来源：《中国电力》2024年第9期
引文：程洋, 夏令志, 牛雷, 等. 500 kV双联耐张瓷绝缘子串的串间放电现象[J]. 中国电力, 2024, 57(9): 231-237.
随着中国电网规模和电压等级全面提升，对输电线路绝缘安全与可靠性提出了更高要求。绝缘子串作为输电线路中关键的支撑和电气连接器件，正在向并联数更多的方向发展。绝缘子串在长期运行过程中，可能发生绝缘劣化而形成低值甚至零值绝缘子，增大电晕、闪络等故障概率，严重威胁电网安全稳定运行。《中国电力》2024年第9期刊发了程洋等撰写的《500 kV双联耐张瓷绝缘子串的串间放电现象》一文。文章为了阐明由零值绝缘子引发的串间放电现象成因，测量了所有绝缘子的电阻值，并分析了零值绝缘子形成原因。建立该双联绝缘子串的静电场有限元模型，并利用击穿指示器模拟了串间放电现象。分析了零值绝缘子位置、数量等因素对串间电场分布的影响规律，讨论了双联绝缘子串之间的相互影响，为后续双联绝缘子串运维提供参考。
以某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串为研究对象，研究了双联瓷绝缘子串串间放电现象的成因。开展了电阻测试、剖面染色等实验，建立了双联瓷绝缘子串电场与放电仿真模型，获得了双联绝缘子串空间电场分布规律。研究结果表明：水汽侵入水泥黏合剂缝隙导致多个绝缘子阻值下降形成大量零值绝缘子（西侧20片、东侧4片）。由于两侧零值绝缘子数量差距较大，产生122 kV串间电位差是串间放电的主要成因。某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串串间放电的观测结果如图1所示。每条绝缘子串由34片U160 BP/155 D瓷质绝缘子串联而成，相邻绝缘子串中心距离为40 cm，绝缘子串外观没有明显破损。巡检过程中发现明显放电声，放电通道不明显，未形成闪络。使用红外热成像仪发现双联绝缘子串存在异常温升现象，第11片绝缘子温度达到67 ℃，远高于其他正常绝缘子工作温度（31 ℃），也明显高于常见电晕放电温升（3~5 ℃）和低值绝缘子温升（1~3 ℃）。进一步，通过全日盲紫外成像仪和非日盲紫外成像仪，可以看到双联绝缘子串在9~11片绝缘子之间存在明显串间放电、7~12片绝缘子电晕放电现象。取下第11片绝缘子串后发现绝缘子表面存碳化爬电痕迹，说明串间放电通道是钢帽-伞裙-气隙-伞裙-钢帽。
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Fig.1 Discharge phenomenon between insulator strings
使用绝缘子电阻检测仪逐片测量了该双联绝缘子串的绝缘子电阻值（共68片）。双联绝缘子串存在大量零值绝缘子，共计24片零值绝缘子（阻值小于10 MΩ）和44片正常绝缘子（阻值高于500 MΩ），没有低值绝缘子（阻值为10~500 MΩ）。零值绝缘子的位置分布呈现一定随机性，西侧绝缘子串存在20片零值绝缘子，其中连续10片零值绝缘子与高压端相连，而东侧绝缘子串仅含有4片零值绝缘子且分散于绝缘子串中段。为了探究零值绝缘子的形成原因，对零值绝缘子横截面进行了染料渗透试验，如图2所示。零值绝缘子断面表明水泥胶合剂存在偏心现象，导致绝缘子应力分布不均匀，造成水泥胶合剂损坏，形成大量气孔和裂缝。长期运行过程中，绝缘子可能出现表面釉层破坏或密封失效等问题，水汽沿着钢帽和伞裙间隙缓慢进入，通过水泥胶合剂中的微小缝隙侵入瓷件内部，引起绝缘劣化，形成零值绝缘子。
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Fig.2 Dye penetration test results of zero-value insulators在交流电压激励下，绝缘子分压由其阻抗决定，包括并联的表面电阻（清洁绝缘子可忽略）、体电阻和等效电容。当体电阻（几十兆欧量级）与等效电容容抗比较接近时，COMSOL软件求解器收敛困难，因此选择使用静电场模拟交流工况电场分布。该方法常用于绝缘子串电场仿真，其准确性已得到实验验证。对于静电场模型，不考虑空间电荷影响，满足静电场方程。使用COMSOL软件建立双联绝缘子串的三维稳态静电场有限元模型，如图3所示。500 kV双联绝缘子串一端由金具相连悬挂于接地横担，另一端分别与高压导线相连，绝缘子从高压导线到金具依次编号为1~34，相邻绝缘子串中心距离为40 cm。双联绝缘子串放置于50 m×50 m×50 m空气域中心，离地垂直高度8 m，地面设置为0 V，其余空气边界设置为零电荷。瓷质绝缘子仿真模型，主要包含瓷盘、钢帽、钢脚等部分，瓷质绝缘子高度16 cm，盘径30 cm。相邻绝缘子通过钢帽和钢脚相连。水泥胶合剂偏心存在随机性，且较小位移对电场分布影响不大，因此忽略了偏心作用，绝缘子各组件均为中心对称。
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Fig.3 Simulation model of double insulator strings
在静电场模型中，绝缘子分压仅与相对介电常数相关。空气、钢帽和钢脚、正常瓷盘和水泥胶合剂的相对介电常数分别为1、1×105（基本不承担电压）、6和5。主要绝缘劣化区域是水泥胶合剂和瓷盘随机分布的微小缝隙。为了简化模型，假设水泥胶合剂和瓷盘劣化区均匀劣化，并引入等效介电常数εe，以模拟实际分压关系。某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串间电场分布的仿真结果如图4所示。西侧绝缘子串在高压侧存在10片相邻零值绝缘子，由于零值绝缘子几乎不承担电压，西侧1~10号绝缘子电位接近289 kV。东侧绝缘子串的零值数量较少且分布均匀，其绝缘子电位依次降低。东西两侧零值绝缘子数量和分布差异，导致两串绝缘子钢帽电位分布不同，进而形成串间电位差。双联绝缘子串的串间电位差分布存在2个正向峰值，高压端零值绝缘子对串间电位差影响较大，在第11片绝缘子达到最大值122 kV，在第20片绝缘子形成次高峰39 kV，说明第11片绝缘子最容易产生串间放电，与图1 c)紫外观测结果一致。
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图4 某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串间电场分布
Fig.4 The electric field between the double tension porcelain insulator strings of a 500 kV converter station
由图4可以看出，钢帽上下边缘均存在电场集中，在模型中二者数值比较接近，选择每片绝缘子钢帽上边缘作为检测点。10~12号绝缘子电场强度为9.7~16.5 kV/cm，容易形成电晕放电，但图1显示7~9号绝缘子也存在电晕放电，其原因可能是串间放电改变了双联绝缘子串电场分布，同时放电产生的紫外线和活性粒子降低了气体放电阈值。不同检测距离的外侧空间电场分布曲线如图5所示。当检测距离为5 cm时，东西两侧绝缘子串均存在明显的零值绝缘子产生的场强凸起，其位置与零值绝缘子所在位置基本一致。当检测距离增大时，空间电场分布曲线逐渐平滑，零值绝缘子的场强凸起减弱。检测距离达到20 cm时，场强凸起几乎消失，但其变化趋势仍与零值绝缘子相关。利用这种电场分布差异，有可能实现零值绝缘子检测，预防串间放电。特别是随着无人机、机器人和微型电场传感器技术的发展，基于电场分布的零值绝缘子检测方法可以弥补红外、紫外技术在零值绝缘子检测上的不足。
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Fig.5 Electric field strength at different detection distances
为了解释串间放电现象，在双联绝缘子串电场分布基础上，利用COMSOL中的电击穿检测模块，模拟了串间放电形成过程。该模块通过沿电场线对汤森增长系数求积分。利用该模块可以在不求解完整等离子体模型的情况下，定性估计气隙是否会发生电击穿。在第11片绝缘子附近，西侧电位比东侧高122 kV，所以东侧第11片绝缘子设置为阴极，其二次电子发射系数设置为0.07。西侧第10~12片绝缘子设置为电子计数器，放电现象如图6所示。为提高仿真精度，以上待检测区域网格大小设置为0.0005。电击穿检测器覆盖整个模型，常温常压，空气域的汤森系数使用软件内置干空气参数。使用瞬态模式，以0.2 s为步长，计算了10 s的电子迁移过程。需要说明的是伞裙表面也是放电路径的一部分，只将2个钢帽分别设置为阴极和电子计数器无法形成放电。
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Fig.6 Simulation results of discharge phenomenon between double insulator strings
本文考察了其余绝缘子放电的可能性，仿真结果表明6~12片绝缘子均有可能形成放电，略大于实际放电范围，说明该模型仿真结果有一定合理性，但由于模型自身限制，忽略了光电离、放电影响等因素，其结果只能定性说明串间放电与串间电压差密切相关，6~12片绝缘子的最低串间电位差约为75 kV，选择75 kV作为串间放电阈值用于后续讨论。
零值绝缘子位置存在数量巨大的排列组合方式，因此为降低问题复杂程度，以该换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串为例，令东侧绝缘子串保持不变，考察西侧绝缘子串上5种特殊零值绝缘子排列方式的串间电场分布规律，结果如图7所示，即零值绝缘子全部接高压侧、全部接地、中段分布、高压和接地两侧各10片、分散排列。
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Fig.7 The influence of zero-value insulator position
由图7 b)可以看出，零值绝缘子几乎不承担电压，因此当10~20片零值绝缘子全部集中在高压侧时，缩短了绝缘子串有效片数，形成了最高为116~122 kV的串间电位差，足以引发串间放电。当零值绝缘子全部集中在接地侧时，接地侧原本承担电压低于高压侧，因此其最高串间电位差仅为–45~–49 kV，不足以引发串间放电。零值绝缘子两侧分布相当于全部高压侧与全部接地侧叠加状态，同时存在较高正向和负向串间电位差。零值绝缘子全部位于中段时，其串间电位差为–44~29 kV，同样不会引发串间放电。对于零值绝缘子分散排列情况，其串间电位差（–15~24 kV）进一步降低。以上结果说明零值绝缘子位置的串间电位差由高到低顺序为：两端分布（近似全部接高压）、中间分布（近似全部接地）、分散分布。位于高压侧的零值绝缘子对串间电位差影响很大，本文考察西侧零值绝缘子数量对串间电位差的影响，如图8所示。
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Fig.8 The influence of zero-value insulator number
当西侧绝缘子串全部为正常绝缘子时，双联绝缘子串的总零值绝缘子数量较少，接近一般工况，此时串间电位差主要受东侧零值绝缘子影响。在图8 b)中第3片和第4片绝缘子处分别形成16 kV和–7.5 kV串间电位差，其余位置串间电位差进一步降低，不足以引发串间放电。当西侧绝缘子串出现10片位于中段和接地侧的零值绝缘子时，其串间电位差变化范围与正常绝缘子相近，同样不会引发串间放电。当零值绝缘子达到15片时（高压侧5片），串间电位差快速提升至105 kV，能够触发串间放电。当西侧绝缘子串全部为零值绝缘子时，与西侧绝缘子串发生闪络，形成放电通道将所有绝缘子短路的工况类似。此时依然存在最高59 kV串间电位差，虽然不足以引发干燥空气条件下清洁绝缘子的串间放电现象，但实际闪络通道由于热膨胀并非严格贴近绝缘子表面，有可能在串间电位差作用下向相邻绝缘子串移动，进而形成串间放电。
以某换流站500 kV出线双联耐张瓷绝缘子串实例为研究对象，研究了由零值绝缘子引发的串间放电现象（无闪络），并讨论了零值绝缘子位置、数量的影响规律，得到如下结论。1）该双联绝缘子串存在大量零值绝缘子，西东两侧分别为20片和4片，导致电压分布不对称，由此产生的串间电位差（约122 kV）是引发串间放电现象的主要原因；2）模拟了串间放电现象，发现放电路径为西侧钢帽-西侧伞裙-气隙-东侧伞裙-东侧钢帽；3）与高压侧相连的零值绝缘子数量对串间电位差影响最大，连续5片零值绝缘子即可产生105 kV串间电位差，能够引发串间放电，而其他位置（接地、中段、分散）对串间电位差影响较小。
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