通過(guò)分析覆冰對(duì)輸電線路的危害及采取新型防冰涂料的可行性

段志明

【摘 要】分析了輸電線路覆冰的主要形成原因及其對(duì)輸電線路及絕緣子的損壞方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究指出目前的RTV及PRTV涂料不是有效的防冰閃措施，并介紹了國(guó)內(nèi)最新的新型防冰涂料的原理及應(yīng)用方式，介紹了新型防冰涂料的防冰性能及性能結(jié)論，指出新型防冰涂料應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】輸電線路；覆冰；冰閃；絕緣子；防冰涂料

0.引言

覆冰是自然界的常見(jiàn)現(xiàn)象，當(dāng)氣溫保持在0～-4℃的范圍內(nèi)而不是更低時(shí)，降下來(lái)的雪往往先溶成水后結(jié)為冰，導(dǎo)致結(jié)冰的速度加快、覆冰的厚度也增加[1]，因此本文就覆冰的特點(diǎn)及對(duì)輸電線路一次設(shè)備的損壞進(jìn)行分析，并對(duì)新型防冰涂料應(yīng)用于托電現(xiàn)場(chǎng)的可行性提出建議。

1.覆冰的特點(diǎn)

1.1覆冰的主要形成原因

覆冰形成的氣象因素主要有氣溫、空氣濕度、風(fēng)速和風(fēng)向， 即需要具備足以凍結(jié)的氣溫條件（ 一般<0℃） ， 同時(shí)需具備較高的空氣濕度， 空氣相對(duì)濕度一般大于85%， 當(dāng)具備了形成覆冰的溫度和濕度條件后， 風(fēng)速的大小和風(fēng)向是決定覆冰大小的重要參數(shù)，最適宜覆冰的風(fēng)速一般為 1～10 m/s。風(fēng)對(duì)覆冰的影響表現(xiàn)為： 覆冰首先在導(dǎo)線迎風(fēng)面上生長(zhǎng)， 當(dāng)迎風(fēng)面達(dá)到某一覆冰厚度時(shí)， 在不平衡重力的作用下產(chǎn)生扭矩， 使導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)， 則在導(dǎo)線的另一迎風(fēng)面上產(chǎn)生覆冰， 反復(fù)多次后在導(dǎo)線上形成圓形或橢圓形的覆冰。通常小導(dǎo)線的覆冰多呈圓形， 而大導(dǎo)線的覆冰則多呈橢圓形， 不扭轉(zhuǎn)的導(dǎo)線上覆冰形狀多為扁平狀[4-6]。雨凇覆冰是最嚴(yán)重的一種覆冰形式， 對(duì)電網(wǎng)危害最大，見(jiàn)圖1、2。雨凇形成的最適宜氣象條件為： 氣溫-5～0℃， 相對(duì)濕度>90% ， 風(fēng)速 1～ 8 m/ s。如果不具備以上條件， 雪直接落在導(dǎo)線等一次設(shè)備上不會(huì)凍結(jié)形成雨淞， 而只會(huì)形成濕雪， 對(duì)電網(wǎng)不會(huì)形成危害.此次源霸安輸電線路跳閘氣候特點(diǎn)符合雨凇的特點(diǎn)。

1.2覆冰對(duì)輸電線路及絕緣子的損壞

1.2.1覆冰對(duì)輸電線路的損壞

冰災(zāi)初期電力設(shè)備覆冰相對(duì)較輕， 主要危害表現(xiàn)為導(dǎo)線舞動(dòng)和脫冰跳躍等。隨著災(zāi)情的發(fā)展和覆冰的加劇，當(dāng)導(dǎo)線強(qiáng)度不能承受因覆冰增加而增大的拉力時(shí)即會(huì)發(fā)生導(dǎo)、地線斷線事故， 斷線后引起的沖擊受力或不平衡受力也可能進(jìn)一步造成倒塔事故。圖3、圖4為源霸一線線路受損后拍攝圖片。

線路斷線是11.05事件中導(dǎo)致線路試送不上的最重要的方面，也是導(dǎo)致托電緊急停運(yùn)4臺(tái)機(jī)組的直接原因。線路斷線不僅直接影響電力輸送與電力供應(yīng)， 嚴(yán)重時(shí)還將造成電網(wǎng)解列甚至全黑事故。同時(shí)，在冰凍災(zāi)害持續(xù)的惡劣天氣情況下， 電力工人搶修工作進(jìn)行得異常艱難， 常常是搶修速度跟不上損壞速度， 搶修過(guò)程中也容易發(fā)生人身安全事故。

2.防冰閃措施

2.1概述

迄今為止，關(guān)于覆冰絕緣子串交流閃絡(luò)電壓與串長(zhǎng)是否呈線性關(guān)系一直未達(dá)成共識(shí)[10，11，12]，但增加絕緣子串片數(shù)可以提高冰閃電壓已得到普遍認(rèn)可。因此在允許的條件下，增加絕緣子片數(shù)、提高絕緣配置是一種有效的提高冰閃電壓的方式。但對(duì)于已有線路，增加絕緣子片數(shù)受塔頭尺寸的限制。因此國(guó)內(nèi)外在提高冰閃電壓方面，采用了V形串和刷涂防冰涂料等措施[13，14，15]。從冰閃機(jī)理來(lái)看，預(yù)防絕緣子串冰閃應(yīng)從防止絕緣子上形成覆冰、防止絕緣子串傘裙邊沿形成連續(xù)“水簾”及水滴落下時(shí)避免成串、成簾來(lái)考慮，試驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)踐表明，阻隔導(dǎo)電率高的融冰水形成閃絡(luò)通道的水簾是提高冰閃電壓的基本措施。

2.2 室溫硫化硅橡膠涂料

室溫硫化硅橡膠涂料（room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating，RTV）表面具有憎水性，其在防污閃中有著優(yōu)異的表現(xiàn)。部分研究者希望使用防污閃復(fù)合涂料（permanent room temperature vulcanized anti-contamination flashover composite coating，PRTV）來(lái)防止絕緣子上覆冰的形成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室人工模擬試驗(yàn)結(jié)果可知：在覆冰初期，由于PRTV 的憎水性，過(guò)冷卻水滴在絕緣子表面呈水珠狀，部分水滴易滑離絕緣子表面，因此在初期絕緣子表面覆冰較未涂覆PRTV的絕緣子表面輕，但仍會(huì)形成覆冰，且覆冰呈顆粒狀，冰層中形成微小“空腔型”氣隙；覆冰一段時(shí)間后，PRTV表面被多氣隙和凹凸不平的冰層覆蓋，其表面粗糙度明顯大于未涂覆 PRTV 的表面，改變了覆冰表面的流體力學(xué)特性，使其表面更易捕獲水滴、遲滯水滴的流失，覆冰速度反而較未涂覆PRTV的表面快；隨著覆冰時(shí)間的增加，PRTV 表面凹凸不平的間隙逐漸被填平，表面光潔度與未涂覆PRTV的表面一致，覆冰速度也趨于一致[16]。PRTV涂層的憎水性引起覆冰狀態(tài)的改變，使冰層內(nèi)部形成“空腔”，這更易發(fā)生局部放電。與未涂覆PRTV相比，涂覆PRTV的絕緣子冰閃電壓將降低7%～15%，同時(shí)，不斷熄滅和重燃的局部電弧會(huì)燒傷和破壞PRTV 涂層。γ20為340μS/cm，平均每片冰重為 1.1～1.2kg 時(shí)，PRTV 對(duì)絕緣子冰閃電壓的影響雖然在覆冰初期PRTV 具有延緩覆冰的作用，但在覆冰嚴(yán)重后其效果并不明顯，且涂覆 PRTV 的絕緣子冰閃電壓比未涂覆PRTV的絕緣子冰閃電壓低，因此涂覆PRTV不是有效的防冰閃措施。

2.3新型防冰涂料的原理及應(yīng)用方式

2.3.1 防冰機(jī)理

絕緣子防覆冰涂料是在RTV 硅橡膠涂料的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)而成，將這種涂料涂覆在絕緣子的表面，涂料固化后形成防絕緣子覆冰涂層。涂層具有優(yōu)良的憎水特性以及發(fā)熱特性。防覆冰涂料由于其本身具有良好的憎水性，與冰雪之間具有比較低的粘附力。正是由于冰與涂料表層的粘附力較小，因此借助一定外力將冰從涂料表面除掉較容易。此外，絕緣子防覆冰涂料還具有一般RTV涂料所不具備的電熱性能。通過(guò)在RTV涂料中加入合適的成分調(diào)節(jié)涂料的電阻率，在正常運(yùn)行電壓下有覆冰條件時(shí)，絕緣子涂層中有一定的泄漏電流流過(guò)，發(fā)揮電熱效應(yīng)。如果依靠電熱效應(yīng)散發(fā)的熱量在寒冷天氣下使絕緣子表面溫度保持在0℃以上，就能夠阻止絕緣子覆冰的發(fā)生。

2.3.2 開(kāi)關(guān)原理及應(yīng)用方式

絕緣子防冰涂料是一種主動(dòng)防冰措施，減緩甚至減少冰在絕緣子表面的附著，采用轉(zhuǎn)化介質(zhì)損耗發(fā)熱的方式防冰，因此在非覆冰天氣條件下，需要控制能耗，防止沒(méi)必要的能量損耗。本防冰涂料通過(guò)設(shè)計(jì)絕緣子表面涂料噴涂方式，利用絕緣子表面冰水充當(dāng)開(kāi)關(guān)。防冰涂料應(yīng)用方式如圖5所示，圖中標(biāo)號(hào)6在絕緣子上表面布置圓環(huán)狀空白或者涂刷RTV涂層的帶狀區(qū)域。在天氣晴好時(shí)，由于普通RTV涂層的存在，表面涂層不形成導(dǎo)電通道，這時(shí)涂層無(wú)能耗；降雨量較小或起霧時(shí)，由于防覆冰涂層具有優(yōu)良的憎水性，分散的水珠無(wú)法將導(dǎo)電通道貫通，因此，防覆冰涂層中流過(guò)的泄漏電流非常小，幾乎沒(méi)有損耗；覆冰天氣時(shí)，在冰水共存情況下，普通RTV涂層隔離帶被帶有水膜的冰層橋接，這時(shí)候防冰涂層形成通路，整個(gè)絕緣子表面有電流流過(guò)，開(kāi)始發(fā)揮電熱效應(yīng)，阻礙附著的降水凝結(jié)；覆冰天氣結(jié)束后，導(dǎo)電通道又恢復(fù)切斷狀態(tài)，泄漏電流重新恢復(fù)極小值。基于這種涂刷方式帶來(lái)的開(kāi)關(guān)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了泄漏電流在需要防冰時(shí)通過(guò)損耗發(fā)熱起作用，不需要防冰時(shí)大大降低損耗的效果。

2.3.3 新型絕緣子防冰性能、試驗(yàn)結(jié)論及可行性

2.3.3.1在試驗(yàn)室模擬的覆冰條件下，采用《輸電線路絕緣子新型防冰涂料及其性能研的防冰涂料》文中介紹的新型涂料涂刷的絕緣子串無(wú)覆冰，而同等試驗(yàn)條件下無(wú)防冰涂料的絕緣子串覆冰嚴(yán)重，表明防冰涂料起著顯著的效果，見(jiàn)圖6。

2.3.3.2污閃對(duì)比試驗(yàn)中，采用防冰涂料的絕緣子串污閃電壓比無(wú)防冰涂料的瓷絕緣子串的要高約20%左右，在污穢條件下帶防冰涂料的瓷絕緣子串能安全運(yùn)行。

2.3.3.3熱霧試驗(yàn)中，防冰涂料的電熱效應(yīng)能夠迅速烘干污層，切斷泄漏電流通路，降低泄漏電流值，減少了損耗，絕緣子串能安全運(yùn)行，見(jiàn)圖7。

2.3.3.4在雨閃對(duì)比試驗(yàn)中，盡管由于試驗(yàn)條件限制，沒(méi)有進(jìn)行有、無(wú)防冰涂料絕緣子雨閃電壓的對(duì)比，但試驗(yàn)結(jié)果顯示：帶防冰涂料絕緣子串雨閃電壓遠(yuǎn)高于污閃電壓，表明在下雨條件下，防冰涂料絕緣子串仍然能安全運(yùn)行。

2.3.3.5目前托克托發(fā)電公司500kV、220kV變電站絕緣子均噴涂RTV涂料，新型防冰涂料在托克托發(fā)電公司變電站有很大的應(yīng)用空間。

3.結(jié)語(yǔ)

本文分析了輸電線路覆冰的主要形成原因及其對(duì)輸電線路及絕緣子的損壞方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究指出目前的RTV及PRTV涂料不是有效的防冰閃措施，介紹了國(guó)內(nèi)最新的新型防冰涂料的原理及應(yīng)用方式，介紹了新型防冰涂料的防冰性能及性能結(jié)論，指出新型防冰涂料在托克托發(fā)電公司變電站有很大的應(yīng)用空間。

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