不同配置形式倒T型布置絕緣子串直流冰閃特性研究

黃亞飛 蔣興良 楊國林 朱梅林 陳 宇

不同配置形式倒T型布置絕緣子串直流冰閃特性研究

黃亞飛 蔣興良 楊國林 朱梅林 陳 宇

（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）

倒T型布置方式能有效提高絕緣子串在污穢覆冰條件下的閃絡電壓，降低跳閘事故率，但對其在直流電壓下的冰閃特性卻缺乏研究。該文在人工氣候室內模擬自然覆冰環境，以LXP-70絕緣子為試驗對象，以110kV電壓等級絕緣子串長為基準，開展倒T型布置絕緣子串的直流冰閃試驗，得到不同覆冰度和污穢度下不同配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃特性。試驗結果表明，與普通懸式絕緣子串相比，倒T型布置的絕緣子串的直流冰閃電壓提高了5.40%～12.54%；倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓與等值冰厚及覆冰水電導率均呈負冪函數關系；倒T型絕緣子串的配置方式對其直流冰閃電壓有著顯著的影響。此外，該文得出不同污冰參數（ISP）下不同配置形式倒T型絕緣子串直流冰閃電壓相對于普通懸垂串的提高比例，并通過臨界泄漏電流分析了倒T型布置可以提高絕緣子串直流冰閃電壓的原因。該文結論為不同污穢、覆冰地區輸電線路設計提供了參考。

架空輸電線 絕緣子串 覆冰閃絡 倒T型布置

0 引言

電網覆冰災害防治一直是國內外長盛不衰的重大研究課題。由于電能遠距離輸送的需要，架空輸電線路不可避免地穿越各種復雜重冰區，近年來，由于環境惡化以及極端天氣的頻繁出現，由架空輸電線路絕緣子串冰閃等原因所引發的跳閘斷電事故頻發[1-5]。

長期以來，國內專家學者通過大量研究，解決了電網冰災防治的一系列基礎問題，建立起輸電線路的覆冰增長模型，分析得到輸電線路覆冰的致災機理，提出許多輸電線路冰災防治的措施[6-8]。其中，針對覆冰絕緣子串，國內外的研究人員進行了大量的覆冰閃絡試驗，獲得了一系列的覆冰閃絡數據，這些試驗數據為重冰區輸電線路的設計提供了參 考[9-12]。即便如此，由于輸電線路覆冰事故的復雜性和隨機性，由其引發的各類斷電事故仍然無法杜絕。

針對輸電線路導線覆冰，國內外研究人員提出熱力除冰、機械除冰、自然脫冰等多種除冰方法，然而與之相對的是輸電線路絕緣子串覆冰閃絡事故防治方法的缺乏[13-14]。現有的防止絕緣子覆冰閃絡事故的方法主要局限在絕緣子防冰涂料、增加絕緣子串長以及改變絕緣子串型等方面[6, 15]。但是各類防冰涂料只能在覆冰初期起到一定防冰效果，隨著覆冰進行，覆冰涂料由于憎水性的存在增加了覆冰的粗糙度，反而后期會增加絕緣子的覆冰量。由于受到輸電走廊寬度和塔窗尺寸的限制，單純地依靠增加絕緣子片數來提高冰閃電壓的方法也是不實際的。

通過改變絕緣子串型來增加絕緣子串在覆冰和污穢條件下的絕緣強度被證明是可行的，如倒T型絕緣子串布置方法是新型布置方式，能有效地提高絕緣子串的閃絡電壓，降低重冰區和重污穢地區架空輸電線路的跳閘事故率[16-18]。王涵等通過人工污穢試驗發現，倒T型布置的絕緣子串的污穢閃絡電壓相較于普通懸垂串提高了11.6%～22.3%，并且計算出倒T型絕緣子串在各個污區的串型等效系數，為絕緣子串在污穢地區的使用提供了參考[16]。任曉東等進一步研究了倒T型布置的絕緣子串的污穢閃絡過程，通過仿真手段對倒T型布置的絕緣子串的電場分布進行了分析[17]。畢聰來等在人工氣候室內進行7+2倒T型布置的絕緣子串的交流覆冰閃絡試驗，結果表明，倒T型布置方式可以顯著地提高絕緣子串在覆冰條件下的交流閃絡電壓[18]。以上研究表明了倒T型絕緣子串在交流條件下具有較好的絕緣性能，但是其在覆冰條件下的直流閃絡特性至今仍缺乏研究。

本文在人工氣候室內模擬自然覆冰環境，進行倒T型絕緣子串的直流覆冰閃絡試驗，得到了多種配置形式下倒T型絕緣子串的直流覆冰閃絡特性。同時借助污冰參數和臨界泄漏電流分析了倒T型絕緣子串直流冰閃的過程。本文的研究結果為重冰區直流輸電線路的防冰閃設計提供了參考。

1 試驗裝置和試品以及試驗方法

1.1 試驗裝置

倒T型絕緣子串直流冰閃試驗接線原理如圖2所示。

1.2 試品與布置

本文選擇LXP-70型玻璃絕緣子作為試品，其主要參數見表1。其中，、、分別為單個絕緣子的傘裙直徑、結構高度和爬電距離。

倒T型絕緣子串主要由兩部分組成，除去連接金具以外分為懸垂部分和兩側對稱的水平耐張部分。“+”倒T型絕緣子串表示懸垂部分的絕緣子片數為，水平單側耐張部分的絕緣子片數為。參考110kV輸電線路的常見絕緣子串長的選擇，本研究選擇9片絕緣子進行冰閃試驗。以爬電距離相同為配置原則，除了普通懸垂串以外，本文選擇四種配置形式的倒T型絕緣子串進行冰閃試驗，分別為8+1倒T型絕緣子串、7+2倒T型絕緣子串、6+3倒T型絕緣子串、5+4倒T型絕緣子串，不同配置形式絕緣子串的布置如圖3所示。

圖1 人工氣候室與高壓直流試驗電源

圖2 試驗接線原理

R—調壓器 T—變壓器 Z—倍壓直流試驗電源0—保護電阻 V—分壓器 U—穿墻套管 N—人工氣候室 I—絕緣子串 M—泄漏電流測量裝置 C—計算機

Fig.2 The schematic diagram of test

表1 LXP-70絕緣子參數

Tab.1 Parameters of LXP-70 insulator

圖3 不同配置倒T型絕緣子串布置

1.3 試驗方法

（1）絕緣子預處理

試驗前，對試驗絕緣子進行清洗，去除絕緣子表面油漬和污穢，清洗完后將絕緣子懸掛在試品架上自然晾干。

（2）污穢程度的表征

本次試驗采用改變覆冰水電導率20（校正到20℃）的方法來模擬絕緣子表面不同的污穢程度。采用NaCl和去離子水配置試驗所需不同濃度的覆冰水。為了研究污穢程度對冰閃電壓的影響，表征不同的污穢等級，試驗中選取250mS/cm、500mS/cm、750mS/cm、1 000mS/cm四種覆冰水電導率值進行冰閃試驗；其依次對應大氣清潔地區、大氣輕度污染地區、大氣中度污染地區、大氣重度污染地區[21]。

（3）覆冰程度的表征

本次試驗采用檢測旋轉圓柱體上的等效覆冰厚度eq來表征絕緣子的覆冰程度。圓柱體直徑為28mm，長度600mm，旋轉速度為1rad/min。為了研究覆冰程度對冰閃電壓的影響，試驗中選取5mm、10mm、15mm、20mm四種等效覆冰厚度進行擊穿試驗；其依次對應微覆冰地區、輕度覆冰地區、中度覆冰地區、重度覆冰地區情況[22]。

（4）人工覆冰

將倒T型絕緣子串安裝在人工氣候室內，打開制冷系統進行降溫，待達到預定覆冰溫度后，打開人工氣候室的噴淋系統與風循環系統，開始覆冰。絕緣子串覆冰到達預定值后，關閉噴淋系統，停止覆冰。由于雨淞覆冰對電力系統的危害最大，絕緣子覆冰閃絡電壓最低，因此，試驗中對絕緣子進行雨凇覆冰。具體覆冰試驗參數見表2。絕緣子頂部安裝DEG-50kg拉力傳感器，測量精度為0.02%，實時測量絕緣子的覆冰重量。

表2 覆冰試驗參數

Tab.2 Parameters of icing test

（5）閃絡試驗

由于覆冰絕緣子串的閃絡多發于融冰期，因此，閃絡試驗中通過U型曲線法獲得覆冰絕緣子串在融冰期的最低直流閃絡電壓f[19-20]。U型曲線法即在絕緣子融冰過程中進行一系列的反復擊穿試驗，相鄰閃絡試驗之間的時間間隔為3～5min，直至絕緣子串上的覆冰完全融化。取該過程中最低的閃絡電壓值為絕緣子串的直流閃絡電壓f，即

2 倒T型絕緣子串直流冰閃特性

2.1 不同配置絕緣子串直流冰閃特性

不同配置形式的絕緣子串在不同污穢程度20和覆冰程度eq時的直流冰閃電壓如圖4所示。可以看出：①各種配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓隨著污穢程度20的增加而減小，同時也隨著覆冰程度eq的增加而減小。②對比圖4a～圖4e，倒T型絕緣子串的配置形式對直流冰閃電壓有顯著影響。隨著倒T型絕緣子串水平部分的增加，絕緣子串的直流冰閃電壓在逐漸增加。

2.2 覆冰程度對直流冰閃電壓的影響

不同配置形式下，絕緣子串f和eq的關系如圖5所示。

分析圖5中的結果，不同配置形式絕緣子串的直流冰閃電壓與等效覆冰厚度之間滿足負冪函數[4]關系

式中，為與絕緣子類型、污穢程度以及配置形式有關的常數；為表征等效覆冰厚度對直流冰閃電壓影響的影響指數。圖5中各組數據的擬合參數見表3。

表3 絕緣子串f與eq擬合參數

Tab.3 The fitting parameter of Uf with Deq

從圖5和表3中可以看出：

（1）各種配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓隨著eq的增加而減小，但是減小速度在逐漸下降。即在覆冰初期，倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓隨著覆冰程度的增加迅速降低。而覆冰進入中后期，絕緣子串的直流冰閃電壓隨著覆冰程度的增加降低的速度變緩。這是因為絕緣子串的直流冰閃電壓與絕緣子傘裙冰棱長度和橋接數量密切相關。覆冰初期冰棱的伸長和數量的增加將顯著降低倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓，但是到了中后期，絕緣子傘裙已經被冰棱完全橋接，這時覆冰程度再增加對倒T型絕緣子串直流冰閃電壓的影響就不如前期明顯。

（2）參數與絕緣子串的污穢程度20密切相 關，對不同配置的絕緣子串而言，均隨著20的增加而單調減小。以5+4倒T型絕緣子串為例，20從250mS/cm增加到500mS/cm、750mS/cm和1 000mS/cm，由依次減小13.20%、19.37%和24.57%。

（3）絕緣子串的配置形式對參數有顯著的影響，從表中數據可以看出，倒T型布置絕緣子串的值要大于普通懸垂串。9+0普通懸垂串、8+1倒T型絕緣子串、7+2倒T型絕緣子串、6+3倒T型絕緣子串、5+4倒T型絕緣子串的平均值依次為0.219、0.197、0.191、0.203、0.211。可以推測，倒T型絕緣子串直流冰閃電壓受覆冰程度的影響要小于普通懸垂串。

2.3 污穢程度對直流冰閃電壓的影響

不同配置形式下，絕緣子串絕f和20的關系如圖6所示。

分析圖6中的結果，不同配置形式絕緣子串的直流冰閃電壓與覆冰水電導率之間也滿足負冪函 數[4]關系

式中，為與絕緣子類型、覆冰程度以及配置形式有關的常數；為表征覆冰水電導率對直流冰閃電壓影響的影響指數。圖6中各組數據的擬合參數見表4。

表4 絕緣子串f與20擬合參數

Tab.4 The fitting parameter of Uf with g20

從圖6和表4中可以看出：

（1）各種配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓隨著20的增加而減小，但是減小速度在逐漸下降。因為倒T型絕緣子串直流冰閃電壓與冰層和冰層水膜中的導電離子濃度相關。當覆冰水電導率較小，閃絡發展過程中的導電離子濃度不足，此時，覆冰水電導率的增加將顯著地減小倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓。但是，當覆冰水電導率增加到一定的程度，導電離子濃度已經不再是影響閃絡發展的關鍵約束，所以，隨著覆冰水電導率的持續增加，其對倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓的影響在逐步減弱。

（2）參數與絕緣子串的覆冰程度eq密切相關，對不同配置的絕緣子串而言，均隨著eq的增加而單調減小。以6+3倒T型絕緣子串為例，eq從5mm增加到10mm、15mm和20mm，依次減小16.22%、16.60%和21.37%。

（3）絕緣子串的配置形式對參數同樣有顯著的影響，從表4中數據可以看出，倒T型布置絕緣子串的值要大于普通懸垂串。9+0普通懸垂串、8+1倒T型絕緣子串、7+2倒T型絕緣子串、6+3倒T型絕緣子串、5+4倒T型絕緣子串的平均值依次為0.258、0.223、0.236、0.232、0.232。可以推測，倒T型絕緣子串直流冰閃電壓受污穢程度的影響要小于普通懸垂串。

3 分析與討論

3.1 冰閃電壓與污冰參數的關系

由以上試驗結果可知，覆冰絕緣子串直流閃絡電壓隨著覆冰程度的增加而降低，同時也隨著污穢程度的增加而降低。倒T型絕緣子串在覆冰條件下的直流電氣強度和這兩個因素緊密相關。根據研究，通過覆冰閃絡過程中的污冰參數ISP可以同時表征覆冰程度和污穢程度對絕緣子直流冰閃電壓的影 響[6]。ISP（mS·kg/cm）定義為覆冰水電導率與絕緣子串平均單片覆冰量（kg）的乘積。即

式中，w的數值由絕緣子串頂端的拉力傳感器實時測量得到。根據式（4）計算出不同配置形式絕緣子串的直流冰閃電壓隨ISP變化規律，如圖7所示。可以看出，各種配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓均隨著ISP的增加而減小，同時隨著倒T型絕緣子串水平部分的增加，絕緣子串的直流冰閃電壓在逐漸增加。

分析圖7中的結果，不同配置形式絕緣子串的直流冰閃電壓與ISP之間也滿足負冪函數[4]關系

式中，為與絕緣子類型以及配置形式有關的常數；為表征污穢和覆冰程度對絕緣子串直流冰閃電壓影響的影響指數。圖7中各組數據的擬合參數見表5。

表5 絕緣子串f與ISP擬合參數

Tab.5 The fitting parameter of Uf with ISP

從表5中可以看出，倒T型布置絕緣子串的值要大于普通懸垂串。說明倒T型絕緣子串直流冰閃電壓受污穢程度和覆冰程度的影響要小于普通懸垂串，這與之前的結論一致。

為了更好地比較不同配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓的差異，計算了不同污冰參數時相較于普通懸垂串的直流冰閃電壓提高百分比見表6。可以看出，隨著倒T型絕緣子串水平部分的增加，絕緣子串的直流冰閃電壓在逐漸增加。同時隨著污冰參數的增加，各種配置形式倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓提高百分比也在增加，說明其更適合重污穢和重覆冰地區使用。

表6 直流冰閃電壓提高百分比

Tab.6 Increase percentage of Uf

3.2 倒T型絕緣子串直流閃絡過程泄漏電流分析

為了分析不同倒T型布置絕緣子串冰閃電壓之間差異的原因，對其在直流閃絡過程中的泄漏電流進行分析。在本研究中，選取不同絕緣子串的臨界泄漏電流m作為特征參數進行分析[22]。倒T型絕緣子串的泄漏電流分布如圖8所示，其中，1、2、3分別通過為兩個水平部分的泄漏電流以及通過垂直部分的泄漏電流。從圖中可以看出，倒T型絕緣子串的水平部分起到了分流的作用。

為了分析倒T型絕緣子串在直流冰閃過程中的泄漏電流的變化情況，選取一組數據展開分析。圖9為7+2絕緣子串在等效覆冰厚度為15mm、覆冰水電導率為500mS/cm時閃絡前夕泄漏電流發展情況。可以看出，閃絡發生以前，倒T型絕緣子串兩側水平部分都有泄漏電流通過，懸垂部分的泄漏電流為兩側水平部分泄漏電流的總和。閃絡發生前，泄漏電流在極小的時間段內保持相對穩定，隨即發生閃絡，這時的電流m即為覆冰閃絡的臨界閃絡電流。從圖中可以看，閃絡只會發生在水平部分的一側，閃絡發生時懸垂部分與閃絡水平閃絡側的電流迅速增大，而未閃絡側的泄漏電流也迅速減小，因為對未閃絡側而言，一旦閃絡發生其相當于被短路。

圖8 倒T型絕緣子串泄漏電流分布示意圖

圖9 泄漏電流隨時間的變化

圖10給出了幾組不同污穢和覆冰程度下臨界閃絡電流m隨著不同絕緣子配置形式的變化情況。可以看出，隨著水平段的增加，絕緣子串的臨界閃絡電流在逐漸下降。這是因為冰棱由于重力作用是向下生長的，所以，倒T型絕緣子串水平部分不會被冰棱橋接，其絕緣子的爬電距離也將會得到充分的利用，相當于抑制了泄漏電流的發展，所以水平串長的增加將導致臨界閃絡電流的減小。臨界閃絡電流較小，局部電弧發展不充分，閃絡過程受到抑制，進而導致了較高的閃絡電壓。臨界閃絡電流的變化規律很大程度上解釋了倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓相較于普通懸垂串有一定程度的提高的原因，并且隨著水平串長的增加提高會更加明顯。

圖10 絕緣子配置對臨界泄漏電流影響

雖然對倒T型絕緣子串而言，增加水平部分串長將帶來直流絕緣強度的提升，但是水平串長的增加將導致絕緣子片數的增加，進而導致輸電線路建造和成本的增加。如7+2倒T型絕緣子串的絕緣子片數是11，而6+3倒T型絕緣子串絕緣子片數是12。其次，懸垂和水平串長比例的變化將導致絕緣子串最短絕緣距離的變化。因此，實際中需要分析具體工程設計和經濟情況選擇最優的倒T型絕緣子串配置方案。

4 結論

本文的主要結論如下：

1）倒T型布置方式可以顯著提高絕緣子串的直流冰閃電壓。覆冰閃絡試驗結果表明，與普通懸式絕緣子串相比，倒T型布置的絕緣子串的直流冰閃電壓提高了5.40%～12.54%。

2）倒T型絕緣子串的具體配置方式對其直流冰閃電壓有著顯著的影響，隨著水平串長的增加，其直流冰閃電壓也將增加。但是其最優的配合方案需要根據具體工程設計和經濟情況進行選擇。

3）倒T型絕緣子串的直流冰閃電壓與等值冰厚eq、覆冰水電導率20以及污冰參數ISP之間均呈負冪函數關系。

4）倒T型絕緣子串的直流閃絡臨界泄漏電流m小于普通懸垂串，并且隨著水平串長的增加而減小。

5）倒T型絕緣子串更適合重污穢和覆冰地區使用。本文結論為不同污穢、覆冰地區輸電線路設計提供了參考。

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DC Flashover Characteristics of the Iced-Covered Inverted T-Type Insulator Strings with Different Configuration

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

The inverted T-type configuration can increase the flashover voltage of insulator strings under icing and contamination conditions. However, there are few studies on its DC icing flashover characteristics. In this paper, DC icing flashover tests are performed in artificial climate chamber. The DC icing flashover characteristics of different inverted T-type insulator strings are obtained under different ice and contamination conditions. The results show that the DC icing flashover voltage of the inverted T-type insulator string is increased by 5.40%～12.54% compared with the ordinary suspension insulator string. Meanwhile, the DC icing flashover voltage has a negative power function relationship with the equivalent ice thickness and the electric conductivity of icing water. And the configuration of the inverted T-type insulator string has a great effect on the DC icing flashover voltage. In the end, the relationship between the DC icing flashover voltage and theice stress parameteris obtained. At the same time, the DC icing flashover voltage of the inverted T-type insulator string is analyzed by the critical leakage current. The conclusion of this paper provides a reference for the transmission line design in different icing and contamination areas.

Overhead transmission line, insulator strings, icing flashover, inverted T-type arrangement

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces. 200694

TM85

國家電網公司總部科技資助項目（521999180006）。

2020-06-22

2020-09-27

黃亞飛 男，1994年生，碩士研究生，研究方向為復雜大氣環境下輸電線路外絕緣及防護。E-mail: huangyafei@cqu.edu.cn（通信作者）

蔣興良 男，1961年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為輸電線路覆冰災害防護與高電壓絕緣技術。E-mail: xljiang@cqu.edu.cn

（編輯 崔文靜）