导线覆冰过程中的晶释效应试验研究

胡 琴，何高辉，刘延庆，张 智，吴晓东

导线覆冰过程中的晶释效应试验研究

胡 琴，何高辉，刘延庆，张 智，吴晓东

（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）

在低温低气压人工气候室内模拟自然覆冰条件，对LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线进行了带电和不带电覆冰－融冰试验研究，分析了2类导线的异同。结果表明，普通钢芯铝绞线和瓦型导线带电及不带电覆冰均存在晶释效应；在施加交流高电压后，污秽离子向冰层表面迁移的速度加剧了，即冰的晶释效应加剧了；对比LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线在带电和不带电覆冰下的晶释效应可知，瓦型导线由于其特殊的表层结构，覆冰量更少，但两者晶释效应的剧烈程度几乎相同，不同的导线类型对晶释效应的影响不大。

导线覆冰；晶释效应；瓦型导线；交流；雨淞

我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一，覆冰已严重威胁了我国电力系统的安全运行，特别是2008年1～2月，持续的低温雨雪冰冻自然灾害天气，使中国13个省（区）的电力系统运行受到影响。其中，灾情最为严重的是华中和南方地区，特别是贵州、湖南、江西、广东、广西、浙江等地。本次灾害共造成全国169个县停电，产生了重大经济损失［1－2］。同时，世界上其他国家，如加拿大［3－5］、日本［6－7］、挪威［8］、瑞典［9］、美国［10］等，也发生过由覆冰所引起的输电线路绝缘子闪络事故。

水滴在冻结过程中已经捕获或溶解的导电杂质会被排释在冰晶体外表面。这种冰层中的某些成分由内部迁移到表面并重新结晶释出的现象称之为覆冰的“晶释效应”［11］。

在国外，加拿大的Farzaneh等人［12］建立了有限元模型：许多电解质在水中会电离（完全或者部分电离），而这些电解质大部分会在冻结过程中被排斥到液态表面。这个过程就是本课题所要研究的“晶释效应”或者叫做冰的“晶释效应”。融冰期间，盐分迁移对电场分布的影响严重，然而盐分的迁移同样受外加电场的影响。

在国内，清华大学深圳研究生院在研究过程中得出以下结论：冻结速率和温度是影响结冰水中离子迁移的重要因素［13］。

重庆大学对相同体积、不同电导率的试品进行了冰冻。研究人员通过测量得知，覆冰水在由液态至固态的相变过程中，靠近冰层外表面空间的导电离子浓度最大；分析了覆冰水在相态转变过程中，冰层内部空间电导率分布出现差异的原因；揭示了融冰水电导率与覆冰水电导率差异的本质；提出了覆冰闪络时覆冰体电阻的表达式；指出了在分析覆冰绝缘子闪络特性时，应考虑覆冰的晶释效应的影响［14］。

前苏联在单导线和分裂导线试验线段上对电晕损失进行了大量的研究，研究结果认为，覆冰的持续时间相对较短（在前苏联欧洲部分的中部地区和西西伯利亚一年内的平均持续时间为340 h）。但是，这种天气下的电晕损失非常大，约占年平均损失的50%。所以，在确定年平均电晕损失时，必须计入覆冰天气［15］。

综上所述，国内外关于晶释效应导电微粒运动迁移特性的研究虽然取得了一定的成果，但基本都是从宏观方面解释覆冰绝缘子的闪络特性，而且对于晶释效应这一过程的解释也不足。在带电绝缘子覆冰方面虽然已经有了大量的试验数据，但对于不带电覆冰的试验存在较大的分散性。而且，在导线覆冰的晶释效应，不同类型导线的晶释效应，以及电场对晶释效应的影响方面的研究也较少。

1 试验装置、试品及试验程序

1．1 试验装置

试验电源为YDJ－900／150型自冷式变压器，外观如图1所示。主要技术参数：额定容量900 kVA；额定电流6 A；输入电压0～10．5 kV；输出电压0～150 kV；短路阻抗百分比为8．25%；试验变压器在输出电压为150 kV（有效值）时的最大短路电流为30 A。这完全可以满足覆冰、污秽环境中导线覆冰试验对电源的要求。

图1 YDJ－900／150型试验变压器

覆冰环境为直径2．0 m、内长3．8 m的低温低气压人工气候室，如图2所示。该人工气候室的制冷系统可将温度下降到－45℃左右；抽湿与喷淋系统可将相对湿度控制在20%～100%；气候室内装有国际电工委员会（IEC）推荐制作的标准喷头，过冷却水滴直径可控制在20～500μm以内；风速可以控制在0～12 m／s。故通过人工气候室可模拟自然界中的覆冰、雨、雾等环境。

图2 低温低气压试验室

覆冰水和融冰水电导率采用型号为DD－810E精密电导率仪，其具体参数是：电极常数×（1～3 000）μS／cm，测量温度范围为0～99．9℃；分辨率可达到0．001μS／cm，0．1℃。测定不同浓度下的溶液电导率，并记录当前温度，最后将结果转换为标准温度（20℃）下的值。

1．2 试品

试品选用LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线，技术参数见表1。

表1 试验用导线参数

1．3 试验程序

1）试品的预处理：先用软布抹导线，去除导线表面在生产搬运过程中留下的毛刺；然后用工业酒精擦洗，溶解掉出厂时导线表面所携带的油脂；最后用电导率为20μS／cm的纯净水清洗导线，去除导线表面的污秽。

2）覆冰过程：将试品布置在低温低气压实验室中，降低该试验室的温度至预定覆冰温度－8℃。用NaCl配置电导率为250．0μS／cm的覆冰水，并将其在气候室内降温至5℃左右。达到预定温度后，打开喷淋装置，覆冰过程中气候室温度控制在－8℃，使导线表面覆冰以雨淞为主。带电覆冰则在覆冰前施加15 kV交流高电压。带电和不带电覆冰时间均为45 min。

3）融冰过程：覆冰结束后，先用游标卡尺测量导线覆冰厚度；然后从气候室中取出覆冰后的导线放置在试品架上，在室温下使覆冰融化；用电导率为20μS／cm的纯净水清洗容器，并用该容器每隔5 min收集1次融冰水。

4）覆冰水电导率测量：用型号为DD－810E的精密电导率仪测量收集的融冰水，并用数字式温度计测量此时温度，通过式（1）转化为20℃时的融冰水电导率。

式中：γ20为20℃时融冰水电导率，μS／cm；γt为t℃时融冰水电导率，μS／cm；Kt为融冰水温度换算系数［2］。

2 导线覆冰的晶释效应

对LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线进行不带电覆冰，测量其融冰水电导率，试验结果如表2所示。

表2 导线不带电覆冰各阶段的融冰水电导率μS／cm

在导线8个点测量覆冰厚度，取平均值后得到导线覆冰厚度，测量结果如表3所示。

将表2中的数据绘制在图3中，由此可知，无论是LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线，还是Drake－1020型瓦型导线，其融冰水电导率都随着融冰时间的增加而减小，并且减小的趋势一致。对于不带电覆冰，普通钢芯铝绞线和瓦型导线均存在晶释效应。此外，由于瓦型导线的特殊结构，覆冰量较少，因此相较于普通钢芯铝绞线而言，其融冰水电导率更高。

表3 导线表面覆冰（不带电）后直径mm

图3 不带电覆冰导线融冰水电导率

对LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线进行带电覆冰，施加15 kV交流电在导线上，测量其融冰水电导率，试验结果如表4所示。

表4 导线带15 kV交流电时的融冰水电导率μS／cm

在导线8个点测量覆冰厚度，取平均值后得到导线覆冰厚度，测量结果如表5所示。

表5 导线表面覆冰（15 V交流）后直径mm

LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线带电和不带电覆冰的融冰水电导率如图4所示，Drake－1020型瓦型导线带电和不带电覆冰的融冰水电导率如图5所示。

图4 LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线带电（15 kV交流）和不带电覆冰的融冰水电导率

图5 Drake－1020型瓦型导线带电（15 kV交流）和不带电覆冰的融冰水电导率

由图4及图5可知，两种导线带电后，其晶释效应更为显著。导线带电后，本身就会释放焦耳热，而且覆冰过程中不仅会产生泄漏电流，也会产生焦耳热。覆冰水中的导电微粒吸收焦耳热后，能量加剧，获得了更加充足的能量向外迁移。而且覆冰水的温度上升，导电微粒的溶解度增加，能容纳更多的导电微粒，所以带电覆冰有利于离子的迁移运动。

对比表3和表5可知，普通钢芯铝绞线比瓦型导线覆冰更严重，导线在电场作用下覆冰量减少。

3 结论

1）LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线覆冰存在晶释效应，可以采用测量融冰水电导率的方法从侧面反映晶释效应。

2）对导线施加15 kV交流电压覆冰时，由于电场的作用，导线覆冰水电导率相较于不带电覆冰高，晶释效应加剧。

3）对比LGJ－400／25型普通钢芯铝绞线和Drake－1020型瓦型导线在带电和不带电覆冰下的晶释效应可知：瓦型导线由于其特殊的表层结构，覆冰量更少，但两者晶释效应的剧烈程度几乎相同，不同的导线类型对晶释效应的影响差别不大。

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An Experimental Study on Crystal Release Effects During the Icing Process of W ires

HU Qin，HE Gaohui，LIU Yanqing，ZHANG Zhi，WU Xiaodong
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆System Security and New Technology of Chongqing University，Chongqing 400030，P．R．China）

The natural icing condition was simulated in the low-temperature and low-pressure artificial climate chamber．Both charged and uncharged icing and ice-melting experimental studies weremade on the LGJ-400／25 steelcored aluminum strand and the Drake-1020 tile-typewirewith the differences and similarities between the two were analyzed．The results showed that crystal release effects occurred on both wires in charged and uncharged icing conditions．With the alternating high-tension currentbeing applied，impure ionmoved to the surface of the ice layer faster，so crystal release effects of ice accelerated．By comparing the crystal release effects on both wires in charged and uncharged icing conditions，itwas known that due to its special surface structure，the tile-typewirewas covered with less ice．However，the intensity of the crystal release effects of the twowas almost the same，so the types ofwires had little influence on crystal release effects．

icing of the wire；crystal release effects；tile-type wire；alternating；glaze

TM216

A

1008-8032（2017）02-0042-04

2016－11－03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文三等奖

胡 琴（1981－），博士生导师，教授，研究方向为复杂大气环境外绝缘技术。