盤型懸式絕緣子串自然覆冰直流放電發展路徑特點及影響因素分析

舒立春 劉延慶 蔣興良 胡琴 周龍武

盤型懸式絕緣子串自然覆冰直流放電發展路徑特點及影響因素分析

舒立春1劉延慶1蔣興良1胡琴1周龍武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. 國網江西省電力有限公司電力科學研究院 南昌 330096）

絕緣子覆冰嚴重影響輸電線路的安全運行，研究覆冰絕緣子放電發展路徑有助于完善絕緣子覆冰放電理論。鑒于現有研究缺乏對盤型懸式絕緣子自然覆冰放電路徑的系統分析，該文在現場進行絕緣子覆冰直流閃絡試驗，得到盤型懸式絕緣子雨凇覆冰和混合凇覆冰直流放電過程及放電路徑的特點。研究結果表明：盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時，電弧總體從兩端向中部發展；而混合凇覆冰放電過程中會出現多次電弧變暗或“熄弧”現象，且閃絡路徑分散性較大，電弧總是分段存在的，電弧的位置和數量具有隨機性。此外，覆冰形態和自然風對盤型懸式絕緣子閃絡放電路徑有很大的影響，對于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱長度越長，電弧越易橋接；電弧會在風力的作用下產生漂移和變形而集中在覆冰絕緣子的背風面。

盤型懸式絕緣子 自然覆冰 直流放電 發展路徑特點

0 引言

絕緣子覆冰嚴重影響輸電線路的安全運行[1-2]。為了探究覆冰絕緣子閃絡機理，國內外學者對各類型覆冰絕緣子閃絡過程進行了一系列的研究。研究結果表明：覆冰絕緣子閃絡時電弧可分為冰面電弧和空氣間隙電弧[3]兩類。覆冰絕緣子閃絡時首先在高壓端空氣間隙處產生局部電弧，該電弧隨著冰棱融化和脫落而延伸，隨著電壓的升高，局部電弧開始沿冰層表面發展，當電弧長度達到臨界長度時，局部電弧發展成完全閃絡[4]。此外，一些學者還研究了覆冰絕緣子閃絡路徑的影響因素，提出傘形結構和冰棱的融化、脫落可以改變覆冰絕緣子的閃絡路徑，進而影響其閃絡電壓[5-8]；熱浮力可以影響電弧發展速度，從而影響電弧的伏安特性[9]；在低氣壓下，電弧飄弧更為嚴重[10]。

然而，覆冰絕緣子受表面狀態和空間電荷的影響，導致其閃絡過程具有隨機性和復雜性[11-13]，國內外鮮有對覆冰絕緣子閃絡放電路徑的研究，且缺少絕緣子自然覆冰的閃絡路徑的研究。再者，目前存在的研究大多是針對復合絕緣子和支柱絕緣子的覆冰閃絡進行的[14-16]，而對盤型懸式絕緣子覆冰閃絡的研究較少。但盤型懸式絕緣子在輸電線路中應用廣泛，其構造與復合絕緣子和支柱絕緣子大有不同，這將勢必導致其放電路徑會與復合絕緣子和支柱絕緣子有所區別。

因此，本文針對現有覆冰絕緣子閃絡路徑分析的缺陷和不足，在雪峰山自然覆冰試驗基地搭建了覆冰絕緣子閃絡路徑觀測平臺，并進行了不同類型絕緣子覆冰閃絡試驗。拍攝記錄了覆冰絕緣子閃絡時電弧發展路徑；分析比較了不同類型覆冰絕緣子放電發展路徑的差異；總結歸納了覆冰盤型懸式絕緣子放電發展路徑特點；并根據大量試驗觀察，分析了覆冰盤型懸式絕緣子放電發展路徑的影響因素，為研究覆冰絕緣子冰閃機理和建立絕緣子閃絡模型提供了理論基礎。

1 試品、試驗平臺和試驗方法

1.1 試品

本文主要試驗對象為玻璃絕緣子LXP3-160，其試品的技術參數見表1，結構示意圖如圖1所示。表中，為絕緣子結構高度，為盤徑，為爬電距離，為表面積。

表1 試驗絕緣子技術參數

Tab.1 Test insulator technical parameters

圖1 LXP3-160型絕緣子結構示意圖

1.2 試驗平臺

本文覆冰絕緣子閃絡試驗在雪峰山自然覆冰試驗基地完成，如圖2所示。該基地海拔1 400m，具有典型的微地形、微氣象特征，年降水量1 800mm，最大風速超過35m/s，覆冰持續時間最長50天，最大雨凇覆冰厚度500mm，是研究電網覆冰的理想場所。

圖2 雪峰山自然覆冰試驗基地

本文旨在觀測覆冰絕緣子閃絡時放電發展路徑，然而，在自然環境中，覆冰絕緣子放電路徑因受冰棱和環境因素等多方面影響而具有隨機性和不確定性。為了能夠全面觀測不同類型覆冰絕緣子的放電路徑，在雪峰山自然覆冰試驗基地搭建了覆冰絕緣子放電路徑觀測平臺，如圖4所示。該平臺由兩面角度相差120°的鏡子（0.4m×0.8m）組成，攝像機放置在兩面鏡子中心處的正對面，通過調整攝像機和鏡面的距離就可以全方位拍攝覆冰絕緣子的放電路徑。攝像設備采用Nikon DIGITAL CAMERA D5500，視頻拍攝幀數為50幀/s，有效像素為2 416萬像素。

圖3 試驗設備原理

1.3 試驗方法

本文采用固體層法進行盤型懸式絕緣子自然覆冰試驗，具體操作流程可參考文獻[7]。與文獻[7]有所不同的是，本文是在雪峰山自然覆冰試驗基地進行試驗，為了防止絕緣子表面污穢流失，當外界環境溫度低于-1℃后再懸掛絕緣子。為了使試驗結果更可靠，本文在自然環境的多次冰期中進行多次試驗，一共進行約10次試驗，每次試驗設置4組試品。在覆冰過程和試驗過程中，對環境溫度、濕度、風速和壓強進行實時監測，圖5為本文試驗中某天的雨凇覆冰氣象參數變化情況。本文中，雨凇覆冰閃絡試驗時的溫度、壓強、相對濕度和風速分別為-5.3℃、87.2kPa、72.13%和0.99m/s；混合凇覆冰閃絡試驗時的溫度、壓強、相對濕度和風速分別為-9.1℃、86.8kPa、100%和1.24m/s。

圖5 雨凇覆冰過程環境氣象參數變化

自然覆冰完成后，按照圖4調整攝像機和鏡子的位置，使覆冰絕緣子和鏡子中的虛像能夠同時反射到攝像機的鏡頭中，這樣就可以完整記錄覆冰絕緣子放電路徑。觀測平臺布置完成后，采用“U”形曲線法對試品絕緣子進行加壓[7]，在加壓的同時打開攝像機，開始記錄放電過程。

2 試驗結果

2.1 覆冰盤型懸式絕緣子放電發展過程

圖6給出了盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時，電弧從產生、發展到完全閃絡的代表性過程。圖7為盤型懸式絕緣子混合凇覆冰放電發展過程，圖中，0s代表剛觀察到有局部電弧的時間。

由圖6可以看出，盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時，電弧從兩端向中部發展。由于覆冰導致的絕緣子電場分布不均勻，在加壓過程中先在電場最強的高壓端下表面產生微弱的藍紫色電暈放電，伴隨著滋滋的電暈噪聲。隨著電壓的升高，電暈噪聲越來越大，在高壓端下表面產生紅黃色的局部電弧（見圖6b）。隨后，低壓端鋼帽處也開始出現紅黃色或白色的局部電弧（見圖6c），此時，可聽到電弧燃燒的聲音，并看到冰棱開始融化。經過0.04s后，高壓端第二片絕緣子、低壓端第二片絕緣子和絕緣子中部也相繼出現局部電弧（見圖6d和圖6e）。最后電弧快速貫穿整串絕緣子，完成最終閃絡，閃絡后可看到由于電弧熱效應引起空氣膨脹。

圖6 盤型懸式絕緣子雨凇覆冰放電發展過程

圖7a為盤型懸式絕緣子自然覆冰混合凇形態。自然覆冰混合凇呈“鱗”狀，沒有明顯的冰棱，混合凇沿著迎風側方向生長，導致迎風側覆冰比背風側厚，迎風側冰厚可達12mm，背風側冰厚為5mm。相對于雨凇覆冰，盤型懸式絕緣子混合凇覆冰放電過程較為復雜。如圖7b～圖7g所示，盤型懸式絕緣子在加壓過程中首先在高壓端絕緣子下表面形成藍紫色電暈放電，隨著電壓的升高，依次在低壓端絕緣子、中部絕緣子下表面產生電暈，但這些電暈活動并不穩定，在圖7b～圖7g這段時間內，電暈放電忽強忽弱，亮度忽明忽暗。之后，藍紫色電暈逐步形成了白色局部電弧，如圖7h所示，此時，由于混合凇的粘結力比較弱，會出現冰層脫落的現象，如圖7h圓圈標記所示。隨著電壓的升高，局部電弧并沒有快速發展成完全閃絡，而是經歷了幾次明-暗交替的過程，如圖7h～圖7m所示，其中，圖7h、圖7j和圖7l中電弧亮度亮；而圖7i、圖7k和圖7m中，電弧亮度暗，這是由于局部電弧形成后，電源提供的能量一部分用于局部電弧的維持，其余部分用于融化冰層，混合凇冰層較易融化，融化后使局部電弧長度增加，導致維持局部電弧需要的能量增大，若電源未能提供足夠的能量，就會出現電弧變暗或“熄弧”現象[18]。而當電源能量能夠同時維持局部電弧發展和泄漏電流融冰時，局部電弧又變得明亮且向前發展，當達到臨界閃絡條件時[19]，就會迅速連通，最終形成完全閃絡，并伴有冰屑脫落。

2.2 覆冰盤型懸式絕緣子放電路徑特點

覆冰盤型絕緣子閃絡路徑因其具有隨機性和復雜性，使得針對覆冰盤型絕緣子放電路徑的研究較少。本文采用1.3節中的試驗方法，在雪峰山自然覆冰試驗基地進行盤型懸式絕緣子覆冰閃絡試驗，圖8為不同類型絕緣子串覆冰閃絡路徑比較。通過對大量的覆冰絕緣子閃絡試驗結果進行分析，可以得到覆冰盤型懸式絕緣子放電路徑有以下幾個特點：

圖8 不同類型覆冰絕緣子串閃絡路徑比較

（1）圖8中，各類絕緣子傘裙之間有冰棱，但冰棱未橋接。由圖8可知，覆冰盤型懸式絕緣子閃絡完成時，整條閃絡通道由多段電弧組成，而復合絕緣子和支柱絕緣子覆冰閃絡完成時，只有一條完整的電弧貫穿整串絕緣子，且電弧一般都是沿著冰棱發展。這是由盤型懸式絕緣子串與復合、支柱絕緣子結構的差異導致的，盤型懸式絕緣子串由多片玻璃絕緣子組成，每片玻璃絕緣子包含金屬材質的鋼腳和鋼帽，而當盤型懸式絕緣子處在運行環境中時，鋼腳、鋼帽在整個電場環境中相當于懸浮導 體[20]，在鋼腳、鋼帽處極易產生電暈放電。因此，當覆冰盤型懸式絕緣子串發生閃絡時，電弧弧足極有可能會落到鋼腳、鋼帽上，從而使整條閃絡路徑呈現電弧分段的現象。而復合絕緣子和支柱絕緣子只有高壓端和低壓端有金屬結構，使其整個閃絡通道只有一條電弧貫穿。同一串覆冰絕緣子三次閃絡的放電路徑如圖9所示，大量試驗觀察表明，盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡完成時電弧分段的數量和位置都是隨機的，如圖9b中覆冰絕緣子放電路徑由5段電弧組成，每段電弧跨越的絕緣子片數自上而下分別為1、1、2、2、1，而圖9c中覆冰絕緣子放電路徑則由3段電弧組成，每段電弧跨越的絕緣子片數自上而下分別為1、1、5。這些都與風速、冰棱長度和冰層與冰棱表面狀態有關。

圖9 同一串覆冰絕緣子三次閃絡的放電路徑

（2）同一串覆冰盤型懸式絕緣子放電路徑分散性很大。對同一絕緣子串進行多次加壓，每次加壓得到的覆冰絕緣子放電路徑都有所不同。圖9中，同一覆冰絕緣子三次閃絡過程各不相同，電弧的位置、電弧分段數量及總的電弧長度都有所差別。這是由于覆冰絕緣子經過每一次加壓之后，由于電弧的灼燒和泄露電流焦耳熱的作用，使得冰棱長度和冰層、冰棱表面狀態均發生變化，從而導致每次加壓的電弧發展路徑發生改變。根據閃絡電壓預測模型[21]知，閃絡路徑的變化會影響剩余冰層電阻，從而影響閃絡電壓，因此，可推測閃絡路徑的變化也有可能是融冰期覆冰絕緣子閃絡電壓降低的影響因素之一。

（3）與盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡相比，盤型懸式絕緣子混合凇覆冰閃絡時，電弧并沒有沿冰層外表面發展，而是沿冰層內部發展。雖然無法清晰看到電弧輪廓，但混合凇覆冰閃絡時，電弧都是沿覆冰較少的背風面發展的，這是由于絕緣子背風面的冰比迎風面的冰更易融化[14]，即當電壓較低時，其產生的泄漏電流足以融化背風面的冰，形成一層導電水膜，從而增大泄漏電流，使局部電弧更易發展。此外，盤型懸式絕緣子混合凇覆冰直流閃絡時，會出現電弧忽明忽暗的現象，這已在2.1節中進行了詳細地分析。

綜上所述，盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時放電路徑與復合絕緣子和支柱絕緣子有所不同，且由于自然環境因素或覆冰的影響導致放電路徑千變萬化。為進一步探究盤型懸式絕緣子覆冰閃絡機理，有必要對盤型懸式絕緣子覆冰閃絡放電路徑進行影響因素分析。

3 覆冰絕緣子放電路徑影響因素分析

3.1 覆冰形態對覆冰絕緣子放電路徑的影響

在實際覆冰過程中，由于外界氣候條件的影響，絕緣子自然覆冰的形態多種多樣，就絕緣子覆冰類型而言，大致分為雨凇、霧凇和混合凇三類，而這三類覆冰類型的放電路徑卻大不相同。第2.2節已經分析了盤型懸式絕緣子雨凇覆冰和混合凇覆冰閃絡路徑的差異，由于在進行自然覆冰過程中未出現霧凇的情況，故本文暫不分析盤型懸式絕緣子霧凇閃絡的情況。

此外，同一種類型的絕緣子覆冰，以雨凇為例，由于其冰棱長度、覆冰程度的不同，也會對閃絡時放電路徑產生影響。不同覆冰程度覆冰絕緣子閃絡路徑如圖10所示，根據在雪峰山試驗基地進行的大量試驗觀察得到，對于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱長度越長，放電過程中，電弧越易橋接，電弧越易沿絕緣子干弧距離發展。

3.2 自然風對覆冰絕緣子放電路徑的影響

對絕緣子自然覆冰放電路徑的研究，不可忽略的一個重要因素就是自然風。自然覆冰與人工覆冰不同，自然覆冰的氣候條件不可控，溫度、相對濕度和風速等都是實時變化的，這就會導致其對絕緣子覆冰閃絡放電路徑產生影響，其中，對閃絡放電路徑影響最大的就是自然風，自然風對覆冰絕緣子閃絡路徑的影響如圖11所示。

圖10 不同覆冰程度覆冰絕緣子閃絡路徑

圖11 自然風對覆冰絕緣子閃絡路徑的影響

圖11為自然風速為3～5m/s時覆冰絕緣子閃絡路徑，而圖10中的絕緣子閃絡過程中的風速范圍為0～1m/s，根據圖10和圖11的比較可知，自然風對絕緣子閃絡路徑有很大的影響。當無風或風速較小（0～1m/s）時，電弧一般貼著絕緣子和冰棱表面發展，電弧長度近似等于絕緣子的干弧距離，如圖10b所示。而當風速較大時（3～5m/s），電弧會在風力的作用下產生漂移和變形，電弧長度明顯增加，沿風向飄弧嚴重，導致電弧路徑大都集中在覆冰絕緣子的背風面，如圖11所示。由于自然風的風速和方向都不可控，所以本文只針對自然風對放電路徑的影響進行定性的分析，對于風速對閃絡路徑的影響機理還需在人工氣候室進行進一步試驗研究。

當然，除了覆冰形態和自然風之外，覆冰絕緣子表面狀態和電場分布也會對閃絡路徑造成影響，表面狀態對閃絡路徑的影響主要也是通過改變電場分布造成的，而電場對閃絡路徑的影響已在文獻[22]中進行了詳細的描述，本文不再贅述。

4 結論

本文在雪峰山自然覆冰試驗基地進行了盤型懸式絕緣子覆冰直流閃絡試驗，觀測了盤型懸式覆冰絕緣子閃絡路徑，總結了盤型懸式覆冰絕緣子閃絡路徑的特點，分析了盤型懸式絕緣子覆冰放電發展路徑的影響因素，為研究覆冰絕緣子冰閃機理和建立絕緣子閃絡模型提供了理論基礎，得到的主要結論如下：

1）盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時，電弧總體從兩端向中部發展，而混合凇覆冰放電過程較雨凇覆冰更為復雜。盤型懸式絕緣子混合凇覆冰直流放電過程中由于冰層融化和脫落，電源未能及時提供足夠的能量，會出現多次電弧變暗或“熄弧”現象。

2）覆冰絕緣子閃絡路徑分散性較大，同一覆冰絕緣子串多次閃絡，每次閃絡路徑均不相同；與復合絕緣子和支柱絕緣子相比，盤型懸式絕緣子雨凇覆冰閃絡時，并不是一整條電弧貫穿高壓端和低壓端，而是分段存在，電弧的位置和數量都是隨機的；盤型懸式絕緣子混合凇覆冰閃絡時，電弧在冰層內部，且沿覆冰較少的背風面發展。

3）大量試驗結果表明，覆冰形態和風速對覆冰絕緣子放電路徑有很大的影響。對于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱長度越長，電弧越易橋接。當風速足夠大時，電弧會在風力的作用下產生漂移和變形，電弧路徑大都集中在覆冰絕緣子的背風面。

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Analysis on the DC Discharge Path of Ice-Covered Disc Type Suspension Insulators under Natural Conditions

11112

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co. Ltd Nanchang 330096 China）

Ice-covered insulator flashover seriously affects the safe operation of transmission lines. Studying the discharge path is helpful to improve the discharge theory of ice-covered insulators. However, existing researches lack a systematic analysis on the discharge path. For this reason, this paper carried out DC flashover tests of ice-covered disc type suspension insulators under natural conditions. The whole discharge process and the discharge characteristics were obtained. The results show that the arc generally develops from both ends to the middle during the glaze flashover process, while arc darkening or extinguishing may occur many times for mixed-phase ice. The flashover paths have great dispersion. The arc exists in segments with a random arc length and arc location. Moreover, the ice pattern and wind have a great influence on the discharge path. For glaze icing, the heavier the icing degree, the longer the icicle length is, and the easier the arc is bridged. The arc will drift and deform under the action of wind force, leading to the arc gathering on the leeward side.

Disc type suspension insulator, natural icing, DC discharge, characteristics of discharge path

TM85

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200017

國家電網公司項目（52182017000X）和國家自然科學基金項目（51637002）資助。

2020-01-07

2020-03-06

舒立春 男，1964年生，博士，教授，研究方向為高電壓與絕緣技術、輸電線路覆冰與防護。E-mail: lcshu@cqu.edu.cn

劉延慶 男，1990年生，博士研究生，研究方向為覆冰絕緣子直流閃絡模型。E-mail: liuyanqing@cqu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）