750kV防冰型復合絕緣子冰閃試驗研究

南敬，李學林，徐濤，許佐明，萬小東，姚濤，劉琴，李金，蔡林，賈如

（中國電力科學研究院，武漢市 430074)

0 引 言

隨著我國超、特高壓電網的建設和發展，輸電線路走廊不可避免地要穿越覆冰、污穢、高海拔等復雜環境地區。然而，由于覆冰外絕緣的復雜性，以及對其認識的有限性，還沒有覆冰外絕緣配置方法和依據，因此，現有的線路設計規程主要以污穢外絕緣來確定絕緣子的配置。覆冰后絕緣子的電氣特性明顯下降，絕緣子覆冰閃絡是輸電線路發生故障的主要原因之一。因此，如何提高超、特高壓輸電線路抵御冰害的能力，保證線路安全可靠運行，已經成為我國超、特高壓輸電線路工程設計中不可回避的問題。

復合絕緣子以其質量輕、機械強度高、防污性能好、便于維護等特點而得到廣泛應用［1］。由于傘間距離較小、傘徑較小，在覆冰的情況下，普通復合絕緣子的部分傘裙很容易被冰棱橋接，有效爬電距離縮短，使得大部分電壓由復合絕緣子高壓端附近處冰棱與傘裙間的空氣間隙承擔，并使得這些空氣間隙場強迅速增大而導致電弧的產生。因此，覆冰后復合絕緣子電氣性能急劇下降。多年的運行經驗表明，普通復合絕緣子在防止冰閃故障方面存在的缺陷，需要對覆冰環境中復合絕緣子傘群結構進行優化研究。

國內外已經針對絕緣子冰閃特性和冰閃機理進行了大量試驗研究和理論分析。文獻［2］認為，覆冰絕緣子放電與污穢絕緣子放電相似，其放電過程也是由表面泄漏電流引起的，覆冰是一種特殊形式的污穢。文獻［3］指出復合絕緣子由于其表面材料的憎水性和較小的傘群間距，傘群間隙更容易被冰棱橋接。文獻［4-6］指出采用大小盤徑絕緣子交替布置可以提高冰閃電壓，但采用何種布置方式還需進行大量的研究。文獻［7］表明V型布置方式可以有效減少傘群橋接，進而提高冰閃電壓。

目前，超高壓線路長串絕緣子模擬真型布置情況的冰閃試驗數據相對較少，而特高壓長串絕緣子傘形優化試驗數據幾乎沒有，現有的試驗數據還不能充分指導我國超、特高壓輸電線路覆冰情況下的外絕緣配置。為提高我國電網輸電線路的防冰閃能力，為輸電線路建設、運行和維護提供指導，開展超高壓線路模擬真型布置長串絕緣子冰閃特性的研究非常重要。

本文冰閃試驗研究的結果表明，冰閃電壓隨著防冰傘數量的增加呈上升且逐漸飽和的趨勢，但提升不明顯，選擇合理的防冰傘裙間距離及傘徑可提高復合絕緣子的冰閃電壓。

1 試驗條件及試驗方法

1.1 試驗條件

復合絕緣子冰閃特性試驗在國家電網公司武漢特高壓交流試驗基地大型環境氣候實驗室進行。環境氣候實驗室配備1 000 kV串級式絕緣外筒試驗變壓器，如圖1所示，以下中級串聯1 000 kV/6 A用作覆冰試驗電源，下級和中級串聯的阻抗電壓為7.29%。調壓器和試驗變壓器的阻抗電壓按照最大取5%和8%核算，保護電阻3～9 kΩ，R/X＞0.59，I s c＞16 A。

圖1 環境實驗室Fig.1 Artificial climate laboratory

1.2 試驗方法

覆冰絕緣子的電氣特性可用耐受特性和閃絡特性來表征，IEEE工作組推薦使用的方法為最大耐受電壓法和50%閃絡電壓法（U50)，國內蔣興良等［7-10］常用的方法還有平均閃絡電壓法和最低閃絡電壓法（U形曲線法)。

參照G B311.1—1997《高壓輸變電設備的外絕緣配合》和G B/T16927.1—1997《高電壓試驗技術》的有關規定，以及我國通常采用50%閃絡電壓作為設計參數的實際情況，本試驗采用定量涂刷法模擬自然污穢，采用50%閃絡電壓法來表明覆冰復合絕緣子的閃絡特性。

每一次試驗施加的電壓水平應按升降法變化，電壓級差應不大于預期的50%閃絡電壓的10%。

50%閃絡電壓及其標準偏差使用如下公式計算：

式中：Ui為施加的電壓水平，kV;ni為在相同的施加電壓水平Ui下進行試驗的次數;N為有效試驗的次數。

覆冰復合絕緣子冰閃電氣試驗流程如圖2所示。

圖2 覆冰絕緣子的電氣試驗方法Fig.2 Electrical testmethod of iced insulator

1.3 試品選擇及布置

本試驗采用4種不同大傘個數的750 kV復合絕緣子，見圖3。傘表面積、傘徑、傘形及傘間距如表1所示。

將絕緣子直立地掛放于環境氣候實驗室中的覆冰均勻區域內，并完整地裝上金屬附件。除絕緣子的支持結構物以及噴嘴柱（覆冰用)以外，絕緣子的任一部件與任何接地物體之間的最小間距為每100 kV試驗電壓不應小于0.5 m，并且在任何情況下不應小于1.5 m。支持結構以及帶電金屬部件的布置，至少在絕緣子的最小間距內應模擬運行中的預計情況。

圖3 絕緣子試品Fig.3 Insulator in test

表1 不同傘形結構參數Tab.1 Structural param eters of insulatorsw ith different umbrellas

2 覆冰試驗及結果分析

以帶電覆冰、鹽密/灰密（ρSDD/ρNSDD)=0.08/ 0.48 m g/c m2、15 m m覆冰、帶均壓環和模擬導線情況下的帶70%相電壓覆冰來分析10個超大傘防冰傘絕緣子的冰閃放電過程，圖4為冰閃泄漏電流波形。

圖4 覆冰絕緣子冰閃過程泄漏電流波形Fig.4 Leakage current waveform of iced insulator in flashover process

圖5（a)～（j)為融冰期間從開始產生局部電弧放電到閃絡的過程。

圖5 覆冰絕緣子閃絡放電過程Fig.5 Flashover process of iced insulators

通過覆冰絕緣子閃絡放電過程可見，融冰期間閃絡過程大致經歷了電暈放電、間歇性局部電弧、白色電弧和閃絡4個發展階段。在一定的外施電壓下，覆冰絕緣子能否發生閃絡關鍵在于白色電弧能否形成并發展到臨界長度。一般情況下，當泄漏電流大于900 m A時，白色電弧開始形成，白色電弧前期發展比較緩慢。大量試驗表明，當白弧發展到一定長度時（約為絕緣子串2/3的干弧距離)，剩余的冰層很難耐受住外施電壓而發生閃絡。電弧在發展中會受到一些因素影響，如氣隙的長度、數量、位置，冰棱和部分冰層從絕緣子上融化脫落，造成氣隙突然增大，冰層融化吸收熱量，融冰水落在電弧前方，蒸發吸熱等，都會對電弧發展起到一定的延遲或阻礙作用。

由于白色電弧階段的電流幅值較大，因此該階段冰層的融化速度比前一階段更快，大量電解質會隨融冰水不斷從冰層中流失，即冰層的表面電阻下降到一定程度后會逐漸回升。因此，如果白弧在冰層電阻回升以前沒有發展到足夠的長度，則發生冰閃的概率將會變小。相反，融冰期間阻礙電弧發展的因素越少，如冰層連續性較好，氣隙長度相對較短，則白弧發展至閃絡的幾率更大。

2.1 不同傘形復合絕緣子試品覆冰對比

在相同的覆冰條件下，絕緣子的結構形狀對其冰閃電壓有很大的影響，傘間距離較小的絕緣子，冰層融化時更容易形成連續的水簾，而且傘間距較小的絕緣子冰閃電壓梯度受污穢度的影響更大。試驗結果表明，復合絕緣子表面所具有的憎水性并不能夠阻止覆冰，傘裙被冰凌橋接時，其冰閃電壓與瓷絕緣子相差不大，因此提高復合絕緣子冰閃電壓要從防止冰棱橋接入手。選定普通的1大1小傘、1大2小傘復合絕緣子和防覆冰超大傘形復合絕緣子，在相同條件下進行覆冰試驗，普通傘和防覆冰傘復合絕緣子覆冰效果如圖6所示。

圖6 普通傘和防覆冰傘復合絕緣子覆冰效果Fig.6 Icing status contrast of insulatorsw ith ordinary umbrella and anti-icing umbrella

復合絕緣子冰棱主要形成于大傘邊沿，這是因為大傘對小傘具有遮擋作用，噴淋水難以落到小傘上。當大傘間距不夠大時，大傘邊沿冰棱就可能將傘裙橋接，普通的1大1小傘和1大2小傘復合絕緣子在經過3 h覆冰后即被冰棱橋接。但是，當大傘間距過大的情況下，遮擋作用減弱，噴淋水會在次大傘上形成冰棱，因此，次大傘也應具備相當的傘間距。超大傘型復合絕緣子在經過3 h覆冰后，在超大傘邊沿形成了較長的冰棱，在大傘邊沿也同樣有冰棱出現，但由于傘徑不同，冰棱并未橋接。綜上所述，復合絕緣子防覆冰傘形結構的優化設計應從傘徑、傘間距、爬距等多方面綜合考慮，在大傘強度足夠的條件下增大大傘直徑可加強遮擋作用，采用多種傘徑并且合理設計傘間距可以防止冰棱直接橋接，小傘徑傘裙則可用于增大爬電距離。

2.2 試驗結果分析

在相同的覆冰條件下，絕緣子的結構形狀與干弧距離對其冰閃電壓有很大的影響，在相同電導率覆冰水（100 μ S/c m，20°C)，帶電重覆冰冰閃電壓可以得出，絕緣子的結構傘形有一定的差異，必然會對冰閃電壓造成不同的影響。傘間距離較小的絕緣子，冰層融化時更容易形成連續的水簾，而污穢度則直接影響水電導率，因而傘間距較小的絕緣子冰閃電壓梯度受污穢度的影響更大。

不同傘形結構750 kV復合絕緣子污穢試驗結果如表2所示。

表2 不同傘形試驗結果Tab.2 Test results of insulators with different umbrellas kV

試驗結果表明，750 kV復合絕緣子在污穢度ρSDD/ ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，環境溫度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的狀況下，以普通傘冰閃電壓為U0，帶7，9，10個超大傘型復合絕緣子的平均閃絡電壓分別約為1.12 U0、1.26 U0和1.28 U0，見圖7。

圖7 超大傘數量和閃絡電壓關系趨勢Fig.7 Relationship trend of large umbrellas'number and flashover voltage

電壓。防冰型復合絕緣子雖然覆冰量增加，但冰閃電壓有所提高，因此該傘形結構設計較合理，其防冰閃效果顯著。

本文對10個超大傘帶不同大小傘復合絕緣子的閃絡特性進行了研究。2種絕緣子的區別在于大小傘的傘徑，其中傘徑結構分別為310/200/160 m m和310/140/110 m m。試驗分為污穢度ρSDD/ρNSDD= 0.08/0.48 m g/c m2和0.15/0.90 m g/c m2。試驗結果如表3所示。

表3 不同結構絕緣子試驗結果Tab.3 Test result of insulators with different structures kV

750kV防冰型復合絕緣子大中小傘交錯排列、大中傘間由2個小傘排列組成的防冰型，除了有效阻止冰棱橋接傘裙外，還使有效高度的空氣擊穿強度大大高于絕緣體與空氣界面的擊穿強度，從而使爬電距離不易被電弧放電短接;也可在絕緣距離不變的情況下實現更高的泄漏距離，從而提高冰閃電壓。

3 結 論

（1)普通型復合絕緣子加超大傘后，絕緣子的覆冰過程和最終覆冰狀態與普通型復合絕緣子不同。

（2)普通型和防冰型750 kV復合絕緣子在污穢度ρSDD/ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，環境溫度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的狀況下，帶7，9，10個超大防冰傘復合絕緣子的閃絡電壓較普通型的分別高12.3%、25.8%、27.7%左右。

（3)在絕緣子串長一定的情況下，冰閃電壓隨著防冰傘數量的增加呈上升且逐漸飽和趨勢，但提升不明顯，選擇合理的防冰傘裙間距離及傘徑可提高復合絕緣子的冰閃電壓。

（4)750 kV防冰型復合絕緣子大中小傘交錯排列，大中傘間由2個小傘排列組成?的“五三型”，除了有效阻止冰棱橋接傘裙外，還改善了2超大傘之間的電場分布，從而提高冰閃電壓。

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