1. 引言
作为高压架空线路的重要组成部分，输电线路绝缘子主要承担着绝缘支撑的作用。但在长期的运行过程中，由于受自然环境的不断恶化，绝缘子表面积污严重 [1] [2]。尤其在雾霾、冰雪等气象条件下，输电线路绝缘子因积污使得表面电场强度畸变，并发生沿面闪络，从而使得电力系统的运行存在极大的风险 [3] [4]。
输电线路高压绝缘子主要受煤烟等工业污秽和鸟粪、飞尘等自然污秽的污染。早在世纪之初，我国的东北地区、华北地区的输电网就曾多次出现因绝缘子污秽引发闪络并致使多条线路跳闸，造成严重的电力损失 [5]。在我国南方的广东地区因绝缘子污闪造成多条220 kV，500 kV线路跳闸，电网出现解环运行 [6]。此外，近年来由于雾霾造成我国多起动车顶部的绝缘子出现闪络故障，致使铁路出现大面积的延误 [7]。
针对输电线路绝缘子污秽特性，学者们主要采用试验方法和仿真计算的方法研究绝缘子的积污过程 [8] [9] [10]。由于绝缘子在自然环境中积污受多方面影响，学者们开展污秽性质 [11] [12] 、气象气候 [13] 、地形地貌 [14] 、伞裙结构 [15] [16] 等多种因素的影响。此外，研究人员还对影响绝缘子闪络电压大小的盐密、灰密、污秽成分等因素进行了分析 [17] [18]。一方面研究人员的系列研究成果掌握了绝缘子表面积污特性及其分布特征，并提出了改进绝缘子结构、采用复合材料、增加绝缘子片数等多种方案。另一方面，如何及时评估绝缘子表面的污秽程度，从而为及时清扫绝缘子提供判据，很多学者提出了离线和在线等诸多方案 [19] [20]。
由于现有对污秽绝缘子研究主要集中于绝缘子本身积污过程模拟以及采用单一检测方法进行测量污秽绝缘子放电。随着电力大数据技术兴起，研究输电线路绝缘子污秽放电特征对于输电线路故障隐患的识别具有重要的意义。鉴于此，本文以输电线路绝缘子污秽放电为研究对象，搭建了污秽绝缘子放电试验平台并采用紫外摄像机、高速摄像机及高频电流法对放电过程进行了测量，分析得到了不同阶段下放电特征。
2. 输电线路污秽绝缘子放电试验
2.1. 试验平台搭建
为研究输污秽绝缘子放电特征，在南方电网防冰减灾重点实验室——贵州梅花山试验基地搭建得到输电线路污秽绝缘子放电试验平台，其接线原理如图1所示。
Figure 1. System result of standard experiment
图1. 污秽绝缘子放电试验原理图
试验电源采工频试验变压器(1200 kVA)进行输出调节，用于模拟输电线路绝缘子高压环境，变压器原边侧输入为0~10 kV可调电压，高压输出侧电压最大值为400 kV，相对本试验均有较大裕度，可以满足试验电源的要求。保护电阻用于限制输出短路发生时电流大小。电容分压器额定电压为400 kV，分压比为1000:1，用于测量施加于污秽绝缘子的电压。试品采用110 kV输电线路常见7片玻璃绝缘子配置。导线上安装的监测终端实现电压与高频电流同步监测。
2.2. 试品涂污准备
对于试验中污秽绝缘子试品，依据标准IEC-60507和标准GB/T 4585推荐定量涂刷法进行涂污准备 [21] [22]。根据绝缘子表面的污秽的溶解性分为可溶性和不可溶性物质，选取对应的模拟试验物质并将其配置成污秽液。最后将污秽液均匀地完全涂覆于绝缘子表面。具体步骤为：
1) 对于可溶性物质，采用氯化钠模拟，不可溶物质用硅藻土模拟。
2) 选取污秽等级的盐密、灰密以及待涂覆绝缘子的表面积，计算涂刷用盐、灰质量。根据Q/GDW 152-2006对污秽等级划定，等值盐密和污秽等级对应关系如表1所示 [23]。试验中绝缘子所处地区污秽度选取贵州最常见的b、c级污区，并考虑这两级污区中最严重情况，即典型盐密为0.1 mg/cm2进行研究。通过电子天平准确称取盐、灰质量，将盐、灰混合至实验烧杯中。
Table 1. Pollution grade classification method (salt and ash density ratio is 1: 5)
表1. 污秽等级划分方法(盐、灰密比为1:5)
3) 在烧杯中加入试验准备的电导率小于10 µS/cm的去离子水，并将其搅拌均匀后配置为试验用的污秽溶液。
4) 用排刷将污秽液均匀地涂覆于试验绝缘子表面。
2.3. 试验步骤
1) 清洗。对试验中采用的绝缘子首先用自来水进行粗洗，再用酒精对绝缘子表面进行擦拭。
2) 预染污。采用定量涂刷法首先将配置的污秽溶液涂抹于绝缘子表面，再将绝缘子放置于阴凉处自然晾干6~8个小时。
3) 试验布置。为避免加压试验过程中，绝缘子与周围其他物体间因绝缘距离不够产生放电，试验中对绝缘子采用悬挂试验加压。
4) 设置采集参数。将监测终端触发值调整为回路电晕放电电流幅值的1.2~1.5倍左右，可以避免因电晕放电带来的干扰，接地端电流传感器采集参数设置方法与此相同。
5) 试品湿润。试品布置好后即通雾湿润。
6) 加压。对于污秽绝缘子的加压试验，在实验中常常采用均匀升压法开展研究。在加压时，先将被污秽测绝缘子充分受潮后，立即以一定速度均匀升高电压直至试品出现明显放电，监测并记录不同施加电压的污秽绝缘子放电过程。
3. 污秽绝缘子放电测量结果
在对污秽绝缘子施加电压过程中，为观测绝缘子污秽放电特征，采用紫外成像仪、高速摄像机和高频罗氏线圈构成传感器测量放电特征信息。
3.1. 紫外检测结果
图2给出了紫外成像仪拍摄到在加压过程中污秽绝缘子表面放电时中光子数变化过程。
可以看到，在绝缘子表面施加工频电压过程中，绝缘子表面的电磁强度不断增加，放电过程呈现出不断增强的趋势：当光子数超过1500时，有可见电弧产生，电弧主要集中在靠近高压端的1~3片绝缘子表面上。放电时产生嘶嘶放电声音，随着放电强度不断增大，光子数显著上升，放电声音从轻微的嘶嘶声转变为间歇性的炸裂声，随着放电程度不断加剧，稳定的沿面放电发展成为闪络，变压器保护动作并跳闸，放电结束。
3.2. 高速摄像机检测结果
图3给出了输电线路污秽绝缘子在高速摄像机下拍摄半个周期内典型时段下的放电结果。从图3可以看到，绝缘子沿面放电在周期性工频电压作用下，电弧呈现在暗淡和明亮中交替出现：初期施加电压比较低，绝缘子污秽放电尚未形成稳定的沿面放电通道，放电过程此时呈较强的分散性，此时放电过程特征如图3(a)、图3(b)所示。随着电压逐渐升至峰值电压过程，如图3(c)、图3(d)所示形成了显著的放电通道，随着电压逐渐下降，放电也逐渐减弱。此时对于紫外成像仪拍摄的光子数也呈现出波动变化特征，在放电电弧明显时，光子数量迅速攀升至上万级，随着电弧逐渐熄灭，光子数逐渐回落到一千以内波动。污秽绝缘子的整个波动变化的放电过程主要受绝缘子表面的积污状态、气候条件、运行电压等因素有关。
3.3. 放电脉冲电流检测
在模拟污秽绝缘子放电过程中，在模拟导线上安装的高频电流测量装置(带宽10 Hz~10 MHz)用于测量放电过程中的脉冲电流波形。利用检测监测终端采集到了污秽绝缘子放电过程中的脉冲放电波形，并选取了不同阶段采集到的脉冲电流波形，如图4所示。
(a) 最大电流幅值0.1 A 
(b) 最大电流幅值0.28 A 
(c) 最大电流幅值1.9 A
Figure 4. Discharge pulse current waveforms at different stages
图4. 不同阶段下的放电脉冲电流波形
试验过程中，对升压过程中污秽绝缘子放电电流进行了采集和记录，并对各个阶段的放电电流(各1400次)进行了统计分析得到表2。
Table 2. System resulting data of standard experiment
表2. 不同阶段下的放电电流波形特征
从表2可知：
1) 在污秽绝缘子放电初始阶段，电流大小在100 mA范围内。单个工频周期内放电频次为252次，放电脉冲电流相位区间范围为(82˚~97˚, 254˚~286˚)。
2) 随着放电电流进一步增大至100~250 mA范围，污秽绝缘子放电进入发展阶段。此时单个工频周期内放电频次达到344次，放电脉冲电流相位宽度进一步拓展至(79˚~118˚，256˚~297˚)，放电进一步增强。
3) 当污秽绝缘子放电脉冲电流达到250 mA。放电进入预击穿阶段，放电脉冲数进一步增加至376次。放电脉冲起始相位和宽度进一步增加(45˚~127˚，251˚~288˚)。
4. 结论
针对输电线路绝缘子污秽放电对系统安全稳定的影响，本文搭建了污秽绝缘子放电试验平台，并根据地区常见的绝缘子污秽等级，制作了相应的污秽绝缘子试品。在此基础上通过大量模拟试验研究了污秽绝缘子的放电过程，并得到以下结论：
1) 当污秽绝缘子表面刚出现放电时，紫外成像仪上记录到的光子数较在数千以内，此时高速摄像机拍摄的表面电弧较为暗淡，放电脉冲电流幅值在100 mA范围。
2) 随着施加电压的不断上升，放电过程明显加强，污秽绝缘子表面的光子数瞬间攀升至数万以上，绝缘子表面电弧在明亮和暗淡中交替转化，此时放电电流幅值迅速攀升，放电脉冲相位迅速拓宽。
3) 当施加电压进一步加大，污秽绝缘子表面发生放电，并最终出现系统保护动作至放电结束。期间光子数、和电弧由于形成稳定性放电而波动较小，电流幅值显著增加，脉冲放电频率进一步提高，放电起始相位向下延伸，整个脉冲电流相位区间进一步拓宽。