图1 10kV针式绝缘子实物图
Fig.1 Figure of 10kV pin insulator
摘要 针式绝缘子在配电线路上广泛应用，由其导致的故障占比约为10%。从机理上探究早期故障的电弧动态发展过程、捕捉其波形特征，是实现针式绝缘子早期故障的检测与辨识基础。该文分析针式绝缘子裂缝内部放电发生机理，基于磁流体动力学仿真建模，同时试验模拟针式绝缘子裂缝内部放电，探究裂缝内部电弧的发展过程和电流电压波形特征。结果表明：绝缘子内部燃弧与熄弧交替，电流电压波形符合早期故障间歇性起弧的特征；相比绝缘子外部，裂缝内部形成沿面闪络用时短、闪络瞬间电流变化率大；裂缝内部放电具有明显的极性效应，铝导线施加正电压时起弧概率更大。该文研究结果为进一步实现针式绝缘子早期故障的检测与辨识奠定了基础。
关键词：配电线路 早期故障 针式绝缘子 磁流体动力学 电弧特性 波形特征
针式绝缘子广泛运用在郊区、农村的中压配电线路，其顶部凹槽和铁脚之间瓷体较薄，易开裂，在裂缝内部会产生间歇性电弧。裂缝故障为高阻接地故障，电流幅值小，不会引起保护动作，且该故障具有自清除特性，称为针式绝缘子早期故障[1]。早期故障间歇性发生、电气量特征微弱，其信号湮没在大量扰动事件中，容易被忽视[2]。间歇性电弧产生的高温、热应力会对瓷体表面造成不可逆损伤，损伤累积使早期故障逐渐转化为炸裂、掉线等永久性故障[3]。某省2019年数据显示，配电网中压线路跳闸停运有11.2%由针式绝缘子永久性故障引起，配网的安全可靠运行受到巨大威胁。在永久性故障前及时排查隐患，实现由事后故障处理到事前主动预防的转变，是降低配电网故障率、提高供电可靠性的关键[1]。为实现该故障的事前预防，首要工作是结合针式绝缘子早期故障发展过程与电弧的内外特性，捕捉针式绝缘子裂缝故障独有特征量。
随着电网信息化程度提高，早期故障电流电压波形可被智能终端设备检测记录，为早期故障辨识提供数据基础。现有早期故障检测方法主要分为机器学习法[2,4-6]、波形特征法[7-3]和模型法[14-16]。文献[4]提出了基于复合判据的小电流接地系统接地型早期故障检测算法，文献[2,6]提出基于类人概念学习的人工智能方法，通过对波形进行分解以及分层概率学习进行早期故障辨识，文献[8]提出了基于行波反演的故障重演方法，获取故障暂态波形信息，但是早期故障因为故障位置、设备参数、负载电流、噪声等问题而具有强随机性，无法利用暂态波形特征进行故障辨识。文献[10]主要通过故障波形时频特征和电弧特征来辨识故障类型，识别率高达90%。但配电设备早期故障案例较少，不能满足上述辨识方法需大量数据样本集的要求。文献[11-12]提出了基于波形分布特性、相似度计算等高灵敏的扰动检测算法，有较高的精度与鲁棒性，但此算法对硬件条件要求高，无法大范围推广至实际应用。文献[13]结合单相接地故障模型与Prony算法，提取电流电压暂态波形衰减因子作为电缆接头故障状态监测的特征量。文献[14]在PSCAD中建立电缆早期故障模型，利用电弧电压波形畸变特性来进行早期故障检测与定位，文献[15-16]建立树线早期故障模型模拟放电过程，研究树线闪络电弧的发展特性与影响因素，但未从故障发生机理上建立故障发展过程与电弧特征的联系，难以实现具体故障类型辨识。
针对上述问题，本文基于故障发生机理，采用仿真与试验交互验证的方式研究针式绝缘子早期故障。建立磁流体动力学电弧模型，通过裂缝内部电弧形态、温度、长度等动态变化特性，探究裂缝结构对放电的影响，提取针式绝缘子早期故障独有的特征量；并在人工试验平台对仿真结果进行分析验证。研究结果可指导针式绝缘子裂缝早期故障的检测与识别，为针式绝缘子裂缝早期故障辨识奠定基础。
图1所示为PL1.4/60CL16/150型号针式绝缘子实物图，其伞裙与柱式绝缘子的外伞裙不同，为“钟罩型”的内凹结构，下方不易积污，难以形成污秽沿面闪络。
图1 10kV针式绝缘子实物图
Fig.1 Figure of 10kV pin insulator
针式绝缘子顶部凹槽和铁脚之间的瓷体较薄，长期的机械负荷、冷热变换的外部环境以及化学物质的腐蚀等因素易导致瓷体出现裂缝[17]。根据现场数据统计，裂缝多出现在顶部凹槽与铁脚之间，为一道或多道贯穿性裂缝。晴朗天气下，裂缝绝缘子仍有良好的绝缘性能，不会产生放电；但雨雾天气时，水分从顶部渗入裂缝内部，在裂缝内产生分布不均匀的泄漏电流。
裂缝内部放电发展过程如图2所示，水分渗入裂缝后，沿粗糙表面分散成多股细流，靠近铁脚的部分形成高阻值干区，两端的电压几乎都施加于此。外施电压达到击穿电压时，出现局部电弧，随后电弧向两极拓展延伸，形成闪络。电弧燃烧产生的高温在短时间内即可蒸干裂缝内部水分，干区长度增加，电压过零点时交流电弧熄灭，下一半波电弧重燃与否需重新考虑外加电压峰值和电弧重燃电压Ure的大小关系[18-19]。
图2 裂缝内部放电发展过程
Fig.2 The development of pin insulator incipient fault
Ure值取决于干区长度，同时受到裂缝内残留热气柱的影响。
（1）
（2）
式中，
为单位长度空气击穿电压；
为初始电弧温度时的热通量函数；x为干区长度，
为在环境温度下的热通量函数，J/(m∙s)，受到裂缝内部温度的影响；td为达到交流波形峰值的时间，td=1/(4f)，f为频率（Hz）；a*、b为拟合常数；
为电弧边界半径；T为温度，K。当电弧重燃电压高于外加电压峰值时，电弧不能重燃，故障自行恢复。
配电网10kV电压能够击穿的干区较短[20]，电弧燃烧产生高温使干区长度增加，长度超过可击穿长度时电弧熄灭，因此电弧难以持续，通常燃烧1～2个工频周期后自行熄灭。当水分渗入裂缝时，干区变短被击穿，电弧重燃。因此在雨雾天气，裂缝内部不断重复“形成干区—局部击穿—沿面闪络—电弧熄灭”的过程，形成熄弧与重燃交替的间歇性放电。此类故障不能触发保护动作，也难以自行消除。间歇性放电是早期故障的典型表现，本文重点讨论此阶段裂缝内部电弧的动态发展过程。
电弧发展速度快慢由局部电弧发展为闪络所用时间长短比较得出，用时越短表明电弧发展速度越快。裂缝内部故障电弧发展速度远大于外部沿面放电，原因有四点，具体分析如下。
首先，从电弧散热和电弧形态方面来看。电弧燃烧时通过传导散热Pcd、对流散热Pdl和辐射散热Pfs[21]向周围介质散发能量，如式（3）所示，电源输入电弧的能量
和散出的能量构成动态平衡，弧柱温度趋于稳定。
（3）
绝缘子裂缝内部为“固体-气体-固体”的结构，裂缝内部对流散热和辐射散热占比小，主要依靠瓷体传导散热，瓷体热导率较低，仅为2.00W/(m·K)。电弧产热功率相对稳定，当产热与散热达到平衡时，电弧整体温度高。电弧在裂缝内部难以形成飘弧，扭曲程度低，高温区域集中，有利于电弧拓展延伸，加快电弧发展速度。
相较于裂缝内部放电，绝缘子外部沿面电弧的散热以对流散热为主，开放环境中空气对流带走大部分热量，表达式[21]为
（4）
式中，k为与气流运动速度相关的系数；l为电弧长度；d为电弧直径；Th为弧柱温度；T0为外部环境温度。对流散热功率受到温度差的影响，并且与电弧直径、电弧长度成正比。外部沿面电弧在开放空间中受到外界气流热浮力影响，脱离放电表面形成飘弧，弯曲程度高导致长度增加，电弧等离子体与周围环境的辐射热量和传导热量均增大。电弧燃烧产热功率相对稳定，达到平衡时弧柱温度较低，抑制电弧延伸，减慢电弧发展速度。
然后，从界面组成来看，绝缘子外部为固-气单界面；裂缝内部为固-气-固双界面。在瓷体与空气的交界面上有电荷积聚[22]，能促进放电的发生。裂缝内部两固-气交界面均存在电荷积聚，其对瓷体表面放电初期的促进效果更突出[23]，加快了电弧发展速度。
最后，在爬电距离方面，绝缘子裂缝内爬电距离短，局部电弧可迅速发展为沿面闪络，绝缘子外部存在伞裙，爬电距离远大于裂缝内部。总结以上四点，裂缝内部放电与绝缘子外部放电对比见表1。
表1 裂缝内部放电与绝缘子外部放电对比
Tab.1 The comparison of internal discharge with external discharge along the surface
裂缝内部放电 外部沿面放电 电弧散热瓷体传导散热为主空气对流散热为主 电弧形态电弧集中电弧扭曲形成飘弧 爬电距离短长 界面组成固-气-固双界面固-气单界面
裂缝内部故障电弧发展速度远大于外部沿面放电，具体表现为裂缝内部故障电弧闪络瞬间电流变化率远大于外部沿面放电。闪络瞬间电流变化率K可用式（5）表示。裂缝内部与绝缘子外部闪络瞬间电流幅值变化
近似相等，裂缝内部故障电弧发展速度远大于外部沿面放电，形成闪络瞬间用时
短，因此闪络瞬间电流变化率远大于外部沿面放电。
（5）
针式绝缘子竖直安装，雨雾天气下水分从顶部凹槽渗入裂缝，形成电解液。裂缝内部放电电极分别为电解液和金属铁脚，其示意图如图3所示，铝导线电压为正时，金属铁脚为阴极，电解液为阳极；铝导线电压为负时，金属铁脚为阳极，电解液为阴极。
图3 裂缝沿面极性电弧示意图
Fig.3 Schematic diagram of gap polar arc along plane
电弧由阴极区、弧柱和阳极区组成，阴极完成电子发射，弧柱处于中间位置，阳极被动接收电子。阴极的差异对起弧的影响更大[24]，阴极的电子发射机制包括热电子发射和强场电子发射，其电流密度表示为
（6）
式中，A1、A2为常数。阴极温度T、逸出功函数F、电极表面电场强度E为影响电流密度的三个关键参数。
铁脚作为阴极比电解液作为阴极时的电流密度更大，原因有三点。首先，电解液沸点较低，作为阴极时温度上升慢，热电子发射能力弱；反之，当铁脚作为阴极时，阴极温度上升快，热电子发射能力强。其次，铁脚表面凹凸不平，电场畸变易形成高电场强度区域，强场电子发射能力强。最后，金属内有大量自由电子，且逸出功较小。
由于铁脚作为阴极时电流密度更大，裂缝内部故障具有极性效应，铝导线为正电压时，裂缝内部起弧比铝导线加负电压时更容易。
本文以10kV配网广泛使用的PL1.4/60CL16/ 150型号针式绝缘子为例进行研究，提取针式绝缘子侧面视角，在COMSOL仿真软件中建立针式绝缘子裂缝放电二维模型。
国标[25]中规定PL1.4/60CL16/150针式绝缘子尺寸如图4所示。测量不同批次该型号绝缘子，瓷体中央厚度均为18mm，本文仿真模型与试验所用绝缘子尺寸保持一致，顶部瓷体厚度设置为18mm。裂缝内部放电仿真几何图如图5所示，计算域高240mm，宽300mm，包括整个针式绝缘子以及部分铝导线，有铝导线、瓷体、瓷体裂缝、空气域、水泥和铁脚六部分。绝缘子瓷体上方是直径为12mm的铝导线，裂缝设置在瓷体最薄处，宽度设置为0.5mm。10kV配网能击穿的干区较短，故在瓷体下方靠近铁脚处设置一小段干区，裂缝其余处均为湿区，干区设置为2mm。
图4 PL1.4/60CL16/150针式绝缘子尺寸（单位：mm）
Fig.4 The prescriptive sizes of PL1.4/60CL16/150
图5 裂缝内部放电仿真几何图
Fig.5 Simulation geometry of internal gap discharge
网格划分时将裂缝处电弧通道细化处理，远离电弧的部分网格划分稀疏，兼顾模型的收敛性、精确性和高效性。
电弧燃烧的过程视为流场、温度场、电磁场等在时间和空间上的耦合变化过程，耦合关系如图6所示。
为了降低模型复杂度，提高计算效率，针对绝缘子裂缝内部电弧引入下列假设[26]：
图6 电弧多物理场耦合关系
Fig.6 Coupling relationship of multiphysics in arc plasma
（1）电弧等离子体处于局域热力学平衡状态。
（2）忽略电弧的起始过程，认为在仿真初始，裂缝内2mm干区表面存在一段稳定电弧。
（3）等离子体流是非可压缩的，流动为层流，黏性耗散对流体的影响可忽略不计。
（4）忽略其他杂质离子对电弧等离子体的影响，即视电弧为纯空气等离子体。
裂缝内部电弧模型基于磁流体动力学理论建立，控制方程包括流体动力学方程和电磁场方程。流体动力学方程由流体质量守恒方程式（7）、动量守恒方程式（8）和式（9）与能量守恒方程式（10）～式（12）组成。
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
（12）
电磁场方程由电场方程式（13）～式（15）和磁场方程式（16）和式（17）组成。
（13）
（14）
（15）
（16）
（17）
式中各符号的含义见表2。
表2 控制方程符号含义
Tab.2 The meaning of the symbols in the MHD equation
名称符号单位名称符号单位 密度ρkg/m3磁感应强度BT 流动速度v m/s比定压热容cpJ/(kg·K) 时间t s温度T K 粘滞系数μPa·s热导率k W/(m·K) 压强pPa玻耳兹曼常数kB J/K 单位矩阵I—电子电荷q C 电流密度JA/m2体积辐射系数εn W/m3 电导率σ S/m磁矢量势A Wb/m 电位φ V磁导率μ H/m 电场强度E V/m
建模过程涉及电场、磁场、层流、流体传热、电路物理场模块，多物理场模块采用洛伦兹力、平衡放电热源、静态电流密度分量、流动耦合和温度耦合。考虑实际工况和模型的收敛性，各物理场模块的边界条件设置如下。
流场设置为层流，应用流体传热模块耦合温度场。根据流场计算中常用的处理方法，绝缘子壁边界均设置为非滑移边界，流固边界处速度法向分量和切向分量均为零。绝缘子故障发生在开放环境中，模型中外围边界均设为开放边界，气压为一个标准大气压，温度设置为293.15K，模型计算过程中根据外围边界上压力和温度分布情况确定气体流动方向。求解域温度设为大气温度，即293.15K。求解域内空气电弧的密度、热导率、粘滞系数、电导率等参数设为温度的函数[27]。在电极与气体的交界面处采用热守恒定律，能量由高温等离子体向低温电极传输。
电场的边界条件设置中，铁脚设置为接地，铝导线设置为电路终端，绝缘子上部铝导线对应节点a，铁脚对应节点b，从而将绝缘子接入图7所示外部电路中。形成沿面闪络后，电路经电杆电阻接地，为高阻接地故障，经过极短的暂态过程快速过渡到稳态阶段[28]，因此本文忽略暂态仅考虑稳态阶段。以中性点不接地系统为例，健全线路在特征频带内可用集总参数电容进行简化，而故障线路的阻感抗与绝缘子裂缝故障接地的高接地电阻相比可忽略不计[29]，等效电路中仅考虑线路对地电容。图中EA、EB、EC分别为10kV工频系统三相电压，幅值为8 165V，CΣ为各相等效对地电容，中性点不接地系统对地电容电流通常小于10A，在此将CΣ设为1.6mF，对应系统电容电流约为9A。设置C相为故障相，故障相串联2000W阻值的RG来等效电杆电阻，故障电流约为3A。
图7 仿真模型外接电路
Fig.7 Circuit diagram of the model
本文通过仿真计算裂缝内部放电发展过程；综合裂缝内部故障的特点，对比了绝缘子裂缝内部放电故障与绝缘子外部放电故障。
2.4.1 裂缝内部放电
裂缝电弧所在区域电流密度分布放大如图8所示，图8电流密度分布清晰地展现电弧的形态发展。初始时刻仅在铁脚附近存在局部电弧，电弧在绝缘子表面发展的过程中，受到向前的静电力和气流涡旋压力，以及向后的空气粘滞阻力的共同作用，发展速度慢，裂缝内其他区域仍有良好的绝缘性能，表面仅通过少许泄漏电流，弧柱区电流密度均维持在104数量级。随着外部电压升高，局部电弧向电极两边延伸，闪络时刻电流陡增，弧柱区域电流密度达到107数量级。
图8 裂缝内部放电电流密度分布
Fig.8 Current density of crack internal discharge
0～60ms三个周期的电流电压波形如图9所示。从单次起弧波形来看，电压波形有燃弧尖峰和轻微的熄弧尖峰，电流波形在过零点附近出现持续2～3ms的平肩部，且在燃弧尖峰附近电弧电流由mA级别的泄漏电流突增至4A。闪络瞬间电流波形陡峭，电流变化率可达382.47kA/s，随后在熄弧尖峰附近，电流减小为0，波形特征符合交流电弧电压电流波形。从多周期波形来看，第一个半周期起弧，电弧产生的高温蒸干湿区，使干区长度增加，此时，外施电压峰值小于电弧重燃电压数值，因此第二个半周期干区未击穿。随后湿区电导率随温度降低而增大，干区缩短至可击穿长度，在t1=20ms、t2=30ms处击穿起弧，间隔半周期后在t3=50ms处再次击穿，总体呈现间歇性起弧放电的状态，符合早期故障熄弧与重燃交替的特征。
图9 0～60ms电弧电流电压波形
Fig.9 Current and voltage waveforms of the arc at 0～60ms
2.4.2 裂缝内部放电与绝缘子外部沿面放电对比
绝缘子外部沿面放电与裂缝内部放电机理相似，但在电弧动态发展方面存在差异。
裂缝内部狭窄，由固体-气体-固体组成，限制了电弧形态发展，外部沿面是固体-气体的组成结构，电弧延伸发展随机性更大。在外部条件相同的情况下，控制爬电距离为18mm，移除一半瓷体，模拟半开放空间沿面电弧，对比裂缝内部放电与外表面沿面放电的异同。外部沿面放电仿真结构如图10所示，其余设置与绝缘子裂缝内部仿真保持一致。
图10 外部沿面放电仿真结构
Fig. 10 The structure of external surface discharge
图11为外部沿面电弧电流密度分布，展现电弧形态发展。与裂缝内部电弧相比，外部电弧脱离瓷体表面形成飘弧，扭曲程度高，长度更长。
图11 外部沿面电弧电流密度
Fig.11 Current density of external surface discharge
裂缝内部电弧与外部沿面电弧仿真得到的特征量对比见表3。两种结构放电在弧柱温度、电弧形态、闪络瞬间电流变化率、形成闪络所用时间有较大差异。
表3 裂缝内部放电与外部沿面放电对比
Tab.3 Comparison of internal discharge and external surface discharge in simulation
放电类型弧柱温度/K电弧形态闪络瞬间电流变化率/(kA/s)局部电弧发展至闪络所用时间/ms 裂缝内部放电9 843.67电弧集中379.720.72 外部沿面放电8 311.45电弧扭曲形成飘弧172.352.07
固-气界面上的电弧，在外界气流的作用下，散热功率大，电弧整体温度低。热浮力的作用使电弧脱离瓷体表面，形态扭曲，弧长增加，导致局部电弧发展成闪络的时间增加，电弧发展速度慢。
外部沿面放电闪络瞬间电流变化率为172kA/s，比同等厚度固-气-固裂缝情况低54%，仿真表明闪络瞬间电流变化率可以作为针式绝缘子裂缝内部故障的特征量。
为验证仿真所得结论的正确性，本文搭建了真型试验平台，模拟雨雾天气下裂缝绝缘子故障放电。根据图7等效电路，可求解故障电流
。等效电路方程如式（18）和式（19）所示，求解IG结果如式（20）所示。
（18）
（19）
（20）
针式绝缘子早期故障等效模型进一步简化为图12所示单相电路[30]。负载电容根据仿真参数设为3×1.6μF=4.8μF，电阻设置为2 000W。根据简化的单相电路搭建真型实验平台。
图12 针式绝缘子早期故障单相等效模型
Fig.12 Single-phase model of pin insulator incipient fault
试验装置与试品布置如图13所示，包括试验系统和测量系统。试验系统由200kV×A/6kV的工频试验变压器、限流电阻和人工气候室组成，试品绝缘子竖直立在人工气候室内的支架上，裸导线固定在绝缘子凹槽处，喷头沿着支撑架固定在绝缘子正上方。通过调节水泵的功率改变喷头出水量的大小，模拟雨雾天气。测量系统由分压器、录波器组成，电流线和电压线从绝缘子顶部导线处引出，电压经过电压比为1:195的分压器接入录波器，电流直接接入。录波器的型号是MR1200，录波频率为100kHz。
图13 试验装置与试品布置
Fig.13 Experimental equipment and layout of samples
与仿真相对应，试品裂缝损伤设置为凹槽部位垂直向下延伸至铁脚的贯穿性裂缝，图13中试品的截面图对应图15中立体模型的正视角度。实验结果分析如下。
每次试验进行约10min，放电发展过程可分为泄漏电流阶段和间歇性起弧阶段。
开始喷雾时，裂缝沿面出现持续的泄漏电流，幅值在100mA以下，无明显特征，波形信息难以用于故障检测。随着水分进一步渗入，局部电弧发展至沿面闪络，进入间歇性起弧阶段，每次起弧仅持续0.5～2个周期。
图14a～图14c是间歇性起弧阶段几种典型的电流、电压波形。图14a中电弧持续时间仅4ms230ms，间歇性起弧前期阶段，以此类波形为主；图14b中a处起弧，b处电弧未能重燃，在c处又重新起弧，两次电弧间隔时间短，a处电弧燃烧残留的高温气体促进c处电弧的重燃，降低了c处燃弧尖峰的数值。图14c中一个周期内同时存在正负半波。图14d中两次起弧间隔半周期，且第二次电弧持续了三个半波。瓷体的绝缘性能随着电弧造成的损伤累积而下降，图14b～图14d中的电弧更多出现在间歇性电弧阶段后期。
图14 间歇性起弧阶段电流电压波形
Fig.14 Voltage and current waveform of intermittent arc
从单个电弧波形来看，电流波形在正弦波的基础上畸变，电压波形有燃弧尖峰、平台期和熄弧尖峰。起弧瞬间，电压值骤降形成燃弧尖峰，电流瞬间增大；电弧稳定燃烧时，电流波形接近正弦波形，电弧产热与散热达到动态平衡，电弧等离子体的电导率维持稳定，电压数值变化幅度小；电流数值在0A左右时，电弧熄灭，电压波形出现熄弧尖峰，电弧进入零休期。从多个周期波形来看，裂缝内部间歇性放电，电弧重燃和熄灭交替，与理论分析相吻合。试验采集的电流电压波形与图8仿真波形有着相同的变化特点，验证了仿真模型的准确性。
从电弧形态和闪络瞬间电流变化率两方面将裂缝内部放电与绝缘子外部放电进行对比，总结见表4。
表4 真型试验裂缝内部放电与外部沿面放电对比
Tab.4 Comparison of internal and external discharge in test
放电类型电弧形态闪络瞬间电流变化率/(kA/s) 裂缝内部放电电弧集中250以上 外部沿面放电电弧扭曲形成飘弧80以下
放电后试品截面如图15所示。放电过程中电弧在裂缝内部发展，难以通过高速摄像机捕捉电弧形态变化，但电弧产生的高温灼烧瓷体表面留下的放电痕迹可以表征电弧的形态。
图15 试品截面放电痕迹
Fig.15 Discharge marks on the surface of the sample
图15a是绝缘子裂缝内部放电留下的多条清晰放电通道。间歇性燃弧熄弧过程中，单次电弧燃烧持续时间短于5ms，对瓷体表面造成微小损伤，但多次起弧损伤逐渐积累形成熔融放电通道，这些放电通道即为电弧发展路径。试品截面是正视角度，二维仿真模型平面是侧面视角，故试验结果可见多条放电通道，而仿真可见一条放电通道。图15 b是绝缘子外部沿面放电，电弧飘弧严重，在表面随机产生，没有固定放电通道；且外部气流对流带走电弧大部分热量，电弧燃烧对瓷体的损伤小，因此未留下清晰的放电通道，仅在铁脚部分有杂乱的灼烧痕迹。真型试验电弧形态与仿真所得电弧形态相符。
在电流变化率方面，提取电流波形数据，计算300个周期内电流变化率，电流变化率随时间的变化如图16所示，图16中出现峰值时刻为闪络瞬间，其余时刻电流变化率近似为0。裂缝内部放电，电流变化率峰值均在250kA/s以上；外部沿面放电，电流变化率峰值均在80kA/s以下。闪络瞬间裂缝内部故障电流变化率远大于外部沿面故障，与仿真所得大小关系一致。两种情况的数值都低于仿真所得数值，主要原因是试验电弧因为弧道轻微扭曲导致爬电距离比仿真大，局部电弧发展至闪络所用时间长。此外，试验中采用喷水的方法模拟雨雾情况，水雾蒸发过程带走电弧的部分热能，降低了弧柱的温度，一定程度上抑制了电弧的发展。
图16 试验电流变化率
Fig.16 Variance ratio of current of experimental arc at breakdown moment
两种情况闪络瞬间电流变化率的大小关系与仿真保持一致，验证了仿真的合理性，说明闪络瞬间电流变化率可以作为针式绝缘子裂缝内部故障的特征量。
由于仿真软件计算的局限性，难以模拟长时间早期故障发展的情况，且磁流体电弧模型主要反映电弧流体的整体宏观属性，不能体现粒子微观属性，因此极性效应只能通过真型试验体现，不能由仿真得到。
分析试验波形数据，统计正负极性起弧情况得到表5。以试验1的结果为例，此次试验录波时间为7min 47s 349ms，共23 367个周期，其中，有2 195次起弧发生在铝导线施加正电压时，占总起弧次数的72.18%，而铝导线侧电压为负电压时，仅有846次起弧。试验结果表明铝导线施加正电压时放电更易发生，与第1节故障分析中裂缝内部放电具有极性效应的结论相符。
表5 正负极性起弧统计表
Tab.5 Statistics of positive and negative polarity arc
试验编号总放电次数（次）正极性起弧次数（次）负极性起弧次数（次）正极性起弧次数占比（%） 试验13 0412 19584672.18 试验22 9752 04892768.84 试验326081 86074871.33 试验41 9571 42353472.71 试验52 3071 59171668.96
本文对针式绝缘子早期故障进行理论分析，结合仿真和真型试验验证，得到如下结论：
1）雨雾天气下，针式绝缘子裂缝内部潮湿，绝缘性能下降，易发生间歇性起弧的早期故障。裂缝内部燃弧、熄弧交替，电流电压波形符合间歇性起弧特点。
2）裂缝内部故障形成闪络用时短，闪络瞬间电流变化率数值远高于绝缘子外部放电故障。可提取闪络瞬间电流变化率为针式绝缘子早期故障的一个特征量，为早期故障辨识提供一个思路。
3）绝缘子裂缝内部故障具有明显的极性效应。同一间隙距离下，相较于铝导线施加负电压，铝导线为正电压时，裂缝内部电弧电流密度更大，间隙更容易被击穿而形成闪络。
参考文献
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Abstract Pin insulators are widely used in distribution lines, and the faults caused by them account for about 10%. The thin porcelain between the top groove and the iron feet is prone to cause crack faults. Crack faults are high-resistance ground faults with low current amplitude, which will not trigger protection devices, it has self-clearing characteristics. We call it incipient fault of pin insulators, and one of its typical features is intermittent arcing. The high temperature and thermal stress generated by arc cause irreversible damage to the porcelain, thus the incipient faults gradually transform into permanent faults. Timely detecting the hidden dangers before the permanent failure is the key to lower the fault rate of the distribution lines. In order to realize the pre-fault prevention, the primary work is to research the incipient fault development process and extract the unique characteristics of the pin insulators’ incipient fault.
The paper explores the dynamic development process and waveform characteristics of pin insulator incipient faults by theoretical exploration, simulation and experiment. Arcing and extinction occur alternately inside the crack of the pin insulator according to the theory of arc re-ignition. The mechanism of external discharge on the surface of the insulator is similar to that of the internal discharge inside the crack, but there are differences in the dynamic development of the arc. The speed of arc development is decided by comparing the time it takes for a partial arc to develop into a flashover. The shorter time it takes, the arc develops faster. The development speed of the internal discharge is much faster than that of the external discharge. The property of the two electrodes of the pin insulator discharge is quite different, which cause the differences of the positive and negative arcs in the fault.We establish multi-physics model of arc by COMSOL to obtain the dynamic development process of arc, temperature distribution, electro-magnetic field distribution and current and voltage waveforms. The different characteristics of internal discharge and external discharge arc are compared to get unique characteristics, which are consistent with the theoretical analysis. In addition, we simplify the three-phase system into a single-phase circuit, and build an artificial test platform. The pin insulator sample is placed in an artificial climate chamber for testing, the collected current and voltage waveforms verify the simulation results.
Based on Magnetic Hydro Dynamics arc simulations and validation experiments, we get several characteristics of pin insulators’ incipient faults. ①Crack faults occurs in rainy and foggy weather, arc burn and extinguish alternately inside the crack, and waveforms of current and voltage conform to this feature. ②It takes a short time for the internal arc forming the flashover in the crack, thus the current change ratio at the instant of the flashover is much higher than that of the external discharge, which provides an idea for incipient fault identification. ③The fault has an obvious polarity effect. At the same gap distance, when the aluminum wire is at a positive voltage, the gap is more likely to be broken down compared with the negative voltage applied to the aluminum wire.The research results provide a guidance for the detection and identification of pin insulators’ incipient fault.
keywords: Power distribution line, incipient fault, pin insulator, Magneto Hydro Dynamics, characteristics of arc, features of waveform
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221013
中图分类号：TM501.2
余 颖 女，1999年生，硕士，研究方向为配电网早期故障检测与辨识。E-mail: yuying@sjtu.edu.cn
刘亚东 男，1982年生，博士，副研究员，主要从事输配电设备故障检测与诊断方面的研究工作。E-mail: lyd@sjtu.edu.cn（通信作者）
国家重点研发计划资助项目（2019YFE0102900）。
收稿日期 2022-04-14
改稿日期 2013-05-14
（编辑 郭丽军）