高壓開關(guān)柜支柱絕緣子污穢絕緣狀態(tài)的試驗(yàn)研究及診斷

    高壓開關(guān)柜設(shè)備是電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，一旦其發(fā)生故障將會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的損失。雖然高壓開關(guān)柜通常被安裝在高壓室內(nèi)，受外部自然環(huán)境影響較小，但由于設(shè)備本身并沒(méi)有完全密封，防污防潮性能較差，而運(yùn)行中的設(shè)備嚴(yán)禁帶電清掃，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后柜體內(nèi)部絕緣器件表面沉積污穢嚴(yán)重。加之開關(guān)柜內(nèi)部絕緣子間隙絕緣裕度不足等因素，在潮濕環(huán)境下發(fā)生絕緣子污穢閃絡(luò)擊穿的可能性將非常高，威脅著電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。近年來(lái)，由污閃造成開關(guān)柜內(nèi)部外絕緣破壞，最終導(dǎo)致設(shè)備燒毀的事故逐漸增多，特別是設(shè)備內(nèi)部支柱絕緣子污閃占有很大比重。

    污穢的類型因高壓開關(guān)柜所處地域不同而存在差異，根據(jù)其來(lái)源大體可以分為沿海污穢、工業(yè)污穢以及農(nóng)業(yè)污穢等，但不同的污穢中均存在一定的電解質(zhì)。無(wú)論絕緣子表面附著了何種類型污穢，當(dāng)其處于潮濕環(huán)境被充分濕潤(rùn)時(shí)，電解質(zhì)都會(huì)發(fā)生溶解致使污穢層電導(dǎo)率迅速增加，此時(shí)引起絕緣故障的可能性將急劇增大。故污穢和潮濕共存環(huán)境是高壓開關(guān)柜發(fā)生因絕緣子污穢引起的絕緣故障的主要原因。所以，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子污穢程度及其所在環(huán)境的檢測(cè)能夠有效地避免該類絕緣故障的發(fā)生。

     泄漏電流是目前表征絕緣子污穢水平最直接有效，最具現(xiàn)實(shí)意義的動(dòng)態(tài)參數(shù)，是絕緣子表面污穢及其所處環(huán)境共同作用的結(jié)果和綜合反映?，F(xiàn)有文獻(xiàn)通過(guò)研究絕緣子泄漏電流對(duì)絕緣子污穢的相關(guān)特性進(jìn)行了大量的研究，但大都是針對(duì)線路懸式絕緣子而言，而對(duì)于高壓開關(guān)柜內(nèi)支柱絕緣子的研究鮮有報(bào)道，又因?yàn)楹笳叩慕Y(jié)構(gòu)形式、安裝方式以及安裝環(huán)境與線路絕緣子都存在較大的差異。因此，開展對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)支柱絕緣子污穢問(wèn)題的研究是非常有必要的，對(duì)降低開關(guān)柜污閃事故的發(fā)生概率，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的意義。

     該實(shí)驗(yàn)為了盡可能地模擬支柱絕緣子的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將基于真型10kV高壓開關(guān)柜搭建，所有試驗(yàn)均基于該平臺(tái)完成。試驗(yàn)將對(duì)運(yùn)行電壓下以及加壓過(guò)程中處于不同污穢以及濕度等級(jí)的支柱絕緣子的泄漏電流展開研究，著重分析泄漏電流隨著污穢以及濕度等級(jí)的變化情況，并探究高壓開關(guān)柜內(nèi)部支柱絕緣子污穢放電的發(fā)展規(guī)律。最后，本文基于試驗(yàn)結(jié)果提出以一個(gè)周期內(nèi)泄漏電流的峰峰值作為污穢絕緣狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并劃分不同的絕緣狀態(tài)等級(jí)，構(gòu)建表征不同絕緣狀態(tài)等級(jí)的隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污穢絕緣狀態(tài)的表征，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

2.1  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

     基于10kV真型開關(guān)柜搭建的污穢試驗(yàn)平臺(tái)的電路連接圖如圖1所示。電源電壓經(jīng)調(diào)壓器輸入，并由無(wú)暈試驗(yàn)變壓器升壓至試驗(yàn)所需電壓，通過(guò)保護(hù)電阻后施加到高壓開關(guān)柜上。采用電容分壓器并聯(lián)在開關(guān)柜兩端，實(shí)時(shí)跟蹤試驗(yàn)電壓的大小。開關(guān)柜的泄漏電流采用泄漏電流傳感器獲取，并通過(guò)數(shù)字示波器進(jìn)行采集和顯示。為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終以高壓開關(guān)柜A相上的支柱絕緣子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。就該試驗(yàn)平臺(tái)而言，流過(guò)地線的電流應(yīng)小于流過(guò)試品表面的電流，因?yàn)檎麄€(gè)開關(guān)柜柜體置于地面未作絕緣處理，理應(yīng)存在極少量電流直接泄漏到大地而不流經(jīng)地線，進(jìn)而不能被泄漏電流傳感器捕捉，但由于該處的電流極小不會(huì)影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1.1  實(shí)驗(yàn)開關(guān)柜

     該實(shí)驗(yàn)采用的開關(guān)柜型號(hào)為KYN28A-12，該柜主要包含5個(gè)隔室：儀表隔室、母線隔室、斷路器隔室、電纜隔室和備用隔室。因電纜隔室中元件較多，電氣環(huán)境復(fù)雜，故障發(fā)生概率相對(duì)較大，因此此次實(shí)驗(yàn)在電纜隔室中進(jìn)行。電纜隔室中所采用的支柱絕緣子型號(hào)為ZJ-10Q/65*140型環(huán)氧樹脂絕緣子。開關(guān)柜側(cè)視圖、具體染污位置以及染污絕緣子如圖2所示。

2.1.2  泄漏電流傳感器

     該實(shí)驗(yàn)所采用的泄漏電流傳感器由一個(gè)多匝式電流傳感器構(gòu)成，將地線直接穿過(guò)該傳感器，即可檢測(cè)到流經(jīng)地線上的泄漏電流，實(shí)物如圖3所示。該泄漏電流傳感器的檢測(cè)范圍在100μA～7mA，當(dāng)有大電流通過(guò)時(shí)，會(huì)觸發(fā)該傳感器的保護(hù)電路，以確保泄漏電流傳感器和示波器的安全。

2.2  實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1  不同污穢等級(jí)模擬

    根據(jù)IEC 60518-1975標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中配置了5種程度的污穢，用來(lái)模擬5種不同的絕緣子污穢等級(jí)，如表1所示。但為了研究在絕緣子完全潔凈情況下的絕緣性能，該實(shí)驗(yàn)中對(duì)于0級(jí)污穢的等值鹽密與等值灰密均設(shè)置為0。根據(jù)絕緣子表面積，分別得到了污穢等級(jí)為0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ所對(duì)應(yīng)的NaCl（鹽）的質(zhì)量分別為0mg、22.5mg、45mg、90mg、135mg，硅藻土（灰）的質(zhì)量分別為0mg、225mg、450mg、900mg、1350mg。實(shí)驗(yàn)中采用精度為0.01mg的電子天平計(jì)量NaCl和硅藻土的質(zhì)量以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將最終得到的不同污穢等級(jí)下的混合物分別裝入潔凈的一次水杯中，使用小排刷逐漸加入蒸餾水對(duì)兩種物質(zhì)均勻攪拌，直至呈粘稠的污穢漿。

表1  污穢等級(jí)配比分類表

表1  污穢等級(jí)配比分類表

2.2.2  絕緣子染污及濕度模擬

     將絕緣子仔細(xì)多次清洗以除去所有污物等雜質(zhì)后，使用吹風(fēng)機(jī)將其充分干燥。在對(duì)絕緣子染污前，首先對(duì)絕緣子表面材料憎水性進(jìn)行預(yù)處理，以利于絕緣子染污。預(yù)處理后，取出事先準(zhǔn)備好的污穢漿，利用小排刷將其全部均勻地涂刷于絕緣子表面上。在整個(gè)涂抹過(guò)程中，應(yīng)盡量避免將污染物涂刷到母排上以及污液掉落，之后待絕緣子自然陰干24h。待絕緣子自然陰干后，使用加濕機(jī)對(duì)絕緣子表面的污穢層進(jìn)行濕潤(rùn)。水霧從開關(guān)柜底部產(chǎn)生，通過(guò)內(nèi)置濕度計(jì)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，試驗(yàn)中將加濕后開關(guān)柜內(nèi)部的濕度控制在3個(gè)范圍，分別為低濕（60%～70%）、中濕（75%～85%）和高濕（＞90%）。