不均匀积污绝缘子雷电冲击闪络特性

（1. 重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站重庆 400044 2. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院长沙 410007）

摘要自然条件下，绝缘子呈现不均匀积污状态，对绝缘子的雷电冲击闪络电压有较大影响。为此，该文以XP-70和LXY-70绝缘子为研究对象，在重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站进行不均匀积污绝缘子在预加交流电压后的雷电冲击闪络试验，并对其闪络特性进行分析。试验结果表明，在不均匀积污条件下存在非常明显的极性效应，且出现了极性反转现象。在相同等值附盐密度（ESDD）下，随着不均匀积污比（T/B）的减小，预加交流电压作用下的泄漏电流随之减小，而绝缘子串的闪络电压呈现上升趋势。此外，通过超高速摄像机拍摄的不均匀积污绝缘子的闪络过程发现，不均匀积污绝缘子下表面会率先形成非连续的局部电弧，局部电弧沿面快速发展最终导致闪络。最后，建立了普通瓷绝缘子和玻璃绝缘子的雷电冲击闪络电压梯度方程，并对其进行验证，结果表明计算值与试验值的相对误差在±6.56%之内。

0 引言

绝缘子污秽闪络严重威胁着输电线路的安全运行[1]。在秋冬季节，一些重污秽地区的绝缘子由于缺少雨水的冲刷，表面积污严重。当受到雾、露、毛毛雨等不利天气的持续影响时，污秽绝缘子表面污层会因受潮湿润而呈现出导电性，大大降低绝缘子的电气性能，使其无法满足正常运行电压下的绝缘要求，严重时会发生闪络甚至引发停电事故[2-4]。近年来，中国针对绝缘子污闪事故的防治做了很多努力，在一定程度上抑制了电网大规模污闪跳闸事件的发生，但在一些运行电压、雷电冲击电压和污秽共存的高湿度环境下，仍有污闪事故发生[5]。

以往的研究通常认为，在雷电冲击电压作用下，绝缘子的电气性能受污秽的影响程度很小。但根据实际的线路运行经验来看，中国的华东、西南地区以及河南等地均有过污秽绝缘子因雷电冲击电压作用而发生闪络的情况。近年来有学者的研究也证实了污秽绝缘子的耐雷电性能相较于清洁绝缘子更低[6]。

自然条件下，线路绝缘子受风、雨水、电场等因素的影响普遍呈现出不均匀积污状态，普通悬式绝缘子的上表面积污量（T）与下表面积污量（B）之比（T/B）一般在1:5～1:10之间，在某些特殊环境中T/B甚至可达到1: 20[7]。已有不少学者针对上、下表面污秽分布不均匀绝缘子的电气性能展开研究。

重庆大学通过对不均匀积污的瓷和玻璃绝缘子串开展交流试验发现，当上、下表面积污量之比T/B为1:15时，绝缘子串的50%交流污闪电压相较于T/B为1:1时上升26%，并指出了污闪‎‎电压随T/B的‎‎减小而‎‎升高的根本原因，即T/B的‎‎减小会降低绝缘子的‎‎等效‎‎表面电导‎‎率与临界泄漏电流‎‎[8-9]。美国电科院对不同积污比的绝缘子开展了直流试验研究，结果显示，绝缘子上、下表面的污秽分布越不均匀（即T/B越小），其直流污闪电压越高[10]。

此外，也有不少学者对积污绝缘子的雷电冲击闪络特性进行研究。武汉大学的黄文武、习文山等通过试验发现，110 kV瓷绝缘子串的50%雷电冲击污闪电压会随着等值附盐密度（Equivalent Salt Deposit Density, ESDD）的增加近似按指数规律减小[11]。华中科技大学的张小福采用固体层法对2×LXY1-70绝缘子串进行均匀污秽条件下的雷电冲击闪络试验发现，随着污秽度的增加，绝缘子串的50%雷电冲击污闪电压也会逐渐降低，但当绝缘子表面污秽增大到一定值后，其闪络电压将趋于定值[12]。

以上研究大多限于不均匀积污绝缘子的交、直流闪络特性和均匀积污绝缘子的雷电冲击闪络特性。污秽绝缘子耐雷电性能相较于清洁绝缘子更低，并且在不均匀积污情况下，会加剧电场畸变，影响闪络电压。但不均匀积污绝缘子的雷电闪络特性及机理均不够明确，尚未有统一的解释，需做进一步的探究。

针对现有研究的不足，本文以XP-70和LXY-70两种悬式绝缘子为例，在重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站对上、下表面不均匀积污的绝缘子在预加交流电压后开展雷电冲击闪络特性试验，试验结果可为复杂极端环境下的输电线路外绝缘设计提供理论支持，对线路的防污闪工作具有重要的指导意义。

1 试品、试验装置及方法

1.1 试品

本文选用7片XP-70和LXY-70绝缘子作为研究对象。XP-70和LXY-70绝缘子的结构如图1所示，其结构参数见表1。表1中，H为绝缘子结构高度，D为盘径，L为爬电距离，ST、SB分别为绝缘子上、下表面面积。

1.2 试验装置

试验在如图2所示的重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站完成。试验过程中，冲击电压发生器的级数选用7级，最高可输出电压为±1 400 kV，产生的标准雷电冲击电压波头、波尾时间分别在1.12～1.25 μs、44～52 μs之间，波形参数在《高电压试验技术》[13]的允许范围内。交流电压发生器额定容量为1 000 kV·A，最大输出电压为500 kV，最大允许通过电流为75 A，短路阻抗低于6%，电压波形畸变率低于3%，满足IEC标准[14]和国家标准[15]要求。

试验原理如图3所示。图中S1为交流电压发生系统，S2为雷电冲击电压发生系统，T为调压器，T1为交流试验变压器，T2为380 kV/120 kV充电变压器，F1为交流分压器，F2为冲击分压器，R0为保护电阻，R1为充电电阻，VD1、VD2为高压硅堆，r1、r2分别为波头、波尾电阻，g为球隙，C0为充电电容，I为试品绝缘子串，SAC为交流回路开关，SIM为冲击回路开关，r为1 Ω标准电阻，G0为保护放电管。

1.3 试验方法

试验开始前，用温水洗去所有样品表面的污秽和油迹，然后自然晾干至少25 h。试验中采用的涂污方法为湿污法[12]，也称定量涂刷法，即根据试品所需染污的盐密、灰密及绝缘子的表面积，计算出每只试品所需的氯化钠和硅藻土质量，并用1/1 000电子天平称取后混合，然后加上适量的蒸馏水，将其放在小瓷碗中搅拌均匀后，全部均匀地涂刷到试品绝缘子表面上。用硅藻土和氯化钠模拟污秽物中的惰性成分和导电成分。附灰密度（Non-Soluble Deposit Density, NSDD）与等值附盐密度（ESDD）之比为6[16]。

自然条件下，输电线路绝缘子的上、下表面通常呈现出不均匀积污状态，且由于上表面易受雨水的冲刷作用，一般积污情况要轻于下表面，如图4所示。

为模拟自然条件下绝缘子的不均匀积污状态，探究不均匀积污对绝缘子电气性能的影响。试验中采用对绝缘子上、下表面分开涂污的方式。通过保持绝缘子全表面总氯化钠的量不变，只改变上、下表面盐密比值的方法来模拟自然条件下的不同积污比，实际涂刷效果如图5所示。

本文采用的染污方法参考IEC标准[14]、中国国家标准[15]及IEEE标准[17]，涂刷后绝缘子表面的污秽满足规定的人工污秽标准。试验中，ESDD、ESDDT、ST、ESDDB、SB和不均匀积污比T/B满足条件[18]为

式中，ESDDT、ESDDB分别为绝缘子上、下表面的盐密值，mg/cm2。

预加交流电压的主要作用是确保污闪试验时，绝缘子表面能充分形成干燥带，以达到破坏湿污层连续性的效果。在交流耐压的过程中，绝缘子表面的放电现象会随着耐压时间的增加逐渐变弱，泄漏电流的幅值也会慢慢趋于稳定值，而从开始加压到最终稳定这一过程通常需要2 min左右，这也是目前大部分污秽试验所采用的加压时长。本文试验为保证预加的效果，选择在泄漏电流趋于稳定后继续加压1 min，即采用3 min作为预加交流电压的时间。

试验布置完成后，断开SIM，闭合SAC，按 10 kV/片的标准[19]对绝缘子串施加70 kV的交流电压；3 min之后，断开SAC，并立即闭合SIM，进行雷电冲击闪络试验。

本文采用升降法作为试验加压方法[16]，如图6所示。试验中，电压级差ΔU设定为预计50%雷电冲击闪络电压U50%的3%，并进行20次有效试验。50%雷电冲击闪络电压U50%和标准偏差σ[20-24]分别为

2 试验结果及分析

2.1 雷电冲击闪络试验结果

按照1.3节的试验方法对XP-70和LXY-70绝缘子串在预加交流电压后进行雷电冲击闪络试验，试验结果见表2和表3。

所有试验结果的最大标准偏差为6.97%，并且两类试验绝缘子串的负极性雷电冲击闪络电压的标准偏差普遍高于正极性雷电冲击闪络电压的标准偏差。本文试验测得的闪络电压分散度较小，这意味着本文的试验方法是可行的。

试验结果呈现出非常明显的极性效应，并且出现了极性反转现象。当T/B为1:1时，绝缘子串的负极性雷电冲击闪络电压高于正极性雷电冲击闪络电压；当T/B为1:8和1:15时，绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压高于负极性雷电冲击闪络电压。

相同T/B值下，随着ESDD的增加，绝缘子串的雷电冲击闪络电压呈现下降趋势，并且T/B的值越小，绝缘子串雷电冲击闪络电压随ESDD增加而下降的幅度越小。以LXY-70绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压为例，T/B为1:1时，随着ESDD的增加，U50%从415.61 kV下降到336.68 kV，下降了18.99%；T/B为1:8时，随着ESDD的增加，U50%从419.87 kV下降到347.89 kV，下降了17.14%；T/B为1:15时，随着ESDD的增加，U50%从430.13 kV下降到357.45 kV，下降了16.90%。此外，随着ESDD的增加，XP-70绝缘子串的雷电冲击闪络电压下降幅度低于LXY-70绝缘子串的雷电冲击闪络电压下降幅度。正极性雷电冲击电压下，当T/B为1:8时，随着ESDD的增加，XP-70绝缘子串的U50%从435.53 kV下降到368.16 kV，下降了15.47%；LXY-70绝缘子串的U50%从419.87 kV下降到347.89 kV，下降了17.14%。

在相同ESDD的值下，随着T/B的减小，绝缘子串的雷电冲击闪络电压呈现上升趋势，并且绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压较负极性雷电冲击闪络电压的上升幅度更大。以XP-70绝缘子串为例，ESDD为0.05 mg/cm2时，随着T/B的减小，绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压从428.31 kV上升到442.95 kV，上升了3.42%；负极性操作冲击闪络电压从430.56 kV上升到438.91 kV，上升了1.94%。

2.2 不均匀积污比T/B对泄漏电流的影响

积污绝缘子雷电冲击闪络电压与其表面污层电导率有关，不均匀积污将影响绝缘子表面等效电导率，进而影响其闪络电压[19]。

绝缘子表面的平均电导率γ与ESDD之间成正比，因此，根据式（1）可以得出

式中，γT和γB分别为绝缘子上、下表面电导率。

绝缘子表面的等效电导率γeq满足

式中，G为绝缘子的表面电导；k为形状因子；R为表面电阻。

不均匀绝缘子上、下表面电阻RT、RB满足串联关系，总电阻R为

根据式（4）和式（5）可以得到不均匀积污绝缘子表面的等效电导率γ2为

式中，kT和kB分别为绝缘子上、下表面的形状因子。k、kT和kB三者满足关系[25]为

式中，dL为爬距的增量长度；D(L)为微段dL处的外绝缘直径。

均匀积污绝缘子表面的等效电导率γ1等于其表面的平均电导率γ。因此，根据式（3）和式（6），可以得到均匀积污绝缘子表面的等效电导率γ1与不均匀积污绝缘子表面的等效电导率γ2的比值为

以XP-70绝缘子为例，其上、下表面面积之比ST/SB为0.735，按式（7）计算得到k、kT和kB分别为0.82、0.34、0.48。再根据式（8）计算，当T/B分别为1:1、1:8和1:15时，γ1/γ2分别为1、2.46和4.11。

可以看出，在ESDD相同时，γ1/γ2随着T/B的减小而增大，即T/B越小，绝缘子表面的等效电导率越小。由于在预加交流电压作用下，泄漏电流与绝缘子表面的等效电导率呈正相关关系，因此相较于不均匀积污绝缘子串，均匀积污绝缘子串的泄漏电流更大，这也与本文测得的在ESDD为0.08 mg/cm2时，XP-70绝缘子串在积污比为1:1，1:8和1:15时的泄漏电流变化情况相同。XP-70绝缘子串预加交流电压时的泄漏电流如图7所示。

在相同ESDD下，随着T/B的增大，预加交流电压作用下的泄漏电流也随之增大，使得绝缘子表面湿污层内的水分蒸发，形成的局部干带增多，干带的面积占比由T/B为1:15时的不到5%，增加到T/B为1:1时的接近20%。

2.3 T/B和ESDD对雷电冲击闪络电压U50%的影响

U50%、T/B和ESDD满足关系式[19]为

式中，A为与绝缘子的结构、材料和大气环境等有关的系数；b为绝缘子积污特征指数；C为与绝缘子结构、材料和积污不均匀性等有关的系数。

根据式（9）对雷电冲击闪络试验得到的U50%、T/B和ESDD进行非线性曲面拟合，得到的拟合曲面参数见表4，拟合曲面如图8和图9所示。

由表4可知所有拟合曲线的相关系数R2均大于0.95，这表明两类绝缘子串的雷电冲击闪络电压U50%、T/B和ESDD之间的关系符合式（9）。

系数A与绝缘子结构和材料等因素有关，A的值越大表示绝缘子耐受雷电冲击电压性能越好。从表4可以看出，XP-70瓷绝缘子串和LXY-70玻璃绝缘子串的A值相差不大，前者略大于后者。这是因为两类绝缘子的盘径和结构高度都相同，结构设计和爬电距离也都相近，所以其雷电冲击电压耐受性能接近。

b为绝缘子积污特征指数，b值越大表示绝缘子的50%雷电冲击闪络电压受积污影响越大。LXY-70玻璃绝缘子串的b值均大于XP-70瓷绝缘子串的b值，这表明玻璃绝缘子受积污影响大于瓷绝缘子。符合2.1节阐述的随着ESDD的增加，XP-70绝缘子串的雷电冲击闪络电压下降幅度低于LXY-70绝缘子串的雷电冲击闪络电压下降幅度。

系数C与绝缘子结构、材料和积污不均匀性等有关，C值越大就表示绝缘子受不均匀积污比影响越大。两类绝缘子串的正极性雷电冲击电压下的C值均大于负极性雷电冲击电压下的C值，这表明绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压受不均匀积污比的影响更大。也恰好符合2.1节阐述的随着不均匀积污比T/B的减小，绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压较负极性雷电冲击闪络电压的上升幅度更大。

2.4 不均匀积污绝缘子雷电冲击闪络过程

本文采用超高速摄像机，曝光时间设置为10 μs，帧数设置为90 000，曝光度设置为5，对XP-70绝缘子串在ESDD为0.08 mg/cm2、T/B为1:8时的雷电冲击闪络过程进行了拍摄，结果如图10所示。

如图10所示，闪络前的绝缘子表面存在许多非连续性的局部电弧，非连续性的局部电弧均在绝缘子的下表面形成，随着时间的发展，稳定的局部电弧快速发展最终导致闪络。此外，不均匀积污绝缘子串的雷电冲击闪络电弧几乎都是沿面闪络，这与文献[12, 26]中的发现一致。

由于绝缘子上表面的盘径大，钢帽处的电流密度小于钢脚处，在交流电压下，不容易烘干形成干带。不均匀积污绝缘子的上表面污秽量少、电阻大，产生的微弱电弧也难以发展；相反，下表面电流密度大，会率先出现干燥带，雷电冲击电压集中在干燥带两端，击穿干燥带形成稳定电弧，并快速发展最终导致闪络。

进一步地分析，当T/B为1:8和1:15时，出现绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压高于负极性雷电冲击闪络电压的极性反转现象。

负极性雷电冲击电压作用时，绝缘子下表面形成的电弧是负极性电弧，其引发的污闪为负极性污闪；正极性雷电冲击电压作用时，绝缘子下表面形成的电弧是正极性电弧，其引发的污闪为正极性污闪。基于负极性电弧金属阴极材料的强电子发射能力[19]，会造成负极性污闪电压低于正极性污闪电压。故而，当T/B为1:8和1:15时，绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压高于负极性雷电冲击闪络电压。

3 雷电冲击闪络电压梯度计算

本文提出雷电冲击闪络电压梯度E50%[16]，并对其进行定义，定义式为

式中，n为绝缘子片数。

根据表4的拟合曲面参数、式（9）和式（10），得到瓷绝缘子和玻璃绝缘子的正极性50%雷电冲击闪络电压梯度，如式（11）所示，以及负极性50%雷电冲击闪络电压梯度，如式（12）所示。

为验证式（11）和式（12）的准确性，本文对瓷绝缘子串XP-100、XP-120，以及玻璃绝缘子串LXY-100、LXY-120进行试验，得到计算值和试验值之间的相对误差见表5和表6。

由表5和表6可见，雷电冲击闪络电压梯度E50%的计算值和试验值的相对误差均在±6.56%以内，而IEC/IC28推荐的统一平均标准偏差σ为10%[19]，这表明本文建立的普通瓷和玻璃悬式绝缘子串的雷电冲击闪络电压梯度方程是合适的，其相对误差在可接受的范围内。

4 结论

本文对7片XP-70和LXY-70绝缘子在重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站进行预加交流电压后的雷电冲击闪络试验，并对试验结果进行分析，得到以下结论：

1）试验结果呈现出非常明显的极性效应，并且出现了极性反转现象。当T/B为1:1时，绝缘子串的负极性雷电冲击闪络电压高于正极性雷电冲击闪络电压；当T/B为1:8和1:15时，绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压高于负极性雷电冲击闪络电压。

2）在相同ESDD下，随着T/B的增大，预加交流电压作用下的泄漏电流也随之增大，使得绝缘子表面湿污层内的水分蒸发，形成的局部干带增多，干带的面积占比由T/B为1:15时的不到5%，增加到T/B为1:1时的接近20%。此外，随着T/B的减小，绝缘子串的雷电冲击闪络电压呈现上升趋势，并且绝缘子串的正极性雷电冲击闪络电压较负极性雷电冲击闪络电压的上升幅度更大。

3）绝缘子上表面的盘径大，预加交流电压时，钢帽处的电流密度小于钢脚处，下表面会率先出现干燥带；雷电冲击电压作用时，绝缘子下表面先形成非连续的局部电弧，稳定的局部电弧沿面快速发展，最后导致闪络。

4）建立普通瓷和玻璃悬式绝缘子串的雷电冲击闪络电压梯度方程，并对其进行验证，结果表明计算值和试验值的相对误差在±6.56%以内。

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Lightning Impulse Flashover Performance of Non-Uniform Pollution Insulators

（1. Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University Chongqing 400044 China 2. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute Changsha 410007 China）

Abstract Flashover of pollution insulators is a serious threat to the safe operation of transmission lines, and most existing researches are limited to the AC and DC flashover performance of non-uniform pollution insulators and the lightning impulse flashover performance of uniform pollution insulators. The lightning resistance of pollution insulators is lower than that of clean insulators, and under natural conditions, insulators show non-uniform pollution state, which exacerbates the electric field distortion and has a greater impact on the flashover voltage. To address the shortcomings of existing researches, this paper carries out lightning impulse flashover tests on 7 pieces of XP-70 and LXY-70 suspension insulators with non-uniform pollution top and bottom surfaces after preloading AC voltage in Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University.

Firstly, the inert and conductive components of pollution are simulated using diatomaceous earth and sodium chloride, and the ratio of non-soluble deposit density (NSDD) to equivalent salt deposit density (ESDD) on the surface of insulators is maintained at 6. The top and bottom surfaces of insulators are coated separately using a quantitative painting method, and different non-uniform pollution accumulation ratios (T/B) are simulated by keeping the total amount of sodium chloride on the surface of insulators constant and only changing the salt density ratio on the top and bottom surfaces of insulators. After the test arrangements are complete, the lightning impulse circuit switch is disconnected, and the AC circuit switch is closed and preloading AC 70 kV voltage to insulators. After 3 minutes of preloading AC voltage, the AC circuit switch is disconnected and the lightning impulse circuit switch is immediately closed. The up and down method is used as the test voltage addition method, and the voltage step is set at about 3% of the expected lightning impulse flashover voltage U50% and 20 valid tests are conducted on the same sample.

The results show a very obvious polarity effect and a polarity reversal phenomenon. When the T/B is 1:1, the negative polarity lightning impulse flashover voltage of insulators is higher than the positive polarity lightning impulse flashover voltage; when the T/B is 1:8 and 1:15, the positive polarity lightning impulse flashover voltage of insulators is higher than the negative polarity lightning impulse flashover voltage. At the same value of ESDD, as T/B decreases, the leakage current under preloading AC voltage is also reduced, while the lightning impulse flashover voltage of insulators shows an increasing trend, and the positive polarity lightning impulse flashover voltage of insulators increases more than the negative polarity lightning impulse flashover voltage.

In addition, an ultra-high speed camera with an exposure time of 10 μs, a frame rate of90 000 and an exposure of 5 is used to film the flashover process of the XP-70 insulators at an ESDD of 0.08 mg/cm2 and a T/B of 1:8. The filmed flashover process shows that many discontinuous local arcs exist on the surface of insulators before flashover and the discontinuous local arcs are all formed on the bottom surface of insulators. As time progresses, the stable local arcs develop rapidly along the surface of insulators and eventually lead to a flashover. Finally, according to the form of lightning impulse flashover of non-uniform pollution insulators, the equations of lightning impulse flashover voltage gradient for ordinary porcelain and glass suspension insulators are established and verified, with the verification results showing that the relative errors between the calculated values and the test values of XP-100, XP-120, LXY-100 and LXY-120 insulators are within ±6.56%.

keywords：Non-uniform pollution, lightning impulse, flashover voltage gradient, preloading AC voltage

蒋兴良男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为输电线路覆冰灾害防护与高电压绝缘技术。E-mail：xljiang@cqu.edu.cn

王茂政男，1997年生，博士研究生，研究方向为复杂大气环境下输电线路外绝缘及防护。E-mail：wangmaozheng@cqu.edu.cn（通信作者）