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高压开关柜支柱绝缘子污秽绝缘状态的试验研究及诊断
高压开关柜设备是电力系统配电网中的关键设备之一，一旦其发生故障将会给整个电力系统带来严重的损失。虽然高压开关柜通常被安装在高压室内，受外部自然环境影响较小，但由于设备本身并没有完全密封，防污防潮性能较差，而运行中的设备严禁带电清扫，导致经过长时间的运行后柜体内部绝缘器件表面沉积污秽严重。加之开关柜内部绝缘子间隙绝缘裕度不足等因素，在潮湿环境下发生绝缘子污秽闪络击穿的可能性将非常高，威胁着电力系统的正常运行。近年来，由污闪造成开关柜内部外绝缘破坏，最终导致设备烧毁的事故逐渐增多，特别是设备内部支柱绝缘子污闪占有很大比重。
污秽的类型因高压开关柜所处地域不同而存在差异，根据其来源大体可以分为沿海污秽、工业污秽以及农业污秽等，但不同的污秽中均存在一定的电解质。无论绝缘子表面附着了何种类型污秽，当其处于潮湿环境被充分湿润时，电解质都会发生溶解致使污秽层电导率迅速增加，此时引起绝缘故障的可能性将急剧增大。故污秽和潮湿共存环境是高压开关柜发生因绝缘子污秽引起的绝缘故障的主要原因。所以，实现对绝缘子污秽程度及其所在环境的检测能够有效地避免该类绝缘故障的发生。
泄漏电流是目前表征绝缘子污秽水平最直接有效，最具现实意义的动态参数，是绝缘子表面污秽及其所处环境共同作用的结果和综合反映。现有文献通过研究绝缘子泄漏电流对绝缘子污秽的相关特性进行了大量的研究，但大都是针对线路悬式绝缘子而言，而对于高压开关柜内支柱绝缘子的研究鲜有报道，又因为后者的结构形式、安装方式以及安装环境与线路绝缘子都存在较大的差异。因此，开展对高压开关柜内支柱绝缘子污秽问题的研究是非常有必要的，对降低开关柜污闪事故的发生概率，确保电力系统的安全运行有着重要的意义。
该实验为了尽可能地模拟支柱绝缘子的实际运行环境，实验平台将基于真型10kV高压开关柜搭建，所有试验均基于该平台完成。试验将对运行电压下以及加压过程中处于不同污秽以及湿度等级的支柱绝缘子的泄漏电流展开研究，着重分析泄漏电流随着污秽以及湿度等级的变化情况，并探究高压开关柜内部支柱绝缘子污秽放电的发展规律。最后，本文基于试验结果提出以一个周期内泄漏电流的峰峰值作为污秽绝缘状态的评价指标，并划分不同的绝缘状态等级，构建表征不同绝缘状态等级的隶属函数，实现对污秽绝缘状态的表征，为实际应用奠定基础。
2 实验平台与方法
2.1 实验平台
基于10kV真型开关柜搭建的污秽试验平台的电路连接图如图1所示。电源电压经调压器输入，并由无晕试验变压器升压至试验所需电压，通过保护电阻后施加到高压开关柜上。采用电容分压器并联在开关柜两端，实时跟踪试验电压的大小。开关柜的泄漏电流采用泄漏电流传感器获取，并通过数字示波器进行采集和显示。为保证实验的一致性，实验过程中始终以高压开关柜A相上的支柱绝缘子作为实验对象。就该试验平台而言，流过地线的电流应小于流过试品表面的电流，因为整个开关柜柜体置于地面未作绝缘处理，理应存在极少量电流直接泄漏到大地而不流经地线，进而不能被泄漏电流传感器捕捉，但由于该处的电流极小不会影响最终实验结果。
2.1.1 实验开关柜
该实验采用的开关柜型号为KYN28A-12，该柜主要包含5个隔室：仪表隔室、母线隔室、断路器隔室、电缆隔室和备用隔室。因电缆隔室中元件较多，电气环境复杂，故障发生概率相对较大，因此此次实验在电缆隔室中进行。电缆隔室中所采用的支柱绝缘子型号为ZJ-10Q/65*140型环氧树脂绝缘子。开关柜侧视图、具体染污位置以及染污绝缘子如图2所示。
2.1.2 泄漏电流传感器
该实验所采用的泄漏电流传感器由一个多匝式电流传感器构成，将地线直接穿过该传感器，即可检测到流经地线上的泄漏电流，实物如图3所示。该泄漏电流传感器的检测范围在100μA～7mA，当有大电流通过时，会触发该传感器的保护电路，以确保泄漏电流传感器和示波器的安全。
2.2 实验方法
2.2.1 不同污秽等级模拟
根据IEC 60518-1975标准，实验中配置了5种程度的污秽，用来模拟5种不同的绝缘子污秽等级，如表1所示。但为了研究在绝缘子完全洁净情况下的绝缘性能，该实验中对于0级污秽的等值盐密与等值灰密均设置为0。根据绝缘子表面积，分别得到了污秽等级为0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ所对应的NaCl（盐）的质量分别为0mg、22.5mg、45mg、90mg、135mg，硅藻土（灰）的质量分别为0mg、225mg、450mg、900mg、1350mg。实验中采用精度为0.01mg的电子天平计量NaCl和硅藻土的质量以确保实验的准确性。将最终得到的不同污秽等级下的混合物分别装入洁净的一次水杯中，使用小排刷逐渐加入蒸馏水对两种物质均匀搅拌，直至呈粘稠的污秽浆。
表1 污秽等级配比分类表
表1 污秽等级配比分类表
污秽等级 | 等值盐密 | 等值灰密 |
0 | 0.03 | 0.3 |
Ⅰ | 0.05 | 0.5 |
Ⅱ | 0.10 | 1.0 |
Ⅲ | 0.20 | 2.0 |
Ⅳ | 0.30 | 3.0 |
2.2.2 绝缘子染污及湿度模拟
将绝缘子仔细多次清洗以除去所有污物等杂质后，使用吹风机将其充分干燥。在对绝缘子染污前，首先对绝缘子表面材料憎水性进行预处理，以利于绝缘子染污。预处理后，取出事先准备好的污秽浆，利用小排刷将其全部均匀地涂刷于绝缘子表面上。在整个涂抹过程中，应尽量避免将污染物涂刷到母排上以及污液掉落，之后待绝缘子自然阴干24h。待绝缘子自然阴干后，使用加湿机对绝缘子表面的污秽层进行湿润。水雾从开关柜底部产生，通过内置湿度计对开关柜内部湿度的实时检测，试验中将加湿后开关柜内部的湿度控制在3个范围，分别为低湿（60%～70%）、中湿（75%～85%）和高湿（＞90%）。
