图1 玻璃绝缘子试验模型
Fig.1 Glass insulator test model
摘要 绝缘子是电力系统主要绝缘设备之一，其绝缘性能影响着电网的安全稳定运行。增大爬电距离是提高绝缘子闪络电压的有效手段。然而在有限空间内增大爬电距离会使绝缘子结构复杂化，局部电弧在复杂的伞裙和伞棱间跳跃发展，会导致闪络电压不增反降。为探究绝缘子结构对电弧路径及闪络电压的影响规律，该文设计玻璃绝缘子试验模型并搭建电弧路径拍摄试验平台，研究绝缘子伞间空间深度和最大伞棱长度对绝缘子绝缘性能的影响。结果表明，绝缘子伞间电弧路径形式主要为沿面电弧和跃进电弧，受到结构参数的影响而呈现一定的概率分布；伞间空间深度系数（伞间距/ 伞伸出）建议值为0.8～1.2，过小则电弧跃进发展概率更高，过大则会导致空间利用率不足，均不利于提高绝缘子闪络电压；伞间最大伞棱长度系数（最大伞棱长度/伞间距）参考值为0.4～0.5，过大时对爬电距离的利用程度较低，造成闪络电压下降；此外，最大伞棱结构设置在伞裙边缘时相比于设置在伞裙内部的闪络电压更低。
关键词：交流电压 绝缘子 污秽闪络 局部电弧 闪络电压
绝缘子是输电线路中关键绝缘设备之一，起到至关重要的绝缘和支撑作用[1]。随着输电等级和输电规模的扩大，绝缘子的污秽闪络事故越发成为输电线路绝缘的一大重要问题。污闪发生时电力系统重合闸困难，导致大面积、长时间停电，造成不可估量的损失[2-4]。预防污闪发生、减少事故损失已成为输电线路外绝缘的研究难题之一。
污秽闪络主要分为积污、受潮、干燥带产生和局部放电四个阶段[5]。大气中的悬浮颗粒落附于绝缘子表面形成污层，干燥的染污绝缘子与洁净绝缘子相比绝缘性能差别不大。然而，在雾、露、毛毛雨等天气下，污层表面受潮后，污层中可溶物溶于水形成导电水膜，泄漏电流随即产生。由于污层分布不均，绝缘子表面部分区域率先出现干燥带，从而引发局部放电[6]。电场畸变后间隙的击穿电压下降，电晕放电转变为局部电弧，最终引发闪络。
在积污和受潮阶段，可利用等值盐密法、泄漏电流检测和污闪电压梯度等方法表征染污程度，通过能量色散谱（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）、激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）及离子色谱（Ion Chromato-graphy, IC）等方法对污秽成分进行检测，分析绝缘子的污秽状况，根据地区污秽等级调整绝缘子的使用[7-9]。在干燥带产生阶段，F. Obenaus等通过实验和仿真建立了不同的污闪电弧发展模型，证明了电弧的延伸主要依靠间隙电场的击穿作用[9]，使污闪电弧的发展可量化研究[10-12]。然而，前三个阶段受到环境、工况的影响较大，预防污闪时比较被动。此外，在IEC标准中关于绝缘子选型的研究也仅考虑了环境因素，灵活性与选择性不足。
改变绝缘子伞间空间深度或设置伞棱结构是增大爬电距离提高闪络特性最有效的方式[13-14]。在对支柱绝缘子及套管进行污闪试验时发现，对于形状和平均直径一定的绝缘子，其污闪电压与爬电距离呈正相关，但与平均直径呈负相关[15-16]。M. Fazelian研究表明，伞棱结构可以提高闪络电压，但相邻伞棱长度相同时，闪络电压会出现下降现象[17]。伞间空间深度或伞棱设置不合理时，虽然爬电距离增大，但降低了爬电距离的利用率，闪络电压反而下降。IEC提出伞裙间距不应小于30 mm，但忽略了伞间深度的影响；NGK公司提出使用交错的伞棱结构，但没有指出复杂伞棱结构对电弧路径的影响[18-19]。
综上所述，绝缘子伞型结构对绝缘性能的影响仍需深入研究。为探究绝缘子结构复杂性在污闪过程中的影响，研究并分析伞间空间深度和最大伞棱长度对绝缘子绝缘性能的影响，本文设计了玻璃绝缘子试验模型并搭建污闪试验平台，利用高速相机拍摄电弧发展过程，分析电弧路径形式和概率分布，结合不同伞型结构下闪络电压的变化趋势提出绝缘子结构参数改进建议。研究内容可为绝缘子设计和生产以及预防污闪方面提供参考。
绝缘子伞型结构主要由伞间距C、伞伸出P及最大伞棱长度D决定。为便于调整绝缘子结构，本文设计玻璃绝缘子试验模型如图1所示，上下长玻璃板模拟绝缘子伞裙，利用玻璃条粘结的方式模拟伞棱结构。电极采用2 mm薄铁片，高压端为三角状，紧贴玻璃板表面避免局部放电对试验产生影响。实际绝缘子的结构存在厚度、弧度等，在生产时可利用模具制作，但试验时难以进行模拟。此外，电弧路径的形式和规律主要取决于伞间距、伞伸出和最大伞棱长度，弧度和厚度仅影响绝缘子的闪络电压，当外加电压达到预期电压时，电弧的发展路径仍然与试验模型一致。因此为控制变量，本文在对伞裙和伞棱的厚度处理方面将其设定为固定值，同时忽略了伞裙和伞棱边缘的弧度形状，对玻璃板的边缘进行倒角打磨，避免尖端处放电影响电弧路径。
图1 玻璃绝缘子试验模型
Fig.1 Glass insulator test model
图2为电弧路径拍摄试验回路及主要设备。变压器为YWDT-200 kV·A/200 kV无局部放电试验变压器；调压器为TYDZ-200油浸自冷柱式，额定容量为200 kV·A；分压器额定电压为200 kV，分压比为988:1，200 kV下局部放电量低于3 pC；电阻阻值为1.78 kΩ，满足GB/T 4585—2004标准规定的交流污闪试验设备要求[20]。通过分压器及罗氏线圈采集电压和电流信息，示波器型号为SDS1102X-E，采样频率达1 GS/s。高速相机型号为AMETEK PhantomVEO，速率依据交流电压周期设置为1 000 帧/s，曝光时间为99.517 μs，采用不间断电源对高速相机进行单独供电。
图2 电弧路径拍摄平台
Fig.2 Arc path recording platform
试品染污使用定量涂刷法，选用NaCl与高岭土作为污秽成分。由于电弧不仅在伞间二维平面上沿着爬电距离方向发展，还存在垂直于爬电距离方向的横向发展。为尽量减小横向发展的电弧长度，接近最不利条件下沿爬电距离方向的电弧路径和闪络电压，按照图1所示，用排刷以窄带形式将污秽均匀涂覆至玻璃板表面，可使电弧沿爬电距离方向发展避免影响试验结果。同时，为模拟实际染污情况，本文在伞棱内部同样进行涂污，使电弧能够达到真实状态下的发展情形。污层灰密设置为1.0 mg/cm2，盐密分别为0.01、0.1、0.2 mg/cm2。
为避免多次反复加压的影响，每种伞型结构均制作多片相同模型，且每次样品涂污过后仅加压试验3次，而后更换同结构、同盐密下的模型继续试验，直到达到试验次数要求。采用先饱和受潮后均匀加压的方式进行试验，可补偿闪络时试品两端电压下降的问题[21]。单片绝缘子闪络时间短，冷雾喷涂受潮操作简单、易于获取数据，且可避免多次反复放电对电弧路径的影响。采用此试验方法获得的闪络电压存在偏高的情况，但并不影响电弧路径的发展以及不同伞型结构和盐密下闪络电压的横向比较，因此可以作为试验的方式。
局部放电转为电弧放电阶段后，电弧的延伸主要依靠电场击穿，当弧足前方的电场条件达到该间隙的击穿场强时，电弧能够继续向前发展。电弧的能量主要通过电源进行输入，其能量耗散过程分为热传递和光辐射。当电弧的能量耗散大于其从电源吸收的能量时，电弧便不再有能力维持目前的发展，因此会缩短或者熄灭。电弧长度越长，泄漏电流越大，电弧半径和表面积就越大，进一步扩大了电弧与周围介质的接触面积，从而使能量耗散加快，更容易避免闪络的发生[22-25]。
为探究伞间空间深度及最大伞棱长度对电弧路径和闪络电压的影响，本文分别设计考虑伞间距和伞伸出的无伞棱结构绝缘子以及考虑伞间距和单伞棱长度与位置的两种绝缘子试验模型。图3为拍摄得到的两种结构下的主要电弧路径形式，分为沿面电弧和跃进电弧两类，其中单伞棱结构绝缘子试验模型的跃进电弧包括干弧桥接和伞棱跨接两种情况。沿面电弧如图3a左图所示，电弧发展时紧贴绝缘子表面，或者发生使电弧拉长而非缩短的飘弧行为，电弧长度接近或者超过绝缘子的爬电距离，爬电距离的利用程度最大，闪络电压更高；当电弧发展脱离污层表面，或者发生使电弧长度缩短的飘弧行为时，则归类为空气跃进电弧，如图3a中图和右图所示，该电弧对绝缘子爬电距离的利用程度不高，使部分或全部的爬电距离失去绝缘作用，闪络更容易发生。根据电弧发展过程中的特征和对爬电距离是否完全利用来区分电弧路径形式，可以快速准确地获得电弧路径类别。
图3 电弧路径形式及分类
Fig.3 Arc path forms and classification
电弧发展时弧柱曲折弯绕，为便于统计电弧路径的概率分布和平均弧长，本文对电弧弧柱进行网格剖分。参考实际模型尺寸建立图像模型，采用背景差分法对电弧路径进行处理，忽略电弧体积，提取电弧弧柱曲线。电弧路径网格剖分流程如图4所示[25]，示意图如图5所示。
图4 电弧路径网格剖分流程
Fig.4 Arc path mesh generation process
通过Photoshop提取二值图像素元边缘，如图5a所示，以像素方块边缘线绘制电弧轮廓线。在Matlab中求解两电弧轮廓线的中值线（图5a中绿色线）作为电弧主弧柱曲线。最后对伞间空间进行正方形网格划分，网格与像素元大小比为256:1。将主弧柱线（见图5b中绿色线）与两侧网格所围的面积进行比较，当主弧柱线与某个网格线所围的面积最小时，两者在二维平面上的相对位置更接近，意味着该侧的网格线可以作为主弧柱曲线的替代线，更接近实际情况。因此认为该微段下所围面积最小方向上的网格边线是网格剖分化后的电弧路径（图5b中黑色线）。
图5 电弧路径网格剖分示意图
Fig.5 Schematic diagram of arc path mesh generation
本文依据上述剖分方法将电弧路径转变为能够定量测量的网格路径形式，同时，为直观地统计电弧路径的概率分布，使用概率统计模型进行计算。
（1）
（2）
式中，Px为某种电弧发展形式发生的概率，x=1代表沿面电弧，x=2代表跃进电弧；Nx为一轮试验下出现第x种电弧路径形式的次数；M为一轮有效试验下的试验次数，本文对电弧路径的统计需要基于大量试验结果，因此每种结构及盐密下的有效试验次数为20次。
绝缘子伞间空间深度会影响电弧发展的路径进而影响闪络发生。为考虑伞间空间深度对绝缘子绝缘性能的影响，定义伞间距与伞伸出之比C/P为伞间空间深度系数。当伞伸出一定时，改变伞间距即可调整伞间空间深度系数C/P。试验过程中主要试品参数见表1。IEC标准中关于伞间距和伞伸出之比的关系仅限制其数值在1以内，但没有对该参数进行解释说明以及明确当其大于1时产生的影响[19]。因此，本文设定了一系列不同的结构进行试验，以探究该参数对绝缘子绝缘性能的影响。
表1 无伞棱结构绝缘子C/P值
Tab.1 C/P values of insulator without umbrella ribs
伞间距C/cmC/P 伞伸出P=6 cm伞伸出P=10 cm 3—0.3 50.830.5 71.170.7 101.671
将所拍摄的伞间电弧路径网格剖分后进行汇总分析，得到无伞棱结构下，伞伸出为10 cm时，不同伞间空间深度系数下的电弧路径主要分布如图6所示。可以看出实际拍摄得到的电弧形式与2.1节中的电弧路径分类相同，主要为沿面电弧和跃进电弧两类。沿面电弧紧贴绝缘子爬电距离表面发展，对爬电距离的利用程度较高，因此闪络电压更高；跃进电弧长度小于沿面电弧，其长度接近绝缘子伞裙间的干弧距离，提高了闪络的可能性。
图6 伞伸出10 cm时不同伞间空间深度系数下的电弧路径
Fig.6 Arc path under different inter-umbrella space depth coefficients when umbrella extends 10 cm
当盐密为0.1 mg/cm2时，10 cm伞伸出结构在不同伞间空间深度系数下的电弧跃进概率分布和闪络电压变化如图7所示，每组为同条件下20次有效试验结果。从图7a中可以看出，C/P越小电弧发生跃进的概率越高。C/P值较小时，绝缘子伞裙之间的空间趋于扁平，伞间距小于伞伸出，沿面爬电距离远大于干弧距离，即使电弧沿面发展所需条件低，但较长的爬电距离使得电弧极易在伞裙间发生直接跨接。跃进电弧较短耗散能量低，导致闪络电压低于沿面电弧。因此，低C/P下闪络的平均电压更低，同时闪络电压梯度（闪络电压/爬电距离）更小，爬电距离利用率不足。随着C/P的增大，电弧不容易发生跨接，沿面电弧概率增加，绝缘子结构的闪络电压提高。
图7 伞伸出为10 cm时绝缘性能变化趋势
Fig.7 The change trend of insulation properties when the umbrella extends to 10 cm
当伞伸出为6 cm时，绝缘性能变化趋势如图8所示，电弧跃进的概率变化同伞伸出为10 cm的结构类似，且单位爬电距离所承受的闪络电压普遍较高。C/P较大时，电弧沿面发展的概率增大，闪络电压提高。然而，当C/P过大时，虽然跃进电弧发生的概率接近0，但闪络电压却有下降的趋势。这是因为在有效空间内，即使闪络电压梯度始终保持较高的水平，但整体的爬电距离由于伞伸出的缩短而减小。综上所述，改变伞伸出和伞间距可调整C/P值，但该系数过大意味着伞间空间更大，占用了更大的绝缘空间，相同体积下选择多片系数值较小的绝缘子效果可能更好；同时，大体积的绝缘子也提高了输电线路的机械载荷，因此，过度追求大尺寸结构并不利于防污闪性能的提升。
图8 伞伸出为6 cm时绝缘性能变化趋势
Fig.8 The change trend of insulation properties when the umbrella extends to 6 cm
通过上述分析可以得出，伞间空间深度系数C/P过小或过大均不利于预防污闪。通过横向对比不同伞伸出结构可以发现，伞间空间深度系数在0.8～1.2内优势明显，即当伞间距与伞伸出的长度比例接近相同时，最有利于绝缘子绝缘性能的体现，能够很好地利用爬电距离延长电弧长度，进而提高闪络所需的电压。不同盐密下的试验结果趋势同上类似，盐密越大，闪络电压越低。
由于无伞棱绝缘子在一定空间内的爬电距离有限，继续增加爬电距离将会使得单片绝缘子质量和体积急剧上升。研究发现，在伞裙下表面设置伞棱结构可以提高闪络电压[17]，然而绝缘子的伞棱结构设计不合理将使电弧沿图3b中伞棱外侧表面延伸，继而在空气间隙中跳跃发展，伞棱背面与伞间内部的爬电距离将失效，爬电距离有效利用率降低，闪络电压下降。本文定义最大伞棱长度D与伞间距C的比例系数D/C为最大伞棱长度系数，来描述最大伞棱长度在绝缘子伞间的作用，并且将伞棱分别设置在伞裙内部（伞内伞棱）和伞裙边缘（伞缘伞棱）以探究伞棱位置对绝缘子绝缘性能的影响。模型伞间距分别设置为5、7、10 cm，伞伸出固定为10 cm，试品参数见表2。
表2 不同伞型结构的D/C值
Tab.2 D/C values of different umbrella structures
最大伞棱长度D/cmD/C 伞间距C=5 cm伞间距C=7 cm伞间距C=10 cm 10.20.143— 20.40.286— 30.60.4290.3 4—0.5710.4 5——0.5 7——0.7
不同伞间距下，伞棱长度及位置对电弧路径的概率影响如图9所示。伞伸出固定时，最大伞棱长度系数D/C越大，最大伞棱长度占伞间距的比例越高，跃进电弧概率越大。同时，当最大伞棱长度系数接近或超过0.5时，电弧几乎完全以空气跃进的形式完成闪络。
图9 不同伞型结构下电弧路径概率分布
Fig.9 Probability distribution of different umbrella arc paths
盐密较小时，污层的电阻值较大，泄漏电流热效应产生的干区少且不集中，表面电弧不易产生，随着电压上升，较大的电场集中在绝缘子拐角处，特别是伞棱下端位置，因此电弧发生跃进的概率更大。盐密较大时，在泄漏电流密度集中的污层处率先出现干带，但由于泄漏电流较大补偿了干带处的电压，使沿面电压梯度减小，因此伞裙间直线距离的空气电压梯度相应较低，空气跃进电弧发展困难，沿面电弧更易形成。
对比伞棱设置的位置可以看出，伞棱设置于伞缘位置时电弧发生跃进的概率高于设置于伞内时。由于加压方式为均匀升压法，加压初期外施电压较低，不足以使电弧完成较长距离的发展和维持，因此当伞棱设置于伞裙边缘时，电弧在伞棱的外表面处于不断波动的状态，直到电压达到一定程度后电弧越过伞棱继续向伞内发展。然而，电弧在初期停留在伞棱的外侧表面时，极易借助伞棱下端距离下伞裙最近的位置完成跳跃，从而将弧足延伸至下伞裙表面，最终发生跨接形式的闪络。当伞间距为7 cm时，单伞棱结构下电弧路径汇总如图10所示。通过图10可以验证：较长的伞棱结构使电弧更易发生桥接，其长度相较于完全沿面电弧有较大的差距。
图10 单伞棱结构下电弧路径汇总（伞间距7 cm）
Fig.10 Summary of arc paths in a single umbrella ribs structure (umbrella spacing is 7 cm)
单伞棱结构下底部交流过零时电弧等离子体的行为状态以及带电粒子扩散的现象如图11所示。结合交流电压周期和高速相机拍摄速度可确定图中电弧所处的闪络过程时刻。电弧的明亮程度随着交流电压的变化而变化，当交流电压处在上升期时，电弧的亮度不断增加。交流过零时，电弧虽然熄灭但仍存在逐渐扩散的集群粒子。受到泄漏电流产生的磁场作用，带电粒子被箍缩在电弧弧柱中，而当电压过零时，失去电流磁场束缚的带电粒子逐渐向弧柱外部扩散，导致伞棱下端与下伞裙之间的狭小空气间隙中的带电粒子增多，绝缘能力下降[26-28]。由于伞棱表面的电弧等离子体中带电粒子密度较高，伞棱下端空气间隙中的带电粒子密度较低，在失去束缚后，较高的温差会促进带电粒子的扩散。同时，电弧本身温度较高，因此周围空气也具有较高的温度，在绝缘子伞棱间的狭小空间内形成了比较高的气压，加速了等离子体中带电粒子的扩散速度。未消散的等离子体仍具有导电性，构成了续弧的条件，因此在电压上升时便会迅速完成间隙击穿[29-31]。伞棱距离越长，伞裙的空气间隙越小，当电弧沿面发展至伞棱底端时，更易发生空气击穿导致闪络。跃进电弧短接伞棱内侧与伞间内部的爬电距离，导致平均弧长减少，闪络电压下降。
图11 交流过零时等离子体扩散效应
Fig.11 Plasma diffusion effect during AC zero crossing
7 cm伞间距下、盐密为0.01 mg/cm2时，电弧跃进概率分布与绝缘性能变化趋势如图12所示。当D/C＞0.5时，最大伞棱长度超过伞间距的一半，电弧几乎完全以跃进的形式完成闪络。从图12b可发现，平均电弧长度先随着D/C的增大而增大，但当D/C超过0.5时平均电弧长度却大幅下降，而对应的闪络电压也出现明显下降现象。这是因为伞棱较长时，电弧易发生空气跃进，致使爬电距离部分或完全失效，跃进电弧比例提高导致平均弧长下降，电弧耗散能量减小，使闪络电压更低。如图3b右图中的两种跃进电弧形式，伞棱设置于外边缘时，电弧借助伞棱外侧沿面发展后贯穿空气的弧长更短；伞棱设置于内部时，电弧则需要沿面一段时间后再完成跃进，因此弧长相比伞缘伞棱更长，闪络电压略高。
图12 D/C对绝缘子绝缘性能的影响
Fig.12 Influence of D/C on insulator insulation properties
本文分别对伞间距为5 cm和10 cm的绝缘子模型进行试验，得出的闪络电压变化情况如图13所示。通过不同伞间距及不同盐密下的统计结果可以看出，随着D/C的增大，闪络电压有所提升；而当D/C的值超过0.5时，闪络电压均出现下降趋势。观察图13b可知，相对于最大伞棱长度在伞间距中的比值，盐密对电弧路径的概率分布影响较小。当绝缘子的结构参数一定时，盐密的改变对电弧路径的概率分布影响不大。但盐密的改变将会导致闪络电压的变化，盐密越大，电弧中注入能量更大，闪络电压更低。因此，绝缘子的结构参数对电弧路径的概率分布影响权重更大，结构参数发生改变时，通过影响电弧的长度进而造成绝缘性能的变化；而盐密改变时，表面污层的电导率发生改变，影响了泄漏电流及伞间电场分布，进而改变了电弧发展的难易程度，最终造成闪络电压幅值变化。
图13 不同伞间距下D/C对绝缘子绝缘性能的影响
Fig.13 Influence of D/C on insulator insulation properties under different umbrella spacings
绝缘子的伞棱结构能够增加爬电距离，进而提高电弧能量耗散以增加闪络电压，但伞棱的长度需要限制，过长将导致跃进电弧概率的增加，闪络电压下降。最大伞棱设置在外部将缩短跃进电弧的长度，而最大伞棱设置于伞裙内部可以一定程度地提高电弧跃进时的弧长。
本文设计玻璃绝缘子试验模型并搭建污闪试验平台，利用高速相机记录电弧发展路径，分析电弧路径形式和概率分布，结合不同伞型结构下的绝缘性能提出绝缘子结构参数改进建议。结论如下：
1）绝缘子伞间局部电弧路径主要有沿面和跃进两种形式，受到伞伸出、伞间距、最大伞棱长度和盐密的影响而呈现一定的概率分布。盐密越大，泄漏电流热效应越明显，电弧沿面发展的概率更高；而较小的盐密更利于电弧跃进发展。
2）伞间空间深度系数（伞间距/伞伸出）过小时，电弧偏向于跃进发展，过大将导致空间利用率不足，均不利于提高闪络电压，其参考值为0.8～1.2；伞间最大伞棱长度系数（最大伞棱长度/伞间距）过大会使电弧发展时爬电距离利用不足，造成闪络电压下降，其参考值为0.4～0.5。
3）交流电压过零时伞棱底部等离子体未消散，降低了间隙的击穿电压从而导致电弧易通过伞棱与下伞裙发生跨接；最大伞棱的位置设置在伞裙内部时的闪络电压高于设置在伞棱边缘，绝缘子选型时需根据地区耐污程度确定最大伞棱的位置。
参考文献
[1] 王黎明, 李剑超, 梅红伟, 等. 雾霾条件下支柱绝缘子的闪络特性[J]. 高电压技术, 2019, 45(2): 433-439.
Wang Liming, Li Jianchao, Mei Hongwei, et al. Flashover characteristics of post insulators under fog and haze conditions[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(2): 433-439.
[2] 沈政委, 孙华东, 仲悟之, 等. 基于关键事件的高比例新能源电力系统故障连锁演化规律分析[J]. 电力系统自动化, 2022, 46(24): 57-65.
Shen Zhengwei, Sun Huadong, Zhong Wuzhi, et al. Key event based analysis of evolution law of cascading failures in power system with high proportion of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(24): 57-65.
[3] 黄新波, 曹雯. 输电线路灾害机理研究进展[J]. 西安工程大学学报, 2017, 31(5): 589-605.
Huang Xinbo, Cao Wen. Review of the disaster mechanism of transmission lines[J]. Journal of Xi’an Polytechnic University, 2017, 31(5): 589-605.
[4] 李亚伟, 杨昊, 张乔根, 等. 基于上下表面电弧特性的交流绝缘子污秽闪络电压计算[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(30): 5442-5450.
Li Yawei, Yang Hao, Zhang Qiaogen, et al. Modeling of AC arc discharge on insulators in consideration of arc characteristic differences between partial arcs on top and bottom wet-polluted dielectric surfaces[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(30): 5442-5450.
[5] 张贵新, 李大雨, 王天宇. 交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展[J]. 电工技术学报, 2022, 37(15): 3876-3887.
Zhang Guixin, Li Dayu, Wang Tianyu. Progress in researching charge accumulation and discharge characteristics at gas-solid interface under AC voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(15): 3876-3887.
[6] 张楚岩, 张福增, 陈昌龙, 等. 高海拔地区直流特高压大尺寸复合外绝缘污闪特性研究[J]. 电工技术学报, 2012, 27(12): 20-28.
Zhang Chuyan, Zhang Fuzeng, Chen Changlong, et al. Research on pollution flashover characteristics of large-size composite outdoor insulation for UHV DC in high altitude area[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(12): 20-28.
[7] 江渺, 姜昀芃, 卢明, 等. 复合绝缘子表面自然积污颗粒的粒径分布规律及机理研究[J]. 高压电器, 2021, 57(12): 17-24.
Jiang Miao, Jiang Yunpeng, Lu Ming, et al. Study on particle size distribution and mechanism of natural contaminated particles on the surface of composite insulator[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(12): 17-24.
[8] 赵全香, 李红艳, 韩振, 等. 绝缘子污秽检测方法综述[J]. 电气开关, 2012, 50(4): 96-98.
Zhao Quanxiang, Li Hongyan, Han Zhen, et al. A summary of insulator pollution detection method[J]. Electric Switchgear, 2012, 50(4): 96-98.
[9] Obenaus F. Fremdschichtueberschlag and kriechwegl-aenge[J]. Deutsche Elektrotechnik, 1958, 12(4): 135-136.
[10] 刘士利, 李卫东, 李振新, 等. 水带对憎水性表面交流闪络特性与电场分布的影响[J]. 电工技术学报, 2022, 37(21): 5570-5577.
Liu Shili, Li Weidong, Li Zhenxin, et al. Influence of water band on AC flashover characteristics and electric field distribution of hydrophobic surface[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(21): 5570-5577.
[11] Sundararajan R, Gorur R S. Effect of insulator profiles on DC flashover voltage under polluted conditions. A study using a dynamic arc model[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1994, 1(1): 124-132.
[12] Guan Zhicheng, Huang Chaofeng. Discharge performance of different models at low pressure air[C]// Proceedings of 1994 4th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM), Brisbane, QLD, Australia, 1994: 463-466.
[13] 吴光亚, 钱之银, 肖勇, 等. 防污闪技术的现状与发展趋势[J]. 电力设备, 2005(3): 5-9.
Wu Guangya, Qian Zhiyin, Xiao Yong, et al. Present situation and development tendency of anti - pollution flashover[J]. Electrical Equipment, 2005(3): 5-9.
[14] 梅尔赫列夫, 索洛莫尼克. 大气污秽地区线路与变电所的绝缘[M]. 张重午, 译. 北京: 电力工业出版社, 1981.
[15] Kimoto I, Fujimura T, Naito K. Performance of insulators for direct current transmisson line under polluted condition[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1973, PAS-92(3): 943-949.
[16] Kawamura T, Seta T, Tanabe S. Performance of large bushing shells for UHV transmission system under polluted conditions[J]. CIGRE Session Paper, 1988, 33(3): 311-316.
[17] Fazelian M, Wu C Y, Cheng T C, et al. A study on the profile of HVDC insulators-DC flashover performance[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1989, 24(1): 119-125.
[18] 张仁豫. 绝缘污秽放电[M]. 北京: 水利电力, 1994.
[19] International Electrotechnical Commission. Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 V—ceramic or glass insulator units for AC systems—characteristics of insulator units of the cap and pin type: IEC 60305—2021[S]. IEC, 2021.
[20] 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验: GB/T 4585—2004[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.
[21] 张楚岩, 张福增, 李锐海, 等. 绝缘子人工污秽试验加压方式的比较[J]. 高电压技术, 2013, 39(1): 44-53.
Zhang Chuyan, Zhang Fuzeng, Li Ruihai, et al. Comparison of on-load voltage methods in artificial contamination test for insulators[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(1): 44-53.
[22] 李健. 染污绝缘表面电弧发展机理及时变模型的研究[D]. 北京: 清华大学, 2013.
Li Jian. Study of the mechanism of arc propagation over a pol-luted insulation surface and the time-varying model[D]. Beijing: Tsinghua University, 2013
[23] 杨昊. 交流电压下湿污绝缘表面闪络过程研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2016.
Yang Hao. Study on the Flashover Process over the wet con-taminated surface under AC high voltage[D]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University, 2016.
[24] 高晋, 郭思华, 韩兴波, 等. 绝缘子表面三维覆冰特性的影响因素[J]. 电工技术学报, 2021, 36(14): 3072-3080.
Gao Jin, Guo Sihua, Han Xingbo, et al. Influence factors of three-dimensional icing characteristics on insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 3072-3080.
[25] 黄鑫娟, 周洁敏, 刘伯扬. 自适应混合高斯背景模型的运动目标检测方法[J]. 计算机应用, 2010, 30(1): 71-74.
Huang Xinjuan, Zhou Jiemin, Liu Boyang. Moving objects detection approach based on adaptive mixture Gaussian background model[J]. Journal of Computer Applications, 2010, 30(1): 71-74.
[26] 武建文, 王毅, 王季梅. 真空电弧电子扩散过程及电弧半径的研究[J]. 高压电器, 1997, 33(3): 8-11, 21.
Wu Jianwen, Wang Yi, Wang Jimei. A study on electron dissipation process and arc radius in vacuum arc[J]. High Voltage Apparatus, 1997, 33(3): 8-11, 21.
[27] 董华军, 温超阳, 孙鹏, 等. 基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计[J]. 电工技术学报, 2022, 37(21): 5598-5606.
Dong Huajun, Wen Chaoyang, Sun Peng, et al. Simulation and optimization of the contact magnetic field of a new type of vacuum interrupter based on orthogonal experiment[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(21): 5598-5606.
[28] 郭富胜. 污秽绝缘沿面直流放电流注特性及电弧发展的能量平衡模型研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.
Guo Fusheng. Study on the streamer characteristics along the polluted insulation surface and the development arc energy balance model under DC voltage[D]. Chongqing: Chongqing University, 2012.
[29] Rizk F A M. Mathematical models for pollution flashover[J]. Electra, 1981, 78: 71-103.
[30] 黄亚飞, 蒋兴良, 杨国林, 等. 不同配置形式倒T型布置绝缘子串直流冰闪特性研究[J]. 电工技术学报, 2021, 36(24): 5294-5303.
Huang Yafei, Jiang Xingliang, Yang Guolin, et al. DC flashover characteristics of the iced-covered inverted T-type insulator strings with different configuration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(24): 5294-5303.
[31] 范超, 张血琴, 郭裕钧, 等. 绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律研究[J]. 高压电器, 2022, 58(11): 212-220.
Fan Chao, Zhang Xueqin, Guo Yujun, et al. Study on accumulation of contamination particles on surface of insulating materials[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(11): 212-220.
Abstract Insulators play a crucial role in power systems as they provide support and insulation for power lines. While insulators are generally resistant to internal breakdown, they are more susceptible to flashovers on their external surfaces. In areas with heavy pollution, the presence of a water film on the insulator’s surface increases the likelihood of pollution flashover. Increasing the creepage distance is the most effective method for enhancing the flashover voltage of insulators. However, increasing the creepage distance within a limited space can complicate the insulator’s structure. Some insulators feature more umbrella ribs internally, which creates a complex and narrow space that facilitates arc propagation through jumping. Interestingly, larger creepage distances can lead to a decrease in the insulator’s flashover voltage. To investigate this phenomenon, the paper focuses on analyzing the path of arc propagation, statistical probability distribution, and the relationship between arc length and flashover voltage.
Firstly, a glass insulator test model was designed to replicate the actual insulator structure. The test model took into consideration three key structural parameters of the insulator: umbrella extension, umbrella spacing, and maximum umbrella rib length. Glass panels were used as a substitute for the real insulator’s umbrella skirts and ribs. By adjusting the length and width of the glass panels, it was possible to create test models that mimicked different insulator structures accurately.
Secondly, a test platform for arc path shooting was constructed. The arc path shooting platform comprised a pressurized platform designed to meet the International Electrotechnical Commission (IEC) flashover test standard and a high-speed camera. The insulator test model was subjected to multiple flashover tests, which involved smearing and voltage application following the procedures outlined in the IEC standards.
Finally, the high-speed camera was carefully positioned to align with the vertical plane between the insulator umbrellas. This enabled the camera to capture the path of the arc as it propagated across the insulator. The recorded images were subsequently processed using image processing techniques, and the arc paths were precisely segmented using mesh segmentation algorithms. This method facilitated the efficient and accurate acquisition of a substantial volume of arc path data, enabling the generation of comprehensive arc path summary charts. By employing this approach, the researchers were able to gather a significant amount of data on the arc propagation patterns across the insulator. This allowed for detailed analysis and evaluation of the influence of different structural parameters on insulation performance.
Two coefficient representations are proposed to evaluate insulator structures. These coefficients include the depth coefficient of the inter-umbrella space depth, which is calculated by dividing the umbrella spacing by the umbrella extension, and the maximum umbrella rib structure coefficient, obtained by dividing the umbrella rib length by the umbrella spacing.The findings of the study indicate that the arc paths between insulator umbrellas mainly fall into two categories: cling-surface arcs and air-jump arcs. The probability of these different arc path formations is influenced by the structural parameters of the insulator. Based on the research results, it is recommended to maintain an inter-umbrella space depth coefficient (umbrella spacing/umbrella extension) within the range of 0.8~1.2. A smaller coefficient leads to a higher probability of air-jump arc development, whereas a larger coefficient implies under-utilization of the available space. Further more, the study suggests a reference range of 0.4~0.5 for the maximum umbrella rib structure coefficient (umbrella rib length/umbrella spacing). When this coefficient exceeds the recommended range, the creepage distance is not optimally utilized, resulting in reduced flashover voltage. The paper highlights that positioning the maximum umbrella rib at the edge of the umbrella skirt results in lower flashover voltage compared to when it is placed inside the skirt.
keywords：AC voltage, insulator, pollution flashover, partial arc, flashover voltage
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230770
中图分类号：TM216
国家自然科学基金项目（52007138）和国网陕西省电力有限公司科技项目（5226KY22001G）资助。
收稿日期 2023-05-26
改稿日期 2023-07-13
宋治波 男，1998年生，硕士研究生，研究方向为高电压绝缘技术。E-mail：210411022@stu.xpu.edu.cn（通信作者）
杨 昊 男，1988年生，副教授，硕士生导师，研究方向为高电压绝缘技术、输变电设备状态监测与故障诊断、气体放电与放电等离子体技术。E-mail：yanghao@xpu.edu.cn
（编辑 李 冰）