接觸網(wǎng)腕臂絕緣子覆冰特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

丁思瑜 馬建橋 張瑞謙 梁夢(mèng)飛 吳進(jìn)桐

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070；2.中鐵高鐵電氣裝備股份有限公司 寶雞 721000)

1 引言

高速列車車頂受電弓與接觸網(wǎng)通過滑動(dòng)接觸獲取持續(xù)不斷的電能是列車保持高速運(yùn)行狀態(tài)的必要條件，而腕臂絕緣子良好的電氣性能是保證接觸網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵[1-2]。近年來受惡劣天氣影響，因腕臂絕緣子機(jī)械或絕緣性能下降引起的接觸網(wǎng)供電故障時(shí)有發(fā)生，尤其是由雨雪天氣引起的覆冰等極端工況對(duì)絕緣子電氣絕緣性能影響較大。

2020 年11 月，長(zhǎng)琿城際線接觸網(wǎng)遭受雨雪冰凍災(zāi)害，導(dǎo)致腕臂絕緣子及接觸線大面積覆冰(圖1)，受此影響的列車?yán)锍虜?shù)超過279 km，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。因此，在極端寒冷環(huán)境下開展接觸網(wǎng)腕臂絕緣子覆冰特性的研究就顯得尤為重要。

圖1 接觸網(wǎng)覆冰圖

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電力系統(tǒng)絕緣子的覆冰特性研究較多，而對(duì)接觸網(wǎng)腕臂絕緣子的研究相對(duì)較少。腕臂絕緣子的安裝方式分為水平安裝與傾斜安裝，其中傾斜安裝時(shí)腕臂絕緣子與水平地面的夾角約為20°～30°，這一特殊的安裝方式與電力系統(tǒng)中V型絕緣子串的布置方式類似。眾多學(xué)者對(duì)V 型絕緣子串覆冰進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)不同布置方式和氣壓下高海拔地區(qū)絕緣子串的直流冰閃特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)V 型串的直流覆冰閃絡(luò)電壓比相同長(zhǎng)度的懸垂串要高，而水平布置的閃絡(luò)電壓又高于V 型布置，氣壓對(duì)閃絡(luò)電壓的影響相反。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)不同布置方式的絕緣子串覆冰交流閃絡(luò)特性進(jìn)行研究，也得出相似的規(guī)律。因此，V 型絕緣子串被廣泛運(yùn)用于高海拔覆冰地區(qū)的輸電線路中，而對(duì)于具有相似安裝方式的腕臂絕緣子，其覆冰性能研究相對(duì)較少，主要集中在污穢絕緣子表面污穢分布特性、覆雪絕緣子表面雪晶沉積特性等方面。文獻(xiàn)[7]研究了風(fēng)速、顆粒粒徑及質(zhì)量濃度對(duì)水平腕臂絕緣子表面沙塵沉積特性的影響。文獻(xiàn)[8]分析了腕臂絕緣子布置方式和環(huán)境因素對(duì)其表面污穢分布的影響，發(fā)現(xiàn)布置方式與絕緣子表面顆粒的碰撞系數(shù)有一定關(guān)系。文獻(xiàn)[9]通過仿真分析了腕臂絕緣子不同安裝方式、風(fēng)速風(fēng)向?qū)ζ浔砻嫜┚С练e量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的增大，平、斜腕臂絕緣子表面雪晶沉積量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合腕臂瓷絕緣子，以預(yù)防在春冬季常發(fā)生的“雪閃”問題。文獻(xiàn)[11]仿真分析了冰層厚度、冰棱長(zhǎng)度、安裝方式等對(duì)腕臂絕緣子空間電場(chǎng)分布特性的影響，并建議在重覆冰地區(qū)采用“一大兩小”傘型來降低覆冰絕緣子發(fā)生冰閃的概率。

綜上所述，雖然V 型絕緣子串與腕臂絕緣子具有相似的安裝方式，但是由于V 型絕緣子串由盤型懸式絕緣子組成，絕緣子串間間距較大，并且鐘罩型傘盤具有較厚的罩入深度[12-14]，而接觸網(wǎng)腕臂絕緣子為棒形絕緣子，其本身具有芯棒較粗、傘徑較小、傘裙分布較為密集的特征，二者的結(jié)構(gòu)具有較為明顯的差異。而現(xiàn)有針對(duì)電力系統(tǒng)絕緣子串的覆冰研究，都只給出了不同布置方式下絕緣子串閃絡(luò)電壓的差異[5-6]，缺乏對(duì)覆冰過程及覆冰形貌的分析，對(duì)于冰棱橋接現(xiàn)象，也沒有給出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。因此針對(duì)于目前我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)涉及到高寒地區(qū)，有必要對(duì)接觸網(wǎng)腕臂絕緣子的覆冰特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，提出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，改善腕臂絕緣子在高寒地區(qū)的絕緣水平，保障高速鐵路網(wǎng)的供電可靠性。

本文在文獻(xiàn)[11]研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)腕臂絕緣子的覆冰特性進(jìn)行研究，首先在人工氣候室內(nèi)搭建了覆冰試驗(yàn)平臺(tái)，通過覆冰耐壓試驗(yàn)獲取單支腕臂絕緣子在水平、傾斜安裝方式下的覆冰形貌，進(jìn)而分析冰棱橋接傘裙的原因以及冰棱橋接傘裙工況下的覆冰形貌變化過程、局部電弧出現(xiàn)的位置等，最后借助有限元仿真軟件分析了局部場(chǎng)強(qiáng)畸變對(duì)覆冰腕臂絕緣子放電特性的影響，并且提出了一種異型傘裙的腕臂絕緣子，以此來抑制冰棱橋接，增大冰棱與傘裙間隙，降低冰棱對(duì)于絕緣子周圍電場(chǎng)的畸變程度。研究?jī)?nèi)容可為寒冷地區(qū)防覆冰斜腕臂絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 試品、試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)流程

2.1 試品

本文的研究對(duì)象為FQBJ-25/12 型復(fù)合腕臂絕緣子，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，傘型為大小傘交替排列，共計(jì)17 片，從高壓端開始，第一片傘裙編號(hào)為1#，依次往下，絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 腕臂絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 腕臂絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)接線原理圖如圖3 所示，工頻試驗(yàn)變壓器額定輸出電壓為150 kV，額定輸出電流為1.5 A，分壓器分壓比為1 000∶1，絕緣子覆冰試驗(yàn)用噴頭為IEC 標(biāo)準(zhǔn)噴頭。試驗(yàn)電源、噴淋系統(tǒng)等裝置參數(shù)均滿足絕緣子覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)要求[15]。

圖3 覆冰耐壓試驗(yàn)原理圖

接觸網(wǎng)腕臂絕緣子獨(dú)特的安裝方式需要試驗(yàn)裝置可以很好地調(diào)整絕緣子傾斜角度，為實(shí)現(xiàn)絕緣子的固定角度控制，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了如圖4 所示的試驗(yàn)裝置，由門型支架、隔離絕緣子以及試品三部分組成。其中門型支架起支撐作用，支架上懸掛絕緣子與試品高壓端相連，一方面起支撐連接作用，另一方面為防止在加壓過程中，電流竄向門型支架，造成安全隱患，起電氣隔離作用。通過調(diào)整低壓端與地的距離或控制懸垂絕緣子之間的高度，實(shí)現(xiàn)腕臂絕緣子安裝傾角的調(diào)節(jié)。

圖4 腕臂絕緣子布置示意圖

圖4 為腕臂絕緣子的安裝結(jié)構(gòu)示意圖，該示意圖中省略了水平和斜臂之間的斜支撐金屬桿，θ為平腕臂與斜腕臂之間的夾角，現(xiàn)場(chǎng)斜腕臂絕緣子安裝夾角為20°～30°，由于傾角越大，冰棱越易橋接傘裙，所以本文試驗(yàn)中斜腕臂絕緣子的角度設(shè)定為30°。

由于腕臂絕緣子芯棒較粗，傘裙間距較之盤型懸式絕緣子較小，因此在覆冰過程中主要觀察冰棱與傘裙的橋接現(xiàn)象；在耐壓試驗(yàn)過程中，為較好地拍攝局部電弧的產(chǎn)生和發(fā)展，在試品前后方兩米外架設(shè)兩臺(tái)相機(jī)，雙機(jī)位拍攝耐壓過程。

2.3 試驗(yàn)流程

本文試驗(yàn)主要包括覆冰試驗(yàn)和融冰試驗(yàn)。

(1) 覆冰試驗(yàn)：預(yù)先啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)并調(diào)節(jié)液滴顆粒直徑至預(yù)定大??；將表面潔凈的腕臂絕緣子懸掛于氣候室內(nèi)預(yù)定位置，調(diào)節(jié)氣候室內(nèi)溫度至預(yù)定覆冰溫度(-10 ℃)，覆冰水預(yù)冷卻至3～4 ℃，環(huán)境風(fēng)速小于1 m/s；在預(yù)定溫度中持續(xù)放置60 min 后停止覆冰并凍結(jié)15 min。覆冰期間，覆冰水電導(dǎo)率為300～400 μS/cm[16-18]。

(2) 融冰耐壓試驗(yàn)：采用持續(xù)升壓法將電壓升至某一電壓水平，記錄恒壓耐受期間的局部電弧位置及冰層形貌變化過程。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 絕緣子覆冰形貌

水平、斜腕臂絕緣子的覆冰形貌如圖5 所示，與圖1 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中腕臂絕緣子的覆冰形貌相似。為描述方便，將靠近地面的傘裙邊緣命名為傘裙下部，靠近人工氣候室屋頂?shù)膫闳惯吘壏Q為傘裙上部。由圖5 可得如下結(jié)論。

圖5 水平和斜腕臂絕緣子表面的冰層形貌

(1) 斜腕臂絕緣子上表面附著厚度不均勻的透明薄冰層，在靠近地面的一側(cè)觀察到有較為完整且明顯的冰層包裹著表面，離地面越遠(yuǎn)，表面冰層越薄，且逐漸分化為冰滴積聚，使得絕緣子表面冰層有著明顯突起，絕緣子下表面無可見冰層，只有局部突起的冰滴存在。斜腕臂絕緣子的軸線與垂直方向呈一定角度，受安裝角度和水滴下落等因素的影響，冰棱主要集中在傘裙下方，方向垂直向下。傘裙邊緣都附著1～3 根長(zhǎng)短不同的冰棱，小傘上冰棱長(zhǎng)度約 20～60 mm，大傘上冰棱長(zhǎng)度約 30～110 mm，直徑在4～7 mm。整體來看大傘裙上冰棱多、長(zhǎng)度長(zhǎng)，小傘裙邊緣的冰棱較少、長(zhǎng)度較短。

(2) 腕臂絕緣子斜安裝時(shí)，冰棱垂直于地面，與傘裙邊緣有明顯的夾角，由于大小傘之間的傘間距較小、芯棒較粗，使得小傘裙上附著的冰棱易與下一個(gè)大傘傘面邊緣或大傘傘裙邊緣的冰棱橋接。

(3) 水平腕臂絕緣子傘裙表面上的冰層有突起，受重力影響，水平腕臂絕緣子傘裙邊緣的冰棱生長(zhǎng)方向和絕緣子軸線方向垂直，每個(gè)傘邊緣的冰棱數(shù)量為3～4、小傘上冰棱長(zhǎng)度為35～65 mm，大傘上冰棱長(zhǎng)度為40～70 mm，冰棱根部直徑為4～7 mm。與斜腕臂絕緣子傘裙邊緣的冰棱分布相比，小傘裙上冰棱數(shù)量及長(zhǎng)度明顯減少。同覆冰前的傘裙間距相比，相鄰大小傘傘裙邊緣的冰棱端部間隙值沒有明顯的減小，傘裙之間也沒有出現(xiàn)冰棱橋接現(xiàn)象。

3.2 覆冰形貌差異分析

由第3.1 節(jié)可知，平、斜腕臂絕緣子傘裙表面的冰層分布不均勻，冰棱集中在傘裙下部邊緣處，形成該覆冰外觀的主要因素是液滴在同傘裙表面碰撞、粘附、滑落、凍結(jié)過程中受到向下的重力作用，而黏性力的作用又增加了液滴附著在傘裙表面的可能性，平、斜腕臂絕緣子表面液滴的流淌軌跡如圖6 所示。

圖6 腕臂絕緣子覆冰形貌差異

(1) 當(dāng)絕緣子斜安裝時(shí)，其傘面與地面的夾角小于90°，過冷卻液滴隨氣流自由運(yùn)動(dòng)至傘裙表面，被傘面捕獲并粘附于傘面，外觀如圖6b 所示的液滴1。對(duì)于具有良好憎水性的硅橡膠傘裙表面，液滴粘附于壁面之后的鋪展直徑較小，液滴受自身重力、表面張力以及壁面粘附力等多力的聯(lián)合作用，其外觀呈現(xiàn)為橢球形，由于自身重力的作用，液滴所受的切向力遠(yuǎn)大于粘附力，液滴沿著壁面慢慢鋪展，呈如圖6b 中液滴2 所示的狀態(tài)，在此同時(shí)液滴同環(huán)境、壁面進(jìn)行熱交換，液滴1 被凍結(jié)形成冰滴，液滴2 被凍結(jié)，形成鋪展面積較大的冰層，水滴沿冰層表面運(yùn)動(dòng)過程中被凍結(jié)，形成傘裙表面的冰層和粘附在傘裙邊緣的冰棱。

(2) 當(dāng)絕緣子水平安裝時(shí)，其傘面與水平地面的夾角為90°，液滴被絕緣子壁面阻擋并捕獲，由于傘面與地面垂直，使其自身重力G1大于粘附力f1，液滴沿壁面下滑，在此過程中被凍結(jié)形成冰珠，大量的冰珠積聚擴(kuò)展形成表面有突起的冰層，自由來流繼續(xù)補(bǔ)充，冰層表面液膜溢流，形成附著在傘裙邊緣的冰棱。

由以上分析可知，斜腕臂絕緣子易被冰棱橋接是由腕臂絕緣子自身結(jié)構(gòu)以及安裝方式?jīng)Q定的，而水平放置的腕臂絕緣子可以很好地避免冰棱橋接現(xiàn)象，究其原因是因?yàn)楫?dāng)腕臂絕緣子水平放置時(shí)，傘裙垂直于地面，由此形成的冰棱也垂直于地面，從而避免了冰棱橋接現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 恒壓耐受期間的局部放電及冰棱形態(tài)變化

腕臂絕緣子正常工作電壓為27.5 kV，當(dāng)電壓超過31 kV 且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，牽引變電所的繼電保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作。當(dāng)絕緣子表面潔凈，用自來水覆冰后的絕緣子在27.5 kV 電壓下的放電十分微弱，沒有明顯的電弧，大小傘間隙較小，偶爾出現(xiàn)零星的細(xì)微放電。文獻(xiàn)[19]針對(duì)韶山型電力機(jī)車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相過電壓開展波形錄制試驗(yàn)，結(jié)果表明，升降弓期間在機(jī)車側(cè)測(cè)得的過電壓幅值高達(dá)80～100 kV?；诖藢⒔^緣子耐受電壓值設(shè)為90 kV，開展絕緣子恒壓耐受試驗(yàn)，觀察平、斜腕臂絕緣子局部放電的發(fā)展及耐受過程中冰棱形態(tài)的變化，試驗(yàn)中將耐壓時(shí)長(zhǎng)設(shè)為5 min。

3.3.1 斜腕臂絕緣子恒壓耐受期間的放電過程

斜腕臂絕緣子軸線和水平方向夾角為30°，恒壓耐受期間局部典型電弧位置如圖7、圖8 所示。由圖8 可以看出，覆冰腕臂絕緣子傾斜放置時(shí)，電弧主要出現(xiàn)在冰棱-傘裙、冰棱-冰棱以及斷裂冰棱與傘裙之間。

圖7 斜腕臂絕緣子恒壓耐受期間的典型電弧

圖8 局部電弧放大示意圖

恒壓耐受期間冰棱的形貌變化過程如圖9 所示。以圖9 方框中的相鄰大小傘表面及冰棱為對(duì)象，其放電及冰棱形貌變化過程如下所示。

如圖9a 所示，當(dāng)小傘邊緣的冰棱長(zhǎng)度超過下一片大傘邊緣時(shí)，有電弧出現(xiàn)在小傘冰棱尖端與大傘冰棱中部，且由于融冰水沿著冰棱以及表面冰層流動(dòng)，受電場(chǎng)力的影響，懸掛在冰棱端部的水滴被拉長(zhǎng)，使放電更為劇烈；如圖9b～9c 所示，隨著放電逐漸加劇，電弧分別在小傘冰棱尖端與大傘冰棱中部以及小傘冰棱中部與大傘邊緣冰層之間交替出現(xiàn)；如圖9d～9f 所示，電弧放電過程產(chǎn)生的熱量融化了局部冰棱，小傘冰棱中部同大傘邊緣之間的放電電弧產(chǎn)生的熱量造成小傘冰棱從中部斷裂，斷裂后的殘余冰棱尖端同大傘邊緣冰層之間的放電依然存在，直至小傘冰棱從根部斷裂。恒壓耐受試驗(yàn)開始前，冰棱長(zhǎng)度最大值約為50 mm，試驗(yàn)期間，小傘傘裙邊緣的冰棱同相鄰大傘之間的間隙被擊穿，電弧熱使得小傘冰棱斷裂，斷裂后的殘余冰棱長(zhǎng)度為20～30 mm。

3.3.2 水平腕臂絕緣子恒壓耐受期間的放電過程

水平腕臂覆冰絕緣子恒壓耐受期間的電弧及冰棱形貌變化如圖10 所示。如圖10a 所示，耐壓初期，隨著電壓的升高試品表面冰層開始融化并產(chǎn)生水汽，在傘裙表面有零星放電存在。如圖10b 所示，由于覆冰絕緣子傘裙表面存在許多突起的冰層，隨著耐壓時(shí)間的增加，泄漏電流流經(jīng)過程中產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)降低冰層的硬度，傘裙表面和冰棱端部有局部電弧，受電場(chǎng)力的影響，懸掛在冰棱端部的水滴被拉長(zhǎng)，畸變了周圍空間電場(chǎng)，加劇了放電過程。如圖10c 所示，隨著放電的發(fā)展，冰棱、冰層的融化速度加快，冰棱端部水滴持續(xù)掉落，傘裙表面有多處零星放電；如圖10d 所示，耐壓后期，離散水滴沿著冰層、冰棱生長(zhǎng)方向流動(dòng)，最終掉落或懸掛在冰棱端部。

圖10 水平腕臂覆冰絕緣子恒壓耐受期間的電弧及冰棱形貌變化

恒壓耐受期間，水平和斜腕臂絕緣子的冰棱和傘裙過渡區(qū)和冰棱端部容易出現(xiàn)電弧。冰棱端部放電電弧產(chǎn)生的熱量會(huì)將冰棱端部融化，使得其端部出現(xiàn)懸掛的液滴，液滴同樣會(huì)畸變附近空氣域的電場(chǎng)，此處易出現(xiàn)電弧。斜腕臂絕緣子相鄰傘裙邊緣的冰棱間隙場(chǎng)強(qiáng)畸變程度高。因此，斜腕臂絕緣子小傘裙冰棱端部的液滴對(duì)放電電弧路徑的影響程度更大。

盡管豎直向下的水平絕緣子傘裙邊緣冰棱亦會(huì)畸變其附近的電場(chǎng)，由于相鄰傘裙冰棱的間隙距離大，擊穿電壓高，因此在試驗(yàn)中并沒有觀測(cè)到水平絕緣子大小傘裙邊緣冰柱間氣隙被擊穿的現(xiàn)象。因此，當(dāng)傘裙表面的冰層未堆積到完全占滿傘裙間的空間時(shí)，水平腕臂絕緣子傘裙邊緣出現(xiàn)冰棱橋接相鄰傘裙的概率較小。

3.3.3 平、斜腕臂絕緣子恒壓耐受期間放電差異

圖11 中L1表示傘裙未被橋接時(shí)的爬電距離，L2表示橋接相鄰傘裙邊緣的冰棱與氣隙或電弧的長(zhǎng)度之和，可知當(dāng)絕緣子斜安裝時(shí)，冰棱橋接傘裙會(huì)造成部分爬電距離失效，整支絕緣子的爬電距離會(huì)減小，單位爬電距離承擔(dān)的電壓值增大，增加了閃絡(luò)概率[20-21]。

圖11 覆冰前后絕緣子局部爬電距離示意圖

冰凌被橋接后的爬電距離減小值如式(1)所示

式中，L1值為78.5 mm，L2值為30.5 mm；ΔL為48 mm。

假設(shè)絕緣子中出現(xiàn)n組大小傘邊緣被冰棱橋接，假定絕緣子的爬電距離為L(zhǎng)，則出現(xiàn)冰棱橋接后的絕緣子沿面爬電距離為式(2)，對(duì)本文絕緣子而言，n的最大值為8，若8 組大小傘均被橋接，則橋接前后的爬電距離及單位距離承擔(dān)的電壓值如表2所示。

表2 單位爬電距離承擔(dān)的電壓值

由表2 可知，當(dāng)傘裙被冰棱橋接后，其爬電距離減少了24%，單位爬電距離增加了31.58%，這將導(dǎo)致腕臂絕緣子絕緣性能大幅下降，造成安全隱患。

4 冰棱對(duì)局部場(chǎng)強(qiáng)分布特性的影響

4.1 仿真模型

通過三維制圖軟件構(gòu)建覆冰絕緣子三維模型并借助有限元仿真軟件COMSOL 進(jìn)行電場(chǎng)仿真計(jì)算，以云圖、曲線等手段對(duì)比研究對(duì)象在不同工況下的電位、電場(chǎng)強(qiáng)度分布。正常運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)腕臂絕緣子工作電壓為工頻27.5 kV，仿真中絕緣子高壓側(cè)電位置為其峰值電壓38.89 kV，低壓側(cè)及外空氣包置零電位，在構(gòu)建覆冰模型時(shí)有如下假設(shè)。

(1) 忽略表面的冰粒及冰層的局部凸起，將絕緣子傘裙上下表面均以厚度為2 mm 的冰層覆蓋。

(2) 將冰棱近似為圓臺(tái)，靠近傘裙邊緣的冰棱直徑大，端部做了光滑處理，仿真中冰棱長(zhǎng)度最長(zhǎng)為110 mm，直徑取值為6 mm。仿真參數(shù)如表3所示。

表3 相對(duì)介電常數(shù)與電導(dǎo)率

分別建立無覆冰、傘裙表面及邊緣有冰棱的水平腕臂絕緣子和斜腕臂絕緣子三維模型，電場(chǎng)云圖如圖12 所示。對(duì)潔凈絕緣子而言，靠近高壓側(cè)的傘裙邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度值最高。對(duì)表面有覆冰的水平和斜腕臂絕緣子而言，冰棱都集中在靠近地面?zhèn)龋舛瞬扛浇諝庥虻碾妶?chǎng)強(qiáng)度被畸變，當(dāng)小傘的冰棱長(zhǎng)度超出相鄰大傘邊緣且大傘邊緣也懸掛有冰棱時(shí)，兩個(gè)冰棱之間的區(qū)域?yàn)楦邎?chǎng)強(qiáng)區(qū)。

圖12 三種不同工況下腕臂絕緣子附近局部電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

由圖12 可知，與潔凈絕緣子相比，平、斜腕臂覆冰絕緣子上附著的冰棱不同程度地畸變了周圍空氣域的場(chǎng)強(qiáng)。水平腕臂絕緣子對(duì)周圍空間電場(chǎng)的畸變主要發(fā)生在冰棱端部，而斜腕臂絕緣子除了冰棱端部畸變周圍空氣域電場(chǎng)外，小傘裙上分布著不同長(zhǎng)度的冰棱，當(dāng)冰棱生長(zhǎng)到一定程度與大傘裙邊緣越來越接近橋接時(shí)，使周圍空間電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增加，增大了閃絡(luò)概率。因此，有必要分析場(chǎng)強(qiáng)畸變嚴(yán)重區(qū)域的電場(chǎng)分布特性。

4.2 冰棱長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)分布的影響

由第3.1 節(jié)斜腕臂絕緣子的覆冰形貌可知，小傘傘裙上懸掛的冰棱會(huì)與相鄰下一片大傘傘裙形成微小氣隙，小傘冰棱會(huì)畸變?cè)摎庀兜碾妶?chǎng)，使其擊穿后產(chǎn)生局部放電，影響絕緣子的絕緣性能，而不同長(zhǎng)度的冰棱會(huì)影響該氣隙的場(chǎng)強(qiáng)、局部電弧的發(fā)展路徑。為對(duì)比分析不同長(zhǎng)度冰棱對(duì)該氣隙場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，選擇如圖13 所示的三維截線，提取不同冰棱模型中的數(shù)值并進(jìn)行分析。仿真模型中，冰棱的最大長(zhǎng)度取50 mm，直徑取6 mm，O為冰棱起點(diǎn)，A為三維截線起點(diǎn)，三維截線平行于冰棱且距離冰棱邊緣0.9 mm，O、A兩點(diǎn)之間的距離為6.02 mm，在不同長(zhǎng)度的冰棱模型中，點(diǎn)A、點(diǎn)D在空間的坐標(biāo)位置不變，C點(diǎn)為冰棱尖端，B點(diǎn)在線段AD上，將C點(diǎn)向右平移后得到，動(dòng)點(diǎn)B、C的空間坐標(biāo)隨冰棱長(zhǎng)度的變化而改變。冰棱長(zhǎng)度為50 mm 時(shí)，B、D兩點(diǎn)之間的距離為6 mm。

圖13 三維截線空間位置示意圖

當(dāng)傘裙邊緣存在最大長(zhǎng)度為50 mm 的冰棱時(shí)，相鄰大小傘的冰棱之間的氣隙電場(chǎng)被畸變，該處容易出現(xiàn)放電和橋接冰棱的電弧，為分析絕緣子高、中、低壓處傘裙邊緣冰棱對(duì)其附近空氣域場(chǎng)強(qiáng)的畸變特性，建立2#、3#，7#、8#，16#、17#傘裙邊緣有50 mm 冰棱的計(jì)算模型，按如圖13 所示的方式建立2#、8#、16#傘裙冰棱附近的三維截線，不同位置截線的沿線場(chǎng)強(qiáng)如圖14 所示。

圖14 50 mm 冰棱對(duì)不同位置傘裙附近場(chǎng)強(qiáng)的影響

可知，三維截線的場(chǎng)強(qiáng)峰值位置無明顯差別，相鄰大小傘邊緣均有冰棱存在時(shí)，冰棱之間的氣隙場(chǎng)強(qiáng)被嚴(yán)重畸變，因此截線AD場(chǎng)強(qiáng)的峰值均位于大傘傘裙邊緣附近。越靠近高壓側(cè)，截線AD的場(chǎng)強(qiáng)峰值越大，2#和8#對(duì)應(yīng)的截線AD的場(chǎng)強(qiáng)差值小于8#和16#對(duì)應(yīng)的截線AD場(chǎng)強(qiáng)差值。

為分析相鄰大小傘冰棱長(zhǎng)度對(duì)截線AD場(chǎng)強(qiáng)分布特性的影響，以8#、9#傘為對(duì)象，按表4 設(shè)置不同長(zhǎng)度組合參數(shù)的冰棱，計(jì)算并提取截線AD場(chǎng)強(qiáng)值、繪制三維散點(diǎn)圖，同時(shí)為繪制方便，將潔凈絕緣子的坐標(biāo)記作(0,0)，傘裙表面只有冰層時(shí)記作(1,1)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖15、圖16 所示，圖15 的30，30代表的含義是小傘、大傘的冰棱長(zhǎng)度均為30 mm。8#傘、9#傘邊緣存在不同長(zhǎng)度的冰凌時(shí)，其電位線如圖16 所示，除起點(diǎn)、終點(diǎn)外，截線AD中間的圓點(diǎn)代表的是場(chǎng)強(qiáng)峰值所在的位置，圓點(diǎn)旁邊標(biāo)識(shí)由字母和數(shù)字組成，其中字母a、b 表示峰值出現(xiàn)的先后順序，數(shù)字0 表示潔凈絕緣子，1 表示絕緣子表面只有冰層，3～10 表示冰棱長(zhǎng)度組合參數(shù)。

表4 冰棱長(zhǎng)度參數(shù)組合

圖15 冰棱長(zhǎng)度變化對(duì)周圍空氣域場(chǎng)強(qiáng)的影響

圖16 冰棱長(zhǎng)度對(duì)電位等值線的影響

由圖14、圖15、圖16 可得如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)傘裙表面潔凈，傘裙表面只有冰層時(shí)，截線AD的場(chǎng)強(qiáng)峰值位置出現(xiàn)在大傘傘裙邊緣附近，截線AD在絕緣子表面潔凈、只有冰層時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)峰值分別為119 471 V/m、142 699 V/m。

(2) 當(dāng)8#傘冰棱長(zhǎng)度固定為20 mm，大傘冰棱分別取20 mm、30 mm 和50 mm 時(shí)，截線AD場(chǎng)強(qiáng)峰值位置均在小傘冰棱端部附近，峰值分別為207 798 V/m、206 246 V/m、203 854 V/m，此處易被擊穿形成局部放電電弧，與圖9e 觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象一致。

(3) 當(dāng)小傘冰棱長(zhǎng)度固定為30 mm，大傘冰棱分別為30 mm、50 mm 時(shí)，峰值位置在小傘冰棱端部與大傘傘裙邊緣形成的微氣隙處，峰值分別為390 548 V/m、479 824 V/m，該氣隙相較于絕緣子其他部位場(chǎng)強(qiáng)更高，更易先被擊穿形成局部放電。

(4) 當(dāng)小傘冰棱長(zhǎng)度為50 mm，大傘冰棱為50 mm 時(shí)，峰值位置在小傘冰棱中部與大傘傘裙邊緣形成的第一個(gè)微氣隙處以及小傘冰棱端部與大傘冰棱形成的第二個(gè)微氣隙處，峰值分別為861 123 V/m、593 120 V/m，在交流電壓的作用下，兩個(gè)微氣隙處的電位線更密集容易形成高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，第一個(gè)微氣隙會(huì)先于絕緣子其他部位被擊穿形成局部電弧，隨著電壓的持續(xù)，第二個(gè)高強(qiáng)場(chǎng)區(qū)被擊穿發(fā)生局部放電，兩個(gè)位置從而形成交替的局部放電電弧，與圖9b～9d 觀察到的現(xiàn)象一致。

(5) 當(dāng)大傘冰棱長(zhǎng)度為0 mm，小傘冰棱長(zhǎng)度分別為20 mm、30 mm，50 mm 時(shí)，截線AD場(chǎng)強(qiáng)有兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值高于第二個(gè)峰值，第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的數(shù)值和大傘冰棱長(zhǎng)度不為零時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值無明顯差異。冰棱組合參數(shù)為(20,0)和(30,0)時(shí)，第一峰值在小傘冰棱端部附近，第二個(gè)峰值在大傘傘裙邊緣附近，當(dāng)冰棱組合為(50,0)時(shí)，第一峰值在大傘傘裙邊緣和小傘冰棱之間的微氣隙處，第二個(gè)峰值在小傘冰棱端部附近。

綜上可知，隨著小傘冰棱長(zhǎng)度的增加，與大傘傘裙邊緣、大傘冰棱間的氣隙逐漸減小，氣隙場(chǎng)強(qiáng)不斷增大，冰棱對(duì)氣隙場(chǎng)強(qiáng)的畸變?cè)鰪?qiáng)。

以絕緣子潔凈工況時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)值為基準(zhǔn)，研究絕緣子表面只有冰層及傘裙邊緣懸掛不同長(zhǎng)度的冰棱時(shí)對(duì)周圍空氣域的畸變程度。

電場(chǎng)畸變率如圖17 所示，可知電場(chǎng)畸變率隨著8#、9#傘裙冰棱長(zhǎng)度的增加而增加，最大可達(dá)621%。若冰棱長(zhǎng)度繼續(xù)增加，則畸變率隨之增大，增加了絕緣子發(fā)生冰閃的概率。

圖17 冰棱長(zhǎng)度參數(shù)組合畸變率

4.3 冰棱端部懸掛水滴對(duì)電場(chǎng)分布的影響

耐壓試驗(yàn)中，電弧在發(fā)展過程中釋放出的熱量會(huì)融化部分冰棱冰層為融冰水，融冰水沿著冰棱流動(dòng)到端部形成懸掛水滴，水滴畸變了周圍空間的電場(chǎng)[22-23]。為研究冰棱斷裂前后端部懸掛水滴對(duì)其周圍電場(chǎng)分布的影響，根據(jù)第3.3.1 節(jié)選取長(zhǎng)度為20 mm、30 mm 和50 mm 的冰棱構(gòu)建懸掛水滴模型，通過畸變率來探究冰棱端部懸掛水滴前后對(duì)腕臂絕緣子周圍空間電場(chǎng)的影響[24]，電場(chǎng)畸變率如表5 所示。由表5 可知，水滴的存在嚴(yán)重畸變了周圍空間電場(chǎng)，電場(chǎng)畸變率為3 560%～5 000%，絕緣子絕緣性能下降，閃絡(luò)概率增加。

表5 電場(chǎng)畸變率

5 腕臂絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5.1 異型傘腕臂絕緣子

由第3 節(jié)內(nèi)容可知，現(xiàn)有腕臂絕緣子傾斜安裝時(shí)，小傘冰棱與大傘冰棱間間隙較小，覆冰嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生橋接現(xiàn)象。因此以不改變芯棒及金具結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，參考腕臂絕緣子水平放置時(shí)，冰棱不易橋接原理(圖6)，設(shè)計(jì)了一種異型傘裙結(jié)構(gòu)的斜腕臂絕緣子模型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖18 所示。該模型改變了傘裙的安裝方式，使傘裙直徑垂直于水平面分布，從而使得液滴在傘裙表面滑落的過程中，小傘邊緣的液滴不會(huì)流經(jīng)大傘，小傘上的冰棱不會(huì)延伸到大傘上，從而達(dá)到抑制冰棱橋接、增大冰棱間氣隙的目的，其模型表面液滴運(yùn)動(dòng)軌跡如圖19所示。

圖18 異型傘復(fù)合斜腕臂絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

圖19 異型傘斜腕臂絕緣子表面液滴運(yùn)動(dòng)軌跡

5.2 異型傘絕緣子電場(chǎng)仿真分析

優(yōu)化前后覆冰絕緣子電場(chǎng)云圖如圖20 所示。與原絕緣子相比，異型傘絕緣子除金具場(chǎng)強(qiáng)較高外，其余高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域主要集中在大傘冰棱尖端，而小傘冰棱區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)較小，冰棱對(duì)于絕緣子傘裙區(qū)域并無明顯畸變。以8#傘為對(duì)象，截取優(yōu)化前后8#傘局部電位等值線分布如圖21 所示，同時(shí)提取絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后截線AD電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖22 所示。

圖20 復(fù)合斜腕臂覆冰絕緣子電場(chǎng)分布云圖

圖21 8#傘裙冰棱局部電位等值線分布

圖22 截線AD 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖21 可知，優(yōu)化后的異型傘絕緣子小傘冰棱與鄰近大傘傘裙平行，相比于原始絕緣子，小傘冰棱與大傘之間的電位線稀疏。由圖22 可知，優(yōu)化后的絕緣子減小了截線處空間電場(chǎng)的畸變程度，同原始絕緣子相似，最大值出現(xiàn)在靠近冰棱端部處，如圖22 中的d1點(diǎn)，隨著AD長(zhǎng)度的增加，冰棱對(duì)其影響逐漸減小，曲線呈下降趨勢(shì)。與原絕緣子相比，初次優(yōu)化后的絕緣子傘裙冰棱對(duì)電場(chǎng)的畸變程度降低了55.41%。

6 結(jié)論

(1) 斜腕臂絕緣子小傘上的冰棱與相鄰傘裙呈一定夾角分布，該夾角與斜腕臂絕緣子安裝角度相等，小傘上的冰棱易橋接到相鄰傘裙。

(2) 恒壓耐受試驗(yàn)中，斜腕臂絕緣子小傘上的冰凌與相鄰大傘裙邊緣或冰棱間容易形成微小氣隙，該氣隙處為強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，放電容易在該處發(fā)生，電弧會(huì)直接橋接小傘冰棱端部和大傘邊緣，造成爬電距離急劇下降。

(3) 放電電弧產(chǎn)生的焦耳熱使冰棱端部融化并形成懸掛的水滴，水滴會(huì)畸變其周圍空間的電場(chǎng)，易誘發(fā)絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)故障。斜腕臂絕緣子冰棱尖端懸掛水滴時(shí)對(duì)周圍空間的畸變率最高可達(dá)4 977%。

(4) 優(yōu)化后的異型傘裙絕緣子增大了冰棱與傘裙、冰棱與冰棱間的間隙，減小了冰棱對(duì)于空間電場(chǎng)的畸變程度，其電場(chǎng)畸變率降低了55.41%。因此異型傘絕緣子可有效降低覆冰地區(qū)絕緣子冰閃概率。