復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對其冰閃特性的影響

劉 毓 蔣興良 舒立春 向 澤

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

絕緣子是電力系統(tǒng)使用量最大的器件[1]，絕緣子覆冰研究是研究輸電線路防覆冰必不可少的內(nèi)容。從1989 年年底到次年年初，復(fù)合絕緣子在我國工業(yè)投網(wǎng)運(yùn)行以來[2]，對提高輸電線路耐污閃水平，維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行方面起到了巨大作用。但是目前常用的復(fù)合絕緣子普遍存在傘間距小、易被冰棱和電弧橋接等特點(diǎn)[3-5]，在覆冰氣象條件下電氣性能大大降低。隨著輸電線路電壓等級不斷提升[6,7]，對防冰閃性能的要求也越來越高，冰閃性能不夠優(yōu)異的復(fù)合絕緣子漸漸顯出弊端。

在以往對覆冰復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究中[8-12]，研究者們并未考慮帶電覆冰與不帶電覆冰的差別。例如，文獻(xiàn)[10]根據(jù)不帶電覆冰試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)建立了復(fù)合絕緣子計(jì)算模型，指出覆冰和傘裙結(jié)構(gòu)對閃絡(luò)電壓的影響。文獻(xiàn)[11]根據(jù)氣候室不帶電覆冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對空氣流場和過冷卻水滴撞擊絕緣子表面的過程進(jìn)行了模擬分析，提出了傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。

然而，很多研究已經(jīng)證實(shí)，電場對絕緣子覆冰的冰棱形態(tài)、覆冰重量、覆冰密度、覆冰速度等有很大影響，帶電覆冰試驗(yàn)與不帶電覆冰試驗(yàn)有很大的差異[13-23]。文獻(xiàn)[13]的研究得到：帶電情況下，電場的吸引力作用在一定程度上增加絕緣子的覆冰量與覆冰密度，高壓端冰棱容易向絕緣子芯棒彎曲。文獻(xiàn)[15-17]指出，帶電覆冰絕緣子（串）高壓端冰棱不橋接而留有空氣間隙。文獻(xiàn)[19]對線路絕緣子的帶電覆冰試驗(yàn)得到結(jié)論：帶電覆冰情況下的覆冰密度較不帶電時(shí)要小，主要取決于電場強(qiáng)度、覆冰水電導(dǎo)率以及絕緣子材料、結(jié)構(gòu)等因素。

為了使試驗(yàn)更加接近實(shí)際情況、所得數(shù)據(jù)更加具有工程應(yīng)用價(jià)值，本文針對對電力系統(tǒng)危害最大的雨凇覆冰，模擬輸電線路實(shí)際運(yùn)行中復(fù)合絕緣子的覆冰情況，對其進(jìn)行帶運(yùn)行電壓覆冰試驗(yàn)，分析傘裙結(jié)構(gòu)對冰閃電壓的影響，為傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)尋求最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)。

2 人工覆冰試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及試品

試驗(yàn)裝置為大型多功能人工氣候室及其相關(guān)設(shè)備，其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足復(fù)合絕緣子覆冰試驗(yàn)的要求[4,5]。試驗(yàn)原理和接線圖參見文獻(xiàn)[5]。

試品為三種傘裙結(jié)構(gòu)的 35kV 復(fù)合絕緣子FXBW—35/70和四種傘裙結(jié)構(gòu)的110kV 復(fù)合絕緣子FXBW—110/100，均為現(xiàn)有的冰區(qū)用復(fù)合絕緣子。按泄漏距離的遞增順序?qū)⒃嚻肪幪枮椋篈、B、C、D、E、F和G。各自的結(jié)構(gòu)示意和基本技術(shù)參數(shù)分別如圖1和表1 所示。

圖1 試品絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The configuration of tested specimens

表1 試品絕緣子參數(shù)Tab.1 Parameters of tested insulators

2.2 試驗(yàn)方法

參照IEC 60507[22]的標(biāo)準(zhǔn)，采用覆冰水電導(dǎo)率法模擬輸電線路實(shí)際運(yùn)行中的絕緣子不同染污情況，覆冰前絕緣子表面潔凈。根據(jù)試驗(yàn)中常模擬的幾種污穢等級，改變20℃時(shí)覆冰水電導(dǎo)率γ20（300μS/cm、640μS/cm、1 120μS/cm、1 825μS/cm），每隔30min記錄一次覆冰狀態(tài)，使用監(jiān)測導(dǎo)體[18]測量絕緣子覆冰厚度，其值取布置在絕緣子附近（上、中、下）三個(gè)監(jiān)測導(dǎo)體覆冰厚度的平均值。當(dāng)覆冰達(dá)到要求后，繼續(xù)冷凍試品15min，以使冰表面水膜徹底凍結(jié)，最后分別采用U 形曲線法[1]測量最低閃絡(luò)電壓Umin。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)試品絕緣子傘裙全部橋接后（高壓端傘裙除外），停止覆冰，測得此時(shí)A、B、C 號絕緣子覆冰厚度為10mm，D、E、F、G 號絕緣子覆冰厚度為13mm，繼續(xù)冷凍15min 后采用U 形曲線法測量最低閃絡(luò)電壓Umin。

3.1 覆冰量

試驗(yàn)測得兩種電壓等級、不同傘裙結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子在帶運(yùn)行電壓下，不同的γ20對應(yīng)的覆冰重量比較如圖2 所示。

圖2 試品絕緣子覆冰重量比較Fig.2 Comparision of ice weight of tested insulators

從圖2a、圖2b 的對比中可以直觀地看出：

（1）對于同電壓等級、不同傘裙結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子，在相同電氣條件下的覆冰重量與傘裙結(jié)構(gòu)及覆冰水電導(dǎo)率都有關(guān)系。

（2）結(jié)構(gòu)高度越大、傘裙數(shù)量越多、傘裙半徑越大，則覆冰量越多。特別是G 號絕緣子，因其傘裙數(shù)量明顯多余D、E、F 號絕緣子，故其覆冰量也明顯多于D、E、F 號（見圖2b）。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)高度相同時(shí)，泄漏距離s與CF系數(shù)越大，絕緣子表面積越大，其捕獲過冷卻水滴的概率就越大，故覆冰量隨著s與CF系數(shù)的增加而增加。

3.2 冰棱形態(tài)

電場與傘裙結(jié)構(gòu)對雨凇覆冰的冰棱形態(tài)有很大的影響。在嚴(yán)重覆冰時(shí)，高壓端傘裙不被橋接，留有一定空氣間隙，部分絕緣子低壓端傘裙也不橋接。原因在于帶電覆冰時(shí)，沿面電場分布較瓷和玻璃絕緣子串更加不均勻[18]，在高壓端和低壓端會(huì)出現(xiàn)高電場區(qū)。當(dāng)冰棱長度增長到一定值時(shí)，這兩個(gè)地方的冰棱尖端會(huì)出現(xiàn)電暈放電從而抑制冰棱的進(jìn)一步增長，因此高低壓端冰棱增長速度較中間部分冰棱慢，高壓端電場強(qiáng)度較低壓端更強(qiáng)，這種抑制作用更明顯。分以下兩種情況：

（1）隨著冰棱的增長，最先總是高壓端的冰棱由電暈放電轉(zhuǎn)為出現(xiàn)間歇性燃燒的電弧[21]，電弧的燃燒放熱遏制冰棱的繼續(xù)增長甚至使既成的冰棱尖端炸裂、脫落，從而高壓端總是留有一定的空氣間隙。低壓端雖然電場強(qiáng)度也較強(qiáng)，存在一定的放電現(xiàn)象，但是放電強(qiáng)度沒有高壓端大，大部分情況冰棱都要橋接。當(dāng)高壓端出現(xiàn)電弧放電時(shí)低壓端冰棱已經(jīng)橋接，那么低壓端冰棱放電現(xiàn)象將變得不明顯，因?yàn)榇蟛糠蛛妷航德湓诟邏憾碎g隙。最后將只有高壓端存在空氣間隙，如圖3a 所示。

（2）倘若在高壓端出現(xiàn)電弧放電時(shí)低壓端冰棱尚未橋接（這時(shí)中間部分傘裙全部橋接），中間部分冰棱表面水膜串聯(lián)電阻很小，低壓端空氣間隙也將承擔(dān)很高電壓。而高壓端電弧放電又將間歇性地短接高壓端間隙，這就進(jìn)一步增強(qiáng)低壓端空氣間隙的場強(qiáng)，從而低壓端開始出現(xiàn)電弧放電。根據(jù)試驗(yàn)中的觀察，這個(gè)時(shí)候電弧放電嚴(yán)重，常出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的電弧。這種情況下低壓端冰棱也無法繼續(xù)增長，最后在高低壓端均留有空氣間隙，如圖3b 所示。

此外，電場的吸引作用使得高壓端冰棱向芯棒彎曲。由于部分試品絕緣子k1過大，導(dǎo)致大傘上冰棱尖端與（中）小傘邊緣之間的空氣間隙很小甚至被橋接，如圖4 所示。

圖3 高低壓端空氣間隙Fig.3 Air gaps at high-voltage and low-voltage top

圖4 冰棱向芯棒彎曲Fig.4 Icicles bending to the core rod

3.3 閃絡(luò)電壓

大量試驗(yàn)結(jié)果表明[1,26,30-32]，覆冰絕緣子最低閃絡(luò)電壓與覆冰水電導(dǎo)率成冪函數(shù)關(guān)系，即Umin與γ20的關(guān)系可表示為

式中，W為常數(shù)，其值與覆冰狀態(tài)、傘裙結(jié)構(gòu)等有關(guān)；c為γ20對Umin影響的特征指數(shù)，c＞0。

將試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)用上式擬合（相關(guān)系數(shù)均在0.96 以上），在Matlab 中繪制出擬合曲線與原始數(shù)據(jù)的圖形，如圖5 所示。其中，散點(diǎn)圖為試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，曲線為擬合冪函數(shù)曲線。

圖5 最低閃絡(luò)電壓Umin與γ20的關(guān)系Fig.5 Uminof tested specimens versus γ20

從閃絡(luò)電壓曲線可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著γ20的增加，閃絡(luò)電壓降低。

（2）傘裙結(jié)構(gòu)對冰閃電壓有明顯影響，且爬電距離s對冰閃電壓的影響與k1、k2、k3以及CF系數(shù)有關(guān)（參數(shù)k1～k3、CF的意義詳見表2）。

（3）35kV 絕緣子中，閃絡(luò)電壓最高的是C 號，但是比較其結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，其結(jié)構(gòu)參數(shù)仍然存在不足之處，如k1過大、k2過小。110kV 絕緣子中，閃絡(luò)電壓最高的是E 號，但是其k1偏小，可適當(dāng)調(diào)大，CF系數(shù)較大，可適當(dāng)減小。

4 傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)優(yōu)化

4.1 參數(shù)定義

充分考慮影響冰閃電壓的因素（如傘間距、傘伸出、爬距等），定義幾個(gè)表征絕緣子形狀特征的參數(shù)k1、k2、k3，表達(dá)式及示意圖見表2。三個(gè)參數(shù)之間相互獨(dú)立，和CF系數(shù)[8]一起，能夠綜合反映傘裙結(jié)構(gòu)的特征，將傘裙結(jié)構(gòu)數(shù)字化表示，可以更加方便地分析傘裙結(jié)構(gòu)對復(fù)合絕緣子冰閃特性的影響。

表2 傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)定義Tab.2 Definition of shed configuration parameters

表3 所示為文中所用試品絕緣子的參數(shù)值。

表3 試品絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Sheds configuration parameters of tested insulators

4.2 參數(shù)取值

（1）k1。絕緣子覆冰時(shí)，隨著冰厚和冰棱長度的增加，大傘冰棱的尖端與（中）小邊緣之間空氣間隙的長度越來越小，特別是帶電覆冰情況下，高壓端冰棱會(huì)向芯棒彎曲，這就進(jìn)一步減小了上述空氣間隙的長度，甚至橋接間隙。為了增大大傘冰棱尖端與（中）小邊緣之間空氣間隙的長度（特別是帶電覆冰時(shí)），絕緣子的大（中）小傘傘徑差Δx要足夠大，且根據(jù)文獻(xiàn)[11]基于流體力學(xué)的分析，Δx的增大還可以減小水滴碰撞系數(shù)，減少覆冰量。又因?yàn)閹щ娗闆r下，越靠近絕緣子芯棒電場強(qiáng)度就越大[10]，放電現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此傘伸出（表2 中x）要足夠大，以使冰棱處電場強(qiáng)度盡可能小，況且傘伸出越大，爬電距離也越大。但是由于復(fù)合材料硬度等的限制，傘伸出也不宜過大，因此x變化范圍很小。假定x不變，則參數(shù)k1=x/Δx要求足夠小。

（2）k2。倘若相鄰大傘間距（即表2 中w）不夠大，即使覆冰不嚴(yán)重、冰棱長度不太長也可造成傘裙的橋接，因此為盡可能避免冰棱橋接傘裙，w應(yīng)足夠大。既然w應(yīng)盡可能大，x變化很小，那么在滿足足夠泄漏距離的前提下，k2=w/x應(yīng)該足夠大。

（3）k3。根據(jù)前面的分析，大（中）小傘傘徑差Δx要足夠大，從表2 可以看出，Δx越大，折線y1-y2-y3就越向芯棒彎曲，∑yi就越大。極限情況是當(dāng)相鄰兩大傘間中傘和小傘傘伸出都為 0 時(shí)，Δx=x，∑yi=w；當(dāng)中傘和小傘傘伸出都為x時(shí)，Δx=0，仍然有∑yi=w。既然中傘和小傘傘伸出取值在0和x之間，那么就一定有個(gè)合適的值或者范圍是對閃絡(luò)電壓最有利的，也就是∑yi必有一個(gè)合適的范圍。又因?yàn)椤苲i反映的是泄漏距離的大小，∑zi越大，泄漏距離越大。為了有足夠的爬距，∑zi應(yīng)足夠大。但是現(xiàn)有的復(fù)合絕緣子大都過分追求爬距[5,7,8]，幾乎不存在爬距過小的問題，因此，∑zi應(yīng)以滿足覆冰地區(qū)的要求為主取值。這樣，k3=∑zi/∑yi也有個(gè)合適的值對閃絡(luò)電壓最有利。

（4）CF系數(shù)。因?yàn)镃F=泄漏距離s/干弧距離l≈(∑zi)/w，根據(jù)上面的分析，∑zi與w都應(yīng)該盡可能大，但是∑zi越大表明傘裙越密集，w就越小，二者同時(shí)取大在一定程度上互相矛盾。既然二者不能同時(shí)增大，它們的比值就不能維持在一個(gè)穩(wěn)定值上，那么CF系數(shù)就和k3一樣需要確定一個(gè)對冰閃電壓最有利的最優(yōu)值。

4.3 特征參數(shù)最優(yōu)取值

為了求取對冰閃電壓最有利的傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)k1、k2、k3以及CF系數(shù)的取值，本文求取了嚴(yán)重覆冰時(shí)七種試品絕緣子在幾種覆冰水電導(dǎo)率下沿電弧的閃絡(luò)電壓梯度El（El=Umin/l），結(jié)果見表4。對El的求取，可以將不同電壓等級的復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)歸一分析，求取適用于任何電壓等級的復(fù)合絕緣子最優(yōu)傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表4 試品絕緣子閃絡(luò)電壓梯度ElTab.4 Icing flashover gradient Elof tested insulators （單位：kV/m）

將帶電覆冰時(shí)各電導(dǎo)率下的El與各傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，發(fā)現(xiàn)所有參數(shù)和El的擬合曲線都開口向下，即都存在一個(gè)令El最大的最優(yōu)值，這說明參數(shù)的定義與二次多項(xiàng)式擬合符合實(shí)際規(guī)律，可以用來作為求取參數(shù)最優(yōu)值的方法。計(jì)算的具體步驟如下：

對El與4 個(gè)參數(shù)分別擬合，得到4 簇開口向下的拋物線，如圖6 所示。拋物線的對稱軸對應(yīng)橫坐標(biāo)即為令El取值最大的最優(yōu)參數(shù)值。

圖6 不同電導(dǎo)率下El和結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬合曲線Fig.6 Fitted curve of El and sheds configuration parameters with different water conductivities

表5 所示為擬合得到的各參數(shù)在不同電導(dǎo)率下的系數(shù)以及令El最大時(shí)的最優(yōu)取值。對各參數(shù)在不同電導(dǎo)率下的最優(yōu)值取平均得到該參數(shù)的最優(yōu)值。

表5 擬合系數(shù)及最優(yōu)參數(shù)取值Tab.5 Fitting coefficients and optimal parameter values

從圖6 中可以看出，每簇曲線的對稱軸非?？拷疵糠N電導(dǎo)率下的參數(shù)最優(yōu)取值很接近，并且對比表5和表3 可以知，E 號和C 號絕緣子特征參數(shù)和計(jì)算所得最優(yōu)取值最為接近，而試驗(yàn)結(jié)果E號和C 號閃絡(luò)電壓分別最高，這說明本文所用曲線擬合的方法符合客觀規(guī)律，且計(jì)算結(jié)果精度較高。

由表5 可知，本文得到帶電嚴(yán)重覆冰條件下復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)k1、k2、k3及CF系數(shù)最優(yōu)取值分別為：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可為冰區(qū)用復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)行電壓對絕緣子覆冰形態(tài)影響顯著。在實(shí)驗(yàn)室條件（環(huán)境溫度為-5～0℃、風(fēng)速為3m/s、過冷卻水滴直徑為80～100μm）下帶運(yùn)行電壓覆冰時(shí)，復(fù)合絕緣子高壓端冰棱一般不橋接，少部分絕緣子低壓端冰棱也不橋接，在電場強(qiáng)度較高的高壓端，冰棱容易向絕緣子芯棒彎曲。

（2）帶電覆冰情況下，覆冰水電導(dǎo)率對絕緣子覆冰量的影響很小，而傘裙結(jié)構(gòu)對覆冰量的影響很大，且覆冰量隨著泄漏距離s與CF系數(shù)的增加而增加。

（3）對傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的定義可以使研究傘裙結(jié)構(gòu)對復(fù)合絕緣子冰閃特性的影響更方便，且爬電距離s對冰閃電壓的影響與傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有關(guān)。

（4）對傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與閃絡(luò)電壓梯度El的多項(xiàng)式擬合符合實(shí)際規(guī)律。計(jì)算得到嚴(yán)重覆冰地區(qū)復(fù)合絕緣子的特征參數(shù)k1、k2、k3及CF系數(shù)最優(yōu)取值分別為：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可為冰區(qū)用復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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