（电气工程专业论文）气压对染污覆冰绝缘子长串直流闪络电压影响的试验研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fc h o n g q i n gu n i v e r s i t y e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f e f f e c to f a t m o s p h e r i cp r e s s u r e o nd cf l a s h o v e r v o l t a g e o fi c e da n dc o n t a m i n a t e di n s u l a t o rs t r i n g s m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gq i a n g s u p e p r o f s h ul i c h u n e r v l s o r ：r r o th u c o s u p e r v i s o r ：s e n i o re n g h u a n e n g e r v i s o r ： e m o rt m 2 l n e e rw ut t u a n e n g - m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g c h o n g q l n gun i v e r s i t y 一一 一 n o v e m b e r2 0 0 4 r 重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 低气压、覆冰和污秽等多因素共存的复杂环境对电力系统的安全运行造成极 大的威胁，研究气压对不同条件下( 污秽程度、覆冰量、布置方式及绝缘子型式) 覆冰绝缘子串直流闪络电压的影响，具有非常重要的工程应用价值和学术意义。 作者在总结国内外现有研究成果的基础上，在重庆大学大型人工气候室内进行了 模拟试验，并对试验结果进行了初步的分析。 本文的主要试验研究工作是： 利用覆冰期直流平均闪络电压试验方法，对不同种类的单片绝缘子在覆 冰、污秽和低气压共存的环境中的直流闪络特性进行研究，分析了气压对不同条 件下的单片染污覆冰绝缘子直流闪络电压的影响： 在融冰期对几种不同串长的直流绝缘子串及合成绝缘子进行冰闪试验，对 其在污秽、低气压、不同布置方式下的直流闪络特性进行研究，得出气压对不同 条件下的染污覆冰绝缘子串直流闪络电压的影响。 通过试验研究及理论分析，本文得出的主要结论如下： 冰闪电压随气压的降低而降低，其降低趋势遵循幂函数规律； 在覆冰期由于冰层处于冻结状态，污秽程度p e s d d 对靠没有明显影响；而 在融冰期，以与p e s d d 有明显关系，污秽越严重，u f m i 受气压的影响越小； 对x z p 1 6 0 与l x p 1 6 0 绝缘子串，垂直布置的最低直流冰闪电压最高，v 型次之，水平布置最低； 随着绝缘子片数的增加，气压影响冰闪电压的特征指数行虽有一定的变 化，但变化趋势并不明显； 与单片的l x p 1 6 0 及x z p 1 6 0 直流绝缘子不同，9 片l x p 1 6 0 直流绝缘子 串与9 片x z p 1 6 0 直流绝缘子串的冰闪电压的气压影响特征指数n 略高于 f x b w - 1 1 0 1 0 0 合成绝缘子，这是由于绝缘子串也具有了多伞裙结构。 关键词：绝缘子串，低气压，覆冰，污秽、布置方式 t h i sp a p e rm a d et h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na sf o l l o w i n g ： t oi n v e s t i g a t et h ed cf l a s h o v e rp e r f o r m a n c eo fi n s u l a t o ru n d e r l o wa i r p r e s s u r e ，p o l l u t i o na n di c i n ga c c o r d i n gt ot h ed c a v e r a g ef l a s h o v e rv o l t a g em e t h o di n i c i n gp e r i o da n dt om a k ec l e a rt h ee f f e c to fa i rp r e s s u r e o ni c e da n dc o n t a m i n a t e d i n s u l a t o r sd cf l a s h o v e rv o l t a g e t oi n v e s t i g a t et h ed cf l a s h o v e rp e r f o r m a n c eo fi n s u l a t o rs t r i n gu n d e r l o w a i r p r e s s u r e ，p o l l u t i o n ，i c i n ga n dd i f f e r e n ta r r a n g e m e n tw a y sa n d t om a k ec l e a rt h e e f l e e to fa i rp r e s s u r eo ni c e da n dc o n t a m i n a t e di n s u l a t o rs t r i n g sd c f l a s h o v e rv o l t a g e b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rc a n b ep u tf o r w a r da s f o l l o w i n g ： i c i n gf l a s h o v e rv o l t a g e d e c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo fa i rp r e s s u r eb y p o w e r - l a w d u r i n gt h ei c i n gp e r i o d ，p e s d dh a sn oo b v i o u se f f e c to nn b e c a u s ei c el a y e ri s f r o z e n w h i l ed u r i n gi c e m e l t i n gp e r i o d ，p e s d dh a so b v i o u se f f e c to n 以- 刀d e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fp e s d d f o rx z p 1 6 0a n dl x p - 1 6 0i c e di n s u l a t o rs t r i n g s ，t h e v e r t i c a la r r a n g e m e n t w a yh a sam a x i m a l 矾曲t h evt y p ea r r a n g e m e n tw a y t a k es e c o n dp l a c ea n dt h e h o r i z o n t a la r r a n g e m e n tw a yh a sam i n i m a lu f m i n t h ei n d e xnv a r i e sw i t ht h eu n i t so fi n s u l a t o rs t r i n gn ，b u tn h a sn oo b v i o u s e f f e c t o n n u n l i k et h e1u n i tl x p 一1 6 0a n dx z p 1 6 0i n s u l a t o r s ，t h eno f 9 u n i t so f l x p 1 6 0a sw e l la s9u n i t so fx z p 1 6 0i n s u l a t o r s i sal i t t l e h i g h e rt h a n i to f i l 英文摘要 m h a sm a n y e n t w a y 录 中文摘要i 英文摘要i i l 绪论：1 1 1 论文研究的意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 气压对绝缘子闪络电压影响的研究2 1 2 2 覆冰对绝缘子闪络特的研究3 1 2 3 污秽程度对覆冰绝缘子闪络特性的影响6 1 2 4 不同结构及布置方式的影响6 1 3 论文研究的内容7 2 试验装置、方法及试品8 2 1 试验装置8 2 1 1 人工气候室8 2 1 2 试验电源1 0 2 1 3 试验原理和测试系统1 2 2 2 试品绝缘子1 5 2 3 试验方法1 8 2 3 1 染污方法1 8 2 3 2 覆冰绝缘子直流闪络特性试验方法2 0 2 3 3 海拔高度模拟方法2 1 2 3 4 低气压下闪络电压试验方法2 3 2 3 5 试验研究中表征绝缘子覆冰状态的特征参量2 3 2 4 小结2 4 3 气压对单片覆冰绝缘子平均直流闪络电压影响的试验研究2 6 3 1 单片x z p 1 6 0 直流绝缘子覆冰期平均冰闪电压2 6 3 2 单片x z p 3 0 0 直流绝缘子覆冰期平均冰闪电压2 8 3 3 单片x w z p 4 1 6 0 直流绝缘子覆冰期平均冰闪电压3 1 3 4 单片l x z p 2 1 0 直流绝缘子覆冰期平均冰闪电压3 3 3 5l o k v 直流合成绝缘子在覆冰期平均闪络电压3 5 3 6 覆冰期不同型式绝缘子单片平均闪络电压的比较3 7 3 7 小结3 9 i v 目录 4 0 4 0 4 0 4 2 4 9 5 4 5 4 5 9 6 4 6 8 7 0 致谢7 2 参考文献7 3 附：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录7 5 v 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的意义 我国一次能源和经济发展在区域分布上极不平衡。煤炭基地在北部，丰富的 水力资源主要集中在西部地区，而经济发展较快的地区主要集中在东南沿海省市。 这种能源资源分布和经济发展区域不平衡的特点，宏观上决定了“全国联网、西电 东送、南北互供”必然成为中国最大范围内资源优化配置的基本取向，是中国电力 发展的必然选择。全国联网因西电东送而形成北、中、南三大输电通道，而南北 互供促进北、中、南间的相互联网，从而形成全国统一的横盘状联合电网总体格 局。由此可见，要实现上述可持续发展战略，全国联网将覆盖我国的高海拔、覆 冰、污秽等各种复杂环境地区。输电线路通过高海拔、污秽、覆冰地区时，其恶 劣的气候条件使绝缘子的电气强度大大降低，使输电线路在正常工作电压下就会 发生闪络，造成停电事故，从而影响电力系统运行的可靠性，给国民经济和人民 生活带来严重损失。 从国内外的统计资料来看，覆冰导致绝缘子闪络所造成的电网事故不仅在我 国有报道【5 铜，在加拿大、美国、前捷克斯洛伐克、英国、芬兰、挪威、瑞士和前 南斯拉夫等国家均有报道【7 以3 1 。随着海拔的升高，超高压输变电设备的电气外绝缘 强度降低。我国和世界上其它国家在高海拔地区的覆冰绝缘子闪络事故屡有发生。 因此，冰害事故是高海拔覆冰地区输电线路的主要危害之一。 分析国内外发生的多次冰害事故的资料可以发现，覆冰导致的故障多为机械 故障，这些故障是由于原线路设计标准太低、机械强度不够引起的，通过改进和 修订标准是可以避免的。随着输电线路机械强度的加强，绝缘子的外绝缘问题日 益突出，已引起许多国家电力部门的注意。因而对这一环境下覆冰绝缘子外绝缘 特性的研究就变的非常的迫切【4 1 。尽管这些地区空气污染不如平原地区严重，但自 然污秽和局部的工业污秽对电气设备外绝缘的影响仍不可忽视，特别是在高海拔 地区微气象条件的覆冰和积雪给外绝缘设计带来了困剌1 4 , 1 5 , 1 6 。绝缘子在高海拔地 区污秽、覆冰的综合作用下，其外绝缘特性将发生显著变化，严重影响其外绝缘 的电气特性【1 7 1 。高海拔地区的低气压、污秽、覆冰已成为电气外绝缘设计的技术 难题，引起科研、设计及运行部门的高度重视【1 5 , 1 8 】。但到目前为止，对于高海拔 地区污秽、覆冰和积雪综合作用下输电线路外绝缘特性的研究仍然不够完善，在 以前的研究工作中由于试验条件的限制只能对单片及短串绝缘子在高海拔下、污 秽和覆冰等条件作用下的放电特性进行研究并且得出了相关的结论，这些结论对 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 于进一步研究长串绝缘子的外绝缘特性有一定的指导意义，但是不能完全反映长 串绝缘子的在多种条件共同作用下的放电特性。因此，深入系统地开展高海拔地 区污秽和覆冰综合作用下绝缘子长串外绝缘闪络特性的研究，研究气压、覆冰程 度、污秽程度、不同结构及布置方式对绝缘子长串闪络特性的影响己成为当前迫 切需要解决的课题。对高海拔覆冰放电过程的深入研究，有助于进_ 步揭示覆冰 闪络机理，对于开发我国西部丰富的水电资源，实现西电东送格局具有重大的工 程应用价值和社会经济价值，同时，也有助于本学科学术领域研究的进步。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气压对绝缘子闪络电压影响的研究 绝缘子和空气间隙的放电与气压有关，目前对高海拔绝缘子的研究主要集中 在低气压对清洁或者污秽绝缘子的闪络电压的影响。对于清洁绝缘子，国内外均 作了大量的试验研究，同时也建立了相应的国际标准。 2 0 世纪6 0 年代，国外就开始了对高海拔地区污秽绝缘子闪络特性的研究，高 海拔地区污秽绝缘子闪络电压的降低主要由气压的降低造成。 闪络电压和大气压力是非线性关系，可表示为【1 l ： u = u o ( e p o ) “ ( 1 1 ) 式中：玑为标准大气压下的交流污闪电压，k v ；【，为实际大气条件下交流污闪电 压，k v ；只为标准大气压，1 0 1 3 k p a ；p 为实际运行条件下的大气压力，k p a ；n 是气压影响污闪电压的特性指数，它与电压类型、绝缘子形状、染污程度以及施 加电压的方法等因素有关。 为了确定低气压对污秽绝缘子闪络特性的影响，许多学者作了大量的工作。 由于不同的试验设备和试验方法的差异，所得结果也不相同。m i s h i i 的研究结果 表明【1 9 l ，标准型和防雾型悬式绝缘子的气压影响闪络电压的特征指数n 值分别为 0 5 0 和o 5 5 。与低气压下的交流放电特性相比；直流电压下n 值的变动范围为 0 1 4 0 6 3 ，试验中大部分特征指数万值在0 2 左右变化。同交流下特征指数n 值相 比，直流条件下特征指数n 值普遍减小。 f r y x e l l 等在真空室内研究了防雾型绝缘子的交流和直流闪络特性。结果表明： 在干燥情况下，闪络电压随着气压的降低而呈线性下降。但是在潮湿条件下，如 果海拔超过1 0 0 0 m ，闪络电压和气压呈非线性关系。污秽对气压影响闪络电压的 特征指数没有明显的影响。 z h a n 在低气压条件下，对污秽绝缘子交直流闪络特性进行了大量的试验，得 出：当盐密从o 0 3m g c m 2 增加到0 2m g c m 2 时，特征指数万也随着增加。污秽度 2 1 绪论 形状对特征 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 压：e o 和p 学者从电弧 的特性方面进行了研究。标准气压和低气压下电弧的w 的特性可以表示为： u a x i - a ( 1 4 ) 式中u 是电弧电压( v ) ；，为电弧电流( a ) ；x 是电弧长度( m m ) ；a 和n 为电弧常数。 重庆大学高压实验室长期以来一直在进行低气压条件下绝缘子闪络特性的研究【l l 。 研究结果表明，虽然低气压下的染污放电与常压下的染污放电无本质区别，气压 的影响主要反映在局部电弧部分，但应按气压进行修正。低气压下空气稀薄，因 对流散热而散失的功率减少，是低气压下污闪电压降低的主要原因。低气压对交 流污闪电压的影响大于对直流污闪电压的影响。对于形状简单的绝缘子，刀值不受 污秽程度的影响。对于复杂绝缘子，t 值与污秽程度有关系，并与绝缘子伞裙和棱 间的电弧桥接有关。 1 2 2 覆冰对绝缘子闪络特性的研究 自2 0 世纪5 0 年代以来，国内外就开始对绝缘子覆冰问题进行了研究。2 0 世 纪6 0 7 0 年代以来，覆冰对电力系统的危害就引起了我国广大电力工作者的关注 1 2 】。研究表明：覆冰降低了绝缘子的性能，覆冰绝缘子的最低闪络电压比湿闪电压 大约低3 0 ，影响覆冰闪络因素很多，其中主要有覆冰过程、环境温度及所加电 压类型等。 ( 1 ) 覆冰类型的影响 不同的类型的覆冰有不同的特性。因此它对绝缘子的绝缘性能的影响也不尽 相同。 p h a n ，k h a l i f a 和s h u 3 】分别对覆有硬雾淞、软雾淞及雨凇的短串绝缘子的最低 闪络电压进行了研究，发现硬雾淞是危害最大的一种覆冰形式。 f u j i m u r a 在人工气候室内对悬式绝缘子串进行覆冰和覆雪试验，结果表明：覆 3 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 冰绝缘子的交流耐压比覆雪绝缘子的交流耐压约低4 0 ：在直流条件下，覆冰绝 缘子的耐压与覆雪条件下相同。 s u g a w a r a 【2 0 】对人工覆冰标准悬式绝缘子进行交流耐压试验，发现当覆冰密度 从0 6 m g c m 3 增加到0 8 c m 3 时，闪络电压降低很少；覆冰密度为0 9 9 c m 3 时的交 流耐压明显比0 6 m g c m 3 或0 8 9 c m 3 时要低。 ，j m f a r z a n e h 认为：干增长条件下的覆冰绝缘子的最低耐压高于湿增长条件下 绝缘子的最低耐压，这与r e n n e r 的观点相同。 ( 2 ) 覆冰量的影响 覆冰量是影响覆绝缘子冰闪络电压的又一因素。到目前为止，还没有绝缘子 表面覆冰程度测量的国际标准。不同的实验室采用不同的特征参数，这些参数主 要有覆冰厚度及每片绝缘子的覆冰量等。 k a w a i l 2 1 】在冷冻室内对5 片串和7 片串标准绝缘子和防雾绝缘子进行交流试 验，发现绝缘子表面覆冰是不均匀的。当覆冰厚度达到0 4 c m 时，将会导致绝缘 子在正常工作电压下发生闪络。 j k i e r n i k i 等人对绝缘子短串的试验结果显示【9 1 ，当监测覆冰程度的旋转圆柱 导体上的冰厚为2 5 c m ( 即绝缘子串单位长度上的覆冰量为8 k g m ) 时，正e e 标准绝 缘子的覆冰最大耐受强度趋于一个定值。 由于绝缘予表面覆冰不均匀，不易进行厚度测量。因此，f u j i m u r a 和s h u 【邶7 】 用覆冰重量来衡量绝缘子的覆冰程度，并认为绝缘子的闪络电压均随覆冰程度的 4 增加而明显降低并趋于饱和。 ( 3 ) 覆冰表面电弧的影响 由于影响覆冰表面闪络的因素很多，所以其机理也非常复杂。到目前为止， 国内外大部分学者的研究主要集中在覆冰绝缘子的闪络特性及其影响因素方面， 只有少数研究者进行了覆冰绝缘子闪络机理方面的研究。 1 9 7 6 年，j o r d a n 研究了冰凌表面的电晕放电现象。1 9 7 7 年，p h a n 等研究了水 珠从液态到固态过程中电晕的发展过程。1 9 8 9 年，s a t o 等用有n a c l 的平面冰试品 进行了闪络试验，并对不同覆冰类型的试验结果进行了比较。 s u g a w a r a 等研究了预污覆冰绝缘子的交流闪络机理后指出：随着电压的增加， 自弧出现在高压端和接地之间，白弧融化绝缘子接地端的冰层。融冰水有较高的 电导率并沿冰凌流失，电弧沿融冰水流过的路径发展。 1 9 8 4 年，b u i 等利用简单的物理模型在金属电极和覆冰表面间研究了直流电 弧的形成和发展机理。并指出电弧常数不随覆冰温度的变化而变化，但与电压极 性有关。 f a r z a n e h 等利用三角形物理模型对直流、交流下覆冰表面的静态和动态电弧特 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 性进行了大量的研究，试验结果显示：在交流条件下电极压降u 。被计算在电弧常 数a 内。当电弧长度大于7 0 c m 时，电弧长度对电弧特性的影响不能忽略。在直 流条件下，动态和静态电弧e i 特性不受电弧长度的影响。动态电弧和静态电弧的 特性有明显的差别。 陈行博士利用圆柱型冰为试品，研究了交流和直流条件下电弧的v i 特性和电 极压降u 【3 3 1 。张建辉博士对交流和直流条件下覆冰表面特性进行了研究，得出： 对于交流和直流电弧，电弧弧根半径随着泄漏电流的增加呈非线性增加，外部电 弧的半径大于内部电弧的半径，交流电弧的半径小于直流电弧的半径。 由于试验研究覆冰绝缘子的闪络消费大、用时长，不少学者开始建立数学模 型来预测覆冰绝缘子的闪络电压。 在大量试验的基础上，加拿大魁北克大学的一个高压研究所建立了第一个数 学模型，来预测长度小于1 0 m 覆冰绝缘子串的闪络电压，这个模型和o b e n a u s 模 型相似i 州。在闪络过程中，由于冰层表面水膜的出现，泄漏电流大部分经过电弧 和水膜。因此，基本方程、电弧重燃条件和剩余电阻的计算公式如下： u u 。+ 制”+ i r ，o ) ! ，。阱 呻，。专 等“( 半) 】 ( 1 5 ) 式中：【，为外加电压( ；i 为泄漏电流( a ) ；k 和b 为常数；x 为电弧长度( m m ) ； r o ) 为剩余电阻( q ) ；儿为冰层表面电导率( z s c m ) ；l 和d 为绝缘子的长度和半 径( m m ) ；d 为冰层厚度( m m ) ；r 电弧弧根半径( m m ) 。 1 9 8 4 年，h t b u j l c p h a n 等学者从模型的角度出发研究了冰表面的导电性 能【8 删。通过记录每次放电电压【，d 及对应的放电电流f 和放电电弧长度x ，并通过 数学关系拟合，确定了放电电压与放电长度的关系可表示为： u d a x i ”+ 【，e ( 1 6 ) 由方程( 1 2 ) 确定设备的电极电压降落。从u 。与f 对应关系曲线可选择u d 和f 对 应的数值并从方程中解出a 、万的平均值。从试验结果中可以看出：冰的温度低于 一4 0 c 时，在冰上不容易发生闪络；放电常数u 、a 、甩不随冰的温度而变化，但 随电极的极性而变化。 ( 4 ) 泄漏电流的影响 5 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 泄漏电流被用来作为研究覆冰绝缘子闪络特性的一个参数。 1 9 6 5 年，k h a l i f a 【2 2 】对覆冰绝缘子串的闪络特性进行研究发现：覆冰绝缘子的 临界泄漏电流小于污秽绝缘子的临界泄漏电流。h a r a 作了泄漏电流对覆冰绝缘子 闪络特性影响的试验【矧，结果显示：白弧的临界电流大约为1 8 m a ，覆冰期和冻冰 期的临界电流值保持稳定，对于棒型绝缘子这个值大于1 2 0 m a ，而瓷绝缘子为1 8 0 m a 。 7 1 2 3 污秽程度对覆冰绝缘子闪络特性的影响 空气中的污秽增大了冰层的电导率，导致覆冰绝缘子的泄漏电流增加，降低 了绝缘子的绝缘性能。 1 9 8 1 。1 9 8 9 年，f i l 【l 【e 【2 4 】对覆冰闪络条件进行了研究，发现挪威南部山区的线 路绝缘子闪络主要是由覆冰和污秽中大量的导电离子综合作用造成的。 m f a r z a n e h 等人通过研究认为【2 5 1 ，当覆冰水电导率为8 0 s c m 时，i e e e 标准 绝缘子覆冰( 密度为0 8 7 9 c m 3 ) 后的最大耐受强度为7 0 k v m ，雾淞( 密度为0 3 9 c m 3 ) 情况下最大耐受强度为1 9 7k v m 。 k a n n u s 2 6 】进行了覆冰水电阻系数对泄漏电流影响的交流闪络试验指出，当电 阻率从9 0 0 m 降到9 0 m 时，覆冰期泄漏电流脉冲出现的时间较早，并且电流幅 值迅速增大；2 片悬式绝缘子串的耐受电压和覆冰水电阻率的平方根成正比。 f u i i m u r a 和m a t s u d a l 2 7 1 分别对不同覆冰水电导率下的绝缘子闪络特性进行了 研究后指出，覆冰绝缘子的闪络电压和覆冰水电导率有关，覆冰水电导率越高， 耐受电压越低。 1 2 4 不同结构及布置方式的影响 曩 ( 1 ) 覆冰绝缘子串长的影响 覆冰绝缘子的闪络电压与绝缘子串长有关。f a r z a n e h l 3 1 ，3 2 1 ，p h a n 和s h u l l ，3 5 】分 别对短串绝缘子覆冰后的闪络电压进行研究指出：当绝缘子串长小于1 0 m 时，其 最低闪络电压和串长里线性关系。 蒋兴良博士对覆冰绝缘子串的交流闪络电压与串长的关系进行研究发现：覆 冰绝缘子串的闪络电压与串长呈呈非线性关系。造成这种现象的原因是绝缘子串 覆冰后，沿绝缘子串的电压分布不均匀。 ( 2 ) 绝缘予布置方式的影响 输电线路中的绝缘子串有不同安装方式。安装的方式不同将影响绝缘子的覆 冰和绝缘特性。 1 9 7 5 年，加拿大的s c h n e r d e r 【勰】在现场进行了线路绝缘子的人工覆冰闪络试验， 6 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 标准型、防雾型瓷绝缘子串及合成绝缘子被安装呈i 型或v 型。试验发现：v 型 串比i 型串的闪络电压高7 0 。同一年，k e 【2 9 】研究了垂直和水平安装的不同绝缘 子覆冰闪络特性，在相同条件下，v 型串优于i 型串，水平串闪络电压比i 型串高 2 0 。 综上所述，在覆冰、污秽、低气压等多因素共存的地区，由于覆冰桥接绝缘 子并为绝缘子表面污秽提供了充足的湿润条件，同时低气压又进一步降低绝缘子 的电气性能，从而对电力系统的安全运行造成很大的威胁。遗憾的是目前国内外 仅仅是对三种因素中的一种或两种因素的影响进行研究，对于直流电压作用下， 只有加拿大学者m f a r z a n e h 领导的课题组对三角形平面冰样和一种短支柱绝缘子 在上述三种情况共同作用下进行了放电研究1 1 0 l 。迄今为止，对直流电压作用下的 直流绝缘子在覆冰、污秽和低气压共同作用下的放电特性的研究还很少见。 1 3 论文研究的内容 目前国内外已建成并运行的超高压直流输电线路大都处于海拔较低、覆冰较 轻的地区。对于高海拔、覆冰及污秽综合作用的地区直流输电线路的外绝缘设计 目前无设计和运行经验可供参考。本文的主要目的是在已有研究成果的基础上， 研究气压、覆冰程度、污秽程度、不同结构及布置方式对绝缘子长串闪络特性的 影响，研究的主要内容如下： ( 1 ) 利用覆冰期直流平均闪络电压试验方法，对不同种类的单片绝缘子在覆冰、 污秽和低气压共存的环境中的直流闪络特性进行研究，得出气压对不同条件下的 单片染污覆冰绝缘子直流闪络电压的影响。 ( 2 ) 在融冰期对几种不同串长的直流绝缘子串及合成绝缘子进行冰闪试验，对 其在污秽、低气压、不同布置方式下的直流闪络特性进行研究，得出气压对不同 条件下的染污覆冰绝缘子串直流闪络电压的影响。 7 方法、对试验电源的要求目前还没有标准可参考。覆冰是一种特殊的污秽形式， 根据我们长期的试验研究经验，本论文参照污秽试验的有关标准、导则开展试验 。研究。按照合同要求试品选择目前普遍采用的典型绝缘子。 2 1 试验装置 2 1 1 人工气候室 试验研究在重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室的大型多功能人 工气候试验室和低温低气压试验室内完成。 ( 1 ) 大型多功能人工气候室 大型多功能人工气候室直径厂为7 8 m ，高日为1 1 6 m ，如图2 1 ( a ) 示。人工 气候室由制冷系统、抽真空系统、喷雾系统以及风速调节系统等四个主要部分组 成。室内的最低温度可达4 5 1 ，可满足对绝缘子进行人工覆冰试验的要求，覆 冰绝缘子如图2 2 所示；最低气压可达3 0k p a ，可模拟海拔9 0 0 0m 及以下高海拔 地区的大气条件。人工气候室内安装有两排按国际电工委员会( i e c ) 标准推荐制作 的喷头( 每排7 个) ，用来在人工气候室内喷雾并形成覆冰的环境条件；气候室内 的吹风装置既可以模拟风速，又可用来使室内温度及雾粒分布均匀，风速调节范 围为1 1 2m s 。试验电压从人工气候室一侧装设的3 3 0k v 穿墙瓷套管引入。 ( a ) f 7 8 m 、h 1 1 6 m 的大型多功能人工气候试验室 8 验装置、方法及试品 ( b ) 直径f 2m 、长工3 8 m 的低温低气压试验室 图2 1 人工气候室 f i g2 1t h ea r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e r 图2 2 覆冰绝缘子串 f i g2 2t h ei c i n gi n s u l a t o rs t r i n g s 大型多功能人工气候室具有温度、湿度、电压、泄漏电流等参数和放电过程 的全自动化监测装置。配置的高速摄像机、紫外线成像仪等可监测放电过程中的 电弧发展过程和放电过程中的空间电荷分布，配置的数字化测试系统可以全过程 9 低温低气压试验室由制冷系统、抽真空系统、喷雾系统以及风速调节系统等四个 主要部分组成。室内最低温度可达3 6 + _ 1 ，最低气压可达3 4 6k l a 试验室内安 装了三个满足国际电工委员会( c ) 标准要求的喷头- ，试验室内的吹风装置可产生 1 - 3m s 的风速，湿度可以任意调节。温度、湿度等基本气象参数经传感器在室外 监测，试验电压从试验室一侧装设的1 1 0 k v 穿墙瓷套管引入。 2 1 2 试验电源 目前，直流绝缘子串覆冰试验的电源容量至今尚无标准可循。大多数研究学 者认为，覆冰是一种特殊形式的污秽，因此，覆冰绝缘子串直流闪络特性试验研 究的电源应满足i e c 标准推荐的污秽试验电源标准。本论文试验研究先后采用了 两套直流电源： ( 1 ) _ 6 0 0 k v 可控硅双反馈倍压整流直流电源 额定电压为_ 6 0 0 k v ，额定电流为0 5 a 。在泄漏电流为0 5 a 时，其动态压降 小于5 ，闪络时电压的纹波系数小于3 ，满足i e c 标准国家标准和对污秽试验 的直流试验电源的要求，如图2 3 所示。 ( 2 ) _ 1 0 0 k v 可控硅双反馈直流电源 额定电压为+ 1 0 0 k v ，额定电流为1 0 a 。在泄漏电流为1 0 a 时，其动态压降 小于3 ，闪络时电压纹波系数小于1 ，满足i e c 标准和国家标准对污秽试验的 直流试验电源的要求，如图2 4 所示。 ( a ) 外观照片 1 0 、方法及试品 ( b ) 闪络时电压波形 图2 3 6 0 0 k v 加5 a 可控硅双反馈倍压整流直流试验电源 f i g2 3t h e 基鼬吼n 两。5 ad c t e s te l e c t r i c a l $ o u r c e ( a ) 外观照片 ( b ) 闪络时电压波形 图2 4 _ _ 1 0 0 k v 1 a 可控硅双反馈直流试验电源 f i g2 4t h e 1 0 0 k v 1 ad c t e s te l e c t r i c a ls o u r c e 品 2 1 3 试验原理和测试系统 试验研究的原理接线示意图如图2 5 所示，其中：k 为空气开关，b 为电力 变压器，c 1 、c 2 为倍压电容，d 1 、d 2 为高压硅堆，s c r 为可控硅元件，舶为限 流电阻，f 为电阻分压器( r 1 为电阻分压器高压臂电阻，r 2 为电阻分压器低压臂电 阻) ，r x 为保护隔离电阻，砌为分流器电阻，g 为保护放电管，h 为穿墙套管，e 为人工气 图2 5 试验研究原理接线示意图 f i g 2 5t e s tc i r c u i t 在试验研究中，直流绝缘子闪络电压采用电阻分压器测量，其精度为2 ， 如图2 6 示。闪络过程中泄漏电流测试采用重庆大学自行研制的数字化测量系统， 泄漏电流的测试范围在1 0 0 比a 1 0 a 之间，数字化测量系统具有硬件和软件虑波 功能，可记录闪络的全过程，如图2 7 示。闪络过程中的电弧发展变化情况过程 h g 1 0 0 k 高速摄像机监测，如图2 8 示；闪络过程中空间电荷的分布采用 c o r o c a mi v + 紫外线成像仪监测，如图2 9 示。 图2 6直流电压测试用电阻分压器 f i g2 6t h ed cv o l t a g ed i v i d e r 、方法及试品 6 i i 2 j 。 v v 一，v 、 _ i 叫 n 一 一 ，w v删 【 三。 1 1 呈 2 一 l ；赫1 , 1 0 0 0 0l 赫l 如 l 劓缸l i 髫0l 艇昭 t i m e ( b ) 测量的泄漏电流波形 图2 7 泄漏电流的数字化测量系统 f i g2 7t h ed i g i t a lm e a s u r i n gs y s t e mo fl e a k a g ec u r r e n t ( a ) 外观 1 3 口 口口 ( b ) 9 片x z p - 7 0 覆冰绝缘子串闪络过程 图2 8 监测闪络过程的h g 1 0 0 k 高速摄像机 f i g2 8t h e h g - 1 0 0 kh i g hs p e e dc a m e r au s e dt om o n i t o rf l a s h o v e rp r o c e s s ( a ) 外观 1 4 ( b ) 测量导线表面的空间电荷 图2 9 监测空间电荷的c o r o c a mi v + 紫外线成像仪 r i g 2 9t h ec o r o c a mi v + c o r o n ac a m e r au s e dt om o n i t o rs p a c ec h a r g e 2 2 试品绝缘子 根据合同要求，本论文试验研究中采用了7 种不同型式和材料的绝缘子作为 研究对象，试品基本技术参数如表2 1 所示，其结构示意图如图2 1 0 所示。 表2 1 试品的参数 t a b l e2 1t h ep a r a m e t e r so ft e s t e di n s u l a t o r s 型号 盘径( m m )结构高度( 衄)爬距( r a m ) 结构形状 x z p 1 6 03 2 0 1 7 05 4 0 图2 1 0 ( a ) x z p 3 0 0 4 0 0 1 9 56 4 3 图2 1 0 ( b ) x z w p 4 1 6 03 3 01 7 05 4 5 图2 1 0 ( c ) l ( ：乙p 2 1 03 2 01 7 05 4 5 图2 1 0 ( d ) l ( p 1 6 0 3 2 01 7 05 4 5 图2 1 0 ( c ) 1 4 5 ( 大伞) f x b w 4 1 1 0 1 0 01 4 0 0 3 3 0 0 图2 1 0 ( 0 1 0 7 ( d , 伞) 1 9 5 ( 大伞) f x b w 一1 0 刀0 1 4 5 ( 中伞) 4 1 56 0 0 图2 1 0 ( g ) 9 5 ( d , 伞) 、方法及试品 ( b ) x z p 3 0 0 ( c ) x z w p 4 - 1 6 0 1 6 及试品 ! 尘。趁 j ( d ) l x z p 一2 1 0 ( e ) l x p 一1 6 0 h ( f ) f x b w - 1 1 0 1 0 0 1 7 ( 曲f x b w - 1 0 7 0 图2 1 0 试品绝缘子结构图 f i g2 1 0t h es e c t i o n a lv i e wo ft e s t e di n s u l a t o r s 2 3 试验方法 2 3 1 染污方法 虽然高海拔地区污秽程度一般较轻，但是随着工农业的发展，在这些地区的 污秽也有增大的趋势。根据合同要求，本论文试验研究采用的等值附盐密度p e s d d ) 分别为0 0 1 、0 0 3 、0 0 5m g c m 2 和o 1 m g c m 2 。 覆冰绝缘子人工染污的方法主要采用二种：固体涂层法和覆冰水电导率法。 固体涂层法模拟覆冰前的污秽，覆冰水电导率法模拟覆冰过程中的污秽。 ( 1 ) 固体涂层法 固体涂层法有二种方式，即刷涂方式和浸污方式。 1 ) 刷涂方式 参照国标g b t 1 6 9 2 7 1 1 9 9 7 高电压试验技术，即由污秽程度p e s d d 和绝缘 子表面积s 算出所需n a c l 和硅澡土的量，将n a c l 和硅澡土加入一定量的电导率 小于1 毗s 锄( 2 0 ) 的去离子水中，充分调拌后均匀刷涂在试品绝缘子表面，待 1 8 2 试验装置、方法及试品 其污层自然干燥后，用电导率为1 0 0 1 2 舡s 锄( 2 0 ) 的覆冰水喷雾进行覆冰。 2 ) 浸污方式 本论文试验研究中还采用了浸污方式对绝缘子表面进行染污，即：根据试验 要求的盐密、灰密及污液的体积，得到所需的硅藻土、n a c l 及去离子水的量，在 一个浸污槽内配成污液并搅拌均匀( 浸污槽的尺寸及污液的量可保证试品全部浸 没于污液中) ；将清洁的试品小心的浸入，转动一两周后拿出，在试验室的标准环 境下干燥，伞裙边缘聚集的污液予以清除。在试品浸污过程中，应不断搅拌以保 证污液均匀。 由于合成绝缘子表面具有憎水性，因此在对合成绝缘子涂污处理时，首先要 用干燥的棉团，在绝缘子表面轻轻涂上层干燥的硅藻土，用洗耳球吹掉多余的 硅藻土，使试品表面附着一层亲水性特质。由于这层硅藻土极薄，因此并不影响 试品的灰密，但涂污应在处理一小时内完成。 ( 2 ) 以覆冰水电导率模拟试品染污法 采用固体涂层法染污的绝缘子表面污秽涂层在覆冰过程中可能会被所喷洒的 过冷却水滴冲刷掉，在闪络试验过程中由电弧融化冰层所形成的融冰水也会带走 一些污秽涂物，闪络电压与融冰状态及污秽物流失有很大关系，因此其试验结果 的分散性较大。在本论文试验研究中，通过大量试验研究，摸索出采用改变覆冰 水电导率的方法来模拟覆冰过程中的染污过程，所得到的试验结果不仅分散性较 小，而且易于控制污秽的均匀性，虽然这种方法仍与实际情况有一定差异，但在 目前没有找到更好的方法情况下，本论文试验研究也部分采用了这种方法。 以覆冰水电导率模拟试品染污法的具体步骤是：参照g b 仍5 8 5 1 中的方法， 由盐密e s d d 、灰密n s d d 和绝缘子表面积s 三者确定n a c l 和硅澡土的量，加 入一定量的电导率小于l o 弘s c m ( 2 0 ) 的去离子水中( 对于绝缘子表面积小于 2 0 ( 0 ) 0 2 的试品，用水量为3 0 0 m l ；对于表面积大于2 0 ( 0 ) 0 2 的试品，其用水量按 比例增加) ，并充分搅拌，并用电导率仪测得其电导率并换算到2 0 q c 时的值；然 后用配置的不同电导率的覆冰水进行覆冰，则认为是相应等值盐密e s d d 下的覆 冰。 需要指出的是，采用这种方法虽然与实际情况有差异，但通过大量试验和观 察得知，覆冰绝缘子闪络路径只有二种情况：一是沿着冰层的内表面，即与绝缘 子接触的表面，二是沿着冰层的外表面，即使冰层逐渐融化，闪络路径仍是只有 这二种情况。由于冰闪的过程始终是在这种覆冰水电导率下进行，冰层的厚度不 会明显影响闪络过程，因此，以覆冰水电导率不仅可以模拟覆冰绝缘子的染污过 程，而且模拟覆冰过程中的污染过程也更接近实际情况。 我们经过大量的试验，发现覆冰水电导率与绝缘子上盐密的的对应关系( 如 1 9 试验装置、方法及试品 图2 1 1 ) 。通过对图2 1 1 结果进行曲线拟合，则可得覆冰水电导率与绝缘子上所 附盐密的关系式： p e s d d m 1 2 1 6y ! 孑3 6 式中：p e s d d 为绝缘子上的盐密，r a g e r a 2 ；7 2 0 为覆冰水的电导率，s c m 。 唁 鼍 三 2 畚 辎