式悬式绝缘子在760mmHg～360mmHg气压下的交流人工污秽试验，得出的n值如表10.4所示，绝缘子的几何形状如图10.1，试品型号和结构参数见表10.3。
从表10.4可以看出，n值和绝缘子的几何形状和污秽程度都有关系，防污型绝缘子的n值不见得比普通型的n值大。
从总体上讲，除个别数据外，n值的差别不大，平均值为0.44。
试验中观察发现，低气压下的污层表面局部电弧显得轻飘，电弧弧径变粗，容易飞弧且不易熄灭，认为污闪电压随气压下降而下降的原因是污层表面局部电弧伏安特性呈下降趋势，交流电弧恢复条件容易得到满足，以及电弧弧径增大使剩余污层表面电阻减小这三方面原因综合作用的结果。
图10.1试品绝缘子的结构图
表10.3试品绝缘子的几何参数
绝缘子型号
结构高度H（mm）
最大盘径D（mm）
泄漏距离L（mm）
表面积S（cm2）
X-4.5
146
257
277
1370
XWP-6
255
393
2006
西1334
160
306
379
2041
XS-4.5
260
213
1114
表10.4试验得出四种试品的n值[AC灰密2.0mg/cm2]
盐密（mg/cm2）
0.05
0.1
0.2
0.4
0.47
0.43
0.49
0.53
0.33
0.28
0.54
0.44
0.42
0.39
0.31
0.41
清华大学张海星的硕士论文是研究高海拔、低气压条件下的直流污闪特性，他通过对几种悬式绝缘子（绝缘子的几何形状见图10.2，型号和结构参数见表10.5）在760～360mmHg气压下的直流污闪试验，得出的n值如表10.6所示，可以看出n值除个别一个点外，都在0.12～0.34的变化范围内，比交流污闪试验获得的n值明显要小。
绝缘子的型号或盐密不同时，n值不同，看不出n值与盐密及绝缘子形状之间存在何种有规律的关系。
比较赵铁滨和张海星的试验结果可以看出，在高海拔、低气压条件下，交流污闪电压的降低幅度比直流污闪电压的降低幅度要大。
图10.2直流污闪试验绝缘子的结构图
表10.5试品绝缘子的几何参数
1209
170
320
545
3700
1209E
525
3410
DC-4
510
3445
表10.6n值[DC灰密2.0mg/cm2]
盐密（mg/cm2）
0.07
（+）
0.18
0.25
0.14
---
（-）
0.12
0.21
0.23
0.34
0.45
重庆大学谢军、张建辉等对几种悬式绝缘子和支柱绝缘子（绝缘子的几何形状见图10.3，型号和结构参数见表10.7）做了在气压为99.3～62.4kPa下的直流污闪试验，得出的下降指数n如表10.8所示，从中可以看出，在直流负极性电压下，悬式绝缘子的n值大部分在0.14-0.31之间变化，平均值在0.2左右，与清华大学张海星的试验结果很接近。
支柱绝缘子的n值相对悬式绝缘子较大，主要原因是局部电弧的发展、桥接现象的产生与绝缘子的结构有很大的关系。
图10.3试品绝缘子的结构图
表10.7试品绝缘子几何参数
XP-7
254
295
1430
XWP2-7
390
2000
DC-II-15
165
3500
ZS1-35/400
400
150
615
2210
ZWS1-35/400
192/150
750
2858
表10.8n值[DC（-）灰密2.0mg/cm2]
ESDD（mg/cm2）
0.03
0.20
0.16
0.27
0.30
DC-Ⅱ-16
0.15
0.38
0.59
0.52
0.63
重庆大学张建辉对几种悬式绝缘子在不同气压条件下进行了交流污闪试验，所得n值如表10.9所示，可以看出试验得出的n值变化范围较大（0.29—0.90），污秽等级对n的取值有较大的影响，污秽等级越高，n值也越大。
对于不同的绝缘子，n值的变化没有明显的规律，形状最为简单的普通型绝缘子XP-7的n值比其余试品，包括防污型绝缘子的n值要大，比较机械强度同为16吨的试品，可以看出绝缘子的形状和泄漏距离等参数对n值的影响不大。
比较表10.8和表10.9中n值可看出，交流电压下的n值普遍比直流电压下的n值大。
图10.4试品绝缘子的结构图
表10.9n值[AC灰密2.0mg/cm2]
ESDD（mg/cm2）
0.36
0.58
0.89
0.90
0.72
XP-16
0.56
0.55
XP3-16
0.70
LXP-16
0.51
0.69
XWP3-16
0.65
0.81
西高所苟锐锋对于悬式X-4.5绝缘子串和支柱绝缘子ZS-110/400在50～103kPa的气压范围内进行人工污秽交流污闪试验，试品的几何形状见图10.5，几何参数见表10.10，由试验结果所得n值如表10.11所示，由表10.11可知，对于X-4.5悬式绝缘子当盐密ESDD从0.04mg/cm2增加到0.08mg/cm2时，n值呈快速下降趋势，即从0.56下降到0.28。
这与重庆大学得到的，污秽等级越高n值也越大的结论是相反的。
（见表10.9）
图10.5试品绝缘子的结构图
表10.10试品绝缘子的几何参数
300
1480
ZS-110/400
1060
1870
8800
表10.11n值[AC灰密2.0mg/cm2]
试品
盐密mg/cm2
n
0.04
0.08
清华大学黄超锋的博士论文对于高海拔低气压条件下交直流污秽放电特性进行了系统深入的研究，他首先从平板模型着手，发现在正负极性直流电压作用下，污闪电压的下降指数n大致在0.15～0.17之间，不同气压下直流电弧的伏安特性见表10.12。
认为简单平板模型正、负极性直流污闪电压随气压下降而降低的主要原因是由于局部电弧的伏安特性随气压下降而降低。
随着气压的降低，正、负极性电弧的弧柱直径增大，弧根半径增大，这是电弧伏安特性降低的主要原因。
表10.12不同气压下正负极性电弧的伏安特性
电弧特性
+
-
70
20
119.8
107.7
97.6
79.7
148.5
138.3
116.4
100.3
0.48
0.46
0.57
相关系数
-0.897
-0.957
-0.854
-0.872
-0.892
-0.867
-0.816
-0.918
在交流电压作用下，由简单平板模型试验得出下降指数n大致在0.27～0.31之间，比在同样模型上得出的直流污闪电压的n值大。
在简单平板模型上作实验，可以排除绝缘子复杂形状的影响，在简单模型上得出的交流污闪电压随气压下降的n值也比直流电压下的n值大。
二者不同的原因在于，对直流污闪而言，只需实现电弧的发展条件就可完成污闪，对实现交流污闪而言，不仅要求实现电弧的发展条件而且要求实现交流电弧的恢复条件，交流电弧的恢复条件对气压的变化更敏感，因此交流污闪电压随气压减少而降低的幅度比直流电压要显著。
黄超锋博士对几种典型结构形状的支柱绝缘子在高海拔低气压条件下进行了交流人工污秽试验，试品几何形状如图10.6，绝缘子的几何参数如表10.13，试验结果如表10.14所示。
图10.6试品绝缘子的结构图
表10.13试品绝缘子的几何参数
试品型号
泄漏距离L（cm）
表面积
S（cm2）
形状系数
等效直径
绝缘高度H（cm）
光滑瓷圆柱
35.0
1319.5
0.928
11.9
ZS-35/400
62.5
2154.5
1.895
10.5
30.0
ZWS-35/400
75.5
2939.6
2.089
11.51
F5
96.0
4238.0
.293
13.33
32.0
表10.14四种棒形支柱绝缘子在不同气压和盐密下的平均污闪电压及n值
盐密
电压降低率n
平均污闪电压kV/个
101kPa
80kPa
64kPa
50kPa
光滑垂直瓷柱
15.94
14.61
13.49
12.03
11.09
10.06
9.35
8.52
9.51
8.68
8.21
7.40
8.32
7.53
6.98
6.28
7.75
7.12
6.50
5.93
ZS35/400
32.37
29.28
26.76
23.83
26.60
23.33
20.13
18.37
23.29
19.51
17.15
18.95
16.22
15.07
13.40
16.13
14.65
13.42
12.28
ZWS35/400
33.30
29.71
27.66
23.43
28.13
25.12
22.96
19.69
0.80
24.61
20.14
17.56
14.10
0.84
21.36
17.91
14.13
11.80
18.62
16.19
14.11
11.63
47.47
43.37
38.45
33.97
40.65
36.62
32.87
29.48
0.60
35.60
30.39
27.63
24.02
0.68
28.02
23.66
21.10
17.30
23.39
20.80
19.53
16.12
由表10.14可看出n值不仅和支持绝缘子结构形状有关，而且还和污秽度有关。
ZS-35/400，ZWS-35/400，F5三种棒型支柱绝缘子的n值与盐密的关系都表现为倒U型曲线。
试验中观察到n值和伞裙间的电弧桥络现象密切相关，在较低盐密时，无论常压还是低气压都很难出现伞裙间弧络现象，所以n值较小。
但当盐密增大时低气压下会出现较明显弧络现象，此现象的出现使绝缘子在低气压下的污闪电压进一步降低，但常压下弧络现象很少出现，因此会出现较大的n值。
在污秽度很大时虽然低气压条件下有较严重的伞裙弧络现象，但常压下也出现了弧络现象，因此n值反而小了。
黄超锋博士还作了伞裙间加装隔板的试验，隔板杜绝了伞裙之间的弧络现象，加装隔板后的n值和光滑圆柱试品的n值接近，而且基本不受污秽度的影响。
此试验结果表明，绝缘子结构形状对n值的影响，主要决定于在不同气压条件下的绝缘子伞裙间的弧络现象。
黄超锋博士还对XS-4.5，XP-16，XP3-16，XWP2-16四种悬式绝缘子进行了污闪电压随海拔高度变化的交流污闪试验研究，试品的几何形状如图10.7，结构参数如表10.15所示，由试验结果所获得的n值如表10.16所示。
图10.7四种悬式绝缘子的几何形状
表10.15四种悬式绝缘子的结构参数
结构高度H（cm）
最大盘径D（cm）
爬电距离L（cm）
14.6
26
21.3
15.5
25.4
29.0
1500
28
2075
XWP2-16
45.0
2725
表10.16四种悬式绝缘子在不同盐密时的n值
ESDD（mg/cm2）
平均
0.6
0.62
由表10.16可看出，不同盐密下悬式绝缘子XP-16、XP3-16、XWP2-16的n值变化范围不大，都在0.41～0.62之间。
这三种悬式绝缘子n值与盐密之间的关系不大，但并不是盐密越大n值越高，当盐密超过一定值后n值反而减小，也有倒U形特点。
XS-4.5的n值在0.4左右，与支持绝缘子在电弧不产生伞棱间短路情况时的n值比较接近。
从不同气压下几种悬式绝缘子交流污闪电压与盐密的关系可以看出，不同条件下都是双层伞绝缘子XWP2-16的交流污闪电压最高，大爬距绝缘子XP3-16的交流污闪电压高于普通型绝缘子XP-16。
由此可见，增大泄漏距离也同样能提高常压及低气压下悬式绝缘子的污闪电压。
这几种绝缘子在不同盐密下爬距利用率从大到小的顺序依次为XS-4.5、XP-16、XP3-16、XWP2-16。
但随气压降低或盐密增大，这三种悬式绝缘子交流污闪电压差别逐渐减小，也就是说，在气压较低、盐密较大时，增大悬式绝缘子泄漏距离对于提高交流污闪电压的效果较低。
这里应强调指出，对XS-4.5这种平板型简单形状的悬式绝缘子黄超锋和赵铁滨都做了污闪电压随气压变化的交流污闪试验，试验是在间隔数年后由不同的研究者独立完成的。
比较表10.16和表10.4的数据可以看出两位研究者对同一种试品在相同气压相同污秽度下试验得到的n值基本一致，这说明我们的试验结果有很好的重复性。
综上所述，我国清华大学、重庆大学、西安高压电器研究所等单位都对高海拔条件下绝缘子染污放电问题作了研究，主要是针对实际绝缘子在不同气压下的染污放电特性做了大量的试验工作。
涉及的悬式绝缘子类型有X-4.5，XS-4.5，DC-4，XP-7，XWP2-7，DC-II-16，XP-16，XP3-16，LXP-16，1209，1209E等十几种，涉及的支持绝缘子有ZS1-35/400，ZWS1-35/400，F5，ZS110/400等多种。
由于试品、试验条件和试验方法的差别，各单位的研究结果不尽相同。
但分析各单位的试验结果，可以得出下述共同结论：
（1）随海拔升高或气压降低，各种形状绝缘子的污闪电压都要降低，降低的规律可用下述公式表征，U=U0（P/P0）n指数n反映了污闪电压随海拔升高的降低程度，n值越大，表示气压或海拔因素对绝缘子污闪电压的影响越大。
（2）下降指数n和施加电压的种类有关，交流污
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