覆冰絕緣子導電離子分布規律

蔣興良 胡玉耀 汪泉霖 范才進 朱承治

(1.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學) 重慶 400044 2.國網浙江省電力公司 杭州 310000)

覆冰絕緣子導電離子分布規律

蔣興良1胡玉耀1汪泉霖1范才進1朱承治2

(1.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學) 重慶 400044 2.國網浙江省電力公司 杭州 310000)

為研究電場及染污方式對覆冰復合絕緣子導電離子分布的影響，該文在低溫、低氣壓人工氣候室對兩種染污方式下的35 kV復合絕緣子開展了帶電和不帶電雨凇覆冰試驗。結合COMSOL軟件仿真分析冰凌尖端水滴及覆冰滴水過程對絕緣子覆冰的影響，揭示電場、染污方式和染污程度對覆冰絕緣子離子分布的影響規律。結果表明：電場對絕緣子覆冰形態、冰層及冰凌中離子分布和閃絡電壓均有顯著的影響；在帶電覆冰條件下，采用覆冰水電導率法時的冰層及冰凌融冰水電導率均低于不帶電時；在不帶電覆冰條件下，采用固體涂層法時的融冰水電導率遠高于覆冰水電導率；絕緣子帶電覆冰時的閃絡電壓高于不帶電時，而閃絡過程中的融冰水電導率低于不帶電時。在分析絕緣子覆冰閃絡時，應考慮晶釋效應對其閃絡特性的影響。

覆冰絕緣子 導電離子 電導率 電場 晶釋效應

0 引言

由于我國能源分布不均衡，負荷中心和能源中心相距甚遠，為滿足負荷中心日益增長的用電需求，開工建設了多條超、特高壓輸電線路[1]。我國地域遼闊、地形地貌復雜，這些線路不可避免地經過覆冰(雪)、污穢、高海拔地區。在低溫、高濕、高海拔地區，受氣象(微氣象)、地形(微地形)的影響，超、特高壓輸電線路易遭受冰雪災害的影響[2]。2008年初，罕見的冰雪災害導致我國南方大面積停電甚至電網解列，給人民的生命、財產和安全構成了極大的威脅[3，4]。近年來輸電線路事故仍時有發生。因此，深入研究絕緣子覆冰形成的機理及覆冰后的閃絡過程和特性，對于我國超、特高壓輸電工程建設和外絕緣設計具有工程應用價值和指導意義。

國內外研究學者針對絕緣子覆冰機理及覆冰后的電氣特性開展了大量的研究。文獻[5]在多功能人工氣候室模擬自然覆冰條件試驗研究了不同環境參數對110 kV復合絕緣子覆冰的影響。文獻[6]研究了在嚴重覆冰條件下，絕緣子直徑對閃絡特性的影響，提出了用于預測不同直徑的覆冰絕緣子閃絡電壓的數學模型并進行了驗證。文獻[7]研究了自然條件下懸式復合絕緣子雨凇與輕霧凇覆冰形態，并從水滴碰撞和凍結兩個過程揭示了兩類覆冰形態差異的原因。文獻[8]針對35 kV復合絕緣子開展了不帶電及帶不同電壓類型的雨凇覆冰試驗，對比分析了電壓類型對絕緣子覆冰及閃絡特性的影響。文獻[9]在人工氣候室研究了不同傘裙結構的復合絕緣子的覆冰增長及電氣特性，結果表明：絕緣子的覆冰量和閃絡電壓與傘裙結構、泄漏距離、覆冰水電導率等均有關系。文獻[10]研究了間插布置方式對絕緣子串閃絡特性的影響，結果表明：“3+1”和“4+1”的絕緣子串布置方式可大大提高覆冰絕緣子的交流冰閃電壓。

盡管國內外學者對絕緣子覆冰進行了大量的研究，但僅有部分學者涉及覆冰過程中晶釋效應的研究。由于晶釋效應的存在，覆冰水在凍結過程中溶解的導電離子會被排釋在冰晶體外表面，致使其中的導電離子重新分布，從而導致冰晶體內部的電導率呈現差異。為了計算剩余冰層電阻，文獻[11，12]利用三角冰板模型在交、直流電壓下，建立了覆冰水電導率和冰表面電導率兩者之間的線性關系。文獻[13]通過對圓柱形冰樣品的研究表明，冰內、外表面電導率隨著外施電壓的升高而升高，并且電壓與電導率之間呈指數關系。鄧禹等基于高錳酸鉀溶液的冷凝實驗證明了冰水相變過程中鹽分遷移現象的存在，并研究了鹽分遷移對覆冰絕緣子閃絡電壓及泄漏電流的影響[14，15]。

綜上所述，國內外研究學者主要基于各種覆冰模型研究了覆冰水相變過程中的晶釋效應，但是，缺乏對覆冰絕緣子導電離子分布規律的研究。鑒于此，本文在人工氣候室采用兩種染污方式對35 kV復合絕緣子分別開展帶電與不帶電雨凇覆冰試驗，對比分析電場對絕緣子覆冰的影響；然后，基于融冰期對融冰水電導率的測量結果，揭示導電離子在冰中的空間分布；最后，基于閃絡試驗研究晶釋效應對覆冰絕緣子閃絡特性的影響。

1 試品、試驗裝置及程序

1.1 試品

試驗選用FXBW-35/70試品，其結構參數和示意圖分別見表1和圖1。表1中，L為爬電距離，h為結構高度，d為芯棒直徑，d1、d2分別為大、小傘直徑。

表1 試品結構參數Tab.1 Parameters of composite insulator (單位：mm)

圖1 試品絕緣子示意圖Fig.1 Configuration of specimen

1.2 試驗裝置

試驗在直徑2.0 m、長4.0 m的低溫、低氣壓人工氣候室進行，如圖2所示。室內最低溫度為-36 ℃，噴頭采用IEC推薦的標準定制，水滴顆粒直徑范圍為10～120 μm，氣候室內部的風扇不僅可模擬風速，而且使過冷卻水滴及室內溫度分布均勻，試驗電源通過穿墻套管引入。

圖2 低溫、低氣壓人工氣候實驗室Fig.2 Artificial climate chamber with low temperature and low pressure

1.3 試驗程序

本文試驗內容主要包括覆冰試驗、融冰試驗和閃絡試驗3部分。

1)覆冰試驗：在氣候室內模擬自然覆冰條件下，水滴直徑為100～120 μm，噴霧流量為80 mm/h，環境溫度為-8 ℃，風速為1～3 m/s。根據絕緣子人工覆冰試驗的要求，覆冰水在噴霧之前應進行預冷卻至4 ℃。詳細的覆冰試驗程序見文獻[16，17]。

2)融冰試驗：待覆冰達到要求后，拍照并將絕緣子取出置于恒溫環境中融化。為了探究導電離子在冰中的分布規律，將冰層和冰棱分別進行融化并測量融冰水電導率。以冰層融化為例，試驗步驟為：①將完成覆冰后的復合絕緣子從氣候實驗室取出置于恒溫環境中，為了減小試驗誤差，整個測量過程試驗人員佩戴橡膠手套；②隨著時間的增加，冰層由外向內開始融化，融化的水滴經漏斗收集最終滴落在量筒中；③假 設絕緣子表面覆冰厚度及冰層融化速度一致，則同一時間冰層各處的厚度相等，每隔1 min取出量筒，并在下一滴融冰水滴落前更換新量筒，測量融冰水電導率并記錄其溫度；④冰層脫落或融冰水電導率幾乎不變時融冰試驗結束。

3)閃絡試驗：在融冰期，覆冰絕緣子的平均閃絡電壓通過均勻升壓法[2，18]獲得。閃絡試驗過程中，在待加壓絕緣子下方放置器皿收集閃絡時的融冰水，并測量其電導率和溫度。

2 覆冰絕緣子電場仿真計算

為了分析電場對絕緣子覆冰及離子分布的影響，本文采用有限元法建立試品絕緣子的二維軸對稱模型，利用COMSOL軟件對覆冰絕緣子的電場進行仿真。仿真所用到的試品結構參數均為實測值，外施電壓為20 kV，仿真結果如圖3所示。

圖3 復合絕緣子雨凇覆冰下的電壓分布Fig.3 Potential distribution for glaze iced composite insulators

由圖3可知，絕緣子覆冰形態對其表面電場分布有顯著的影響。與未覆冰相比，隨著冰凌長度的增加，覆冰絕緣子表面電場分布越來越不均勻，冰凌尖端電場明顯畸變。當冰凌橋接了大部分傘裙時，被冰凌所圍的封閉空間內，沒有電壓等值線穿過，覆冰絕緣子表面的高電導率水膜起了很好的屏蔽作用，高壓端大傘傘裙冰凌附近電壓等值線密集，電壓梯度變化大，此處的空氣間隙承受了絕緣子大部分電壓降，易產生電暈，如果電源的能量足夠大，則發展成為局部電弧，抑制冰凌的生長。

通過對覆冰過程中試驗現象的觀察發現，由于雨凇覆冰濕增長的特性，在覆冰過程中絕緣子表面存在高電導率水膜。因此，冰凌尖端會形成水滴(如圖4a所示)，進而發生覆冰滴水(如圖4b所示)。以往的仿真研究沒有考慮上述現象，本文采用圖4a、圖4b所示的模型進行仿真，其對應仿真結果分別如圖4c、圖4b 所示。

圖4 復合絕緣子冰凌尖端模型及其仿真結果Fig.4 Composite insulators icicle tip models and their simulation results

仿真結果表明，當冰凌尖端存在水滴及發生覆冰滴水現象時，高壓端冰凌尖端電場強度由5.72 kV/cm分別增加到7.93 kV/cm、9.18 kV/cm，大于覆冰環境下空氣間隙的臨界擊穿電場強度，進而誘發局部放電。在分析絕緣子覆冰增長過程中，應考慮上述兩種現象對覆冰的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 電場對絕緣子覆冰形態的影響

當電導率γ20=320 μS/cm，覆冰結束后，絕緣子帶電與不帶電覆冰形態如圖5所示。不帶電覆冰時，絕緣子被冰凌完全橋接，冰凌光滑、豎直，且冰凌直徑較粗，內部無氣泡。帶電覆冰時，冰凌尖端出現向絕緣子軸線側彎曲現象，冰凌根數少，冰凌間的空隙較大，且冰凌直徑小，內部出現氣泡。這主要是因為絕緣子帶電覆冰條件下，電場對分布在空氣中的過冷卻水滴有極化作用，使得水滴沿著電場的方向移動，冰凌尖端出現彎曲。隨著覆冰時間的增長，冰凌長度增加。由圖3可知，絕緣子表面電場分布不均勻，冰凌尖端水滴的存在以及覆冰滴水過程，都有可能誘發冰凌尖端產生電暈甚至局部電弧，而且因絕緣子表面泄漏電流的作用，使得冰凌較細、不易橋接傘裙。

圖5 復合絕緣子帶電與不帶電覆冰形態Fig.5 Appearance of ice-covered composite insulators under energized and non-energized conditions

3.2 電場對晶釋效應的影響

為了分析電場對晶釋效應的影響，本文在320 μS/cm、500 μS/cm和800 μS/cm三種覆冰水電導率下，對復合絕緣子分別開展了帶電與不帶電覆冰試驗。冰層及冰凌融冰水電導率隨融冰時間的變化關系分別如圖6和圖7所示。

圖6 帶電與不帶電覆冰時的冰層融冰水電導率比較Fig.6 Comparison between melting water conductivity under energized icing and non-energized icing

圖7 帶電與不帶電覆冰時的冰凌融冰水電導率比較Fig.7 Comparison between melting water conductivity under energized icing and non-energized icing

由圖6可知，無論絕緣子覆冰過程中是否帶電，冰層融冰水電導率隨融冰時間的增加均呈非線性下降，且下降的速度先快后慢。以絕緣子不帶電覆冰為例，當γ20分別為800 μS/cm、500 μS/cm和320 μS/cm時，冰層融化10 min之后，融冰水電導率分別由1 617 μS/cm、849 μS/cm和447 μS/cm下降到503 μS/cm、352 μS/cm和225 μS/cm，分別下降了68.9%、58.5%和49.7%，融冰30 min時的電導率分別為22.3 μS/cm、25.1 μS/cm和16.9 μS/cm。由此可見，絕緣子覆冰水在由液態至固態的相變過程中離子分布發生了變化，靠近冰層外表面離子濃度最大；在冰層與絕緣子交界面處離子濃度最低，融冰水電導率最小。分析其原因可能為：①過冷卻水滴在凍結過程中，溫度持續降低，溶質的溶解度降低結晶析出；②覆冰水在凍結過程中會釋放大量的潛熱，其中溶解的導電離子獲得能量由凍結部分向未凍結部分遷移，最后凍結的部分導電離子濃度最高，即冰層外面離子含量最多。當離子遷移速度小于水滴凍結速度，遷移結束。由于大量的導電離子獲得能量遷移至冰層外表面，僅有部分離子凍結在冰層中，因此冰層內表面離子濃度最低。

從圖6可明顯看出，電場對晶釋效應有影響，絕緣子帶電覆冰時的冰層融冰水電導率顯然低于不帶電覆冰時。電場對離子分布的影響體現在兩個方面：①絕緣 子帶電覆冰時由于泄漏電流的熱效應，過冷卻水滴在絕緣子表面的凍結速度減慢、凍結量減少，由晶釋效應釋出的導電離子沿絕緣子表面流失；②水分子是極性分子，在電場作用下被極化成電偶極子。由于交流電場的時變特性，導電離子和電偶極子在平衡位置做往返移動，遷移至冰層表面的導電離子減少。

由圖7可知，絕緣子在帶電和不帶電覆冰條件下，冰凌融冰水電導率與融冰時間呈非線性，且不帶電覆冰時的冰凌融冰水電導率高于帶電覆冰時的融冰水電導率。原因為：①絕緣子帶電覆冰時，由于泄漏電流、冰凌尖端局部放電的熱效應，使得水滴在冰凌表面的凍結速度減慢，容易沿冰凌流失；②冰凌尖端水滴滴落瞬間提高了冰凌尖端與水滴間的電場，容易誘發電暈放電；③絕緣子帶電覆冰時，其冰凌內部含有大量氣泡。

3.3 污穢對晶釋效應的影響

為了模擬不同染污程度，等值附鹽密度(Equivalent Salt Deposit Density，ESDD)取值分別為0.08 mg/cm2、0.10 mg/cm2和0.15 mg/cm2，絕緣子表面覆冰厚度d分別取4 mm、6 mm和8 mm，覆冰水電導率為115 μS/cm。冰層及冰凌融冰水電導率的測量結果如圖8～圖11所示。

圖8 不同覆冰厚度下的冰層融冰水電導率變化(ESDD=0.08 mg/cm2)Fig.8 Melting water conductivity of the ice layer under different ice thicknesses (ESDD=0.08 mg/cm2)

圖9 不同覆冰厚度下的冰凌融冰水電導率變化(ESDD=0.08 mg/cm2)Fig.9 Melting water conductivity of icicle under different ice thicknesses (ESDD=0.08 mg/cm2)

圖10 不同鹽密下的冰層融冰水電導率變化(d=8 mm)Fig.10 Melting water conductivity of the ice layer under different ESDDs (d=8 mm)

圖11 不同鹽密下的冰凌融冰水電導率變化(d=8 mm)Fig.11 Melting water conductivity of icicle under different ESDDs (d=8 mm)

由圖8和圖9可知：

1)當絕緣子表面染污時，冰層融冰水電導率遠大于不染污的情況，其最大值是覆冰水電導率的10.2倍，并且隨著覆冰厚度的增加，高數值電導率的數目也增加。電導率的最大值并未出現在冰層的外表面，而是靠近外表面的位置，當溫度高于相變溫度時，冰層逐漸融化，待融化一段時間之后，水膜中含有大量的導電離子，提高了冰面水膜的電導率，在運行電壓下，絕緣子有可能發生冰閃。隨著融冰時間的增加，電導率逐漸下降，但在絕緣子與冰層的交界面附近融冰水電導率略有升高，其原因是：絕緣子表面污穢以及冰層中的導電離子在融化時均溶解在融冰水中，提高了融冰水的電導率。

2)當ESDD=0.08 mg/cm2、絕緣子覆冰厚度不同時，其冰凌融冰水電導率隨融冰時間的增加呈非線性下降。覆冰厚度越小，融冰電導率越高。當d=4 mm時，融冰水電導率的最大值約為覆冰水電導率的5.7倍。隨著融冰時間的增加，電導率逐漸降至很低的水平。分析其原因是：由噴頭噴出的過冷卻水滴接觸絕緣子表面，溶解了部分污穢。在水滴凍結過程中，污穢中的導電離子受晶釋效應的影響，遷移至冰層表面。含有大量導電離子的水膜沿著冰凌向下運動的過程中被凍結。冰層厚度越薄，覆冰水中的導電離子越容易遷移到冰層表面。因此，冰凌的融冰水電導率越高。

由圖10和圖11可知：

1)當d=8 mm，絕緣子表面染污鹽密不同時，冰層融冰水電導率隨時間的變化趨勢與圖8一致。融冰水電導率先升高后降低，在冰層與絕緣子交界面處略有升高。并且隨著污穢等級的增加，電導率最大值升高，冰層中的離子濃度增大。例如，當ESDD=0.15 mg/cm2時，融冰水電導率的最大值約為覆冰水電導率的12.4倍。

2)在不同染污鹽密下，冰凌融冰水電導率隨時間增加呈非線性下降。染污鹽密越大，融冰水電導率越高。當ESDD分別為0.08 mg/cm2、0.10 mg/cm2和0.15 mg/cm2時，對應的融冰水電導率最大值分別為覆冰水電導率的3.5、4.2和6.0倍，低于冰層融冰水的電導率。其原因為：盡管絕緣子表面覆蓋了一層薄污穢，但污穢主要影響冰層內部導電離子的空間分布。與冰層相比，冰凌內的電導率空間分布主要受覆冰水的影響，受絕緣子表面污穢影響較小。

3.4 晶釋效應對閃絡特性的影響

對于清潔絕緣子，在帶電與不帶電情況下，采用電導率γ20分別為320 μS/cm、500 μS/cm和800 μS/cm的覆冰水進行覆冰時的閃絡電壓Uf及閃絡過程中的融冰水電導率分別見表2和圖12。

表2 帶電與不帶電情況下，覆冰絕緣子閃絡電壓Tab.2 Flashover voltage of iced composite insulators under energized and non-energized conditions

圖12 覆冰絕緣子閃絡過程中的融冰水電導率Fig.12 Melting water conductivity of iced composite insulators during the flashover

由表2可知，在相同的覆冰試驗條件下，覆冰水電導率和電場對復合絕緣子的覆冰閃絡電壓均有影響。無論是否帶電，隨著γ20的增大，閃絡電壓逐漸降低。絕緣子帶電覆冰時的Uf明顯高于不帶電時，并且隨γ20的增大，差異逐漸增大。這主要是由于帶電覆冰條件下，電場不均勻分布使得冰凌不能完全橋接絕緣子傘裙，與不帶電時相比，泄漏距離增大，進而閃絡電壓升高。隨著γ20的增大，放電活動劇烈，冰凌與傘裙間的間隙增大，泄漏距離與不帶電時的差值更大，同時γ20越大，晶釋效應越顯著，從而使得兩者之間的閃絡電壓差值越來越大。

由圖12可知，帶電覆冰絕緣子閃絡時的融冰水電導率低于不帶電時。隨著閃絡次數的增加，融冰水電導率先略有上升，然后逐漸下降，這與前述試驗結果基本一致。融冰水電導率上升的原因為：在覆冰絕緣子進行閃絡試驗過程中，絕緣子表面大部分區域出現局部放電或穩定的電弧，由此產生的各種離子及雜質進入融冰水中，提高了融冰水的電導率。

4 結論

1)電場對絕緣子的覆冰形態有顯著影響。在帶電條件下，冰凌較細，不易橋接相鄰傘裙；冰凌尖端水滴及覆冰滴水過程均會誘發電暈放電，抑制冰凌生長。

2)對于清潔絕緣子，冰層及冰凌融冰水電導率隨融冰時間的增加均呈非線性下降。由于電暈放電及泄漏電流的熱效應，帶電覆冰時的融冰水電導率低于不帶電時。

3)對于染污絕緣子，污穢程度對晶釋效應的影響較為顯著，其融冰水電導率最大值可達覆冰水電導率的12.4倍。冰層中導電離子集中分布在冰層外表面，受表面污穢的影響，在絕緣子與冰層交界面處的融冰水電導率略有升高。與冰層相比，冰凌中導電離子的分布主要受覆冰水的影響，污穢對其影響較小。

4)絕緣子帶電覆冰時的閃絡電壓高于不帶電時，而閃絡時的融冰水電導率低于不帶電時。隨著閃絡次數的增加，融冰水電導率基本呈下降趨勢。

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(編輯 張洪霞)

Distribution of Conductive Ions in Ice-Covered Composite Insulators

JiangXingliang1HuYuyao1WangQuanlin1FanCaijin1ZhuChengzhi2

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China
2.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Hangzhou 310000 China)

To research the influence of the electric filed and pollution method on the distribution of conductive ions in ice-covered composite insulators，a series of energized and non-energized tests were conducted on 35 kV composite insulators with glaze icing using two different types of pollution methods in artificial climate chamber.Combined with COMSOL simulation，the influence of water droplet on the icicle tip and droplet ejection during icing on insulators icing was analyzed.And the influence rule of the electric field，pollution method and pollution severity on ions distribution was revealed.Test results show that the appearance of ice-covered insulator，ions distribution in the ice layer and icicle and the flashover voltage are significantly impacted by the electric field；melting water conductivity under energized condition is lower than that under non-energized condition using icing water conductivity method；melting water conductivity is much higher than freezing water conductivity using the sold layer method under non-energized condition；the flashover voltage of ice-covered insulator under energized condition is higher than that under non-energized condition，however，melting water conductivity during the flashover is opposite.Therefore，the crystallization effect should be taken into account when analyzing the flashover performance of ice-covered insulators.

Ice-covered insulator，conductive ion，conductivity，electric field，crystallization effect

國家電網公司科技項目資助(GY71-14-033)。

2016-05-03 改稿日期2016-06-13

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160593

TM85

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣技術、氣體放電和輸電線路覆冰及防護。

E-mail：xljiang@cqu.edu.cn

胡玉耀 男，1989年生，博士研究生，研究方向為復雜大氣環境下輸電線路外絕緣及防護。

E-mail：hyuyaocqu@163.com(通信作者)