復合絕緣子覆冰閃絡特性及其影響因素的研究

王天正，江灝，王欣偉，王康寧，鄧禹，賈志東

（1.山西省電力科學研究院,太原 030001； 2.清華大學深圳研究生院,深圳 518055； 3.清華大學,北京 100084）

引言

高壓輸電走廊跨越偏遠地區，面臨著嚴酷的氣候考驗。在局部微氣象區域，低溫高濕氣候會造成嚴重的覆冰問題。自2008年南方地區的大面積覆冰災害出現以來，輸電線路的覆冰問題受到更為廣泛的重視[1]。山西地區是煤電能源大省，復合絕緣子由于重量輕，耐污性能好等優點在山西地區得到廣泛的重視[2,3]。但是由于山西的重污穢運行環境，降低了復合絕緣子的絕緣性能，容易誘發復合絕緣子的閃絡事故[4]。

覆冰絕緣子的閃絡特性方面國內外開展了大量的研究工作。Khalifa發現當覆冰密度從0.32g/cm3增加到0.8g/cm3時，泄漏電流增加了一倍，而覆冰密度0.8g/cm3以上時，密度對冰閃電壓的影響趨于飽和[5]。Farzaneh等發現污穢對冰閃電壓的影響近似為降冪函數。隨著覆冰水電導率或鹽密的增大，冰閃電壓逐漸下降并趨于飽和。絕緣子覆冰閃絡多出現在融冰時期，融冰水電導率的變化會改變絕緣子沿面泄漏電流值，對冰閃過程造成影響[6]。鄧禹等觀測了水滴中鹽分的遷移過程，發現過冷卻水中鹽分在冰水相變過程中會逐漸向表層發生遷移，且鹽分遷移過程與覆冰水電導率和覆冰速度密切相關，是導致融冰水電導率分布差異性的主要原因[7]。M. Farzaneh等通過三角平板模型研究了融冰期泄漏電流變化規律，指出泄漏電流隨著融冰水膜厚度和電導率的增大而線性增加[8]。

1 試驗樣品及設備簡介

平板模型試驗以復合絕緣子一個大傘為基礎，將其沿泄漏距離展開為矩形，其長為大傘上下表面泄漏距離之和12.5cm，寬為護套的周長7.85cm。為模擬復合絕緣子材料狀態，基座表面覆有憎水性硅橡膠涂料。

為模擬實際覆冰過程，采用0℃的覆冰水進行凍冰。覆冰前試品預冷卻至-10℃，覆冰水采用分層冷凝方式，覆冰水的電導率為180μS/cm(20℃)。在閃絡試驗開始之前，冰層預融冰至表面出現一層薄水膜。試驗中采用均勻升壓法，每一種影響因素下的不同模型試品均進行5次升壓試驗，并求取平均值。

本試驗模擬了染污后的輕覆冰情況。染污鹽密為0.1mg/cm2，灰密1.0mg/cm2。輕度覆冰時絕緣子表面的覆冰厚度為3mm，無冰棱。

圖1 大型人工覆冰氣候室結構示意圖

圖2 復合絕緣子試品結構示意圖

表1 復合絕緣子試品參數

2 融冰閃絡特性的影響因素分析

覆冰不均勻會使絕緣子表面冰層出現空氣間隙。輕覆冰時傘裙與護套的交界處由于被遮擋而難以覆冰，易出現空氣間隙。本節通過平板模型試驗研究冰層中間隙長度及位置、染污程度對覆冰閃絡過程的影響。

2.1 間隙長度的影響

試驗中研究了不同間隙長度(0、5、10、15mm)對覆冰閃絡特性的影響。間隙設置在高壓極處，覆冰厚度為10mm。圖3和圖4分別為無空氣間隙和間隙長度為10mm時的閃絡過程。

2）水域、草地和林地都有不同程度的減少，林地主要轉換為草地（約105.8 km2），水域和草地主要轉換為耕地（分別約為136.98 km2、112.19 km2）；

冰層中無間隙時，升壓過程中冰與電極交界面的氣泡承受強場而首先發生放電。隨后電弧主要沿冰內氣泡路徑發展，爬弧過程緩慢，臨閃前電弧將表層冰融化，轉為沿面閃絡。

冰層中存在初始間隙時，閃絡則完全沿冰面發展。升壓過程中，間隙處場強首先達到臨界值，誘發起始電弧，此時泄漏電流小、冰面水膜薄，電弧難以向前發展。當冰面逐漸融化后，泄漏電流劇增，電弧開始沿冰面發展，并在短時間內閃絡。

圖5為兩種工況下閃絡后的冰層形態?？梢钥闯觯瑹o空氣間隙時冰層內部中空，說明無初始氣隙時電弧易沿冰層內部發展；存在間隙時，電弧完全沿間隙和冰層表面發展，僅放電通道附近冰體發生融化。

表2為不同間隙長度時的閃絡電壓。從中可知，隨著間隙長度的增大，冰閃電壓呈現出先減小后增大的變化趨勢。

存在空氣間隙時，間隙中承受高電壓易起弧，電弧能量逐漸使冰面出現明顯水膜，進而在較短時間內沿冰面形成閃絡，因此有間隙時冰閃電壓較低。間隙為10mm時，起始電弧產生時冰表面充分融冰，此時閃絡電壓最低。

圖3 無空氣間隙時覆冰閃絡過程圖

圖4 間隙長度10mm時覆冰閃絡過程圖

圖5 兩種工況下閃絡后的冰層形態

隨著間隙長度增大至15mm，冰閃電壓升高。此時由于間隙長度較大，間隙場強難以達到產生起始電弧的臨界值。電流爬升至相同水平所需電壓更高，且電流增長速度較緩，局部電弧的能量難以融化冰層，即使間隙中出現了貫穿電弧，電流也不足以支撐局部電弧向前發展。試驗中發現，該工況下電弧僅出現在間隙附近，少有爬弧現象，直至臨閃前電弧才沿面迅速發展。

2.2 間隙位置的影響

該組試驗中考慮了不同間隙位置時的覆冰閃絡特性。其中間隙與高壓極的距離分別為0、30mm、60mm，間隙長度設定為5mm，冰層厚度10mm。

圖6與圖7分別為間隙與高壓極間距30mm、60mm時的閃絡過程。間隙位于電極處時，電弧向一側發展，而間隙位于冰層中部時則向兩側發展。當空氣間隙距高壓極30mm時，起始電弧首先向較為接近的高壓極發展，待這一側電弧貫通冰面后，電弧向低壓側發展形成閃絡。而當間隙距電極60mm時，起始電弧向兩側電極的發展均比較困難，因此電弧在間隙部分維持時間較長，此時隨著電壓的升高，高壓極與冰層間的小氣隙中也出現了局部電弧。

表2 間隙長度不同時的閃絡電壓值

圖6 間隙與高壓極間距30mm

圖7 間隙與高壓極間距60mm

表3為間隙與高壓極間距不同時的閃絡電壓值。間隙位于電極處時，起始電弧僅有一個弧根，因此比較容易貫穿整個冰面；而當間隙位于冰層中部時，起始電弧存在兩個弧根，發展更為困難。特別是當間隙位于冰層正中時，電弧向兩側發展都比較困難，需要外施電壓達到足夠強度電弧才開始發展，此時高壓極處也因為融冰而出現局部電弧。因此間隙愈遠離電極，閃絡電壓愈高。

2.3 染污程度的影響

覆冰時污穢和覆冰水中鹽分同時發生遷移，會改變了融冰水電導率的分布趨勢，對冰閃特性造成影響。本組試驗研究了不同染污程度(ESDD=0、0.05、0.1、0.2 mg/cm2)下的冰閃特性，冰層厚度為10mm。圖8所示為為ESDD=0.2mg/cm2時的閃絡過程。

當模型表面涂有污穢時，閃絡發展速度較快。冰層并未出現中空，空氣/冰層界面和涂料/冰層界面均有大量冰融化，低鹽密時閃絡大都沿著空氣/冰面發展；當鹽密較高時，由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導率，使閃絡沿內部界面發展。表4所示為不同染污程度時的閃絡電壓值。表5所示為閃絡后不同染污程度下的融冰水電導率和所有冰層的融冰水電導率。

表3 間隙位置不同時的閃絡電壓值

圖8 ESDD=0.2mg/cm2時的閃絡過程

表5中可以看出，隨著染污程度的增加，冰閃電壓逐漸下降。隨著污穢中鹽密的增加，遷移進冰層中的鹽分增多，融冰水電導率提高，能在較低電壓下實現閃絡。此外，閃絡導致的融冰水電導率要大于所有冰層的融冰水電導率，這說明鹽分較多的冰層首先發生融化。

3 全尺寸復合絕緣子覆冰閃絡試驗分析

圖9所示為復合絕緣子覆冰閃絡過程。從圖中可以看出，在覆冰閃絡的過程中，電弧多出現在覆冰較少的復合絕緣子桿徑處，然后沿著下傘裙表面發展，最后通過上表面冰層構成完整的閃絡通道。實際覆冰過程中，復合絕緣子上表面由于直接接收沉降的過冷卻水而具有大量冰層；下表面及桿徑處覆冰較少，通常是在局部湍流作用下，懸浮在空間中的過冷卻水粘附于其表面而形成的覆冰。根據第3節的分析可知，覆冰量少或者間隙處易產生起始電弧。

表4 染污程度不同時的閃絡電壓值

表5 染污程度不同時的融冰水電導率對比

圖9 復合絕緣子覆冰閃絡過程

染污試品在一定程度上降低絕緣子覆冰閃絡電壓。鹽密為0.2 mg/cm2時的冰閃電壓約為鹽密為0.05 mg/cm2時的92%。圖10所示為染污程度對輕覆冰復合絕緣子閃絡電壓的影響。

圖10 染污對輕覆冰復合絕緣子閃絡電壓的影響

4 結論

根據覆冰模型試驗及全尺寸人工覆冰試驗結果，可以得到以下結論：

1）間隙是產生起始電弧的主要因素。無間隙時電弧主要沿冰內氣泡路徑發展，臨閃電弧將表層冰融化轉為沿面閃絡；存在初始間隙時，閃絡完全沿冰面發展。間隙長度與冰閃電壓之間呈先降后升的變化趨勢；

2）間隙愈接近電極愈易發生閃絡。間隙位于電極處電弧只需向一側發展，而間隙位于冰層中部則需向兩側發展，弧根的增加提高了剩余電阻，導致了閃絡電壓的提升；

3）染污程度與冰閃電壓正相關，低鹽密時閃絡大都沿著空氣/冰面發展，當鹽密較高時，由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導率，使閃絡沿內部界面發展；

4）通過復合絕緣子全尺寸人工覆冰試驗發現，輕覆冰條件下，起始電弧出現在覆冰量較少的桿徑及下表面處，且覆冰閃絡電壓隨染污程度的上升呈下降趨勢。

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