高电压作业绝缘子覆冰闪络研究进展.docx

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高电压作业绝缘子覆冰闪络研究进展

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绝缘子覆冰闪络研究进展

摘要：

覆冰绝缘子的电气特性是绝缘子防冰闪措施研究的关键技术难题，国内外学者对此进行了大量试验、理论研究，取得了很多有价值的成果，但输电线路冰闪事故仍时常发生。

因此，总结了国内外关于绝缘子覆冰闪络的研究进展，为国内外从事绝缘子防冰闪工作的研究人员提供参考。

结合近80年国内外对绝缘子覆冰闪络及其防治方法的丰富科学研究经验，从覆冰绝缘子表面冰层的物理特性、覆冰绝缘子试验方法、覆冰闪络特性及其冰闪数学模型等方面系统地总结分析了覆冰绝缘子闪络的各种影响因素/机理。

并对未来绝缘子覆冰闪络的研究提出了一些极具价值地建议和设想。

关键词：

覆冰；绝缘子；闪络特性；研究进展

Abstract：

Theelectricalcharacteristicsofice-coveredinsulatorsisoneofthekeyissuesindevelopinganti-flashovermeasuresfortheinsulators.Althoughtherearemanyexperimentsandtheoreticalinvestigationsofthisissueworldwide,fromwhichalotofvaluableresultshasbeenobtained,icingflashoveraccidentsarestillfarfrombeingprevented.There-fore,itisnecessarytosummarizetheseresearchresultsofflashoversonice-coveredinsulator,soastoprovidereferencesforandguidefurthereffortsondevelopmentofanti-flashovermeasures.Onthebasisoftherichexperimentalinvestiga-tionsonicingflashoverandanti-icingmeasuresofinsulatorscarriedbothathomeandabroadinlasteightyyears.Wealsoproposedsomekeytopics,whichcoveredicingflashover’smechanismandcharacteristicsanditsmathematicalpredictionmodels,aswellassomesuggestionsandideas,forfutureresearchesoficingflashoversoninsulator.

Keywords：

icing;insulator;flashoverperformance;researchanddevelopment

引言

覆冰是分布广泛的自然现象，人们已熟知纯冰的物理特性，但对积覆于绝缘子表面的污染冰层的物理特性和电气性能缺乏系统研究。

为表征绝缘子的覆冰特征，根据运行经验以及大量的观测和调查，宏观上将绝缘子覆冰程度分为轻微、轻度、中等和严重覆冰4种类型[1]。

自20世纪30年代起，国外便开始研究电网覆冰问题。

经过80余年的持续研究，国内外已经初步制定了绝缘子覆冰的试验方法，并在试验室内获得了大量的绝缘子冰闪特性的试验结果，所研究的绝缘子串涉及到超特高压交直流系统[2-3]。

由试验室的研究结果可知，在一定覆冰程度和运行电压下，融冰过程的最低冰闪电压、冰层和冰凌的覆冰水电导率是覆冰绝缘子电气特性最为重要的特征参数。

本文系统总结了近几十年来科研工作者取得的绝缘子覆冰闪络研究成果及尚待研究的科学难题，分析了其研究的发展趋势，并提出了解决上述问题的可能途径与努力方向。

1冰与绝缘子冰闪

1.1冰的物理性质

冰的形态决定了冰结晶形状和尺寸。

绝缘子表面冰的形态与其电气闪络有直接关系。

水在固化相变过程中，导电离子产生晶释效应，改变了绝缘子的放电路径，使其电气强度降低。

在融冰过程中冰体表面或冰晶体表面的水膜很快溶解污秽物中的电解质并提高融冰水或冰面水膜的导电率，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压[4-5]。

1.2绝缘子冰闪过程

对于绝缘子冰闪，要解决的基本问题有：

①预染污是否为绝缘子冰闪的必要条件；②若预染污是必要条件，那该如何预测可能发生冰闪的线路的污秽类型和程度；③运行电压下长串（超高压或特高压）绝缘子的覆冰形成机理；④泄漏电流对覆冰形成类型的影响。

人工模拟和运行经验表明，严重覆冰条件下影响实际运行绝缘子闪络的主要因素有[13]：

①绝缘子覆冰增长的类型（干、湿增长）、冰密度和覆冰质量；②运行电压下绝缘子长串覆冰时空气间隙的形成和分布规律；③冰层的电导率与冰层表面滴落水滴的电导率；④电压类型和直流电压极性。

覆冰绝缘子表面闪络过程极其复杂，相互作用的影响因素很多，如电场分布、冰面湿润度和污秽度、空气间隙的数量和位置、环境条件和绝缘子上冰层的形状和直径等。

2覆冰绝缘子试验方法

绝缘子覆冰引起的闪络在不同地域会有明显的差异，其原因在于冰的形态、类型、冰凌状态、覆冰质量、覆冰厚度各不相同。

人工气候室可以模拟自然环境绝缘子积覆的大多数覆冰类型，具有以下优点：

①可在任意季节进行覆冰试验研究；②可精确控制模拟大气条件；③可分别研究影响绝缘子电气性能的各个参数。

虽然人工气候试验室研究具有很多优点，但在自然环境下研究绝缘子覆冰及其放电特性是验证人工模拟试验方法和试验结果的必不可少的环节。

2.1覆冰绝缘子电气试验标准

目前的人工覆冰试验方法是基于污秽和淋雨闪络试验方法的标准，即参照盐雾试验、清洁雾试验和淋雨试验的标准改进而来的，改进的淋雨试验方法最适用于模拟雨凇和雾凇的增长，采用此方法可减少试验的准备时间和试验费用。

覆冰试验电源必须具有足够大的容量和较强的电压调节能力，目前国内外尚未对覆冰试验电源提出特别的要求。

由于覆冰可以看成一种特殊的污秽形式，因此，国内外均是参照污秽试验电源的要求来规定覆冰试验电源[5]。

2.2户外自然覆冰试验

冬季冻雨或湿雪积聚会导致污秽绝缘子覆冰闪络，因此国外有些国家建立了绝缘子自然覆冰试验站（点）。

当温度接近0℃时，这些试验站不时会出现类似于文献[24]中的“雾浪”，进而导致绝缘子覆冰。

然而，自然覆冰试验站不能控制覆冰参数，试验环境极其恶劣，耗费的人力、物力、财力巨大，且取得的数据有限。

国内自然覆冰试验站更少，只有重庆大学在湖南省雪峰山建立了绝缘子自然覆冰基地[25]，配置了满足覆冰绝缘子闪络试验要求的试验电源装置，布置了各种型式的10~1000kV的交、直流绝缘子串。

为开展自然覆冰环境下电网覆冰机理、外绝缘特性、覆冰在线监测和预警技术，融冰、除冰技术，防冰冻新材料应用等电网防冰减灾课题研究创造了良好的试验平台，其研究结果对电力系统开展防冰减灾技术研究具有重要的参考价值和工程指导意义。

2.3人工气候室覆冰试验方法的发展

国内外许多研究机构在人工气候室所采用的覆冰绝缘子试验方法都是逐步发展完善的。

如：

（1）1967年，Khalifa等将自来水或蒸馏水直接喷射到已冷却至−18℃的人工气候室瓷绝缘子上覆冰[26]。

采用串联电阻为100kΩ、40kV电压时其短路电流为400mA的交流高压电源对覆冰绝缘子进行试验。

（2）1968年，Meier等将长棒绝缘子放置于模套内，加入σ20=56μS/cm的覆冰水，使绝缘子表面均匀覆冰3cm，覆冰密度为0.8g/cm3。

试验发现，当温度为−20℃时，在加压3h后发生闪络；当温度为−10℃和−5℃时，分别在加压70min和3min时发生闪络[27]。

（3）1970年，Kawai在户外进行了不带电覆冰试验，覆冰后利用400kV电源施加试验电压，串入15kΩ电阻后的系统短路电流为26A。

试验时施加电压恒定，让阳光使绝缘子冰雪自然融化。

结果表明，户外试验所得的长串绝缘子泄漏电流和闪络特性与人工气候室短串绝缘子的试验结果类似[28]。

（4）1971年，Renner等在Bonneville电力公司采用额定电流1.5A、额定电压500kV的直流电源进行了绝缘子覆冰试验[29]。

采用淋雨装置在户外对带电绝缘子进行喷雾覆冰，研究其覆冰增长特性、以及其在融冰期和覆冰期的闪络和耐受特性。

先在一定试验电压下对绝缘子进行覆冰直至闪络，降低施加电压后再次覆冰直至耐受，不断重复以上步骤直至获得最低闪络电压。

（5）1975年，Schneider采用串入12kΩ电阻后最小短路电流为18A的400kV电源对超高压绝缘子进行了试验[30]。

当温度<3℃时，采用σ20=29μS/cm的细雾进行了绝缘子带电覆冰试验。

覆冰持续至闪络发生或4h后停止。

采用静止圆柱形导体来监测冰厚，试验时的雨凇覆冰厚度为25mm，并同时测量绝缘子覆冰质量。

结果表明，“V形”绝缘子串的性能最好，标准悬垂布置的瓷绝缘子串次之，复合绝缘子串的性能最差。

（6）1975年，Lee等在σ20=202μS/cm、电压500kV条件下对耐张、悬式瓷及复合绝缘子串进行了试验，验证了V形串的良好覆冰特性[31]。

（7）1979年，Fujimura等在−20℃的冷冻室中采用恒压法研究了绝缘子的耐受水平和闪络电压[32]，其覆冰水电导率σ20在50~500μS/cm之间，绝缘子表面覆冰密度在100~130mg/cm2之间，施加试验电压高达600kV。

（8）1980年，Cherney利用室内试验装置对绝缘子施加恒定电压进行人工冻雨试验[33]。

由370kV/1666kVA变压器提供试验电源，采用的自来水进行覆冰，绝缘子施加的试验电压比运行电压（230、500kV）高10%，降雨率在8~10mm/h之间，以25mm分裂导线上的表面覆冰增长作为参照。

由于清洁绝缘子未发生闪络，因此试品绝缘子预染污盐密为0.4mg/cm2。

（9）1982年，Charneski等在−12℃环境中采用σ20=200μS/cm的自来水进行覆冰，在给定电压下使支柱绝缘子单面覆冰1h，由10次试验发生闪络的次数（改变施加电压使其发生0~10次闪络）来确定其电气特性[34]。

试验电源由电压为75kV、短路电流为6.7A的变压器提供。

（10）1983年，Phan和Matsuo在5m×3m×3m的冷冻室中进行了带电（运行电压为Us）积覆软雾凇、硬雾凇及雨凇覆冰试验[35]，电源由电压为120kV、短路电流为4A的交流变压器提供，采用直径（φ）为38mm的旋转圆柱体监测覆冰，调节冷冻室温度来控制覆冰类型，σ20在54～63μS/cm之间。

（11）因345kV和765kV超高压输电系统的复合绝缘子发生冰闪事故，Nourai等（1984—1986年）最先开展了复合绝缘子融冰闪络特性的试验研究[36-37]，试验过程中，手工喷洒使复合绝缘子严重覆冰，然后适当打开气候室门使其温度升高至0℃后开始加压，试验过程中应控制温升、降低环境与绝缘子的温差。

（12）1985年，重庆大学建立了直径2.0m、长4.0m的低温低气压人工气候室，并开始在人工气候室系统研究雾凇、雨凇、混合凇覆冰绝缘子的闪络特性，试验电源为900kVA/150kV，短路电流为30A。

采用覆冰水电导率和覆冰重量作为特征参量，通过大量的摸索和试验总结，提出了覆冰绝缘子的“U形”曲线试验方法，即覆冰达到预定要求后，停止覆冰和制冷，打开人工气候室的门，通过控制门的开度来控制融冰的升温速度，采用均匀升压法以3~5min的时间间隔对覆冰绝缘子重复施加电压直至闪络。

直至冰层完全融化脱落或大部分融冰脱落，其多次闪络电压的最小值即为最低冰闪电压[38-41]。

“U形”曲线法为IEEE标准所推荐采用[42]。

（13）由于500kV输电线路的绝缘子发生冰闪事故，1988年Erven在雾室中采用“污秽-冰-雾-温度”（contamination-ice-fog-temperature，CIFT）试验来模拟绝缘子闪络时的气候条件[43]，即：

①污秽：

绝缘子预染污，阴干，置于雾室并冷却至−5℃并施加运行电压；②冰：

将σ20=50μS/cm的过冷却水间断性地喷洒至悬垂绝缘子，保持−5℃覆冰1.5h；③雾：

其后2h内施加轻度雾，并使其温度从−5℃缓慢升高至−2℃，形成局部冰凌桥接；④温度：

其后4h内施加浓雾，并使其温度从−2℃缓慢升高至1℃，且在0℃时升高电压直至闪络或耐受一定时间。

1996年，Chisholm等将CIFT方法简化，省略覆冰阶段，改进为“污-雾-温度”（contamination-fog-temperature，CFT）方法，即冻雾试验方法[44]。

（14）1991年武汉水利电力学院在高6.7m的冷冻塔内进行了29片500kV线路绝缘子串（XP-210，XP-160）的雾凇、雨凇覆冰试验[45-46]。

雾气的产生由一台超声波水雾化器完成，雾粒直径在5~15μm之间，绝缘子串吊出冷冻塔后分别施加工频电压（由1000kV试验变压器提供）和操作冲击电压（由2400kV冲击发生器提供，波形为250μs/2500μs）开展闪络试验，发现覆冰绝缘子串的电气强度与覆冰受染污程度有关，得到了覆冰类型、电压极性串长等因素对放电电压的影响。

（15）Farzaneh基于CIFT试验方法[47-49]，并将其发展为IEC的方法[50]（见图1，图中U0为覆冰期施加的电压值；Ti为初始环境温度；UF为预期电压），即：

①覆冰t0时间后，停止喷水和施加电压（U0）；②试验准备时间Δt0<150s；③覆冰期试验和融冰期试验，前者以3.9kV/s的恒定速度施加电压至预期电压UF，维持电压直至发生闪络或耐受结束；④由IEC60507[50]推荐方法确定最大耐受电压UWS，其ΔUWS=5%UF，可采用升降法求取50%耐受电压（U50），试验应获得10个有效数据，试验结果求取标准偏差（σ50）。

2002年，Farzaneh等在总结以前试验方法的基础上提出了改进试验方法（见图2）[51]。

图2中改善了人工气候室和350kV试验电源，其最小短路电流达32A，气候室的温度控制精确到0.5℃，集成风机和淋雨系统产生中值体积直径为80μm的水滴，形成雨凇和平均倾角为53°的冰凌，覆冰电导率可控，采用转速为1r/min的圆柱导体来监测冰厚。

改进试验方法包括4个阶段：

①覆冰；②覆冰后退压凝固（20min），并保持风速和温度不变；③施加电压并升温，先以14℃/h的速度将温度从−12℃升高至−2℃，然后以3.5℃/h的速度从−2℃升高至2.5℃。

可通过以上方法确定最大耐受电压和最小闪络电压。

（16）2002年，Gutman等提出了冰强级试验方法[52]。

在直径18m、净高20m的人工气候室同时进行多串试验（3串420kV绝缘子串），施加最大运行电压，温度恒定为−7℃，采用距离绝缘子串3.5m的2~3个喷头水雾进行覆冰，覆冰水电导率在27~270μS/cm之间，达到预定覆冰厚度后，迅速升压直至闪络。

（17）2003年，重庆大学建成了当时国内外最大、功能最全、直径7.8m、长11.6m的可模拟高海拔覆冰环境的大型多功能人工气候室，通过大量的摸索和试验总结，建立了恶劣环境下绝缘子放电与电压预测模型，提出了优化布置方式（V型、插花）、优化伞型结构的2种防止绝缘子冰闪的方法和多旋转导体积冰器的覆冰参数测量方法[53-70]。

（18）2008年，原国网电力科学研究院的特高压交流试验基地大型环境气候实验室净空间罐体直径20m、高25m。

最低设计试验温度可达−19℃，最低设计气压可达0.05MPa；实验室配置了1500kV交流污秽试验电源和±1000kV直流试验电源，能够进行覆冰、污秽、高海拔条件下的≤±800kV和1000kV输变电设备的外绝缘试验[71]。

（19）2009年，中国电力科学研究科院建立了直径22m、高34m的大型人工气候室，可模拟0~6000m海拔范围内、−20~0℃的低温环境下，由起雾、淋雨等多种气候因素相互组合的复杂气象环境，并进行了超特高压线路长串绝缘子覆冰闪络试验[2]。

（20）2011年，清华大学在内部高7m、直径4m的人工气候室内，采用均匀升压法进行了110kV玻璃绝缘子串的交流冰闪特性的研究[75]。

图1最大耐受电压试验方法

图2研究EHV闪络的改进试验方法

3覆冰绝缘子闪络特性

人工气候室覆冰程度可分为4类：

轻微、轻度、中度与严重。

以直径26~30mm、长度600mm的旋转参考圆柱体覆冰厚度（d）为参考，则有：

轻微覆冰，d<1mm；轻度覆冰，1mm≤d<6mm；中度覆冰，6mm≤d≤10mm；严重覆冰，d>10mm。

3.1户外试验结果

1970年，Kawai在2个户外环境中、运行电压下对25片绝缘子串进行了覆冰试验[28]，绝缘子结构如图3所示。

（①采用喷雾器在户外约−9℃的夜间形成硬雾凇；②−6～−1℃、毛毛雨的户外降雨环境）。

当监测导体冰厚达到25mm的严重覆冰时，绝缘子串大部分伞裙被冰凌完全桥接。

闪络试验在阳光照射的融冰条件下进行，结果表明：

绝缘子形状对闪络电压的影响不明显，闪络电压与串长呈线性关系。

2012年冬，重庆大学在湖南省怀化市雪峰山自然覆冰试验站采用固体涂层法对LXHY3-160型玻璃绝缘子串预染污，研究了其自然覆冰（雪）的交流闪络特性。

结果表明，在此次覆冰（雪）自然试验中，绝缘子上表面覆盖了一层薄雪；绝缘子冻雨覆冰主要分布在迎风面，覆冰密度为0.7754g/cm3；闪络时融冰水电导率较大，并随着串长的增加呈增长趋势；待冰全部融化后，不同串长的绝缘子的融冰水电导率基本相同。

覆冰/雪对绝缘子串闪络特性的影响规律与人工模拟所得结果基本一致：

自然覆冰条件下绝缘子串的闪络电压、覆冰质量以及自然覆雪条件下绝缘子串的闪络电压与绝缘子串长呈线性关系。

ρESDD为等值附盐密度mg/cm2。

3.2人工气候室试验结果

利用高速摄像机在1000帧/s速度下拍摄了9片普通悬式瓷绝缘子串雾凇覆冰的完整闪络过程[5,87]。

虽然绝缘子严重覆冰，绝缘子串伞裙间隙完全被翼形雾凇覆冰桥接，但上、中、下仍形成了3个空气间隙。

覆冰和空气间隙的组合导致电场分布不均匀，局部电弧首先在电场最强的、未被冰凌桥接的高压端空气间隙处产生；随着电压的升高，高压端和中部的空气间隙先后产生局部电弧；电压继续升高，局部电弧逐渐发展，直到最后发展成完全闪络，整个放电发展过程持续时间为10.2s。

试验采用均匀升压法，从产生局部电弧到完全闪络电压升高约30kV。

在整个电弧逐渐发展直到闪络的过程中，将发生多次局部电弧的“建立、发展、熄灭”，这在污秽放电中被称为“零休”的现象。

4绝缘子冰闪模型研究的发展趋势

轻微和严重覆冰的冰闪数学模型的预测与试验结果相符。

当表面染污绝缘子轻微覆冰时，闪络沿泄漏距离发展，其闪络梯度的特征有：

①与冰厚无关；②满足幂函数规律，即E50∝ESDD0.36；③与泄漏距离之比接近常数。

严重覆冰时，绝缘子整个干弧距离被冰凌桥接，其闪络梯度的特征有：

①冰厚影响不明显；②满足幂函数规律，E50∝1200.8；③与绝缘子直径之间满足指数关系；④与泄漏距离之比接近常数。

轻度覆冰和中度覆冰时的绝缘子试验结果与其冰闪数学模型的预测存在明显差异，这是因为影响冰闪特性的因素较多，轻度覆冰和中度覆冰时虽然有冰凌但没有完全桥接，或者桥接伞裙的冰凌数不同，这些都将影响到绝缘子表面的电场分布，对于覆冰绝缘子串，电弧的“建立、发展、熄灭”过程一方面与交流电流过零有关，另一方面则与覆冰的融化、产生融冰水对电弧的熄灭作用以及冰层脱落改变放电路径和电场分布重新发生变化有关。

这是覆冰绝缘子闪络过程中电弧发展的特点，也是建立覆冰绝缘子放电模型所面临的难点。

研究闪络前表面水电导率和水膜厚度的变化应考虑所有的热交换关系，如冰层内的热传导、蒸发、辐射及冰层侵蚀容量。

冰层侵蚀容量对闪络的影响很重要，轻微覆冰的冰层很薄，闪络速度很快，厚冰层闪络速度相对较慢。

因此，必须分析冰层表面温度和冰层电导率随温度的变化，建立动态模型，改善目前的静态多电弧模型，进而改进轻度、中度覆冰时“时间-闪络”关系的预测方法。

5结论

1）绝缘子表面存在污秽是其发生冰闪的重要条件，国内外开展大量试验研究，提出绝缘子覆冰是一种特殊形式的闪络。

因此，现有的绝缘子覆冰试验方法是基于其污秽方法提出的，但是冰闪有其固有的特性，主要体现为：

闪络时间短，影响因素更多，随机性更强。

因此覆冰试验方法尚有待改进。

2）绝缘子的雨凇覆冰特性和污秽特性的标准试验具有相同的设备和方法，利用人工试验进行评价。

绝缘子覆冰试验主要研究在正常工作运行电压下的电气闪络。

绝缘子电气强度与污秽程度有关，其与染污盐密呈负幂指数函数关系。

绝缘子冰闪电压与气压存在显著关系，其随着气压的降低而减小，可采用幂函数进行校正，这为我国高海拔地区超特高压输变电工程建设的绝缘子型式、片数的选择提供了有力数据支撑。

3）目前，无论是轻微、轻度、中度还是严重覆冰，其模型建立均没有考虑绝缘子表面电弧发展过程中的电弧所处的位置、冰层温度、表面电导的温度等因素的影响，而这些因素会导致试验过程中闪络电压的分散性较大。

在将来的研究过程中，应深入考虑这些因素的影响。

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