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绝缘子表面的非可溶性沉积物

July 1, 2015 • Insulator / 绝缘子, 最近文章汇总

高电压工程师非常了解,即使在高污染 环境中,绝缘子干燥时通常保持安静。然 而,一旦污秽表面被雨水或凝露湿润,局 部放电活动迅速将绝缘子点亮。局部放电 的程度取决于绝缘子的表面是属于可以形 成连续水膜的亲水性,还是因其固有的憎 水性形成水珠。 因为过度的电弧活动会导致闪络,针对系 统电压和污秽环境选择具有足够泄漏距离 的绝缘子伞型,是处理这一潜在的影响可 靠性问题的最佳方案。本文由INMR专栏 作家William Chisholm博士撰稿,探讨了 绝缘子表面灰尘和污染物的沉积,目的是 更准确地识别适用的运行条件和更好地确 定绝缘子的类型。
按照IEC 60815确定现场污秽度   IEC 60815基本上建议将绝缘子泄漏距离的应力调整到 5:2以上的范围,从非常轻度的现场污秽度(A级)22 mm/ kV相电压,到非常重度的现场污秽度(E级)55 mm/kV。当 然,合理应用这个标准的关键是,在选定绝缘子的类型之 前正确地确定现场的污秽度。如果低估了现场的污秽度, 在防止放电和闪络的问题中,标准几乎没有价值。 幸运的是,有很多导则可以帮助电力工程师评定所有运行 环境下的现场污秽度(或SPS)。这一问题最好的实例在 INMR第69期(2005年第三期)中有论述,涉及了绘制全国 污秽图的系统性长期计划,并将从户外绝缘子中进行污秽 取样列为其中的一部分。例如,在诸如伊朗(Niroo研究院 实施)和中国(国家电网和中国南方电网实施)这样的国 家,已经实施了这一长期计划。
一些地方,如中国和北 非,NSDD远超过ESDD。 绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Pic210

一些地方,如中国和北 非,NSDD远超过ESDD。

绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Pic118 评估导电的沉积物构成了这些研究的基本部分,基于等 值盐密(ESDD)的测量选择相应泄漏距离的方法也已经确 立。然而,IEC 60815还要求估算沉积污染物中的附灰密度 (NSDD)。 当同金属接触并与水汽 化合时, 非可溶灰尘可以 导致不同的问题, 例如加速 金属腐蚀。 NSDD对绝缘子电气强度的影响   沉积在户外绝缘子和金属表面上的NSDD常常远超ESDD (在中国大约是5比1)。当同金属接触并与水汽化合时,非可 溶灰尘可以导致不同的问题,例如加速金属腐蚀。 绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Pic34 例如,正确解析NSDD所起作用的一种方式是在导致腐蚀 的条件下,将其重量(单位mg/cm2 )与绝缘子表面水的数 量进行比较。在“临界相对湿度”时,水被直接吸收到含 有盐污染的表面,引起的水层厚度重约0.001 mg/cm2 。在 100%相对湿度时,该值增加到0.1 mg/cm2 ,当被露水覆 盖时,又增加到1 mg/cm2 ,被雨水湿润时,最终会增加到 10 mg/cm2 。

合理应用IEC 60815 的关键是, 在选定 绝缘子的类型之前 正确地确定现场的 污秽度。 NSDD影响表面润湿的本性,对绝缘子的电气性能也很重 要。带有大量且惰性灰尘沉积物的绝缘子表面将使任何导 电污染稳定化,并助长反复发生局部放电和干带。附着在 表面的灰层还能够直接吸收空气中的二氧化硫和水蒸气。 加剧了吸潮性的盐(包括氯化物和硫化物)从潮湿的空气 中吸食足够的水用来“自我湿润”的风险,从而形成连续 的电导表面,降低绝缘子的闪络性能,即使在没有雨或雾 的情况下也是如此。 确实,通过清洁雾方法的污秽试验,多年来已经就NSDD 的作用达成了共识。试验标准要求,无论在预污秽的 浆料中使用何种电导污秽物,高岭土的浓度必须总是 40 g/l。这就产生了清洁雾试验结果的可重复性,依据 R.Matsuoka教授1996年的研究,按照IEC 60815标准选 择绝缘子时,0.05-0.07 mg/cm2 的低数值NSDD仅对绝 缘子选型产生最小的影响。 然而,当NSDD更高时(例如高到1 mg/cm2 ),对电气 强度的影响递增。例如,作者2009年分析的试验结果表 明:ESDD按5:1增加(由0.04到0.2 mg/cm2 ),闪络性能 下降30到40%。反之,NSDD按7:1增加(由0.14到 0.95 mg/cm2 ),闪络性能降低20到25%。 硅橡胶表面优于玻璃和陶瓷的重要性能主要是表面的高 能材料能将连续的水膜击破,不管是复合绝缘子还是室温 硫化硅橡胶涂层都具有这一能力。这确保了从端部金具到 整个绝缘子表面没有直接的电气通道。
图一:下表面带棱的盘形瓷绝缘子临界闪络应力。 绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Fig16

图一:下表面带棱的盘形瓷绝缘子临界闪络应力。

绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Pic44 硅橡胶材料应用中一些“尚未解决”或尚在讨论的问题 是:是否能够在任何环境下都保持这种性能上的优势。可 能存在某个临界的负载水平,超过了这一临界值,惰性灰 尘沉积物就会摧毁硅橡胶材料因其低分子量(LMW)本体 憎水性迁移的特性而形成水珠膜的能力。
图二:双伞型和三伞型盘形瓷绝缘子临界闪络应力。 绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Fig21

图二:双伞型和三伞型盘形瓷绝缘子临界闪络应力。

估算全灰尘沉积速度   当然,可以根据经验用某个常用的乘数估算NSDD,例如中 国建议用ESDD的5倍,或中东建议用ESDD的10倍。然而, 独立估算非可溶性污秽和可溶性污秽通常是更好的方法。 在这方面,使用卫星进行观察似乎提供了新的经济的途 经,收集覆盖全球大片地区有用的NSDD数据,以及研究 不同地区NSDD/ESDD的比例是如何变化的。 19位作者的一篇文章发表在2005年科学杂志上,他们使 用了三项研究,这三项研究将卫星光学深度估算的灰尘沉 积与当地记录到的铁浓度相匹配。然后,他们提出了一个 年度平均灰密图,图中醒目地标出了北非、中东和中国西北 沉积率为20 g/m2 /year的地区。 灰尘沉积  通过干燥或湿润沉积除去空气中的灰尘。绝缘子表面 NSDD沉积的简单模型如下: •  灰尘流量全年保持均匀 •  不降雨时允许灰尘沉积 •  下雨天洗去所有灰尘 这个模型用于绝缘子上表面明显好于下表面。大灰尘流量 10 g /m2 /year的情况下,NSDD增加率每天为 0.0027 mg/cm2 ,见图三。为了达到NSDD产生非常强影响 的1 mg/cm2 ,将需要1/0.0027天,大约一整年无雨天。遗憾 的是,仍然没有完善的计算机模型确定掠过绝缘子表面的 空气流是如何影响下表面NSDD的增长率,或长期运行以后 NSDD如何达到平衡点。
图三:卫星光学深度估算的年 度灰尘沉积速率(g/m2 /year) (摘自Jickells等人,科学杂志 308, 67-71/2005)  绝缘子表面的非可溶性沉积物 绝缘子表面的非可溶性沉积物 Fig31

图三:卫星光学深度估算的年 度灰尘沉积速率(g/m2 /year) (摘自Jickells等人,科学杂志 308, 67-71/2005)

 

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