复合绝缘子覆冰闪络特性及其影响因素的研究

王天正，江灏，王欣伟，王康宁，邓禹，贾志东

（1.山西省电力科学研究院,太原 030001； 2.清华大学深圳研究生院,深圳 518055； 3.清华大学,北京 100084）

引言

高压输电走廊跨越偏远地区，面临着严酷的气候考验。在局部微气象区域，低温高湿气候会造成严重的覆冰问题。自2008年南方地区的大面积覆冰灾害出现以来，输电线路的覆冰问题受到更为广泛的重视[1]。山西地区是煤电能源大省，复合绝缘子由于重量轻，耐污性能好等优点在山西地区得到广泛的重视[2,3]。但是由于山西的重污秽运行环境，降低了复合绝缘子的绝缘性能，容易诱发复合绝缘子的闪络事故[4]。

覆冰绝缘子的闪络特性方面国内外开展了大量的研究工作。Khalifa发现当覆冰密度从0.32g/cm3增加到0.8g/cm3时，泄漏电流增加了一倍，而覆冰密度0.8g/cm3以上时，密度对冰闪电压的影响趋于饱和[5]。Farzaneh等发现污秽对冰闪电压的影响近似为降幂函数。随着覆冰水电导率或盐密的增大，冰闪电压逐渐下降并趋于饱和。绝缘子覆冰闪络多出现在融冰时期，融冰水电导率的变化会改变绝缘子沿面泄漏电流值，对冰闪过程造成影响[6]。邓禹等观测了水滴中盐分的迁移过程，发现过冷却水中盐分在冰水相变过程中会逐渐向表层发生迁移，且盐分迁移过程与覆冰水电导率和覆冰速度密切相关，是导致融冰水电导率分布差异性的主要原因[7]。M. Farzaneh等通过三角平板模型研究了融冰期泄漏电流变化规律，指出泄漏电流随着融冰水膜厚度和电导率的增大而线性增加[8]。

1 试验样品及设备简介

平板模型试验以复合绝缘子一个大伞为基础，将其沿泄漏距离展开为矩形，其长为大伞上下表面泄漏距离之和12.5cm，宽为护套的周长7.85cm。为模拟复合绝缘子材料状态，基座表面覆有憎水性硅橡胶涂料。

为模拟实际覆冰过程，采用0℃的覆冰水进行冻冰。覆冰前试品预冷却至-10℃，覆冰水采用分层冷凝方式，覆冰水的电导率为180μS/cm(20℃)。在闪络试验开始之前，冰层预融冰至表面出现一层薄水膜。试验中采用均匀升压法，每一种影响因素下的不同模型试品均进行5次升压试验，并求取平均值。

本试验模拟了染污后的轻覆冰情况。染污盐密为0.1mg/cm2，灰密1.0mg/cm2。轻度覆冰时绝缘子表面的覆冰厚度为3mm，无冰棱。

图1 大型人工覆冰气候室结构示意图

图2 复合绝缘子试品结构示意图

表1 复合绝缘子试品参数

2 融冰闪络特性的影响因素分析

覆冰不均匀会使绝缘子表面冰层出现空气间隙。轻覆冰时伞裙与护套的交界处由于被遮挡而难以覆冰，易出现空气间隙。本节通过平板模型试验研究冰层中间隙长度及位置、染污程度对覆冰闪络过程的影响。

2.1 间隙长度的影响

试验中研究了不同间隙长度(0、5、10、15mm)对覆冰闪络特性的影响。间隙设置在高压极处，覆冰厚度为10mm。图3和图4分别为无空气间隙和间隙长度为10mm时的闪络过程。

2）水域、草地和林地都有不同程度的减少，林地主要转换为草地（约105.8 km2），水域和草地主要转换为耕地（分别约为136.98 km2、112.19 km2）；

冰层中无间隙时，升压过程中冰与电极交界面的气泡承受强场而首先发生放电。随后电弧主要沿冰内气泡路径发展，爬弧过程缓慢，临闪前电弧将表层冰融化，转为沿面闪络。

冰层中存在初始间隙时，闪络则完全沿冰面发展。升压过程中，间隙处场强首先达到临界值，诱发起始电弧，此时泄漏电流小、冰面水膜薄，电弧难以向前发展。当冰面逐渐融化后，泄漏电流剧增，电弧开始沿冰面发展，并在短时间内闪络。

图5为两种工况下闪络后的冰层形态。可以看出，无空气间隙时冰层内部中空，说明无初始气隙时电弧易沿冰层内部发展；存在间隙时，电弧完全沿间隙和冰层表面发展，仅放电通道附近冰体发生融化。

表2为不同间隙长度时的闪络电压。从中可知，随着间隙长度的增大，冰闪电压呈现出先减小后增大的变化趋势。

存在空气间隙时，间隙中承受高电压易起弧，电弧能量逐渐使冰面出现明显水膜，进而在较短时间内沿冰面形成闪络，因此有间隙时冰闪电压较低。间隙为10mm时，起始电弧产生时冰表面充分融冰，此时闪络电压最低。

图3 无空气间隙时覆冰闪络过程图

图4 间隙长度10mm时覆冰闪络过程图

图5 两种工况下闪络后的冰层形态

随着间隙长度增大至15mm，冰闪电压升高。此时由于间隙长度较大，间隙场强难以达到产生起始电弧的临界值。电流爬升至相同水平所需电压更高，且电流增长速度较缓，局部电弧的能量难以融化冰层，即使间隙中出现了贯穿电弧，电流也不足以支撑局部电弧向前发展。试验中发现，该工况下电弧仅出现在间隙附近，少有爬弧现象，直至临闪前电弧才沿面迅速发展。

2.2 间隙位置的影响

该组试验中考虑了不同间隙位置时的覆冰闪络特性。其中间隙与高压极的距离分别为0、30mm、60mm，间隙长度设定为5mm，冰层厚度10mm。

图6与图7分别为间隙与高压极间距30mm、60mm时的闪络过程。间隙位于电极处时，电弧向一侧发展，而间隙位于冰层中部时则向两侧发展。当空气间隙距高压极30mm时，起始电弧首先向较为接近的高压极发展，待这一侧电弧贯通冰面后，电弧向低压侧发展形成闪络。而当间隙距电极60mm时，起始电弧向两侧电极的发展均比较困难，因此电弧在间隙部分维持时间较长，此时随着电压的升高，高压极与冰层间的小气隙中也出现了局部电弧。

表2 间隙长度不同时的闪络电压值

图6 间隙与高压极间距30mm

图7 间隙与高压极间距60mm

表3为间隙与高压极间距不同时的闪络电压值。间隙位于电极处时，起始电弧仅有一个弧根，因此比较容易贯穿整个冰面；而当间隙位于冰层中部时，起始电弧存在两个弧根，发展更为困难。特别是当间隙位于冰层正中时，电弧向两侧发展都比较困难，需要外施电压达到足够强度电弧才开始发展，此时高压极处也因为融冰而出现局部电弧。因此间隙愈远离电极，闪络电压愈高。

2.3 染污程度的影响

覆冰时污秽和覆冰水中盐分同时发生迁移，会改变了融冰水电导率的分布趋势，对冰闪特性造成影响。本组试验研究了不同染污程度(ESDD=0、0.05、0.1、0.2 mg/cm2)下的冰闪特性，冰层厚度为10mm。图8所示为为ESDD=0.2mg/cm2时的闪络过程。

当模型表面涂有污秽时，闪络发展速度较快。冰层并未出现中空，空气/冰层界面和涂料/冰层界面均有大量冰融化，低盐密时闪络大都沿着空气/冰面发展；当盐密较高时，由于涂料/冰层界面具有更高的融冰水电导率，使闪络沿内部界面发展。表4所示为不同染污程度时的闪络电压值。表5所示为闪络后不同染污程度下的融冰水电导率和所有冰层的融冰水电导率。

表3 间隙位置不同时的闪络电压值

图8 ESDD=0.2mg/cm2时的闪络过程

表5中可以看出，随着染污程度的增加，冰闪电压逐渐下降。随着污秽中盐密的增加，迁移进冰层中的盐分增多，融冰水电导率提高，能在较低电压下实现闪络。此外，闪络导致的融冰水电导率要大于所有冰层的融冰水电导率，这说明盐分较多的冰层首先发生融化。

3 全尺寸复合绝缘子覆冰闪络试验分析

图9所示为复合绝缘子覆冰闪络过程。从图中可以看出，在覆冰闪络的过程中，电弧多出现在覆冰较少的复合绝缘子杆径处，然后沿着下伞裙表面发展，最后通过上表面冰层构成完整的闪络通道。实际覆冰过程中，复合绝缘子上表面由于直接接收沉降的过冷却水而具有大量冰层；下表面及杆径处覆冰较少，通常是在局部湍流作用下，悬浮在空间中的过冷却水粘附于其表面而形成的覆冰。根据第3节的分析可知，覆冰量少或者间隙处易产生起始电弧。

表4 染污程度不同时的闪络电压值

表5 染污程度不同时的融冰水电导率对比

图9 复合绝缘子覆冰闪络过程

染污试品在一定程度上降低绝缘子覆冰闪络电压。盐密为0.2 mg/cm2时的冰闪电压约为盐密为0.05 mg/cm2时的92%。图10所示为染污程度对轻覆冰复合绝缘子闪络电压的影响。

图10 染污对轻覆冰复合绝缘子闪络电压的影响

4 结论

根据覆冰模型试验及全尺寸人工覆冰试验结果，可以得到以下结论：

1）间隙是产生起始电弧的主要因素。无间隙时电弧主要沿冰内气泡路径发展，临闪电弧将表层冰融化转为沿面闪络；存在初始间隙时，闪络完全沿冰面发展。间隙长度与冰闪电压之间呈先降后升的变化趋势；

2）间隙愈接近电极愈易发生闪络。间隙位于电极处电弧只需向一侧发展，而间隙位于冰层中部则需向两侧发展，弧根的增加提高了剩余电阻，导致了闪络电压的提升；

3）染污程度与冰闪电压正相关，低盐密时闪络大都沿着空气/冰面发展，当盐密较高时，由于涂料/冰层界面具有更高的融冰水电导率，使闪络沿内部界面发展；

4）通过复合绝缘子全尺寸人工覆冰试验发现，轻覆冰条件下，起始电弧出现在覆冰量较少的杆径及下表面处，且覆冰闪络电压随染污程度的上升呈下降趋势。

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