间插布置方式对交流绝缘子串覆冰特性影响

张志劲 蒋兴良 胡建林 孙才新

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044）

1 引言

近年来，覆冰闪络在我国不同电压等级输电线路时有发生，严重威胁了电力系统安全运行[1]。特别是2007 年底至2008 年2 月，湖南、安徽、贵州、江西等地遭遇了罕见的冰灾事故，导致电网结构遭到破坏和大面积停电，给国民经济造成巨大经济损失，据统计，截至2008 年2 月12 日，我国电网此次受损停运电力线路达 35968 条，停运变电站共1731 座，110～500kV 线路倒塔8868 基。

20 世纪50 年代以来，输电线路覆冰严重的俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛等国家相继投入技术力量对其进行长期观测和研究，探索研究输电线路覆冰的机理、覆冰绝缘子串闪络特性等。我国自20 世纪70 年代以来，武汉高压研究所、重庆大学、武汉大学、中国电力科学研究院等对输电线路覆冰绝缘子闪络特性进行了研究，取得了许多研究成果[1～26]。

为提高输电线路绝缘子冰闪电压，国内外对插花布置、V 型或倒V 型布置和PRTV 涂料[2-7,14,19-21]等开展了研究：文献[2]研究结果表明V 型串比I 型串的闪络电压高70%。文献[3]通过对不同布置方式的绝缘子串覆冰交流闪络特性进行研究得出由于不同布置方式下覆冰的差异和伞裙间距增加而改变了绝缘子的覆冰特性，使得绝缘子串的布置方式对其交流覆冰闪络特性影响很大，因此V 型串的交流覆冰闪络电压比相同长度的悬垂串的闪络电压高，而水平布置的闪络电压又比V 型布置的闪络电压高；文献[4]研究表明冰闪电压与绝缘子串布置方式有关，水平布置时冰闪电压最高，V 型布置方式次之，垂直布置方式时冰闪电压最低；文献[5]研究表明PRTV 涂料在覆冰初期具有延缓覆冰的作用，但在严重覆冰过程中则没有明显效果，其冰闪电压降低7%～15%；文献[6]研究了“3+1”组合的4 片串绝缘子的覆冰特性，指出间插布置可延长冰棱桥接时间。文献[14]提出参考盘形悬式绝缘子串采用“3+1”或“5+1”的方式加装增爬裙可提高冰闪电压。

综上，为保证输电线路塔头结构和尺寸不变，采用间插布置方式提高绝缘子串冰闪电压是线路防冰改造比较适用的方法之一。但采用何种间插布置方式以及大盘径绝缘子的盘径尺寸如何选择将影响其防冰效果。随着西电东送、南北互供、全国联网电力发展战略的实施和1000kV 特高压交流输电线路、±800kV 直流输电线路的建设，覆冰问题将成为影响高压、超特高压输电线路安全运行的严重隐患之一。本文从电场角度分析不同间插布置方式及大盘径绝缘子的盘径尺寸选择对交流覆冰绝缘子串覆冰特性影响，并进行实验验证，其研究结果可为输电线路绝缘子串防冰闪措施提供参考。

2 覆冰绝缘子串电场仿真计算模型

对于污秽绝缘子和覆冰绝缘子，由于其表面泄漏电流的存在，绝缘子沿面电位分布主要由表面泄漏电流所决定，此时杆塔和导线对绝缘子沿面电场分布影响很小。因此，本文在建立覆冰绝缘子的电场模型时，忽略了杆塔和导线对绝缘子表面电场分布的影响；同时，为了简便起见，所有的覆冰情况均视为均匀覆冰，即对于绝缘子表面每一处的冰层厚度和水膜厚度取为一致。因此，覆冰绝缘子未起弧前的电场分布模型可视为轴对称模型（如图1 所示，边界ab 按实际设为地，绝缘子高压端离边界ab 距离为实际杆塔呼称高度，边界da 是对称轴，bc 边界和cd 边界是人工截断边界），其场域内各处的电位仅仅是（r,z）的函数，而跟φ 无关，可以用二维轴对称电场求解方法对其电场分布进行求解。

图1 覆冰绝缘子电场计算物理模型 Fig.1 The electric field calculation physical model of ice-covered insulator

对于交流覆冰绝缘子来说，由于电源电压随着时间t 做角频率为ω 的变化，此时电场的变化将会产生位移电流，因此，整个场域电场分布既不是恒定电流场，也不是完全意义上的静电场。泄漏电流的存在使得覆冰绝缘子的沿面电场分布呈阻容性。因此，用恒定电流场或者静电场法求解覆冰绝缘子的沿面电场分布将产生误差。

文献[8]采用的在复数域中求解污秽绝缘子电场分布的方法可以用于覆冰绝缘子电场分布的计算。这种方法利用复介电常数代替介电常数对Laplace 或者Possion 方程求解，即用 jρ ωε+ 代替Laplace 方程或Possion 方程中的ε 来求解。这种方法简单易用，对整个有限元方程的求解不需要进行大的变化，只需对有限元方程中的介电常数用复介电常数代替即可。对于覆冰状态下的交流覆冰绝缘子，在图1 所示的二维轴对称场中其电位分布应满足：

（1）在整个求解域内

（2）在高压端和接地端的边界上

此时，高压端上的电位取为绝缘子上所施交流电压的幅值。

（3）在对称轴上

（4）在两种电介质的边界上

（5）在边界bc 和cd 上（见图1）

式中，φ 为电位；ε 为介质的介电常数；ρ 为介质的电导率；ω 为电源角频率。

利用有限元法求解以上方程，即是求解以下的变分方程组

为验证覆冰物理模型的可行性，分别采用有限元法（Femlab 仿真软件）和小球法对间插布置方式下覆冰绝缘子串电位分布进行了仿真计算和实验。文献[9]采用边界元法（BEM）的Coulomb 3D 软件对加拿大魁北克市电网735kV 电站支柱瓷绝缘子的短样进行了覆冰情况下电场分布的模拟计算，并得到了实验验证。本文采用了与文献[9]相同的参数进行仿真计算，即取空气介电常数 1.0，冰介电常数75.0，玻璃介电常数4.0，水膜介电常数81.0，水膜电导率 80μS/cm，水膜厚度 0.15mm，冰电导率1μS/cm，玻璃电导率0μS/cm。另外根据覆冰试验结果[9]，冰棱末端半径和张角分别取2.5mm 和18˚。

试品采用FC−100/146 和FC−100D/146 玻璃绝缘子，其结构形状与参数见表1。

对21 片串FC−100/146 覆冰玻璃绝缘子串（绝缘子的覆冰厚度上表面9mm，下表面2mm）的电位分布进行了仿真计算和实验，结果如图2 所示（绝缘子编号从接地端至高压端分别为1，2，3，…，21＃，间插布置即第 5＃，9＃，13＃，17＃绝缘子为FC−100D/146）。

表1 试品绝缘子的基本技术参数 Tab.1 Parameters of test specimens

图2 覆冰绝缘子串电压分布曲线 Fig.2 Potential distribution of ice-covered insulator string

从图2 可以看出：

（1）对于常规布置下的覆冰绝缘子串，除高压端绝缘子外，电压分布较为均匀。1＃～20＃各片绝缘子所占电压百分比在4%～6%之间，高压端绝缘子所占电压百分比达12%。

（2）采用间插布置方式后的覆冰绝缘子串电压分布发生了严重畸变，除高压端绝缘子承受较高的电压外，加装大盘径绝缘子位置的电压分布也较高，如采用小球法测量时，5＃，9＃，13＃，17＃绝缘子所占的电压百分比分别为10.5%、8.9%、8.8%和9.7%，高压端绝缘子占10.8%，但均比常规布置方式下覆冰绝缘子串最大电压百分比小，因此有利于防止局部电弧的产生和发展。

（3）采用小球法和有限元法所得到的覆冰绝缘子串电位分布的规律是一致的，这也验证了本文仿真计算模型的合理性。仿真计算过程中绝缘子覆冰形状无法与实际情况完全一致是造成误差的主要原因。

3 不同间插布置方式对覆冰绝缘子串的电场分布影响

由于覆冰绝缘子串闪络过程主要取决于局部电弧的产生和发展过程，因此采用合理的间插布置方式以改善绝缘子串电场分布从而防止局部电弧的产生和发展对避免绝缘子串发生冰闪是十分有利的。利用上述仿真计算模型，对21 片不同间插布置方式下FC−100/146 覆冰玻璃绝缘子串的电场分布进行了仿真计算。由于文献[10-11]试验结果表明融冰期绝缘子覆冰闪络电压远低于覆冰期。文献[12-13]试验发现，当绝缘子串被冰棱桥接2/3 以上时，其覆冰闪络电压则最低。因此本文从最严酷的情况考虑，即覆冰绝缘子串为湿冰，取覆冰层厚度上表面为10mm，下表面为2mm，冰棱长度为绝缘子间距的2/3 电场进行仿真计算（由于此条件下的覆冰绝缘子串闪络电压约为300kV[14]，因此本文仿真时高压端取300kV），电场分布典型仿真结果如图3 所示，间插布置绝缘子串电场分布发生了较大的变化，小伞冰棱与大伞上表面、大伞冰棱与小伞边缘这两处空气间隙的等位线密度明显增大，电场强度也相应增高。因此，间插布置的绝缘子串要取得较好的闪络特性，就必须使这两处电场强度不能产生过大的畸变，否则会过早地产生局部电弧，使绝缘子串爬电距离减小，导致覆冰闪络电压的降低。

图3 覆冰绝缘子串沿面电场分布 Fig.3 The electric field distribution along the surface of ice-covered insulator string

对不同间插布置方式下覆冰绝缘子电场分布进行仿真计算，得到各种间插布置方式下覆冰绝缘子串沿面最大电场强度结果见表2。

表2 不同布置方式下的最大电场强度 Tab.2 The maximum electric field strength under different connected types

从表2 可以看出：不同间插布置方式下覆冰绝缘子串的电场分布是不同的，对于“2+1”、“3+1”、“4+1”、“5+1”四种不同间插布置方式，覆冰绝缘子串沿面最大电场强度分别为 21.8kV/cm、19.7kV/cm、20.1kV/cm、24.5kV/cm。因此，从改善电场强度分布角度考虑，“3+1”和“4+1”间插布置方式较好。

大盘径绝缘子的盘径影响覆冰绝缘子串电场强度分布，以“3+1”间插布置方式为例，仿真计算结果见表3。

表3 不同盘径下的最大电场强度 Tab.3 The maximum electric field strength under different diameter shed of insulator

从表3 可以看出：随着盘径的增大，覆冰绝缘子串沿面最大电场强度逐渐减小，但盘径增加到一定程度后，其最大电场强度减弱趋于饱和。而文献[15]结果表明，绝缘子盘径越大，水滴的碰撞系数也越大，即从覆冰量角度考虑，绝缘子盘径越小越好。综合以上两点考虑，对于防冰闪来说，大盘径绝缘子的盘径比正常绝缘子大100～150mm 即可。

4 不同间插布置方式下绝缘子串覆冰特性试验

4.1 试验装置及试验方法

4.1.1 试验装置

（1）人工气候室：人工气候室的直径为7.8m、高11.6m，其最低温度可达（−45±1）℃，可模拟不同条件下的覆冰状况。

（2）工频试验变压器：工频试验变压器的电压/容量为500kV/2000kVA，额定电流4A，最大短路电流75A，符合IEEE 覆冰试验标准[11]。

4.1.2 试验方法及过程

（1）试品染污与覆冰：本文采用固体涂层法[17]进行覆冰前染污，即根据试验盐密（SDD，mg/cm2）和绝缘子表面积计算出所需NaCl 和硅澡土的量，将 NaCl 和硅澡土加入一定量去离子水（电导率 ＜10μS/cm（20℃））中，充分调拌后均匀涂覆在试品绝缘子的绝缘体表面，待其污层自然充分干燥后，用电导率为80μS/cm（20℃）的覆冰水喷雾进行覆冰。

（2）覆冰程度的表征：绝缘子冰闪特性与覆冰程度有关，采用何种特征参量来表征绝缘子的覆冰程度目前国内外尚未达成共识[11,18,22-26]。为表征绝缘子在相同环境条件下的覆冰及电气特性，本文以直径20mm、旋转速度为1r/min 的旋转圆柱钢管上的覆冰厚度（见图4）作为特征量。

图4 监测覆冰厚度的旋转导体 Fig.4 Rolling conductor monitoring the ice thickness

（3）加压方式：试验采用U 形曲线法[11]获得覆冰绝缘子最低闪络电压，即当绝缘子串覆冰达到预定要求时，停止喷雾并继续冷冻约15min 后打开人工气候室的密封门，放进暖空气使冰层按要求的速度逐渐融化，环境温度达到冰层即将融化温度时（−1.0～0℃），采用均匀升压法对绝缘子进行多次闪络试验，每相邻2 次闪络试验之间的时间间隔约为3min。当绝缘子表面冰层完全融化和脱落时试验终止。

由以上步骤得到的覆冰绝缘子串交流闪络电压Uf与闪络次数N 或融冰时间的关系呈U 形曲线，U形曲线的最低点则为最低闪络电压Ufmin，可表示为

4.2 不同间插布置方式下绝缘子串覆冰情况

对不同间插布置方式下绝缘子串覆冰增长情况开展对比试验研究，典型覆冰效果如图5 所示。

图5 各间插布置方式下绝缘子串覆冰状态 Fig.5 Icing results for insulator strings under different connected types

试验结果表明，不同间插布置方式下绝缘子串覆冰增长有差异：

（1）当旋转导体监测覆冰厚度为5mm 时，常规串每片绝缘子均出现冰棱增长且平均长度约为60～80mm，间插方式下常规型绝缘子基本未见冰棱，大盘径绝缘子出现冰棱增长且平均长度约为40～60mm。

（2）当旋转导体监测覆冰厚度为10mm 时，常规串绝缘子已经被冰棱完全桥接，“2+1”间插方式大盘径绝缘子间基本被桥接，“3+1”和“4+1”间插方式下大盘径绝缘子间未被桥接，其冰棱平均长度约为220～280mm，但远离大盘径绝缘子的常规绝缘子出现了冰棱增长现象且平均长度约为 20～60mm。

（3）当旋转导体监测覆冰厚度为15mm 时，常规串绝缘子被冰棱完全桥接且冰棱很粗，“2+1”间插方式大盘径绝缘子间完全被桥接且冰棱很粗，“3+1”和“4+1”间插方式下大盘径绝缘子间未被桥接，其冰棱平均长度约为320～380mm，远离大盘径绝缘子的常规绝缘子冰棱平均长度约为 80～120mm。

（4）当旋转导体监测覆冰厚度为20mm 时，常规串绝缘子间和“2+1”间插方式大盘径绝缘子间完全被冰包裹形成冰柱，“3+1”和“4+1”间插方式下大盘径绝缘子间未被桥接，其冰棱平均长度约为360～420mm，远离大盘径绝缘子的常规绝缘子出现了冰棱桥接现象。

由此可见，“3+1”和“4+1”间插布置方式对减缓绝缘子冰棱桥接速度也是比较有效的。

4.3 不同间插布置下绝缘子串交流覆冰闪络特性

对不同间插布置方式下绝缘子串交流冰闪特性开展对比试验研究，试验结果见表4。

表4 覆冰绝缘子串试验结果 Tab.4 Test results of the icing insulator stings

由表4 可以看出：

（1）采用合理的间插布置方式可以有效提高覆冰绝缘子串的闪络电压。试验结果表明，“3+1”和“4+1”间插布置方式下绝缘子的覆冰闪络电压较高。例如当监测导体覆冰厚度为10mm，SDD 分别为0.05、0.08 和0.15 时，“3+1”间插布置方式下绝缘子串的覆冰闪络电压分别比常规布置下的高14.6%、15.9%和18.1%；“4+1”间插布置方式下绝缘子串的覆冰闪络电压分别比常规布置下的高12.0%、13.1%和10.1%。

（2）覆冰前表面污秽对绝缘子冰闪电压有影响，且随着盐密的增加，绝缘子冰闪电压降低。由文献[12,16]可知，绝缘子交流冰闪电压与盐密满足幂函数关系，对表4 数据进行拟合得

由此可知，不同间插布置方式下绝缘子串交流冰闪电压受污秽影响的程度不同，其中“3+1”间插布置方式下冰闪电压受污秽的影响最小。

5 结论

（1）建立了覆冰绝缘子串电场模型并验证其合理性。采用间插布置方式时将改变覆冰绝缘子串的电位分布，大盘径绝缘子位置的电位分布所占比例急剧增加但仍比常规布置下的最高电位小。

（2）采用合理的间插布置方式和选择恰当的大盘径绝缘子直径可以改善覆冰绝缘子串的电场分布并有效减缓覆冰绝缘子串的冰棱增长速度。

（3）试验结果表明合理的间插布置方式和选择恰当的大盘径绝缘子直径可以有效提高覆冰绝缘子串交流冰闪电压。

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