强电磁脉冲下线路绝缘子闪络特性试验研究_秦锋.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220738 强电磁脉冲下线路绝缘子闪络特性试验研究 秦 锋 王旭桐 陈 伟 聂 鑫 崔志同（强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室（西北核技术研究所）西安 710024）摘要 为了研究电力系统关键易损性设备的强电磁脉冲效应，评估电力系统的高空电磁脉冲生存能力，有必要通过试验研究线路绝缘子的闪络特性。该文通过试验获取了高空电磁脉冲标准传导环境下 10 kV 线路绝缘子的 50%闪络电压、放电时延、闪络持续时间及伏秒特性等关键参数，并通过试验分析了线路绝缘子表面干净、污秽等不同状态对绝缘子性能的影响。试验结果表明：高空电磁脉冲传导环境作用下 10 kV 线路绝缘子易发生闪络，且闪络更容易发生在波尾处，闪络持续时间达数微秒；强电磁脉冲环境幅值越高，绝缘子的放电时延越小，分散性也越小；P-10T 型绝缘子相对于 PQ1-10T 型绝缘子的放电时延更短，绝缘子表面污秽使得其放电时延分散性变大；当电压等级高于 90%闪络电压时，绝缘子表面污秽对其伏秒特性影响不大。该文可为强电磁脉冲环境下电力设备的绝缘配合以及绝缘子性能改进提供数据支撑，也可为后续防护设备的选择提供参考。关键词：绝缘子 高空电磁脉冲 闪络 伏秒特性 脉冲电流注入 中图分类号：TM85 0 引言 高空电磁脉冲（High-Altitude Electromagnetic Pulse,HEMP）是由高空核爆炸产生的强电磁脉冲干扰环境，具有场强高、频谱宽、影响范围大等特点1，能通过场线耦合在电力输配电线缆上形成纳秒级上升沿、数千安培的传导环境2-6。该传导环境相对于雷电、操作过电压等脉冲环境具有更大的电位梯度，对电力系统关键设备的绝缘造成了严重威胁7-12。近些年，电力系统等国家关键基础设施的高空电磁脉冲生存能力评估成为了重点关注的研究内容。为此，有必要针对现代电力系统的关键易损性组件和设备进行强电磁脉冲绝缘性能的试验研究。其中，绝缘子是电力系统中使用量最大的电气组件，起着电气绝缘和机械固定的重要作用，且由于其在系统中为并联工作，使得任何一个绝缘子发生问题都会造成系统事故13。在电力系统的实际运行中由绝缘子问题造成的事故占较大比例14，一次绝缘子闪络事故可能造成长时间、大面积停电，从而造成极大的经济损失，并给社会稳定带来一定的威胁，因此对绝缘子的质量和可靠性提出了非常高的要求，需要针对电力系统现有线路绝缘子开展高空电磁脉冲闪络特性研究。国内外学者针对线路绝缘子的研究大多集中在污秽或覆冰等极端环境下的闪络特性15-16，且主要是从试验的角度分析绝缘子在污秽状态下的闪络电压、耐受电压与污秽度之间的关系，以及影响污秽绝缘子闪络特性的因素17-20。张志劲等21总结了现有研究文献中提出的等值盐密法、表面污层电导率法、泄漏电流脉冲技术法、最大泄漏电流法、污闪电位梯度法、污液电导率法、盐浓度法、局部电导率法等污秽参数表征方法，并概括分析了现有对污秽绝缘子工频和直流下闪络电压与污秽之间关系的研究。彭波等22开展了污秽绝缘子在不同脉冲电压条件下的闪络特性研究，结果表明表面灰密值为 0.05 mg/cm2、盐密值为 0.20 mg/cm2的绝缘子在 2.6/50 s 和 0.5/5 s 冲击电压波形下的闪络电压分别下降 30%和 20%，另外当盐密、灰密值较低时，冲击电压波形对绝缘子串的闪络电压影响不大。另外，随着国内外对强电磁脉冲威胁环境的重视，也出现了针对操作过电压23-24、高空电磁脉冲等环境下线路绝缘子的闪络阈值试验和仿真研究。张汉花等25基于传输线理论，建立架空输配电线路的简化模型，计算了传输线网络在高空电磁脉冲环 强 脉 冲 辐 射 环 境 模 拟 与 效 应 国 家 重 点 实 验 室 基 金 资 助 项 目（SKLIPR2204）。收稿日期 2022-05-04 改稿日期 2022-09-10 第 38 卷第 13 期 秦 锋等 强电磁脉冲下线路绝缘子闪络特性试验研究 3641 境下各节点的暂态响应电压，并在此基础上分析了400 km 高空核爆炸下不同电压等级输配电线路绝缘子的闪络情况。研究结果表明，35 kV 线路绝缘子串处于临界闪络状态，而 10 kV 线路绝缘子易发生闪络。其中，绝缘子的闪络电压阈值采用 L.M.Burrage 等的试验结果，即 HEMP 波形下的绝缘子串闪络电压与标准雷电波形下的闪络电压有一定关系，其中 25/300 ns 波形下绝缘子串的闪络电压为1.2/50 s 标准雷电波形闪络电压的 1.52.0 倍26。唐姣等27采用商用软件 COMSOL 构建了 110 kV 绝缘子的仿真模型，基于此分析了绝缘子在工作电压和雷电冲击电压作用下的闪络电压，并通过与文献28中的试验结果进行比较，验证了通过仿真方法获取绝缘子耐雷电冲击电压的可行性。Chen Yuhao 等29和 Y.V.Parfenov 等30分别基于时序控制和波过程原理搭建了 10 kV 加电状态下的纳秒脉冲效应试验平台，并通过试验获取了 HEMP 环境下线路绝缘子的闪络阈值电压。但以上研究尚未对线路绝缘子在高空电磁脉冲传导环境下的闪络特性进行深入研究，无法为线路上其他设备的绝缘配合以及绝缘子本身性能的提升提供更多的数据支撑。为此，本文针对配电系统中使用最为广泛的两种类型的 10 kV 线路绝缘子搭建了电磁脉冲传导电流注入试验平台，通过试验获取了高空电磁脉冲传导环境下线路绝缘子的 50%闪络电压、放电时延、闪络持续时间、伏秒特性等关键参数，并分析了绝缘子表面污秽对高空电磁脉冲作用下闪络特性的影响。为强电磁脉冲环境下绝缘子性能改进和进一步的电力系统关键设备电磁脉冲易损性研究提供了数据支撑。1 试验设置 1.1 试验平台 试验平台等效电路示意图如图 1 所示。试验中采用的脉冲电流注入源可输出相关标准31-32中推荐的双指数脉冲电流波形，其短路电流幅值在 06 kA 范围内可调，波形上升时间为 20 ns，脉冲半高宽为 500 ns，源内阻为 60。脉冲源内部等效电路如图 1 中点画线框所示。该电路中，Cs为脉冲源放电回路等效电容，Cs=12.7 nF；Ls为放电回路等效电感，Ls=695 nH；Rs为放电回路电阻，Rs=63。另外，为了保证脉冲电流注入源在负载高阻抗状态有效泄放电荷，在高压输出端口并联阻值为 2 k 的保护电阻 Rh。需要说明的是，该保护电阻对脉冲电流注入源的短路输出电流波形没有影响，因此并不影响待测绝缘子闪络后的特性研究。图 2 给出了该脉冲电流注入源在未连接待测设备时高压端的归一化电压波形。图 3 则给出了脉冲电流注入源短路输出归一化电流波形。可以看出，脉冲源输出电压、电流波形的上升沿为(203)ns，短路电流波形的半高宽位于 500550 ns，满足高空电磁脉冲传导试验要求。图 1 试验平台等效电路示意图 Fig.1 The equivalent circuit diagram of experimental platform 图 2 脉冲电流注入源高压端输出电压波形 Fig.2 The high voltage output voltage waveform of pulse current injection source 试验中将待测绝缘子一端与高压输出端连接，另一端直接接地，并分别采用阻容分压器和电流探头测量待测绝缘子的电压和电流波形。采用电压信号触发示波器，同时通过示波器外部触发信号触发 3642 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 图 3 脉冲电流注入源短路输出电流波形 Fig.3 The short circuit output current waveform of pulse current injection source 8 分幅相机，进而拍摄绝缘子闪络照片。高空电磁脉冲传导环境的主要能量集中频段为 40 kHz 16 MHz6，因此为满足试验测量要求，示波器带宽为 DC1 GHz，最高采样率为 5 G/s；8 分幅相机采用英国 SI 公司的 SIMX8，帧频最高为 1 Gfps，时间最小步进为 1 ns，系统空间分辨率为 50 lp/mm；阻 容 分 压 器 型 号 为 北 极 星 VD200，分 压 比 为10 000:1，带宽为 016 MHz，可测最小上升沿为18.75 ns；电流探头型号为 Pearson7427，探头系数为 0.01，带宽为 5 Hz70 MHz，可测最小上升沿为 5 ns。1.2 10 kV 线路绝缘子 电工陶瓷是最早使用的绝缘子材料，作为一种传统的无机绝缘材料，能耐受恶劣大气和酸碱污秽等环境的长期作用而不受侵蚀，具有良好的绝缘性能、耐候性和耐热性，且抗老化性能好，使得瓷绝缘子具有足够的电气和机械强度。至今，与玻璃绝缘子、复合绝缘子相比，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最为广泛的绝缘子。线路针式绝缘子由于制造简单、成本低、安装方便且能减小杆塔高度，广泛用于 610 kV 的配电线路。因此，本文以两种典型的针式瓷绝缘子为研究对象，其结构和电气性能基本参数见表 1。表 1 绝缘子基本参数 Tab.1 Basic parameters of insulators 参 数 P-10T PQ1-10T 结构高度/mm 105 133 最小爬电距离/mm 195 255 工频耐受电压/kV 28/95 40/130 标准雷电阈值电压/kV 75 90 另外，采用文献22中的硅藻土混合物配制的污液，对清洗干燥后的绝缘子进行定量涂刷，使其表面灰密值为 0.05 mg/cm2，盐密值为 0.20 mg/cm2，并标记为污秽绝缘子；其余未进行污秽处理的绝缘子则标记为干净绝缘子。2 试验过程与关键参数测量 2.1 试验过程 待测绝缘子的离线状态脉冲电流注入试验，也称绝缘子 HEMP 冲击试验，测量数据主要为待测绝缘子承受的电压及流过绝缘子的电流。依据高电压试验技术标准33中的多级法进行试验，综合前期摸底测试结果与脉冲电流源输出电压稳定性特征，选择电压级差U=6 kV，每个电压等级重复次数 n=10，起始电压等级从 10 次均不发生闪络开始计算，直至10 次均发生闪络终止。每发次试验结束均对待测绝缘子进行充分放电，且每发次间隔时间为 3 min，力求每发次试验结果的独立性34。需要说明的是，本文在试验初期进行了大量摸底测试，一方面验证了试验方案的合理性，另一方面排除了样本本身带来的差异性。另外，试验中采用 8 分幅相机对绝缘子闪络路径进行捕获，方便绝缘子放电时延和闪络持续时间的验证分析。绝缘子 HEMP 冲击试验的电压、电流典型波形如图 4 所示，其中图 4a 为 150 kV 电压等级下 P-10T 第 38 卷第 13 期 秦 锋等 强电磁脉冲下线路绝缘子闪络特性试验研究 3643 图 4 绝缘子 HEMP 冲击试验电压、电流典型波形 Fig.4 The typical voltage and current waveforms of insulator under HEMP shock test 型绝缘子未发生闪络时的波形，图 4b 则为 168 kV电压等级下该型绝缘子发生闪络时的波形。图中，td为放电时延，tf为闪络持续时间，Uf为闪络电压。需要说明的是，对于上升沿闪络的情况，Uf取闪络发生位置处对应的电压值；而对于下降沿闪络的情况，Uf取电压负峰值，如图 4b 所示。2.2 关键参数测量方法 当绝缘子两端脉冲电压超过其表面绝缘耐受电压时将发生闪络现象，对应的电压即为闪络电压。对于雷电、操作过电压等作用时间较短的冲击电压，闪络的发生一般具有一定的分散性35，因此，采用50%闪络电压 U50%来描述绝缘子的闪络阈值电压。重复 n 次电压等级 Ui时，绝缘子共发