電壓類型對復合絕緣子覆冰及閃絡特性的影響

胡 琴 袁 偉 舒立春 蔣興良 汪詩經

（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400030）

1 引言

我國是覆冰較為嚴重的國家之一。隨著電力事業的發展，絕緣子的覆冰及閃絡問題已經成為輸電線路安全運行及外絕緣設計最重要的問題之一。國內外科研人員對絕緣子覆冰及閃絡特性進行了大量的試驗理論研究，成果豐富。但由于試驗方法不一，尤其是覆冰過程中帶電與否、帶何種性質的電，并無統一的標準，這些情況導致很多試驗結果無法直接在實際工程運用。因此，研究電壓類型對絕緣子帶電覆冰特性及其電氣特性的影響，不僅能夠使試驗結果更加貼近工程實際，而且能進一步深化線路絕緣子的帶電覆冰機理及其電氣特性研究[1-5]。

本文試驗在人工氣候實驗室內進行，受試驗條件限制，本文對兩種典型結構的 35kV復合絕緣子進行不帶電及帶交流、正極性直流、負極性直流雨凇覆冰試驗。根據試驗結果，對比了不同電壓類型對絕緣子的覆冰特性及電氣特性的影響，包括絕緣子的覆冰形態、覆冰密度、冰重、50%閃絡電壓。著重分析電壓類型對絕緣子的覆冰特性及電氣特性的影響機理，進而對在不同類型電壓下，試驗結果的差異性提出了合理的解釋。

2 試品、試驗裝置與方法

2.1 試品

試品采用FXBW—35/70復合絕緣子，其技術參數見表1，其中：h為結構高度，s為泄漏距離，l為干弧距離，d為芯棒直徑，D3/(D2)/D1為大/(中)/小傘直徑。試品外觀結構見圖1。

表1 試品絕緣子技術參數Tab.1 Parameters of tested specimens

2.2 試驗裝置

試驗在直徑7.8m、高11.6m的多功能人工氣候室內完成，如圖2所示，其試驗溫度范圍為-45～50℃，由14個噴頭和10個風速可調的風扇組成噴淋及風速調節系統；霧滴顆粒直徑在10～120μm范圍內可調，風速在1～12m/s范圍內可調。試驗接線原理圖見圖3。

圖1 復合絕緣子結構示意圖Fig.1 The structure diagram of composite insulator

圖2 多功能人工氣候室Fig.2 Multifunctional artificial climate chamber

T1—10 kV/2 000kVA調壓器 T2—500 kV/2 000kVA交流試驗變壓器R0—保護電阻 H—330 kV高壓穿墻套管 E—人工氣候室F—交流電容分壓器分壓比(1 000：1)S—試品

圖3 試驗接線原理圖Fig.3 The schematic diagram of test

2.3 試驗方法

本文針對兩種典型結構 35kV復合絕緣子，進行不帶電及帶交流、正極性直流、負極性直流電壓雨凇覆冰試驗，每次試驗均對多串同種類型絕緣子進行覆冰，覆冰過程中外加試驗電壓大小為10kV、20kV、30kV三種情況，試驗覆冰水電導率為γ20=370μS/cm（校正到 20℃下的值），霧滴的直徑在10～120μm范圍內，實驗時控制氣候室溫度在-4～0℃，風速為0.5～1.2m/s，每次覆冰時間均為90min。覆冰完成后，取多串覆冰絕緣子其中一串，拍取、記錄覆冰絕緣子各部位現象特征，取絕緣子高、中、低部位的冰樣測取冰密，并測取絕緣子的覆冰重量。考慮到冰棱中間氣泡的存在，冰密通過排沙法測取。排沙法原理與排液法原理相同[6]，利用極細的沙子代替原先測量溶液，進而可以減小液體進入冰棱氣泡所帶來的誤差。最后，對剩余覆冰絕緣子，通過恒壓升降法得出交、直流50%閃絡電壓，即交流外加電壓作用下的覆冰絕緣子，交流電壓加閃，正、負極性直流電壓作用下的覆冰絕緣子，正、負直流電壓加閃。

3 試驗結果與分析

3.1 電壓類型對覆冰絕緣子覆冰外觀的影響

（1）在不同類型外加試驗電壓作用下，帶電覆冰絕緣子高壓端傘面呈現相似的外觀特征，帶電情況下，絕緣子表面覆冰不透明、粗糙、疏松且呈絨毛狀，覆冰表面有顆粒狀冰珠。隨著外加電壓的提高，這種現象越來越嚴重。不帶電情況下，絕緣子高壓端傘面冰層非常光滑、透明且無顆粒狀的冰珠。以負極性直流外加電壓作用下的絕緣子A為例，圖4為覆冰絕緣子A高壓端傘面外觀圖。由圖4可以看出隨著外加試驗電壓的升高，絕緣子表面光滑程度逐漸下降，顆粒狀覆冰逐漸變多。這是由于帶電覆冰的絕緣子，水滴易受電場極化，電暈放電、火花放電會使得水滴拉長變形甚至炸裂，導致傘面冰層疏松呈茸毛狀。

圖4 覆冰絕緣子A高壓端傘面外觀圖Fig.4 The appearance of sheds on HV end of ice-covered FXBW—35/70 (A)

隨著外加電壓等級的提高，絕緣子高壓端的電場幅值逐漸增大。絕緣子覆冰情況下，由于絕緣子冰棱尖端、傘面冰層凸點的存在，電場畸變會更加嚴重。因此，絕緣子高壓端傘裙附近容易產生電暈放電、火花放電，放電的發生使水滴劇烈地抖動變形，同時電場強度越大，細小的水滴沿著電場強度的方向受到的電場力越大，細小的水滴在電場力的作用下高速地撞向絕緣子傘面，破裂變形，最終形成了上述的外觀特征。

（2）不同類型外加試驗電壓作用下，絕緣子傘裙冰棱呈現相似的外觀特征，傘裙冰棱一致向絕緣子芯棒側彎曲，且彎曲的程度隨著外加試驗電壓的提高而加劇，同時在外加試驗電壓較低時，傘裙冰棱橋接程度較好，當外加試驗電壓較高時，傘裙冰棱橋接程度次之。不帶電情況下，風速較小時，過冷卻水滴相當于僅受重力作用，冰棱在生長過程中始終垂直向下生長，不會發生彎曲現象且橋接良好。以正極性直流外加電壓作用下的絕緣子B為例，圖5為絕緣子B高壓端傘裙冰棱外觀特征圖。

圖5 絕緣子B高壓端傘裙冰棱Fig.5 The icicle at the end of sheds on HV end of FXBW—35/70 (B)

由圖 5可以看出，10kV、20kV外加試驗電壓作用下，絕緣子高壓端傘裙冰棱橋接良好，30kV外加電壓作用下，高壓端傘裙冰棱基本不橋接，且外加電壓等級越高，傘裙冰棱向芯棒處的彎曲程度越大。當外加電壓較高時，一方面傘裙尖端由于電場的畸變容易發生電暈放電、甚至火花放電；另一方面，傘裙冰棱尖端與下級傘面之間的空氣間隙容易發生擊穿并產生局部電弧[1,7]。試驗過程中，30kV外加試驗電壓作用下，特別是直流電壓，覆冰開始40min左右后，絕緣子高壓端便伴隨有較為持續的局部電弧。大量的放電加上傳導電流產生的熱效應容易使冰棱融化的速度大于其凝結的速度，因此外加試驗電壓等級較高時，冰棱不易橋接。傘裙冰棱尖端的水滴在電場中較易極化帶電，帶電的水滴在電場力的作用沿著其受力方向不斷生長，且隨著外加試驗電壓的提高，所受的電場力逐漸增大，因此產生了如圖 5所示的冰棱向絕緣子芯棒側彎曲的現象。

（3）不同類型外加試驗電壓作用下，絕緣子冰棱內部有大量氣泡存在，其氣泡有著明顯的不同。負極性直流電壓作用下，冰棱內部氣泡明顯較大，正極性、交流試驗電壓作用下，冰棱內部氣泡與前者相比較小。以 30kV外加電壓作用下的絕緣子為例，圖6為不同類型電壓作用下冰棱內部氣泡圖。

圖6 不同類型電壓作用下冰棱內部氣泡Fig.6 The bubble inside the icicle under 30kV of different voltage types

由圖6可以看出，傘裙冰棱內部存在著大量的氣泡，目前的文獻認為：冰面，冰棱表面的凸起處會產生火花放電，火花放電使得過冷卻水滴分裂成等量電荷但極性相反的兩個帶電小水滴，與絕緣子覆冰表面場強極性相反的被滯留，大量極性相同的帶電水滴存在著電斥力，電斥力的存在使得覆冰之間有一定的空氣間隙存在，這對絕緣子覆冰特性產生了較大影響，進而對絕緣子的閃絡特性產生影響[2-6]。

對此現象，本文提出一種新的解釋。在試驗中，筆者現場觀察且利用攝像裝置近距離攝像研究，得出解釋如下：①圖7a為覆冰過程中傘裙冰棱模型，覆冰過程中，冰棱中間并沒有凝結，實為一貫穿型水柱，水柱外側為已經凝固的冰層。在帶電覆冰時，特別是電場強度較大時，冰棱尖端、前端水滴處會發生電暈放電甚至是火花放電。②伴隨著電暈放電，如圖 7b所示，前端水滴會發生上下劇烈振動，水滴的高頻振動使得水滴前端變得更加尖銳，尖銳的水滴使得電場進一步畸變，畸變的電場又使電暈放電加劇。③前端水滴由于高頻的振動，被反復拉長、壓縮，在某一瞬間驟然破裂，如圖7c所示，由于外部大氣壓強及水滴表面張力，水滴破裂之后會形成一個向上的凸起的水膜。④如圖7d所示，由于整串絕緣子會源源不斷的捕捉到外部水滴，覆冰水會沿著絕緣子傘裙外沿不斷往下流動，破裂的水滴，會很快被新流下來的水滴包裹代替，此時向上凸起的水膜，由于空氣的存在，便形成一個或者多個氣泡，氣泡受到浮力的作用，向上運動，便形成了圖6的氣泡。圖 8給出了試驗過程中冰棱內部氣泡產生圖，冰棱上端為上浮氣泡，下端為高頻振動后拉長的水滴。

圖7 傘裙冰棱氣泡產生模型Fig.7 The bubble generating model of icicle on sheds

圖8 冰棱內部氣泡產生圖Fig.8 The generating diagram of bubbles inside icicle

針對負極性直流電壓作用下，冰棱氣泡較正極性直流、交流電壓作用下冰棱內部氣泡較大的試驗特征，本文給出如下解釋：在覆冰表面發生電暈放電時，空氣電離后與電極同極性的粒子在電場作用下遠離電極運動，在此過程中帶電粒子將與空氣中的中性粒子發生碰撞，使空氣分子獲得動能產生流動，既為離子風。在覆冰表面的突起或冰棱尖端發生電暈放電時，冰尖電極附近大量空氣分子產生電離的區域稱為電暈區，而在此區域之外的電場較弱，不發生電離過程，稱為外區。離子風能量來源于電場對帶電粒子的加速，隨距離冰尖電極的增加，電場逐漸減弱，在不斷與外圍空氣粒子碰撞后離子風速隨空間位置的變化有一個加速-穩定-減速的過程，即可以將外區分為三個部分：加速區、穩定區及減速區。因此，在不存在放電的外區相當大體積的區域均能產生可觀的離子風速，如圖9所示。

圖9 正負極性離子風示意圖Fig.9 The ion wind of different polarity

離子風能量的來源是帶電粒子在電場中的加速，單位體積空氣因離子碰撞而受到的力Fcol為

式中，jp、jn分別為正離子和負離子的電流密度；μp、μn分別為正離子和負離子的離子遷移率。

由于電子質量與空氣分子相比極小，因此在負極性放電時一般只考慮負離子與空氣分子的碰撞[8]。由以上分析可以得出：負極性離子風較正極性離子風其能量要小的多。由于覆冰過程中，冰棱內部實為一貫穿型水柱，正極性直流、交流外加試驗電壓作用下的離子風要比負極性直流外加試驗電壓作用下的強得多，離子風加速了周邊空氣的冷熱循環，起到了顯著的冷卻效應，離子風越強，冷卻效應越明顯。冰棱內部的水柱凝結越快，氣泡越少且越小。

3.2 電壓類型對覆冰絕緣子冰棱密度的影響

覆冰完成后，取絕緣子高、中、低3部位的冰棱樣品，分別測得其各自冰密，求平均值。表 2、表3分別為絕緣子A、B的平均冰棱密度。

表2 絕緣子A平均冰棱密度Tab.2 The average glaze density of insulator (A)’s icicles（單位：g/cm3）

表3 絕緣子B平均冰棱密度Tab.3 The average glaze density of insulator (B)’s icicles（單位：g/cm3）

由表 2、表3可以看出：①不帶電時，傘裙平均冰棱密度最大，交、直流電壓作用下，絕緣子平均冰棱密度均隨電壓升高逐漸降低。②同等級試驗電壓作用下，交流電壓作用下的平均冰棱密度最大，負極性電壓作用下的平均冰棱密度最小。

當外加電壓為0時，覆冰過程中不會出現放電現象，傘裙冰棱堅硬、結實，因此不帶電作用下，冰棱的平均密度較大。交流電壓作用下，隨著試驗電壓的提升，電暈放電、火花放電更加容易發生，冰棱前沿水滴高頻的振動會產生更多的氣泡，氣泡的增加導致冰密進一步減小。與此同時，試驗電壓較大時，極化水滴受電暈放電、火花放電的影響，炸裂成直徑更小的帶等量異種電荷的兩水滴[9-14]，與絕緣子表面場強極性相同的小水滴被排斥，也使得覆冰變得更加疏松，進而密度減小。但當電壓升高到一定程度時，較大的傳導電流足以融化冰層表面疏松的絨毛狀覆冰，進而導致了冰密存在著一定的小幅度升高。直流電壓作用下，隨著試驗電壓的提升，起暈、局部擊穿現象也隨著發生，與交流電弧相比，直流電弧不過零，難熄滅，且不易飄弧的特點使得冰棱尖端前沿水滴更加劇烈的抖動變形、爆炸，產生更多的氣泡，平均冰棱密度較交流而言更小。與此同時，負極性直流電壓的作用下，由于其離子風相對另外兩種類型電壓而言較弱，冷卻效應不明顯，冰棱內部水柱凍結程度較差，氣泡較多，因此相同外加電壓下，冰密在三者之中最小。

3.3 電壓類型對覆冰絕緣子冰重的影響

覆冰完成后測得絕緣子的90min覆冰重量，表4為絕緣子A的覆冰重量，表5為絕緣子B的覆冰重量。每個試驗數據點均為3次試驗的平均值，每次試驗控制試驗條件相同。

表4 絕緣子A覆冰重量Tab.4 The glaze weight of insulator (A)（單位：kg）

表5 絕緣子B覆冰重量Tab.5 The glaze weight of insulator (B)（單位：kg）

由表4、表5可以看出：①3種類型電壓作用下，絕緣子的覆冰重量均隨著電壓的升高呈現先增大后減小的趨勢。②當外加試驗電壓超過 20kV時，絕緣子覆冰重量均開始下降，且負極性直流作用下的絕緣子冰重，下降速率最快。

電場對覆冰的影響主要體現在兩個方面，一方面：電場較弱時，電場對空氣中極化水滴的吸引作用，這直接導致了單位時間內覆冰量的增加[1,15-22]。另一方面：電場較強，電位梯度較大，電暈放電、火花放電、泄漏電流等產生的熱效應導致冰層融化，覆冰變慢。當試驗較低，前者起主要作用，冰重增加；當試驗電壓較高，后者起主要作用，冰重減少。負極性電壓作用下的絕緣子，由3.1節第（3）部分分析可知，當外加電壓升高到一定程度時，離子風將會起到非常重要的作用，負極性的離子風冷卻效應較另外兩種類型的電壓而言弱很多，覆冰的凝結速度也相應降低，熱效應的主導作用更加明顯，故而，冰重的下降速率最快。

3.4 電壓類型對覆冰絕緣子50%閃絡電壓的影響

覆冰完成后，采用恒壓升降法得到兩種絕緣子交、直流50%閃絡電壓。表6為絕緣子A的交、直流50%閃絡電壓，表7為絕緣子B的交、直流50%閃絡電壓。不帶電情況因不符合此次試驗加閃方法，所得數據無法與帶電情況進行有效對比，故在表格中不予列出。不帶電情況交、直流閃絡電壓的研究，文獻[1]已經給予詳細總結。

表6 絕緣子A的50%閃絡電壓Tab.6 The 50% flashover voltage of insulator (A)（單位：kV）

表7 絕緣子B的50%閃絡電壓Tab.7 The 50% flashover voltage of insulator (B)（單位：kV）

由表6、表7可以看出：①3種類型電壓作用下，隨著外加電壓的提高，絕緣子的50%閃絡電壓均呈現先降低后上升的趨勢。②直流電壓作用下的絕緣子50%閃絡電壓要低于交流電壓作用下的絕緣子50%閃絡電壓。③當帶電覆冰電壓為10kV、20kV時，負極性直流冰閃電壓最低，當帶電覆冰電壓上升到 30kV時，考慮到試驗的誤差性，其冰閃電壓較正極性直流冰閃電壓已無明顯差別。

從表 4、表 5可以看出，冰重越重，傘裙間冰棱的橋接程度越好，閃絡電壓越低。與此同時，與交流相比，常壓下直流電弧不易飄弧，電弧不過零，電弧燃燒穩定[1,23-25]，傘間橋接現象較明顯，從而導致絕緣子直流冰閃電壓較交流而言有所下降。當外加試驗電壓低于 20kV時，根據試驗實際情況，傘裙間的冰棱橋接良好，閃絡沿著冰棱而不是傘裙邊緣進行，屬于單電弧引發的閃絡，負極性電弧金屬陰極的強電子發射能力，使得負極性直流冰閃電壓偏低。而當外加試驗電壓升至 30kV時，根據實際試驗情況，絕緣子的傘裙已經基本無橋接，在其閃絡路徑上，形成了較多數量的局部電弧，除上、下兩個電弧為具有金屬電極的極性電弧外，其他電弧均為非極性電弧，因此，負極性直流冰閃電壓較正極性冰閃電壓已無明顯差別。

4 結論

（1）電壓類型對絕緣子覆冰特性有著很大的影響，包括覆冰絕緣子傘面光潔程度、冰棱彎曲方向、冰棱密度、覆冰的重量等。不同類型外加電壓作用下的絕緣子的覆冰特性存在著相似性和差異性，這些特性反過來對絕緣子的冰閃電壓又起著很重要的作用，影響著線路的安全。

（2）覆冰絕緣子傘裙冰棱內部存在著一定量的氣泡，負極性直流電壓作用下的冰棱氣泡比另外兩種電壓作用下的冰棱氣泡要大。本文提出了氣泡產生模型，并從離子風的角度對上述現象作了解釋。

（3）不帶電時，傘裙平均冰棱密度最大，交、直流電壓作用下，絕緣子平均冰棱密度均隨電壓升高逐漸降低；相同大小外加電壓作用下，負極性直流電壓作用下的冰棱密度最小，交流電壓作用下的冰棱密度最大；外加電壓升高到一定程度時，負極性直流作用下的絕緣子冰重下降速度較交流、正極性直流情況要快。

（4）電壓類型對覆冰絕緣子的 50%閃絡電壓有很大的影響，其冰閃電壓的規律性，本文予以了較為詳細的總結。

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