線路絕緣子覆冰中鹽分分布規(guī)律研究

李亞偉，張星海，賈志東，孫 磊，周 朋

（1.國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，成都610072； 2.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055）

線路絕緣子覆冰中鹽分分布規(guī)律研究

李亞偉1，張星海1，賈志東2，孫 磊2，周 朋2

（1.國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，成都610072； 2.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055）

絕緣子覆冰后電氣性能大幅下降，在融冰期，由冰內(nèi)鹽分分布不均造成的冰面高電導(dǎo)率水膜顯著提高閃絡(luò)概率。以玻璃絕緣子為研究對象，通過覆冰試驗(yàn)，測量了不同覆冰條件下，融冰水電導(dǎo)率隨融冰時間的變化趨勢，根據(jù)測量結(jié)果選擇合理的擬合方程，研究了絕緣子覆冰內(nèi)的鹽分遷移特性，定義了冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β對冰層鹽分分布進(jìn)行定量表征。研究結(jié)果表明，沿覆冰融化方向，雨凇覆冰內(nèi)的含鹽量按指數(shù)規(guī)律下降。冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β受溫度、降水強(qiáng)度、風(fēng)速、電壓等覆冰環(huán)境因素的影響，不同因素的影響規(guī)律有所不同。本文研究成果可作為計(jì)算絕緣子覆冰閃絡(luò)概率的參考。

鹽分遷移；融冰水；電導(dǎo)率；覆冰；絕緣子

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的開展，超特高壓輸電線路難免會經(jīng)過眾多氣象條件復(fù)雜區(qū)域，極易受到覆冰等各類自然災(zāi)害的威脅[1-4]。覆冰可對輸電線路、鐵塔等造成機(jī)械損傷，并大幅降低線路絕緣子電氣性能，引起倒塔、斷線和絕緣子閃絡(luò)等。目前國內(nèi)外針對線路絕緣子覆冰問題，進(jìn)行了覆冰機(jī)理[5-8]、閃絡(luò)特性[9-13]、防冰措施[14-17]等方面的大量研究，并取得了豐富的成果?，F(xiàn)有研究表明，鹽分在冰層內(nèi)的遷移過程和分布規(guī)律，是決定絕緣子串閃絡(luò)特性的重要因素。

覆冰在絕緣子表面形成時，由于溶質(zhì)再分配過程，覆冰水中的鹽分會由即將凍結(jié)的冰層向尚未凍結(jié)的水層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致覆冰表層含鹽量遠(yuǎn)高于內(nèi)部含鹽量，這一過程即為鹽分遷移。

對于雨凇覆冰，鹽分遷移使得覆冰絕緣子在融冰期冰面出現(xiàn)高電導(dǎo)率水膜，由于水膜電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣，因此前者的出現(xiàn)導(dǎo)致冰棱與傘裙之間的空氣間隙承擔(dān)了絕緣子串大部分電壓降落，全串電場畸變加劇，閃絡(luò)概率大幅增加[18-21]。

為了研究鹽分在冰層內(nèi)的分布規(guī)律，文獻(xiàn)[18]以冰凍小球?yàn)檠芯繉ο?，測量了融冰水電導(dǎo)率沿小球徑向的分布，指出了融冰水與覆冰水電導(dǎo)率的差異性，但其研究變量較為單一，未充分考慮環(huán)境因素變化造成的鹽分分布差異。文獻(xiàn)[19]通過測量絕緣子覆冰融冰水電導(dǎo)率變化曲線，驗(yàn)證了覆冰表層含鹽量高于內(nèi)部含鹽量，并指出在不同覆冰條件下，融冰水電導(dǎo)率變化趨勢具有普遍性，文獻(xiàn)[20]通過KMnO4溶液冷凝試驗(yàn)，研究了鹽分遷移的顯微結(jié)構(gòu)，以及覆冰增長速率和絕緣子染污程度對冰層鹽分分布的影響，文獻(xiàn)[19-20]的研究均以定性為主，并未提出可以有效表征絕緣子冰層鹽分分布的方法或參數(shù)。文獻(xiàn)[22]通過絕緣子覆冰試驗(yàn)指出，冰棱中鹽分含量遠(yuǎn)高于冰殼，但其將研究對象分為冰棱尖端、根部和冰殼3部分，忽略了鹽分在冰層內(nèi)部的分布差異。

筆者通過改變環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行玻璃絕緣子覆冰試驗(yàn)，并10 mL為取樣單位，按照融冰順序，連續(xù)取樣并測量融冰水電導(dǎo)率，得到了冰內(nèi)鹽分分布的基本規(guī)律，并提出了用于表征冰層鹽分分布的表層含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β，定量分析了覆冰環(huán)境因素對以上兩個參數(shù)的影響規(guī)律，研究成果可為計(jì)算覆冰絕緣子閃絡(luò)概率提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試品介紹

試驗(yàn)所用絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，試品布置方式為4片串懸垂結(jié)構(gòu)。

為排除表面染污對絕緣子冰層內(nèi)鹽分分布的影響，試驗(yàn)均用潔凈絕緣子。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在清華大學(xué)深圳研究生院能源電工試驗(yàn)室覆冰氣候室內(nèi)進(jìn)行。氣候室內(nèi)部溫度最低可達(dá)-20℃，通過一側(cè)的空氣霧化噴頭對絕緣子進(jìn)行覆冰水噴淋，降水量和覆冰水粒徑可由供水量、風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣候室內(nèi)部裝有溫度和重量傳感器，可實(shí)時監(jiān)測覆冰環(huán)境溫度和絕緣子覆冰重量。

表1 試驗(yàn)絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of test insulators

覆冰電壓加載和信號采集系統(tǒng)示意圖見圖1。試驗(yàn)所用電源為5 kVA/0.1 A，絕緣子泄漏電流通過測量系統(tǒng)顯示和記錄在PC端。

圖1 覆冰電壓加載和信號采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of icing chamber

1.3 試驗(yàn)方法

由于絕緣子覆冰融化是從表層開始，后逐漸向內(nèi)層進(jìn)行，且有研究表明，含鹽量與融冰水電導(dǎo)率呈正比[23-25]，故而后者隨時間的變化曲線即可反映冰層內(nèi)的鹽分由外向內(nèi)的分布情況。因此筆者以融冰水電導(dǎo)率表征鹽分在冰層中的含量。

覆冰試驗(yàn)開始前需要對覆冰水進(jìn)行預(yù)冷卻，保持其溫度在0℃到1℃之間。

試驗(yàn)前在氣候室懸掛4片玻璃絕緣子，并開始降溫，達(dá)到預(yù)定溫度后開啟供水系統(tǒng)，通過噴頭對絕緣子進(jìn)行噴淋覆冰，同時施加合適的電壓。試驗(yàn)中保持絕緣子所處環(huán)境條件和外加電壓穩(wěn)定，覆冰持續(xù)時間為1 h。覆冰結(jié)束后降壓（如需進(jìn)行帶電測量，則在測量結(jié)束后降壓），停供水，并進(jìn)行融冰水電導(dǎo)率測量。

測量融冰水電導(dǎo)率的方法如下。覆冰試驗(yàn)結(jié)束后打開氣候室門，進(jìn)行自然升溫融冰，并收集融冰水，每收集10 mL融冰水時測量并記錄電導(dǎo)率，后重新收集并重復(fù)以上過程。

為研究溫度、降水強(qiáng)度、風(fēng)速和電壓等因素對絕緣子覆冰鹽分遷移規(guī)律的影響，按照單一變量原則，設(shè)計(jì)了如下4組試驗(yàn)。

1）覆冰環(huán)境溫度依次為－3、－4、－5、－6 ℃，并保持降水強(qiáng)度7.3 mm/h，風(fēng)速2.2 m/s，電壓為0。

2）降水強(qiáng)度依次為 7.3、6.4、5.5、4.6 mm/h，并保持溫度－4℃，風(fēng)速2.2 m/s，電壓為0。

3）覆冰環(huán)境風(fēng)速依次為 2.6、2.9、3.4、4.4、5.3、6.2 m/s，并保持溫度－4℃，降水強(qiáng)度4.6 mm/h，電壓為0。

4）絕緣子外加電壓依次為 0、4、8、12、16、20 kV，保持溫度－4℃，風(fēng)速2.9 m/s，降水強(qiáng)度4.6 mm/h。

為防止傘裙被橋接后冰棱端部鹽分遷移對冰殼含鹽量產(chǎn)生影響，試驗(yàn)中冰棱均未橋接傘裙。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到典型覆冰形態(tài)見圖2，從形態(tài)來看，可判定為雨凇，不同試驗(yàn)條件下其密度測量結(jié)果在0.5 g/cm3～0.85 g/cm3之間。

圖2 絕緣子表面雨凇覆冰形態(tài)Fig.2 The appearance of glaze ice on insulators

試驗(yàn)結(jié)束后對融冰水電導(dǎo)率進(jìn)行測量。圖3給出了溫度對融冰水電導(dǎo)率的影響；降水強(qiáng)度和風(fēng)速對融冰水電導(dǎo)率的影響見圖4和圖5；圖6為融冰水電導(dǎo)率隨電壓的變化情況。圖中σ/σ0為融冰水電導(dǎo)率（σ）與覆冰水電導(dǎo)率（σ0）之比。

圖3 不同溫度下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of conductivity of melting ice water under different temperatures

圖3—圖6的測量結(jié)果表明，不同因素對融冰水電導(dǎo)率的影響有所不同，但其隨溫度、降水強(qiáng)度、風(fēng)速和電壓的變化趨勢基本相同，均先快速下降后保持平穩(wěn)。這表明可以用統(tǒng)一的方程對不同條件下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合結(jié)果對冰內(nèi)鹽分遷移規(guī)律進(jìn)行分析，可以有效提取特征信息，避免對繁雜的測量數(shù)據(jù)的直接討論。

圖4 不同降水強(qiáng)度下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果Fig.4 Measurement results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

圖5 不同風(fēng)速下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果Fig.5 Measurement of conductivity of melting ice water under different wind speeds

圖6 不同電壓下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果Fig.6 Measurement of conductivity of melting ice water under different voltages

根據(jù)圖3—圖6，本文選用擬合方程為

式中：y（n）為融冰水電導(dǎo)率（σ）與覆冰水電導(dǎo)率（σ0）之比；n為測量次序，代表融冰量。并定義α為冰面含鹽系數(shù)，α越大，表示冰面含鹽量越高；定義β為冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)，β越大，表示沿著覆冰融化方向，冰內(nèi)含鹽量下降越快。

2.2 溫度對鹽分分布影響

不同溫度下，融冰水電導(dǎo)率擬合結(jié)果見圖7。

試驗(yàn)用覆冰水電導(dǎo)率及擬合曲線R2值見表2。

表2中R2值均大于0.95，說明方程（1）能夠基本概括試驗(yàn)條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β隨溫度變化見圖8（a）和圖8（b）。

圖7 不同溫度下融冰水電導(dǎo)率擬合結(jié)果Fig.7 Fitting results of conductivity of melting ice water under different temperatures

表2 不同溫度下擬合結(jié)果Table 2 Fitting results under different temperatures

圖8 不同溫度下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.8 The law of ice salt distribution under different temperatures

圖8（a）表明，α值隨溫度升高而減小，這與試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的溫度較高時冰棱尖端出現(xiàn)滴水現(xiàn)象保持了一致，說明較高溫度下液滴凍結(jié)緩慢，流失相對較多，其沖刷作用使冰面鹽分有一定流失，導(dǎo)致α值有所下降。

圖8（b）表明，β值隨溫度上升出現(xiàn)小幅上升。這說明溫度升高，覆冰水凍結(jié)時間延長時，其中的鹽分得以更加充分地遷移，加劇了覆冰表面和內(nèi)部含鹽量的差異。

2.3 降水強(qiáng)度對覆冰鹽分分布的影響

降水強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在覆冰形態(tài)上，其減小削弱了冰殼增長和冰棱伸長。降水強(qiáng)度過低時，將嚴(yán)重抑制冰棱生長。

試驗(yàn)結(jié)果表明，絕緣子表面冰棱數(shù)量隨降水強(qiáng)度降低而逐漸減少，當(dāng)后者降至4.6 mm/h時，絕緣子表面覆冰透明且無冰棱。

不同降水強(qiáng)度下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果和擬合結(jié)果見圖9，對應(yīng)的覆冰水電導(dǎo)率以及擬合曲線R2值見表3。

圖9 不同降水強(qiáng)度下融冰水電導(dǎo)率擬合結(jié)果Fig.9 Fitting results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

表3 不同降水強(qiáng)度下擬合結(jié)果Table 3 Fitting results under different rainfall intensities

表3的擬合結(jié)果中，不同降水強(qiáng)度下的擬合曲線R2值不小于0.96，說明方程（1）能夠基本概括試驗(yàn)條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

降水強(qiáng)度變化時冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù) β 見圖10（a）和圖10（b）。

圖10 不同降水強(qiáng)度下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.10 The law of ice salt distribution under different rainfall intensities

圖10表明，α值和β值與覆冰是否形成冰棱緊密相關(guān)，當(dāng)降水強(qiáng)度降低且噴頭霧化效果提高至一定程度，導(dǎo)致絕緣子邊緣不出現(xiàn)冰棱時，冰殼的α值和β值將大幅上升，原本聚集于冰棱的鹽分此時大多分布于冰殼外表面，提升了冰面含鹽量和冰層內(nèi)外鹽分差異。而在有冰棱形成時，α值和β值未隨降水強(qiáng)度而出現(xiàn)大幅變化。

這說明，盡管冰棱減少降低了傘裙橋接風(fēng)險，但是由于其提高了冰殼表面含鹽量，仍可能在融冰初始階段促使閃絡(luò)發(fā)生。

2.4 風(fēng)速對覆冰鹽分分布的影響

其他條件不變時，風(fēng)速增加有利于噴嘴霧化效果提升，減小覆冰液滴直徑。這樣一方面提高了液滴接觸到冰面后的凍結(jié)速度，減緩了鹽分遷移過程，另一方面也抑制了液滴的流動性，使得冰棱生長較為困難，冰層表面可能積累更多鹽分。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速增加時，絕緣子邊緣冰棱數(shù)量有所增加，當(dāng)達(dá)到6.2 m/s時，表面覆冰類型由雨凇轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌馅?，說明該環(huán)境下干增長過程非常顯著。混合凇覆冰形態(tài)見圖11，其密度測量結(jié)果為0.48 g/cm3。

不同風(fēng)速下融冰水電導(dǎo)率測量結(jié)果和擬合結(jié)果見圖12，對應(yīng)的覆冰水電導(dǎo)率以及擬合曲線R2值見表4。

圖11 絕緣子表面混合凇覆冰Fig.11 Mixed-phase ice on the surface of insulator

圖12 不同風(fēng)速下融冰水電導(dǎo)率擬合結(jié)果Fig.12 Fitting results of conductivity of melting ice water under different wind speeds

表4 不同風(fēng)速下擬合結(jié)果Table 4 Fitting results under different wind speeds

表4中不同風(fēng)速下的擬合曲線R2最小值接近0.97，表明方程（1）能夠基本概括試驗(yàn)條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

不同風(fēng)速下冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù) β 見圖13（a）和圖13（b）。

圖13表明，風(fēng)速增加在提高冰層表面含鹽量的同時，也降低了內(nèi)部相鄰冰層間的鹽分差異。液滴流動性變差之后，鹽分通過液滴滑落而流失的比例逐漸減少，同時冰棱生長變慢，導(dǎo)致冰殼含鹽量增加顯著。而在冰殼內(nèi)部，不同層之間的含鹽量差異隨風(fēng)速增加有降低趨勢，這表明液滴凍結(jié)速度加快，凍結(jié)前鹽分遷移能力下降，冰殼由外向內(nèi)含鹽量下降趨勢變緩。

2.5 電壓對覆冰鹽分分布的影響

電壓引起的熱效應(yīng)可延長液滴凍結(jié)時間，提高其流動性，使得鹽分遷移相對較為充分。

圖13 不同風(fēng)速下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.13 The law of ice salt distribution under different wind speeds

不同電壓融冰水電導(dǎo)率測量和擬合結(jié)果見圖14。

圖14 不同電壓下融冰水電導(dǎo)率擬合結(jié)果Fig.14 Fitting results of conductivity of melting ice water under different voltages

覆冰水電導(dǎo)率以及擬合曲線R2值如表5所示。表5中，擬合曲線R2不小于0.90，部分可達(dá)0.99以上，表明方程（1）能夠基本概括試驗(yàn)條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

表5 不同電壓下擬合結(jié)果Table 5 Fitting results under different voltages

不同電壓下，冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù) β 見圖15（a）和圖15（b）。

圖15 不同電壓下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.15 The law of ice salt distribution under different voltages

圖15表明，電壓升高時，其冰面含鹽系數(shù)α與冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β均保持了先升高后降低的趨勢。這說明在一定范圍內(nèi)，電壓升高產(chǎn)生的熱效應(yīng)延長了水滴凍結(jié)時間，使鹽分向冰層表面的遷移更為容易，遷移量也較大，因此無論是冰面含鹽量還是冰層內(nèi)外含鹽量的懸殊程度，都隨著電壓增加有所提升。

當(dāng)電壓繼續(xù)增加時，電流的熱效應(yīng)更加顯著，此時冰面液滴不僅凍結(jié)難度增加，而且有可能直接滑落，其沖刷作用反而導(dǎo)致了一定程度的冰表鹽分流失，引起α值與β值的下降。

3 結(jié)論

以4片懸垂串玻璃絕緣子為研究對象，通過覆冰試驗(yàn)研究了絕緣子不同類型覆冰內(nèi)的鹽分分布特性，定義了冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β，對絕緣子覆冰鹽分分布進(jìn)行了定量分析，主要結(jié)論如下：

1）沿著覆冰融化方向，雨凇覆冰內(nèi)，鹽分按指數(shù)規(guī)律下降，其下降規(guī)律可通過特征量冰面含鹽系數(shù)α和冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β來表征；

2）冰面含鹽系數(shù)α隨溫度上升而緩慢下降，隨降水強(qiáng)度增加呈下降趨勢，且下降速度逐漸減小，隨風(fēng)速增加呈線性上升，在電壓升高時，α先上升后逐漸下降；

3）冰內(nèi)鹽分分布系數(shù)β在覆冰環(huán)境溫度提升時逐漸上升，而隨降水強(qiáng)度或風(fēng)速的增加，其總體先快速下降，后保持平穩(wěn)，電壓持續(xù)升高時，β先升高后減小。

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Research on Law of Salt Distribution of Ice-Covered Transmission Line Insulators

LI Yawei1， ZHANG Xinghai1， JIA Zhidong2， SUN Lei2， ZHOU Peng2
（1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China;2.Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

Electrical performance of transmission lines fall sharply after icing.In the period of melting， high conductivity water film on the surface of ice， caused by uneven distribution of salt in ice，significantly increased the probability of flashover.Ice tests are carried out under different conditions with glass insulators， as research objects in the article， to measure the trend of melting ice water conductivity with time.According to measurement results，reasonable fitting equation is chosen to study salt migration characteristics of ice on insulators.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are defined for quantitative characterization.It is shown that， along the direction of melting，the salt content of glaze decline according to the law of index.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are affected by icing environment factors such as temperature， rainfall intensity， wind speed and voltage.The influence laws of different factors are different.The research results of the article can provide reference for flashover probability calculation of ice-covered insulators.

salt migration;melting ice water;conductivity;icing;insulators

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.023

2016-10-20

李亞偉 （1980—） 男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)榻恢绷鹘^緣子污穢、覆冰閃絡(luò)機(jī)理及其防治措施，復(fù)合外絕緣老化機(jī)理。

中國博士后科學(xué)基金面上資助 (編號：2014M562506XB)；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 (編號：GY71-13-034)；國家自然科學(xué)基金 (編號：51177081)。