电压类型对复合绝缘子覆冰及闪络特性的影响

胡 琴 袁 伟 舒立春 蒋兴良 汪诗经

（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 400030）

1 引言

我国是覆冰较为严重的国家之一。随着电力事业的发展，绝缘子的覆冰及闪络问题已经成为输电线路安全运行及外绝缘设计最重要的问题之一。国内外科研人员对绝缘子覆冰及闪络特性进行了大量的试验理论研究，成果丰富。但由于试验方法不一，尤其是覆冰过程中带电与否、带何种性质的电，并无统一的标准，这些情况导致很多试验结果无法直接在实际工程运用。因此，研究电压类型对绝缘子带电覆冰特性及其电气特性的影响，不仅能够使试验结果更加贴近工程实际，而且能进一步深化线路绝缘子的带电覆冰机理及其电气特性研究[1-5]。

本文试验在人工气候实验室内进行，受试验条件限制，本文对两种典型结构的 35kV复合绝缘子进行不带电及带交流、正极性直流、负极性直流雨凇覆冰试验。根据试验结果，对比了不同电压类型对绝缘子的覆冰特性及电气特性的影响，包括绝缘子的覆冰形态、覆冰密度、冰重、50%闪络电压。着重分析电压类型对绝缘子的覆冰特性及电气特性的影响机理，进而对在不同类型电压下，试验结果的差异性提出了合理的解释。

2 试品、试验装置与方法

2.1 试品

试品采用FXBW—35/70复合绝缘子，其技术参数见表1，其中：h为结构高度，s为泄漏距离，l为干弧距离，d为芯棒直径，D3/(D2)/D1为大/(中)/小伞直径。试品外观结构见图1。

表1 试品绝缘子技术参数Tab.1 Parameters of tested specimens

2.2 试验装置

试验在直径7.8m、高11.6m的多功能人工气候室内完成，如图2所示，其试验温度范围为-45～50℃，由14个喷头和10个风速可调的风扇组成喷淋及风速调节系统；雾滴颗粒直径在10～120μm范围内可调，风速在1～12m/s范围内可调。试验接线原理图见图3。

图1 复合绝缘子结构示意图Fig.1 The structure diagram of composite insulator

图2 多功能人工气候室Fig.2 Multifunctional artificial climate chamber

T1—10 kV/2 000kVA调压器 T2—500 kV/2 000kVA交流试验变压器R0—保护电阻 H—330 kV高压穿墙套管 E—人工气候室F—交流电容分压器分压比(1 000：1)S—试品

图3 试验接线原理图Fig.3 The schematic diagram of test

2.3 试验方法

本文针对两种典型结构 35kV复合绝缘子，进行不带电及带交流、正极性直流、负极性直流电压雨凇覆冰试验，每次试验均对多串同种类型绝缘子进行覆冰，覆冰过程中外加试验电压大小为10kV、20kV、30kV三种情况，试验覆冰水电导率为γ20=370μS/cm（校正到 20℃下的值），雾滴的直径在10～120μm范围内，实验时控制气候室温度在-4～0℃，风速为0.5～1.2m/s，每次覆冰时间均为90min。覆冰完成后，取多串覆冰绝缘子其中一串，拍取、记录覆冰绝缘子各部位现象特征，取绝缘子高、中、低部位的冰样测取冰密，并测取绝缘子的覆冰重量。考虑到冰棱中间气泡的存在，冰密通过排沙法测取。排沙法原理与排液法原理相同[6]，利用极细的沙子代替原先测量溶液，进而可以减小液体进入冰棱气泡所带来的误差。最后，对剩余覆冰绝缘子，通过恒压升降法得出交、直流50%闪络电压，即交流外加电压作用下的覆冰绝缘子，交流电压加闪，正、负极性直流电压作用下的覆冰绝缘子，正、负直流电压加闪。

3 试验结果与分析

3.1 电压类型对覆冰绝缘子覆冰外观的影响

（1）在不同类型外加试验电压作用下，带电覆冰绝缘子高压端伞面呈现相似的外观特征，带电情况下，绝缘子表面覆冰不透明、粗糙、疏松且呈绒毛状，覆冰表面有颗粒状冰珠。随着外加电压的提高，这种现象越来越严重。不带电情况下，绝缘子高压端伞面冰层非常光滑、透明且无颗粒状的冰珠。以负极性直流外加电压作用下的绝缘子A为例，图4为覆冰绝缘子A高压端伞面外观图。由图4可以看出随着外加试验电压的升高，绝缘子表面光滑程度逐渐下降，颗粒状覆冰逐渐变多。这是由于带电覆冰的绝缘子，水滴易受电场极化，电晕放电、火花放电会使得水滴拉长变形甚至炸裂，导致伞面冰层疏松呈茸毛状。

图4 覆冰绝缘子A高压端伞面外观图Fig.4 The appearance of sheds on HV end of ice-covered FXBW—35/70 (A)

随着外加电压等级的提高，绝缘子高压端的电场幅值逐渐增大。绝缘子覆冰情况下，由于绝缘子冰棱尖端、伞面冰层凸点的存在，电场畸变会更加严重。因此，绝缘子高压端伞裙附近容易产生电晕放电、火花放电，放电的发生使水滴剧烈地抖动变形，同时电场强度越大，细小的水滴沿着电场强度的方向受到的电场力越大，细小的水滴在电场力的作用下高速地撞向绝缘子伞面，破裂变形，最终形成了上述的外观特征。

（2）不同类型外加试验电压作用下，绝缘子伞裙冰棱呈现相似的外观特征，伞裙冰棱一致向绝缘子芯棒侧弯曲，且弯曲的程度随着外加试验电压的提高而加剧，同时在外加试验电压较低时，伞裙冰棱桥接程度较好，当外加试验电压较高时，伞裙冰棱桥接程度次之。不带电情况下，风速较小时，过冷却水滴相当于仅受重力作用，冰棱在生长过程中始终垂直向下生长，不会发生弯曲现象且桥接良好。以正极性直流外加电压作用下的绝缘子B为例，图5为绝缘子B高压端伞裙冰棱外观特征图。

图5 绝缘子B高压端伞裙冰棱Fig.5 The icicle at the end of sheds on HV end of FXBW—35/70 (B)

由图 5可以看出，10kV、20kV外加试验电压作用下，绝缘子高压端伞裙冰棱桥接良好，30kV外加电压作用下，高压端伞裙冰棱基本不桥接，且外加电压等级越高，伞裙冰棱向芯棒处的弯曲程度越大。当外加电压较高时，一方面伞裙尖端由于电场的畸变容易发生电晕放电、甚至火花放电；另一方面，伞裙冰棱尖端与下级伞面之间的空气间隙容易发生击穿并产生局部电弧[1,7]。试验过程中，30kV外加试验电压作用下，特别是直流电压，覆冰开始40min左右后，绝缘子高压端便伴随有较为持续的局部电弧。大量的放电加上传导电流产生的热效应容易使冰棱融化的速度大于其凝结的速度，因此外加试验电压等级较高时，冰棱不易桥接。伞裙冰棱尖端的水滴在电场中较易极化带电，带电的水滴在电场力的作用沿着其受力方向不断生长，且随着外加试验电压的提高，所受的电场力逐渐增大，因此产生了如图 5所示的冰棱向绝缘子芯棒侧弯曲的现象。

（3）不同类型外加试验电压作用下，绝缘子冰棱内部有大量气泡存在，其气泡有着明显的不同。负极性直流电压作用下，冰棱内部气泡明显较大，正极性、交流试验电压作用下，冰棱内部气泡与前者相比较小。以 30kV外加电压作用下的绝缘子为例，图6为不同类型电压作用下冰棱内部气泡图。

图6 不同类型电压作用下冰棱内部气泡Fig.6 The bubble inside the icicle under 30kV of different voltage types

由图6可以看出，伞裙冰棱内部存在着大量的气泡，目前的文献认为：冰面，冰棱表面的凸起处会产生火花放电，火花放电使得过冷却水滴分裂成等量电荷但极性相反的两个带电小水滴，与绝缘子覆冰表面场强极性相反的被滞留，大量极性相同的带电水滴存在着电斥力，电斥力的存在使得覆冰之间有一定的空气间隙存在，这对绝缘子覆冰特性产生了较大影响，进而对绝缘子的闪络特性产生影响[2-6]。

对此现象，本文提出一种新的解释。在试验中，笔者现场观察且利用摄像装置近距离摄像研究，得出解释如下：①图7a为覆冰过程中伞裙冰棱模型，覆冰过程中，冰棱中间并没有凝结，实为一贯穿型水柱，水柱外侧为已经凝固的冰层。在带电覆冰时，特别是电场强度较大时，冰棱尖端、前端水滴处会发生电晕放电甚至是火花放电。②伴随着电晕放电，如图 7b所示，前端水滴会发生上下剧烈振动，水滴的高频振动使得水滴前端变得更加尖锐，尖锐的水滴使得电场进一步畸变，畸变的电场又使电晕放电加剧。③前端水滴由于高频的振动，被反复拉长、压缩，在某一瞬间骤然破裂，如图7c所示，由于外部大气压强及水滴表面张力，水滴破裂之后会形成一个向上的凸起的水膜。④如图7d所示，由于整串绝缘子会源源不断的捕捉到外部水滴，覆冰水会沿着绝缘子伞裙外沿不断往下流动，破裂的水滴，会很快被新流下来的水滴包裹代替，此时向上凸起的水膜，由于空气的存在，便形成一个或者多个气泡，气泡受到浮力的作用，向上运动，便形成了图6的气泡。图 8给出了试验过程中冰棱内部气泡产生图，冰棱上端为上浮气泡，下端为高频振动后拉长的水滴。

图7 伞裙冰棱气泡产生模型Fig.7 The bubble generating model of icicle on sheds

图8 冰棱内部气泡产生图Fig.8 The generating diagram of bubbles inside icicle

针对负极性直流电压作用下，冰棱气泡较正极性直流、交流电压作用下冰棱内部气泡较大的试验特征，本文给出如下解释：在覆冰表面发生电晕放电时，空气电离后与电极同极性的粒子在电场作用下远离电极运动，在此过程中带电粒子将与空气中的中性粒子发生碰撞，使空气分子获得动能产生流动，既为离子风。在覆冰表面的突起或冰棱尖端发生电晕放电时，冰尖电极附近大量空气分子产生电离的区域称为电晕区，而在此区域之外的电场较弱，不发生电离过程，称为外区。离子风能量来源于电场对带电粒子的加速，随距离冰尖电极的增加，电场逐渐减弱，在不断与外围空气粒子碰撞后离子风速随空间位置的变化有一个加速-稳定-减速的过程，即可以将外区分为三个部分：加速区、稳定区及减速区。因此，在不存在放电的外区相当大体积的区域均能产生可观的离子风速，如图9所示。

图9 正负极性离子风示意图Fig.9 The ion wind of different polarity

离子风能量的来源是带电粒子在电场中的加速，单位体积空气因离子碰撞而受到的力Fcol为

式中，jp、jn分别为正离子和负离子的电流密度；μp、μn分别为正离子和负离子的离子迁移率。

由于电子质量与空气分子相比极小，因此在负极性放电时一般只考虑负离子与空气分子的碰撞[8]。由以上分析可以得出：负极性离子风较正极性离子风其能量要小的多。由于覆冰过程中，冰棱内部实为一贯穿型水柱，正极性直流、交流外加试验电压作用下的离子风要比负极性直流外加试验电压作用下的强得多，离子风加速了周边空气的冷热循环，起到了显著的冷却效应，离子风越强，冷却效应越明显。冰棱内部的水柱凝结越快，气泡越少且越小。

3.2 电压类型对覆冰绝缘子冰棱密度的影响

覆冰完成后，取绝缘子高、中、低3部位的冰棱样品，分别测得其各自冰密，求平均值。表 2、表3分别为绝缘子A、B的平均冰棱密度。

表2 绝缘子A平均冰棱密度Tab.2 The average glaze density of insulator (A)’s icicles（单位：g/cm3）

表3 绝缘子B平均冰棱密度Tab.3 The average glaze density of insulator (B)’s icicles（单位：g/cm3）

由表 2、表3可以看出：①不带电时，伞裙平均冰棱密度最大，交、直流电压作用下，绝缘子平均冰棱密度均随电压升高逐渐降低。②同等级试验电压作用下，交流电压作用下的平均冰棱密度最大，负极性电压作用下的平均冰棱密度最小。

当外加电压为0时，覆冰过程中不会出现放电现象，伞裙冰棱坚硬、结实，因此不带电作用下，冰棱的平均密度较大。交流电压作用下，随着试验电压的提升，电晕放电、火花放电更加容易发生，冰棱前沿水滴高频的振动会产生更多的气泡，气泡的增加导致冰密进一步减小。与此同时，试验电压较大时，极化水滴受电晕放电、火花放电的影响，炸裂成直径更小的带等量异种电荷的两水滴[9-14]，与绝缘子表面场强极性相同的小水滴被排斥，也使得覆冰变得更加疏松，进而密度减小。但当电压升高到一定程度时，较大的传导电流足以融化冰层表面疏松的绒毛状覆冰，进而导致了冰密存在着一定的小幅度升高。直流电压作用下，随着试验电压的提升，起晕、局部击穿现象也随着发生，与交流电弧相比，直流电弧不过零，难熄灭，且不易飘弧的特点使得冰棱尖端前沿水滴更加剧烈的抖动变形、爆炸，产生更多的气泡，平均冰棱密度较交流而言更小。与此同时，负极性直流电压的作用下，由于其离子风相对另外两种类型电压而言较弱，冷却效应不明显，冰棱内部水柱冻结程度较差，气泡较多，因此相同外加电压下，冰密在三者之中最小。

3.3 电压类型对覆冰绝缘子冰重的影响

覆冰完成后测得绝缘子的90min覆冰重量，表4为绝缘子A的覆冰重量，表5为绝缘子B的覆冰重量。每个试验数据点均为3次试验的平均值，每次试验控制试验条件相同。

表4 绝缘子A覆冰重量Tab.4 The glaze weight of insulator (A)（单位：kg）

表5 绝缘子B覆冰重量Tab.5 The glaze weight of insulator (B)（单位：kg）

由表4、表5可以看出：①3种类型电压作用下，绝缘子的覆冰重量均随着电压的升高呈现先增大后减小的趋势。②当外加试验电压超过 20kV时，绝缘子覆冰重量均开始下降，且负极性直流作用下的绝缘子冰重，下降速率最快。

电场对覆冰的影响主要体现在两个方面，一方面：电场较弱时，电场对空气中极化水滴的吸引作用，这直接导致了单位时间内覆冰量的增加[1,15-22]。另一方面：电场较强，电位梯度较大，电晕放电、火花放电、泄漏电流等产生的热效应导致冰层融化，覆冰变慢。当试验较低，前者起主要作用，冰重增加；当试验电压较高，后者起主要作用，冰重减少。负极性电压作用下的绝缘子，由3.1节第（3）部分分析可知，当外加电压升高到一定程度时，离子风将会起到非常重要的作用，负极性的离子风冷却效应较另外两种类型的电压而言弱很多，覆冰的凝结速度也相应降低，热效应的主导作用更加明显，故而，冰重的下降速率最快。

3.4 电压类型对覆冰绝缘子50%闪络电压的影响

覆冰完成后，采用恒压升降法得到两种绝缘子交、直流50%闪络电压。表6为绝缘子A的交、直流50%闪络电压，表7为绝缘子B的交、直流50%闪络电压。不带电情况因不符合此次试验加闪方法，所得数据无法与带电情况进行有效对比，故在表格中不予列出。不带电情况交、直流闪络电压的研究，文献[1]已经给予详细总结。

表6 绝缘子A的50%闪络电压Tab.6 The 50% flashover voltage of insulator (A)（单位：kV）

表7 绝缘子B的50%闪络电压Tab.7 The 50% flashover voltage of insulator (B)（单位：kV）

由表6、表7可以看出：①3种类型电压作用下，随着外加电压的提高，绝缘子的50%闪络电压均呈现先降低后上升的趋势。②直流电压作用下的绝缘子50%闪络电压要低于交流电压作用下的绝缘子50%闪络电压。③当带电覆冰电压为10kV、20kV时，负极性直流冰闪电压最低，当带电覆冰电压上升到 30kV时，考虑到试验的误差性，其冰闪电压较正极性直流冰闪电压已无明显差别。

从表 4、表 5可以看出，冰重越重，伞裙间冰棱的桥接程度越好，闪络电压越低。与此同时，与交流相比，常压下直流电弧不易飘弧，电弧不过零，电弧燃烧稳定[1,23-25]，伞间桥接现象较明显，从而导致绝缘子直流冰闪电压较交流而言有所下降。当外加试验电压低于 20kV时，根据试验实际情况，伞裙间的冰棱桥接良好，闪络沿着冰棱而不是伞裙边缘进行，属于单电弧引发的闪络，负极性电弧金属阴极的强电子发射能力，使得负极性直流冰闪电压偏低。而当外加试验电压升至 30kV时，根据实际试验情况，绝缘子的伞裙已经基本无桥接，在其闪络路径上，形成了较多数量的局部电弧，除上、下两个电弧为具有金属电极的极性电弧外，其他电弧均为非极性电弧，因此，负极性直流冰闪电压较正极性冰闪电压已无明显差别。

4 结论

（1）电压类型对绝缘子覆冰特性有着很大的影响，包括覆冰绝缘子伞面光洁程度、冰棱弯曲方向、冰棱密度、覆冰的重量等。不同类型外加电压作用下的绝缘子的覆冰特性存在着相似性和差异性，这些特性反过来对绝缘子的冰闪电压又起着很重要的作用，影响着线路的安全。

（2）覆冰绝缘子伞裙冰棱内部存在着一定量的气泡，负极性直流电压作用下的冰棱气泡比另外两种电压作用下的冰棱气泡要大。本文提出了气泡产生模型，并从离子风的角度对上述现象作了解释。

（3）不带电时，伞裙平均冰棱密度最大，交、直流电压作用下，绝缘子平均冰棱密度均随电压升高逐渐降低；相同大小外加电压作用下，负极性直流电压作用下的冰棱密度最小，交流电压作用下的冰棱密度最大；外加电压升高到一定程度时，负极性直流作用下的绝缘子冰重下降速度较交流、正极性直流情况要快。

（4）电压类型对覆冰绝缘子的 50%闪络电压有很大的影响，其冰闪电压的规律性，本文予以了较为详细的总结。

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