750kV防冰型复合绝缘子冰闪试验研究

南敬，李学林，徐涛，许佐明，万小东，姚涛，刘琴，李金，蔡林，贾如

（中国电力科学研究院，武汉市 430074)

0 引 言

随着我国超、特高压电网的建设和发展，输电线路走廊不可避免地要穿越覆冰、污秽、高海拔等复杂环境地区。然而，由于覆冰外绝缘的复杂性，以及对其认识的有限性，还没有覆冰外绝缘配置方法和依据，因此，现有的线路设计规程主要以污秽外绝缘来确定绝缘子的配置。覆冰后绝缘子的电气特性明显下降，绝缘子覆冰闪络是输电线路发生故障的主要原因之一。因此，如何提高超、特高压输电线路抵御冰害的能力，保证线路安全可靠运行，已经成为我国超、特高压输电线路工程设计中不可回避的问题。

复合绝缘子以其质量轻、机械强度高、防污性能好、便于维护等特点而得到广泛应用［1］。由于伞间距离较小、伞径较小，在覆冰的情况下，普通复合绝缘子的部分伞裙很容易被冰棱桥接，有效爬电距离缩短，使得大部分电压由复合绝缘子高压端附近处冰棱与伞裙间的空气间隙承担，并使得这些空气间隙场强迅速增大而导致电弧的产生。因此，覆冰后复合绝缘子电气性能急剧下降。多年的运行经验表明，普通复合绝缘子在防止冰闪故障方面存在的缺陷，需要对覆冰环境中复合绝缘子伞群结构进行优化研究。

国内外已经针对绝缘子冰闪特性和冰闪机理进行了大量试验研究和理论分析。文献［2］认为，覆冰绝缘子放电与污秽绝缘子放电相似，其放电过程也是由表面泄漏电流引起的，覆冰是一种特殊形式的污秽。文献［3］指出复合绝缘子由于其表面材料的憎水性和较小的伞群间距，伞群间隙更容易被冰棱桥接。文献［4-6］指出采用大小盘径绝缘子交替布置可以提高冰闪电压，但采用何种布置方式还需进行大量的研究。文献［7］表明V型布置方式可以有效减少伞群桥接，进而提高冰闪电压。

目前，超高压线路长串绝缘子模拟真型布置情况的冰闪试验数据相对较少，而特高压长串绝缘子伞形优化试验数据几乎没有，现有的试验数据还不能充分指导我国超、特高压输电线路覆冰情况下的外绝缘配置。为提高我国电网输电线路的防冰闪能力，为输电线路建设、运行和维护提供指导，开展超高压线路模拟真型布置长串绝缘子冰闪特性的研究非常重要。

本文冰闪试验研究的结果表明，冰闪电压随着防冰伞数量的增加呈上升且逐渐饱和的趋势，但提升不明显，选择合理的防冰伞裙间距离及伞径可提高复合绝缘子的冰闪电压。

1 试验条件及试验方法

1.1 试验条件

复合绝缘子冰闪特性试验在国家电网公司武汉特高压交流试验基地大型环境气候实验室进行。环境气候实验室配备1 000 kV串级式绝缘外筒试验变压器，如图1所示，以下中级串联1 000 kV/6 A用作覆冰试验电源，下级和中级串联的阻抗电压为7.29%。调压器和试验变压器的阻抗电压按照最大取5%和8%核算，保护电阻3～9 kΩ，R/X＞0.59，I s c＞16 A。

图1 环境实验室Fig.1 Artificial climate laboratory

1.2 试验方法

覆冰绝缘子的电气特性可用耐受特性和闪络特性来表征，IEEE工作组推荐使用的方法为最大耐受电压法和50%闪络电压法（U50)，国内蒋兴良等［7-10］常用的方法还有平均闪络电压法和最低闪络电压法（U形曲线法)。

参照G B311.1—1997《高压输变电设备的外绝缘配合》和G B/T16927.1—1997《高电压试验技术》的有关规定，以及我国通常采用50%闪络电压作为设计参数的实际情况，本试验采用定量涂刷法模拟自然污秽，采用50%闪络电压法来表明覆冰复合绝缘子的闪络特性。

每一次试验施加的电压水平应按升降法变化，电压级差应不大于预期的50%闪络电压的10%。

50%闪络电压及其标准偏差使用如下公式计算：

式中：Ui为施加的电压水平，kV;ni为在相同的施加电压水平Ui下进行试验的次数;N为有效试验的次数。

覆冰复合绝缘子冰闪电气试验流程如图2所示。

图2 覆冰绝缘子的电气试验方法Fig.2 Electrical testmethod of iced insulator

1.3 试品选择及布置

本试验采用4种不同大伞个数的750 kV复合绝缘子，见图3。伞表面积、伞径、伞形及伞间距如表1所示。

将绝缘子直立地挂放于环境气候实验室中的覆冰均匀区域内，并完整地装上金属附件。除绝缘子的支持结构物以及喷嘴柱（覆冰用)以外，绝缘子的任一部件与任何接地物体之间的最小间距为每100 kV试验电压不应小于0.5 m，并且在任何情况下不应小于1.5 m。支持结构以及带电金属部件的布置，至少在绝缘子的最小间距内应模拟运行中的预计情况。

图3 绝缘子试品Fig.3 Insulator in test

表1 不同伞形结构参数Tab.1 Structural param eters of insulatorsw ith different umbrellas

2 覆冰试验及结果分析

以带电覆冰、盐密/灰密（ρSDD/ρNSDD)=0.08/ 0.48 m g/c m2、15 m m覆冰、带均压环和模拟导线情况下的带70%相电压覆冰来分析10个超大伞防冰伞绝缘子的冰闪放电过程，图4为冰闪泄漏电流波形。

图4 覆冰绝缘子冰闪过程泄漏电流波形Fig.4 Leakage current waveform of iced insulator in flashover process

图5（a)～（j)为融冰期间从开始产生局部电弧放电到闪络的过程。

图5 覆冰绝缘子闪络放电过程Fig.5 Flashover process of iced insulators

通过覆冰绝缘子闪络放电过程可见，融冰期间闪络过程大致经历了电晕放电、间歇性局部电弧、白色电弧和闪络4个发展阶段。在一定的外施电压下，覆冰绝缘子能否发生闪络关键在于白色电弧能否形成并发展到临界长度。一般情况下，当泄漏电流大于900 m A时，白色电弧开始形成，白色电弧前期发展比较缓慢。大量试验表明，当白弧发展到一定长度时（约为绝缘子串2/3的干弧距离)，剩余的冰层很难耐受住外施电压而发生闪络。电弧在发展中会受到一些因素影响，如气隙的长度、数量、位置，冰棱和部分冰层从绝缘子上融化脱落，造成气隙突然增大，冰层融化吸收热量，融冰水落在电弧前方，蒸发吸热等，都会对电弧发展起到一定的延迟或阻碍作用。

由于白色电弧阶段的电流幅值较大，因此该阶段冰层的融化速度比前一阶段更快，大量电解质会随融冰水不断从冰层中流失，即冰层的表面电阻下降到一定程度后会逐渐回升。因此，如果白弧在冰层电阻回升以前没有发展到足够的长度，则发生冰闪的概率将会变小。相反，融冰期间阻碍电弧发展的因素越少，如冰层连续性较好，气隙长度相对较短，则白弧发展至闪络的几率更大。

2.1 不同伞形复合绝缘子试品覆冰对比

在相同的覆冰条件下，绝缘子的结构形状对其冰闪电压有很大的影响，伞间距离较小的绝缘子，冰层融化时更容易形成连续的水帘，而且伞间距较小的绝缘子冰闪电压梯度受污秽度的影响更大。试验结果表明，复合绝缘子表面所具有的憎水性并不能够阻止覆冰，伞裙被冰凌桥接时，其冰闪电压与瓷绝缘子相差不大，因此提高复合绝缘子冰闪电压要从防止冰棱桥接入手。选定普通的1大1小伞、1大2小伞复合绝缘子和防覆冰超大伞形复合绝缘子，在相同条件下进行覆冰试验，普通伞和防覆冰伞复合绝缘子覆冰效果如图6所示。

图6 普通伞和防覆冰伞复合绝缘子覆冰效果Fig.6 Icing status contrast of insulatorsw ith ordinary umbrella and anti-icing umbrella

复合绝缘子冰棱主要形成于大伞边沿，这是因为大伞对小伞具有遮挡作用，喷淋水难以落到小伞上。当大伞间距不够大时，大伞边沿冰棱就可能将伞裙桥接，普通的1大1小伞和1大2小伞复合绝缘子在经过3 h覆冰后即被冰棱桥接。但是，当大伞间距过大的情况下，遮挡作用减弱，喷淋水会在次大伞上形成冰棱，因此，次大伞也应具备相当的伞间距。超大伞型复合绝缘子在经过3 h覆冰后，在超大伞边沿形成了较长的冰棱，在大伞边沿也同样有冰棱出现，但由于伞径不同，冰棱并未桥接。综上所述，复合绝缘子防覆冰伞形结构的优化设计应从伞径、伞间距、爬距等多方面综合考虑，在大伞强度足够的条件下增大大伞直径可加强遮挡作用，采用多种伞径并且合理设计伞间距可以防止冰棱直接桥接，小伞径伞裙则可用于增大爬电距离。

2.2 试验结果分析

在相同的覆冰条件下，绝缘子的结构形状与干弧距离对其冰闪电压有很大的影响，在相同电导率覆冰水（100 μ S/c m，20°C)，带电重覆冰冰闪电压可以得出，绝缘子的结构伞形有一定的差异，必然会对冰闪电压造成不同的影响。伞间距离较小的绝缘子，冰层融化时更容易形成连续的水帘，而污秽度则直接影响水电导率，因而伞间距较小的绝缘子冰闪电压梯度受污秽度的影响更大。

不同伞形结构750 kV复合绝缘子污秽试验结果如表2所示。

表2 不同伞形试验结果Tab.2 Test results of insulators with different umbrellas kV

试验结果表明，750 kV复合绝缘子在污秽度ρSDD/ ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，环境温度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的状况下，以普通伞冰闪电压为U0，带7，9，10个超大伞型复合绝缘子的平均闪络电压分别约为1.12 U0、1.26 U0和1.28 U0，见图7。

图7 超大伞数量和闪络电压关系趋势Fig.7 Relationship trend of large umbrellas'number and flashover voltage

电压。防冰型复合绝缘子虽然覆冰量增加，但冰闪电压有所提高，因此该伞形结构设计较合理，其防冰闪效果显著。

本文对10个超大伞带不同大小伞复合绝缘子的闪络特性进行了研究。2种绝缘子的区别在于大小伞的伞径，其中伞径结构分别为310/200/160 m m和310/140/110 m m。试验分为污秽度ρSDD/ρNSDD= 0.08/0.48 m g/c m2和0.15/0.90 m g/c m2。试验结果如表3所示。

表3 不同结构绝缘子试验结果Tab.3 Test result of insulators with different structures kV

750kV防冰型复合绝缘子大中小伞交错排列、大中伞间由2个小伞排列组成的防冰型，除了有效阻止冰棱桥接伞裙外，还使有效高度的空气击穿强度大大高于绝缘体与空气界面的击穿强度，从而使爬电距离不易被电弧放电短接;也可在绝缘距离不变的情况下实现更高的泄漏距离，从而提高冰闪电压。

3 结 论

（1)普通型复合绝缘子加超大伞后，绝缘子的覆冰过程和最终覆冰状态与普通型复合绝缘子不同。

（2)普通型和防冰型750 kV复合绝缘子在污秽度ρSDD/ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，环境温度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的状况下，带7，9，10个超大防冰伞复合绝缘子的闪络电压较普通型的分别高12.3%、25.8%、27.7%左右。

（3)在绝缘子串长一定的情况下，冰闪电压随着防冰伞数量的增加呈上升且逐渐饱和趋势，但提升不明显，选择合理的防冰伞裙间距离及伞径可提高复合绝缘子的冰闪电压。

（4)750 kV防冰型复合绝缘子大中小伞交错排列，大中伞间由2个小伞排列组成∀的“五三型”，除了有效阻止冰棱桥接伞裙外，还改善了2超大伞之间的电场分布，从而提高冰闪电压。

［1］喻新强，孙强，朱岸明，等.复合绝缘材料在750 kV变电站工程中的应用［J］.电力建设，2013，34（10)：86-91.

［2］黄长学，蒋兴良，杜忠东，等.110 kV防冰闪型复合绝缘子的冰闪特性［J］.高电压技术，2009，35（10)：2540-2544.

［3］周庆庆，龚兴国，李青，等.复合绝缘材料在750 kV变电站中应用的关键技术［J］.电力建设，2013，34（11)：105-109.

［4］丁京玲，党镇平，王婷婷.棒形悬式复合绝缘子伞形结构对覆冰闪络特性的影响［J］.电瓷避雷器，2010（1)：10-12.

［5］张志劲，蒋兴良，孙才新，等.低气压下特高压直流污秽复合绝缘子覆冰闪络特性研究［J］.中国电机工程学报，2008，28（6)：7-12.

［6］蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［7］张志劲，蒋兴良，马俊，等.工作电压下110 kV交流绝缘子串覆冰特性研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（4)：140-143.

［8］蒋兴良，卢杰，苑吉河，等.输电线路绝缘子串防冰闪措施研究［J］.电网技术，2008，32（14)：19-24.

［9］胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨［J］.高电压技术，2008，34（2)：215-219.

［10］李鹏，范建斌，宿志一，等.750 kV交流输电线路覆冰区绝缘设计［J］.电力设备，2007，8（3)：24-27..