復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)特性及其影響因素的研究

王天正，江灝，王欣偉，王康寧，鄧禹，賈志東

（1.山西省電力科學(xué)研究院,太原 030001； 2.清華大學(xué)深圳研究生院,深圳 518055； 3.清華大學(xué),北京 100084）

引言

高壓輸電走廊跨越偏遠(yuǎn)地區(qū)，面臨著嚴(yán)酷的氣候考驗。在局部微氣象區(qū)域，低溫高濕氣候會造成嚴(yán)重的覆冰問題。自2008年南方地區(qū)的大面積覆冰災(zāi)害出現(xiàn)以來，輸電線路的覆冰問題受到更為廣泛的重視[1]。山西地區(qū)是煤電能源大省，復(fù)合絕緣子由于重量輕，耐污性能好等優(yōu)點在山西地區(qū)得到廣泛的重視[2,3]。但是由于山西的重污穢運行環(huán)境，降低了復(fù)合絕緣子的絕緣性能，容易誘發(fā)復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)事故[4]。

覆冰絕緣子的閃絡(luò)特性方面國內(nèi)外開展了大量的研究工作。Khalifa發(fā)現(xiàn)當(dāng)覆冰密度從0.32g/cm3增加到0.8g/cm3時，泄漏電流增加了一倍，而覆冰密度0.8g/cm3以上時，密度對冰閃電壓的影響趨于飽和[5]。Farzaneh等發(fā)現(xiàn)污穢對冰閃電壓的影響近似為降冪函數(shù)。隨著覆冰水電導(dǎo)率或鹽密的增大，冰閃電壓逐漸下降并趨于飽和。絕緣子覆冰閃絡(luò)多出現(xiàn)在融冰時期，融冰水電導(dǎo)率的變化會改變絕緣子沿面泄漏電流值，對冰閃過程造成影響[6]。鄧禹等觀測了水滴中鹽分的遷移過程，發(fā)現(xiàn)過冷卻水中鹽分在冰水相變過程中會逐漸向表層發(fā)生遷移，且鹽分遷移過程與覆冰水電導(dǎo)率和覆冰速度密切相關(guān)，是導(dǎo)致融冰水電導(dǎo)率分布差異性的主要原因[7]。M. Farzaneh等通過三角平板模型研究了融冰期泄漏電流變化規(guī)律，指出泄漏電流隨著融冰水膜厚度和電導(dǎo)率的增大而線性增加[8]。

1 試驗樣品及設(shè)備簡介

平板模型試驗以復(fù)合絕緣子一個大傘為基礎(chǔ)，將其沿泄漏距離展開為矩形，其長為大傘上下表面泄漏距離之和12.5cm，寬為護(hù)套的周長7.85cm。為模擬復(fù)合絕緣子材料狀態(tài)，基座表面覆有憎水性硅橡膠涂料。

為模擬實際覆冰過程，采用0℃的覆冰水進(jìn)行凍冰。覆冰前試品預(yù)冷卻至-10℃，覆冰水采用分層冷凝方式，覆冰水的電導(dǎo)率為180μS/cm(20℃)。在閃絡(luò)試驗開始之前，冰層預(yù)融冰至表面出現(xiàn)一層薄水膜。試驗中采用均勻升壓法，每一種影響因素下的不同模型試品均進(jìn)行5次升壓試驗，并求取平均值。

本試驗?zāi)M了染污后的輕覆冰情況。染污鹽密為0.1mg/cm2，灰密1.0mg/cm2。輕度覆冰時絕緣子表面的覆冰厚度為3mm，無冰棱。

圖1 大型人工覆冰氣候室結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 復(fù)合絕緣子試品結(jié)構(gòu)示意圖

表1 復(fù)合絕緣子試品參數(shù)

2 融冰閃絡(luò)特性的影響因素分析

覆冰不均勻會使絕緣子表面冰層出現(xiàn)空氣間隙。輕覆冰時傘裙與護(hù)套的交界處由于被遮擋而難以覆冰，易出現(xiàn)空氣間隙。本節(jié)通過平板模型試驗研究冰層中間隙長度及位置、染污程度對覆冰閃絡(luò)過程的影響。

2.1 間隙長度的影響

試驗中研究了不同間隙長度(0、5、10、15mm)對覆冰閃絡(luò)特性的影響。間隙設(shè)置在高壓極處，覆冰厚度為10mm。圖3和圖4分別為無空氣間隙和間隙長度為10mm時的閃絡(luò)過程。

2）水域、草地和林地都有不同程度的減少，林地主要轉(zhuǎn)換為草地（約105.8 km2），水域和草地主要轉(zhuǎn)換為耕地（分別約為136.98 km2、112.19 km2）；

冰層中無間隙時，升壓過程中冰與電極交界面的氣泡承受強場而首先發(fā)生放電。隨后電弧主要沿冰內(nèi)氣泡路徑發(fā)展，爬弧過程緩慢，臨閃前電弧將表層冰融化，轉(zhuǎn)為沿面閃絡(luò)。

冰層中存在初始間隙時，閃絡(luò)則完全沿冰面發(fā)展。升壓過程中，間隙處場強首先達(dá)到臨界值，誘發(fā)起始電弧，此時泄漏電流小、冰面水膜薄，電弧難以向前發(fā)展。當(dāng)冰面逐漸融化后，泄漏電流劇增，電弧開始沿冰面發(fā)展，并在短時間內(nèi)閃絡(luò)。

圖5為兩種工況下閃絡(luò)后的冰層形態(tài)?？梢钥闯?，無空氣間隙時冰層內(nèi)部中空，說明無初始?xì)庀稌r電弧易沿冰層內(nèi)部發(fā)展；存在間隙時，電弧完全沿間隙和冰層表面發(fā)展，僅放電通道附近冰體發(fā)生融化。

表2為不同間隙長度時的閃絡(luò)電壓。從中可知，隨著間隙長度的增大，冰閃電壓呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。

存在空氣間隙時，間隙中承受高電壓易起弧，電弧能量逐漸使冰面出現(xiàn)明顯水膜，進(jìn)而在較短時間內(nèi)沿冰面形成閃絡(luò)，因此有間隙時冰閃電壓較低。間隙為10mm時，起始電弧產(chǎn)生時冰表面充分融冰，此時閃絡(luò)電壓最低。

圖3 無空氣間隙時覆冰閃絡(luò)過程圖

圖4 間隙長度10mm時覆冰閃絡(luò)過程圖

圖5 兩種工況下閃絡(luò)后的冰層形態(tài)

隨著間隙長度增大至15mm，冰閃電壓升高。此時由于間隙長度較大，間隙場強難以達(dá)到產(chǎn)生起始電弧的臨界值。電流爬升至相同水平所需電壓更高，且電流增長速度較緩，局部電弧的能量難以融化冰層，即使間隙中出現(xiàn)了貫穿電弧，電流也不足以支撐局部電弧向前發(fā)展。試驗中發(fā)現(xiàn)，該工況下電弧僅出現(xiàn)在間隙附近，少有爬弧現(xiàn)象，直至臨閃前電弧才沿面迅速發(fā)展。

2.2 間隙位置的影響

該組試驗中考慮了不同間隙位置時的覆冰閃絡(luò)特性。其中間隙與高壓極的距離分別為0、30mm、60mm，間隙長度設(shè)定為5mm，冰層厚度10mm。

圖6與圖7分別為間隙與高壓極間距30mm、60mm時的閃絡(luò)過程。間隙位于電極處時，電弧向一側(cè)發(fā)展，而間隙位于冰層中部時則向兩側(cè)發(fā)展。當(dāng)空氣間隙距高壓極30mm時，起始電弧首先向較為接近的高壓極發(fā)展，待這一側(cè)電弧貫通冰面后，電弧向低壓側(cè)發(fā)展形成閃絡(luò)。而當(dāng)間隙距電極60mm時，起始電弧向兩側(cè)電極的發(fā)展均比較困難，因此電弧在間隙部分維持時間較長，此時隨著電壓的升高，高壓極與冰層間的小氣隙中也出現(xiàn)了局部電弧。

表2 間隙長度不同時的閃絡(luò)電壓值

圖6 間隙與高壓極間距30mm

圖7 間隙與高壓極間距60mm

表3為間隙與高壓極間距不同時的閃絡(luò)電壓值。間隙位于電極處時，起始電弧僅有一個弧根，因此比較容易貫穿整個冰面；而當(dāng)間隙位于冰層中部時，起始電弧存在兩個弧根，發(fā)展更為困難。特別是當(dāng)間隙位于冰層正中時，電弧向兩側(cè)發(fā)展都比較困難，需要外施電壓達(dá)到足夠強度電弧才開始發(fā)展，此時高壓極處也因為融冰而出現(xiàn)局部電弧。因此間隙愈遠(yuǎn)離電極，閃絡(luò)電壓愈高。

2.3 染污程度的影響

覆冰時污穢和覆冰水中鹽分同時發(fā)生遷移，會改變了融冰水電導(dǎo)率的分布趨勢，對冰閃特性造成影響。本組試驗研究了不同染污程度(ESDD=0、0.05、0.1、0.2 mg/cm2)下的冰閃特性，冰層厚度為10mm。圖8所示為為ESDD=0.2mg/cm2時的閃絡(luò)過程。

當(dāng)模型表面涂有污穢時，閃絡(luò)發(fā)展速度較快。冰層并未出現(xiàn)中空，空氣/冰層界面和涂料/冰層界面均有大量冰融化，低鹽密時閃絡(luò)大都沿著空氣/冰面發(fā)展；當(dāng)鹽密較高時，由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導(dǎo)率，使閃絡(luò)沿內(nèi)部界面發(fā)展。表4所示為不同染污程度時的閃絡(luò)電壓值。表5所示為閃絡(luò)后不同染污程度下的融冰水電導(dǎo)率和所有冰層的融冰水電導(dǎo)率。

表3 間隙位置不同時的閃絡(luò)電壓值

圖8 ESDD=0.2mg/cm2時的閃絡(luò)過程

表5中可以看出，隨著染污程度的增加，冰閃電壓逐漸下降。隨著污穢中鹽密的增加，遷移進(jìn)冰層中的鹽分增多，融冰水電導(dǎo)率提高，能在較低電壓下實現(xiàn)閃絡(luò)。此外，閃絡(luò)導(dǎo)致的融冰水電導(dǎo)率要大于所有冰層的融冰水電導(dǎo)率，這說明鹽分較多的冰層首先發(fā)生融化。

3 全尺寸復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)試驗分析

圖9所示為復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)過程。從圖中可以看出，在覆冰閃絡(luò)的過程中，電弧多出現(xiàn)在覆冰較少的復(fù)合絕緣子桿徑處，然后沿著下傘裙表面發(fā)展，最后通過上表面冰層構(gòu)成完整的閃絡(luò)通道。實際覆冰過程中，復(fù)合絕緣子上表面由于直接接收沉降的過冷卻水而具有大量冰層；下表面及桿徑處覆冰較少，通常是在局部湍流作用下，懸浮在空間中的過冷卻水粘附于其表面而形成的覆冰。根據(jù)第3節(jié)的分析可知，覆冰量少或者間隙處易產(chǎn)生起始電弧。

表4 染污程度不同時的閃絡(luò)電壓值

表5 染污程度不同時的融冰水電導(dǎo)率對比

圖9 復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)過程

染污試品在一定程度上降低絕緣子覆冰閃絡(luò)電壓。鹽密為0.2 mg/cm2時的冰閃電壓約為鹽密為0.05 mg/cm2時的92%。圖10所示為染污程度對輕覆冰復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的影響。

圖10 染污對輕覆冰復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的影響

4 結(jié)論

根據(jù)覆冰模型試驗及全尺寸人工覆冰試驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）間隙是產(chǎn)生起始電弧的主要因素。無間隙時電弧主要沿冰內(nèi)氣泡路徑發(fā)展，臨閃電弧將表層冰融化轉(zhuǎn)為沿面閃絡(luò)；存在初始間隙時，閃絡(luò)完全沿冰面發(fā)展。間隙長度與冰閃電壓之間呈先降后升的變化趨勢；

2）間隙愈接近電極愈易發(fā)生閃絡(luò)。間隙位于電極處電弧只需向一側(cè)發(fā)展，而間隙位于冰層中部則需向兩側(cè)發(fā)展，弧根的增加提高了剩余電阻，導(dǎo)致了閃絡(luò)電壓的提升；

3）染污程度與冰閃電壓正相關(guān)，低鹽密時閃絡(luò)大都沿著空氣/冰面發(fā)展，當(dāng)鹽密較高時，由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導(dǎo)率，使閃絡(luò)沿內(nèi)部界面發(fā)展；

4）通過復(fù)合絕緣子全尺寸人工覆冰試驗發(fā)現(xiàn)，輕覆冰條件下，起始電弧出現(xiàn)在覆冰量較少的桿徑及下表面處，且覆冰閃絡(luò)電壓隨染污程度的上升呈下降趨勢。

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