华中科技大学电气与电子工程学院本科毕业设计开题报告

一、背景

随着经济的迅速发展，环境恶化不断加剧，工农业污秽不断加重，电网污闪事故发生的次数急剧增加。同时随着电网容量的增大和电压等级的升高，电网污闪事故的持续时间更长、波及范围更广、破坏性更大，严重威胁着电力系统的安全稳定运行，也给国民经济带来严重的损失。

据不完全统计，1971年-1990年，全国污闪事故共计4489次，损失电量高达43180.3万kW·h. 特别是20世纪90年代以来，灾难性的电网大面积污秽闪络事故在全国较大范围内频频发生,如表1所示。2001年2月，北方出现历史上罕见的持续大雾天气，辽中电网、河北省南部电网、津京唐电网、河南省北部电网、山东省烟威电网等相继发生大面积污秽闪络事故，共计23条66-500kV线路、34座变电站跳闸972次，影响甚大。

表1 1998-2006年全国区域性污闪事故统计[1]

由于输电线路发生污闪事故而导致大面积停电严重影响着国民经济发展和社会的稳定，因此开展电力系统污闪原理研究、提高输电线路污闪电压以及降低输电线路污秽闪络跳闸事故率是保证电力安全生产的当务之急，对确保电网安全稳定运行具有重要意义。

二、国内外现状

如何防止电网污闪、降低污闪事故率，国内外相关专家近100年前就开始进行了相关试验和研究。在欧洲，意大利早在1907年就开始了防止污闪的立项研究，同时德国在1940年成为世界上第一个实行污区等级划分及外绝缘配置标准的国家。在国内，从上个世纪70年代开始进行防污闪立项研究，从此清华大学、重庆大学等高校及各高压研究所、电力研究院开始了大量的研究。

但是，由于影响污闪放电的因素很多，再加上其分散性大，随机性强，对于污闪放电的原理及其他相关问题仍没有得到很彻底的解决，始终没有找到一个有效并且完善的防污闪技术对策。因此，对于国内外所有电力研究者来说，如何提

高输配电设备污闪电压、减少污闪事故发生成为了一个重要且亟待解决的热门课题。

上个世纪40年代，德国最先提出并实行污区等级划分，随后日本最早提出了等值附盐密度这个污秽度参量，并陆续被世界上其他国家接受，这为国内外防污闪基础工作的开展作了一个很重要的贡献，此后，国内外电力专家和学者对影响污闪放电的相关因素作了大量研究工作，并取得了很大的研究成果。

1.国外相关研究成果：

前苏联、美国、日本等国家对高压输电线路绝缘子片数选择进行了相关实验研究：前苏联提出了泄漏比距法确定，美国则采用污耐压法。

日本的Suzuki[2]等人通过对几种悬式绝缘子(普通型、防雾型及外伞型)在重工业污秽地区的污秽沉积特性的研究，得出：

(1)污秽沉积量随着湿度和风速的变化而变化，在湿度小于70％、风速小于3.5m/s时，外伞型悬式绝缘子下表面的盐密只有防雾型悬式绝缘子的10％左右；

(2)通过对绝缘子周围风流的分析，也表明外伞型绝缘子表面的污秽沉积量比防雾型小；

(3)风速是影响绝缘子伞裙上下表面污秽度之比的一个重要参数。

Herndndez-Corona[3]等人的研究结果表明：绝缘子表面污秽的沉积量主要决定于绝缘子的几何造型，即结构复杂的绝缘子的污秽度等级为重或者极重，而结构简单的绝缘子的污秽度等级为轻或中等；对于具有简单结构的绝缘子，在潮湿的污秽地区，其绝缘特性基本上与爬电距离呈线性函数关系；对于具有复杂结构的绝缘子，其污秽特性主要取决于绝缘子结构型式和潮湿度。

2.国内相关研究成果：

华东电力试验研究院的周建国[4]等人通过对工业污秽地区的绝缘子伞型对

其积污规律及其闪络特性的影响进行的大量研究表明：在相同环境下，积污特性主要取决于绝缘子的形状；双、三伞及防雾(深棱)型绝缘子在工业城市的两个实际现场进行的自然积污性能试验表明，外伞型绝缘子的积污程度远低于防雾型绝缘子；根据循环积尘试验法的结果，也表明外伞型绝缘子的积污程度远低于防雾型绝缘子；同等试验条件下和其他绝缘子比较，具有三伞的外伞型绝缘子其污耐受电压最高；自然积污及实验室模拟试验的结果均表明，具有外伞型结构的三伞型绝缘子具有较优越的防污耐污性能。

清华大学李震宇、周远翔[5]等教授就绝缘子安装结构对污闪电压影响做了相关实验研究，得出结论如下[5]：

(1)双串绝缘子的污闪电压较单串绝缘子的低，降低的幅度大约在5%~15%之间；串间距较低时闪络电压低，串间距增加污闪电压升高，逐渐趋向于单串绝缘子的污闪电压。

(2)双串绝缘子污闪电压的降低使得绝缘子防污闪性能下降，导致现场运行中双串绝缘子污闪事故率升高；双串绝缘子的串间距约为60cm 时，双串绝缘子和单串绝缘子闪络电压接近。

(3).V形串绝缘子的污闪电压较单串绝缘子高10%以上，在适当的安装角度

下V形串绝缘子的污闪将出现极大值。

(4) 为降低绝缘子污闪事故，现场安装绝缘子时应注意考虑安装结构对污闪电压的影响。

经过这么多年来国内外学者专家在防污闪领域作的大量研究，电网防污闪

水平有了很大的提高，探究出了针对不同情况下的各种防污闪技术措施。但是随着工业快速发展，环境污秽不断加重，同时750kV、1000kV特高压交流输电线路及+800kV直流输电线路的建设对于外绝缘配置及防污闪技术提出了更高的要求，并且高海拔地区覆冰覆雪对于污闪放电也产生了很大的影响。因此，新形势、新环境下如何提高输电线路污闪电压、降低污闪跳闸事故率，仍具有许多亟待解决的难题。本论文将从多角度、多方面、多层次进行提高输电线路污闪电压的方法研究。

三、研究路线

1.污闪放电机理

污闪放电是一种局部电弧逐步延伸过程，是电、热、化学混为一体的气体和局部电弧发生、发展的热动力平衡复杂的变化过程。其放电过程大致分为：

(1) 绝缘子表面的积污；

(2) 绝缘子表面污秽层湿润

(3) 局部放电产生

(4) 局部电弧发展，形成闪络

2.绝缘子污闪放电物理模型

在上个世纪60年代，国外专家就提出了表面电弧与剩余污层电阻相串联的污闪物理模型[6-7]，如下图：

图1 污秽闪络物理模型

U=A x I-n +r(L-x) I（3-1）

其中：x 为局部电弧长度; I 为流过绝缘子表面的泄露电流;

r 为单位长度的剩余污层电阻值; L 为绝缘子的积污长度;

A , n 为静态特性常数

3.影响绝缘子污闪放电的因素

综合绝缘子污闪放电机理和过程，可以总结影响污闪放电的因素如下：

(1) 污秽性质。影响污闪放电的污秽主要分为自然型污秽和工业性污秽，自然型污秽主要指盐碱、沙土、农田尘土等，而工业型污秽指各类工业生产及矿物燃料燃烧的产物。污秽物质的化学成分及化学性质影响着污闪电压大小。

(2) 大气污染。大气污染主要指的是火电厂、化工厂、炼铁厂、水泥厂等排放的固态、气态、或液态污染物。大气污染对绝缘子的影响不仅取决于污染源，同时气压、温度、风速也会影响污秽物的排放、扩散及积累。

(3) 鸟粪污染。虽然鸟粪的污秽盐密值不是很高，但是当鸟粪沿绝缘子裙边向下流时，可能会短接或者缩短部分爬距，从而造成污闪。

(4)海拔高度。随着海拔高度的增加，大气压相对相抵，各种线路绝缘子的直流和交流污闪电压均降低。同时高海拔地区的覆雪覆冰污染对污闪放电也有很大影响，经研究发现，在融冰期，交流污闪电压大约为湿闪电压的40%，1984年仅仅贵州电网就覆冰跳闸多至90余次。我国西电东送工程很大一部分输电线路是经过西部高海拔地区的，因此研究海拔对污闪放电影响具有很大的实际意义。

(5)绝缘子爬距形状结构。一般来说，污闪电压随着爬距增加而升高，同时绝缘子的结构形状对绝缘子的积污速度、受潮过程、干燥区形成、局部电弧发展途径等有很大影响，从而影响污闪电压大小。

(6)绝缘子串长。据外国相关研究试验结果表明，在一定电压范围内，污闪电压与串长成线性关系，但是在高电压时又存在明显的饱和现象。同时串长与杆塔尺寸、输电线路建设成本之间具有一定的联系。

(7)雷电及操作冲击。雷电与操作冲击对污闪放电有一定的影响。根据澳大利亚，日本和我国清华大学的试验研究结果[8]，受污绝缘子在雷电波作用下的污闪电压比清洁干燥绝缘子下降大约25%-33%，操作冲击作用下的污闪电压随污秽程度的增加下降的更多，甚至可以达到50%以下。

4.提高污闪电压的方法措施

综合分析影响绝缘子污闪放电的各因素，可以从以下几个方面下手，研究如何提高输电线路的污闪电压：

(1)做好输电线路前期规划设计工作。

首先需要确定线路的污秽期和污秽等级。要正确了解线路通过地区的大气污

秽程度和污秽性质，正确划分各地区的污秽区，以便为防污闪工作提供可靠依据;线路污秽期主要取决于线路走廊的气候条件及污染源的类型，而污秽等级主要取决于线路走廊地区的污秽程度。如何准确划分污秽等级并制定污秽区图，是一项基础但是重要的工作。目前最常用的污秽度参量是等值附盐密度，常用的参量还有污秽层电导率、污秽泄露电流、整个表面电导率、局部表面电导率等。不同的参量在准确度、测量难易度方面有着不同的优缺点，因此寻找一种更完善的、更符合实际的、更容易测量的新型污秽度参量，是防污闪工作一个非常基础同时相当重要的研究方向。

(2)减少绝缘子的积污

减少绝缘子的污秽积累，能在很大程度上提高输电线路的污闪电压，但这是一项需多方努力并且长期的巨大工程，大致可以从以下几个方面下手：

●加强环保工作，改善空气质量。改革开放以来，随着工业的迅速发展，工业污染物排放极具加重了空气恶化。上个世纪60年代，输电线路污闪事故仅仅发生在东部沿海工业发达地区，但是进入80年代以后，东北、华北、西南等地相继发生了大规模的污闪事故，并且事故发生频率逐年增加。由此可见，从污染源入手，减少污染物排放，改善环境和空气质量，对防污闪工作具有很重要的意义。

●合理设计和布置线路走廊，尽量避免输电线路经过重污染地区。

●尽量使用自洁性好的绝缘子。利用空气动力学原理，合理设计绝缘子的伞形结构，可以减少绝缘子的积污，同时偏于清洗。尽量避免使用使用伞裙过密、沟槽过深、自洁性差的绝缘子。可以通过人工污秽试验，探究何种伞形下绝缘子积污最少，自洁性能最优越。

●定期清扫绝缘子，减少积污。定期开展绝缘子清扫工作，可以采取停电人工清扫、带电气吹清扫或者带电水冲洗[9]。如何减小绝缘子清扫工作的人力物力消耗，提高清扫工作的自动化水平、安全性能，是需要不断努力的方向。

(3) 合理选择绝缘子材料、选型、安装结构等[10]。

●研究绝缘子材料对污闪电压的影响。主要是通过试验探究陶瓷、钢化玻璃、有机复合绝缘子的优缺点。主要是对三种绝缘子的预期寿命、失效检出率、机械强度、尺寸重量、电击穿强度、电压分布、耐电弧性能、掉串事故、耐污性能、经济性等方面进行对比分析。

●研究绝缘子安装结构对污闪电压的影响。绝缘子安装结构不同对污闪电压也有一定程度上的影响，通过试验从电压分布、闪络路径等方面比较单串悬垂串、双串并联悬垂串、V串等安装结构对污闪电压大小的影响。

●研究绝缘子型式对污闪电压的影响规律。随着对绝缘子污闪特性的深入研究，认识到绝缘子的污闪电压并不常常是以爬电距离成正比，绝缘子的形状因

数对其污闪电压也有很大的影响，如果造型不合理，局部电弧在相邻伞间发展，则爬电距离虽然增加，但其污闪电压提高不多，甚至可能有所降低。因此，科学、合理的做好绝缘子的选型工作，对于提高输电线路污闪电压有着实际的重要意义。可以通过试验从爬电距离、有效爬电距离、自洁性能、电弧桥接等方面综合考虑分析钟罩型、双伞型、三伞型等不同型式对污闪电压的影响规律。

●研究绝缘子表面蹭水性能对污闪电压的影响。污秽层受潮是发生污闪放电的必要条件，一般情况下，干燥的污秽绝缘子的闪络电压与清洁绝缘子相差无几，所以保持绝缘子表面干燥，防止其受潮，可以有效的降低污闪跳闸事故率。可以通过试验，从蹭水性、蹭水迁移性、耐老化性能、使用寿命等方面综合研究硅油硅胶、RTV和PRTV等防污闪涂料的性能优劣。

●研究绝缘子片数和尺寸(盘径、伞间距等)对污闪电压的影响。一般来说、污秽闪络电压与爬电距离成正比，绝缘子片数越多、绝缘子盘径越大，其等效爬电距离则越大，对应的闪络电压就越高。但是盘径过大，容易造成电弧桥接，同时绝缘子片数过多，则相应杆塔尺寸就要求越大，经济成本就高。因此，需要通过从爬电距离、有效爬电距离、杆塔尺寸、经济性等方面综合分析绝缘子片数和尺寸对污闪电压的影响。

(4) 加强输电线路在线运行维护。

●开展恶劣气象条件下的输电线路巡视工作，及时发现异常放电情况。大雾、露、毛毛雨是污闪发生最有利的气象条件，对于特殊气象条件，运行人员应加强线路巡视，以便及时发现事故隐患。

●加强绝缘子的在线监测工作，及时检测并更替零值或失效绝缘子。如果绝缘子串中出现了失效绝缘子，则其他正常工作的绝缘子将承受更高的电压，这将大大增加发生污闪事故的可能性。甚至，当有不良绝缘子串发生闪络时，其短路电流会从绝缘子内部流过，产生的热效应会使绝缘子钢帽炸开，进一步出现绝缘子串断开、导线落地等现象，从而是事故进一步扩大，因此，加强绝缘子在线监测、及时监测并更换零值或失效绝缘子，能有效降低污闪事故发生的次数。目前，常用的绝缘子监测方法有测量绝缘电阻、火花间隙测杆、干扰测量仪、红外热像仪等，研发出自动化水平更高、适应范围更广的在线监测技术对于放污闪工作具有重要意义。

四、工作进度安排

1、2013年1月10日-2013年2月25日：确定论文题目，搜集相关资料

2、2013年3月1日-2013年3月16日：完成文献翻译，撰写开题报告

3、2013年3月17日-2013年3月23日：开题报告答辩

4、2013年3月24日-2013年3月30日：继续搜集整理相关资料，开始写论文初稿

5、2013年4月1日-2013年4月13日：完成论文初稿

6、2013年4月14日-2013年4月26日：完成论文定稿

7、2013年5月1日-2013年5月30日：完成论文答辩

五、参考文献

[1]宿志一, 防止大面积污闪的根本出路是提高电网的基本外绝缘水平－对我国电网大面积污闪事故的反思[J]. 中国电力, 2003, 36, (12): 57–61.

[2]Suzuki Y ，Ito S ，Akizuki M et al ．Artificial contamination test method on accumulated contamination conditions[C]．The 11th International Symposium on High Voltage Engineering，1999，4：192–195.

[3]R.Herndndez-Corona, Ramirez- Vazquez I, G.Montoya-Tena, Evaluation of 23 kV insulator profiles with different pollution levels[C]．Conference Record of the 2004 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2004: 304–307.

[4]周建国, 肖嵘, 多伞盘式绝缘子的污秽特性, 电工陶瓷第七次学术年会暨学术交流会论文集.

[5]李震宇，崔吉峰等，绝缘子安装结构对污闪电压的影响[J].电网技术，2005，29(16)，52-56.

[6]林福昌，高电压工程（第二版）.北京：中国电力出版社.

[7]胡毅. 输电线路运行故障分析与防治[ M] . 北京: 中国电力出版社, 2007.

[8]四川省电力工业局，四川省电力教育协会,电网防污闪技术.北京：中国电力出版社，1998.

[9]喻华玉，许文澄，沈刚,高压电气设备防污闪及带电清扫技术.北京：中国电力出版社，2006.

[10]冉启鹏,胡家华, 李杰,王欣,瓷绝缘子结构、型式对其交流污闪特性影响的研究现状与展望. 昆明电力局.