（电气工程专业论文）采用间插布置的绝缘子串交流覆冰闪络特性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，覆冰引起的绝缘子串闪络事故对电力系统的安全运行造成了严重威 胁。国内外对覆冰绝缘子闪络特性进行了大量研究，但针对防冰闪技术措施的研 究则较少。为了防止冰闪，实践中人们拟采用v 型串、涂覆防冰涂料、由不同伞 径绝缘子组合而成的悬垂串一间插方式等来提高绝缘子串的冰闪电压。由于间插 方式不改变线路杆塔结构，适合于已建成线路的防冰改造，因此具有重要的工程 应用前景。 本文以国内外研究为基础，在大型多功能人工气候室内模拟自然条件下的覆 冰状况，主要研究了以下方面： ( 1 ) 间插布置的绝缘子串大伞安装位置对覆冰闪络电压的影响；冰闪电压与绝 缘子串长的关系；冰闪电压与绝缘子表面污秽程度的关系，以及间插方式下绝缘 子串的电位分布及其对冰闪电压的影响，并通过电场仿真方法计算了间插组合覆 冰绝缘子串表面电场分布； ( 2 ) 防冰型复合绝缘子覆冰闪络电压与表面污秽度的关系，并通过电场仿真方 法计算了防冰型复合绝缘子覆冰后表面电场分布： ( 3 ) 分析了常规绝缘子( 串) 与间插布置的绝缘子( 串) 覆冰闪络过程的差异， 探讨间插布置的绝缘子( 串) 冰闪机理和影响其冰闪电压的因素； ( 4 ) 对比间插组合玻璃绝缘子串与防冰型复合绝缘子爬电闪络梯度，并分析两 者差异的原因。 通过试验及其结果分析，论文得出以下主要结论： ( 1 ) 大小伞伞径差和大伞之间的间距是间插布置绝缘子( 串) 冰闪电压能否提 高的关键。合理布置伞裙结构可使小伞不易被冰凌桥接，小伞冰凌尖端处的电场 强度降低，减小电弧沿冰棱表面发展的可能，大伞冰棱也难桥接，并且大伞冰棱 与小伞之间的空气间隙不易被击穿，使泄漏距离能得到充分利用； ( 2 ) 严重覆冰时，间插布置的绝缘子( 串) 覆冰闪络电压与其串长呈非线性关 系，其冰闪电压、爬电闪络梯度高于常规绝缘予( 串) ；与覆冰前绝缘子表面的污 秽度成负的乘幂关系，受污秽度的影响小于常规绝缘子( 串) ： ( 3 ) 常规绝缘子电弧发展主要沿冰凌表面延伸，其闪络特性只与绝缘子的干弧 距离有关；而间插组合的绝缘子( 串) 电弧沿泄漏距离延伸，当电压达到一定程 度时，大伞冰凌与小伞之间的间隙击穿，电弧路径改变，沿空气间隙形成主放电 通道，并随电压继续升高而完成闪络。 ( 4 ) 在轻度污秽条件下，防冰型复合绝缘子爬电闪络梯度大于间插组合的玻璃 重庆大学硕士学位论文中文摘要 绝缘予串，而在中度和重度污秽条件下，却低于玻璃绝缘子串。 关键词：覆冰，间插布置，防冰型复合绝缘子，交流闪络，电弧，闪络特性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , m a n ya c c i d e n t sc a u s e db yi c e di n s u l a t o r sf l a s h o v e rb r i n gs e r i o u s t h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m a l t h o u g ht h e r ea r cm a n y r e s e a r c h e so nf l a s h o v e rc h a r a c t e f i s t i co f i c c di n s u l a t o r sa 士h o m ea n da b r o a d t h es t u d y o na n t i - i c i n gf l a s h o v e rm e a s u r e m e n ti sl e s s p e o p l ew a n tt ou s c “v ”t y p es t r i n g p r t v - c o a t e di n s u l a t o r sa n dv a r i e d s i z es e r i e sc o n n e c t e ds t r i n ge t et oi m p r o v et h e f l a s h o v e rv o l t a g eo fi c e di n s u l a t o rs t r i n g si np r a c t i c e b e c a u s ei td o e sn o tc h a n g et h e t o w e rs t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o nl i n e ，t h es t r i n gc o n n e c t e dw i t ha l t e r n a t e l yl a r g e a n ds m a l ld i a m e t e rs h e d s ( c a l s d s ) i ss u i t a b l ef o rt h ea n t i - i c i n gr e f o r mo ft h el i n e s w h i c hh a v ea l r e a d yb e e nb u i l d s oi th a sa l li m p o r t a n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p r o s p e c t b a s e do nt h er e s e a r c h i n gr e s u l t sc a r r i e da th o m ea n da b m a d ，t h i sp a p e rf o c u s e s o nf o l l o w i n ga s p e c t si nt h el a r g es c a l ea r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e r ： ( 1 ) t b e i n f l u e n c eo ft h e l a r g ei n s u l a t o r s a s s e m b l e dp o s i t i o n o nt h e i c e d - f l a s h o v e rv o l t a g eo fc a l s d ss t r i n g s ；t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l a s h o v e r v o l t a g eo fi c e di n s u l a t o r sa n ds t r i n gl e n g t h , s d do fi n s u l a t o r s ；1 1 地i n f l u e n c eo f p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no nt h ef l a s h o v e rv o l t a g eo fc a l s d si n s u l a t o r s ；a n a l y z i n gt h e e - f e l dd i s t r i b u t i o no f t h ei n s u l a t o r sb yt h ee - f i e l de m u l a t i o n ； ( 2 ) t h er e l a t i o n s h i pb c t w nf l a s h o v e rv o l t a g eo ft h ea n t i i c i n gc o m p o s i t e i n s u l a t o r sa n ds d d ；a n a l y z i n gt h ee - f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ea n t i i c i n gc o m p o s i t e i n s u l a t o r sb yt h ee - f i e l de m u l a t i o n ； ( 3 ) a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c eo ff l a s h o v e rp r o c e d u r eb e t w e e nn o r m a li n s u l a t o r s a n dc a l s d si n s u l a t o r s ；d i s c u s s i n gi c e - f l a s h o v e rm e c h a n i c so ft h e c a l s d s i n s u l a t o r sa n dt h ef a c t o ri n f l u e n c eo ni t si c e f i a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c ： ( 4 ) c o m p a r i n gt h ec r e e p a g eg r a d i e n t o ft h ec a l s d ss t r i n g sw i t ht h a to f a n t i - i c i n gc o m p o s i t ei n s u l a t o r s a n da n a l y z i n gt h er e a n $ c a l k q c dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e m ； b a s e do nt h et e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s t h em a i nc o n c l u s i o n si nt h ep a p e r 锄a s f o l l o w i n g ： ( 1 ) m d i a m e t r i c a ld i f f e r e n c eb e t w e e nl a r g ea n ds m a l ls h e da n dt h es p a c el e n g t h o f t h ea d j a c e n tl a r g es h e d s 戤t h ei m p o r t a n tk e y st oi m p r o v et h ei c e - f l a s h o v e rv o l t a g e o ft h ec a l s d ss t r i n g s w i t ha p p r o p r i a t el a y o u ts t r u c t u r e ，t h es m a l ls h e d so f i n s u l a t o r sa 柏m tl i a b l et ob eb r i d g e db yi c i c l e sa n dt h ee - f i e l ds t r e n g t ho fi c i c l e sw i l l ! i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 b er e d u c e d , t h e nt h ep o s s i b i l i t yo f a r ca l o n gi c i c l e s s u r f a c ei sb ed e c r e a s e d t h el a r g e s h e d sa r e n tl i a b l et ob eb r i d g e db yi c i c l e st o o ，a n dt h ea i rg a p sb e t 3 e e nl a r g es h e d s i c i c l e sa n ds m a l ls h e d sa r e n tl i a b l eb eb r o k e nd o w n , s ot h el e a k a g ed i s t a n c ew i l lb e u t i l i z e ds u f f i c i e n t l y ； ( 2 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l a s h o v e rv o l t a g eo fc a l s d ss t r i n g sa n di t s l e n g t hi sn o n - l i n e a r i t ya n di t si c e - f l a s h o v e rv o l t a g ea n dc r e e p a g eg r a d i e n ta l w a y s e x c e e dt h en o r m a li n s u l a t o r si ns e v e r ei c i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns d da n dt h e f l a s h o v e rv o l t a g eo fc a l s d si n s u l a t o r sa p p e a r sn e g a t i v ep o w e rf u n c t i o na n di t s i n f l u e n c ee x t e n tt oc a l s d si n s u l a t o r si sl o w e rt h a nt on o r m a lo n e s ； ( 3 ) t h ea r co f n o r m a li n s u l a t o re x t e n da l o n gi c i c l e s s u r f a c ea n di ti so n l yr e l a t e d w i t ht h ea r cd i s t a u c eo fi n s u l a t o r t h ea r co fc a l s d si n s u l a t o r se x t e n da l o n gi t s l e a k a g ed i s t a n c e w h e nt h ev o l t a g er e a c ht oac e r t a i nd e g r e e ，t h ea i rg a p sb e t 3 v e e n l a r g es h e d s i c i c l e sa n ds m a l ls h e d sa r cb r o k e nd o w n , t h ea r cp a t hi sa l t e r e da n d b e c 锄et h em a i nd i s c h a r g ep a t ha l o n gt h ea i rg a p f i n a l l y w i t hv o l t a g er a i s i n gt h e f l a s h o v e rw i l lf o r m ( 4 ) t h ec r e e p a g ef l a s h o v e rg r a d i e n to fa n t i i c i n gc o m p o s i t ei n s u l a t o r si sg r e a t e r t h a nt h a to fg l a s sc a l s d ss t r i n g si ns l i g h t l yc o n t a m i n a t i v ec o n d i t i o n , b u tl o w e rt h a n t h a to f g l a s sc a l s d s s t r i n g si nm o d e r a t ea n ds e v e l ec o n t a m i n a t i o nc o n d i t i o m k e yw o r d s ：i c i n g , c o n n e c t e dw i t ha l t e r n a t e l yl a r g ea n ds m a l ld i a m e t e rs h e d s ( c a l s d s ) ，a n t i - i c i n gc o m p o s i t ei n s u l a t o r , a cf l a s h o v e r , a r c ， f l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：亨乇虿t 签字日期：夕年j 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 声簇 签字日期：2 唧年9 月叼日 导师签名：磊引k 签字日期：哆叼年厂月褪日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 论文研究的目的和意义 1 绪论 西部高寒、高海拔地区是我国重要的能源基地，8 5 的煤炭资源和7 7 9 0 的可 开发水电资源集中在西部地区，而电能消耗中心又偏向东南沿海与近海地区。为 了加快我国经济建设步伐，改善电网布局，需尽快开发西部资源，开发贵州、云 南、广西、四川、内蒙古、山西、陕西等西部省区的电力资源，使用超特高压输 电方式将电能输送到电力紧缺的广东、上海、江苏、浙江和京、津、唐地区，最 终是形成西电东送、南北互送和全国统一大联网。由于我国地形的复杂多样，这 些线路必然要穿过高海拔、覆冰( 雪) 、污秽、酸雨酸雾、强雷暴等恶劣复杂的气候 环境地区，因此研究高海拔、污秽、覆冰( 雪) 、酸雨( 雾) 等复杂气候环境条件对输 电线路外绝缘的影响已成为本学科的前沿课题。 输电线路覆冰是一釉严重的自然灾害，由其引发的事故严重危害电网的安全 运行。自1 9 3 2 年美国首次出现输电线路覆冰事故以来，输电线路覆冰事故不断发 生【l 】。1 9 6 6 - 1 9 6 7 年冬天，瑞士阿尔卑斯山的4 0 0k v 的输电线路因覆冰而发生多起 导线与地线相碰事故。美国田纳西峡谷地区，在1 9 7 4 年1 月3 - 6 日的次冻雨中， 5 0 0 k v 线路悬垂绝缘子串出现了冰柱桥接现象，电站支柱绝缘子发生了覆冰闪络 1 2 1 ；1 9 7 6 年，一次冰雪过后，底特律爱迪生电力公司许多3 4 5 k v 变电站支柱绝缘子 发生了闪络，且发生闪络的变电站并无污染；1 9 8 0 年2 月1 日，m o n r o e 电厂的3 4 5 k v 开关站绝缘子也出现了类似的事故1 3 】；1 9 8 8 年，魁北克省的安那迪变电站连续发生 6 次绝缘子闪络事故，造成魁北克省大部分地区停电 4 1 。 我国是世界上输电线路覆冰严重的国家之一，于1 9 5 4 年首次记录到输电线路 覆冰事故【l 】。自此以后，输电线路覆冰事故则不断发生，其影响也随着我国电网的 发展不断扩大覆冰常使输电线路发生如倒杆( 塔) 、绝缘子串闪络等严重危害 电力系统安全运行的事故。自上世纪5 0 年代以来，我国输电线路发生的大大小小 冰灾事故上千次。近年来，我国电力系统重大冰灾事故仍不断出现：2 0 0 1 年2 月， 河南省2 2 0 l 【v 输电线路发生大面积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故，河南省电网几 乎瓦解；2 0 0 5 年2 月6 日1 8 日。严重覆冰导致华中电网2 2 0k v 以上电网共发生故 障跳闸8 0 次( 其中：1 6 条5 0 0k v 交流输电线路跳闸共5 7 次) ，杆塔倒塌4 1 处，湖南电 网与主网解列1 次，湖北恩施电网与主网解列2 次，华中西部电网( 川渝) 与东部电网 ( 鄂豫湘赣) 解列1 次；冰灾最严重时，华中电网1 0 条5 0 0k v 交流线路同时停运，并 有多条输电线路发生断线故障；湖南境内仅有的4 条5 0 0k v 线路，冰灾导致其中3 条瘫痪，这三条5 0 0 k v 线路倒塔2 4 基。湖南境内的2 2 0k v 线路倒塔7 基、重庆境内 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 0k v 线路倒塔4 基；联接鄂赣的5 0 0k v 凤梦线和鄂豫的5 0 0k v 孝邵线，因覆冰过 重导致地线滑移；湖北境内5 0 0k v 玉贤变电站一度因覆冰停运。此次大面积的覆 冰事故使电网受到了严重冲击，并造成了巨大的经济损失。 据国家电网公司2 0 0 3 年生产运行情况分析指出：2 0 0 3 年，我国1 1 0 5 0 0 k v 线路跳闸2 4 4 6 次，冰闪跳闸7 9 次，占3 2 3 ；5 0 0 k v 线路跳闸11 5 次，其中冰闪 跳闸1 3 次，占1 1 3 ；5 0 0 k v 线路跳闸故障中，冰闪仅位于外力破坏、雷击闪络之 后而居第三位；在5 0 0 k v 线路非计划停运原因中，冰闪造成的停运占2 3 o ，冰闪 造成的非计划停运位于外力破坏之后居第二位l 卯。由此可知，冰闪已成为我国输电 线路，特别是超高压线路跳闸的主要原因之一。 从统计数据可以看出，冰闪事故多发生在电力系统正常运行电压下，重合闸 成功率低，往往引起大砸积、长时间停电，造成巨大的经济损失。由于冰灾事故 的频繁发生，国内外对输电线路覆冰进行了广泛研究。研究表明：绝缘子覆冰后 的闪络电压仅为湿闪电压的4 0 1 6 1 ，而当绝缘子串被雨凇冰棱桥接整个串长2 3 以 上时，其覆冰闪络电压则最低，且覆冰绝缘子的闪络电压随覆冰水电导率的增加 而下降1 7 8 1 ；由于覆冰量多，长串绝缘子融冰时比短串绝缘子产生了更多的融化水， 累积形成比短串情况时更厚的水膜，此外在长串覆冰绝缘予上经常形成多个断口， 出现局部电弧，这些都促使泄漏电流更加增大，使得长串覆冰绝缘子的放电梯度 值明显低于短串，闪络更易发生1 7 。 对于经过覆冰地区的输电线路，在线路设计时可以考虑增加绝缘子串串长或 者采用“v ”型串布置方式对于已建成线路的防冰改造，由于覆冰状况随自然条 件变化很大，简单的增加绝缘子串长度往往受到线路对地距离和空气间隙的限制， 同时，绝缘子串串长的增加使覆冰后电压分布更加不均匀，并不能线性提高其冰 闪电压；若采用“v ”型串布置方式，会使杆塔尺寸发生改变，线路走廊加宽，杆 塔、线路改造费用激增，经济上得不偿失。因此，工程上倾向于采用不改变线路 杆塔结构的方法来进行防冰改造，一般采用的方法有：绝缘子串倒“v ”型布置、 绝缘予表面涂敷防冰涂料和采用大小伞相间的间插布置方式等。在这些方法中， 绝缘子串倒“v ”型布置和涂敷防冰涂料的防冰效果未得到一致认可，而间插布置 方式在实践中应用较多，为此，本论文专门对间插方式绝缘子( 串) 的冰闪特性 进行了研究。 由于国内外关于间插方式绝缘子串覆冰闪络特性的研究很少，因此本论文的 主要目的就是在研究长串覆冰绝缘子的基础上，结合现有的研究成果，着重研究 大小伞间隔布置的绝缘子串对覆冰闪络电压的影响，提出防止输电线路发生覆冰 闪络的措施，为线路外绝缘设计提供技术参考，具有重要的学术意义和较高的工 程应用价值。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 覆冰闪络机理 自上世纪五十年代以来，国内外专家学者对输电线路覆冰进行了广泛研究， 取得了许多重要研究成果。 ( 1 ) 覆冰的分类及其影响 覆冰绝缘子的闪络与冰的类型、冰的状态、绝缘子表面电场的分布、沿绝缘 子表面冰的分布情况、覆冰量、覆冰水电导率、冰表面空气间隙的存在和大气环 境等参数有关，众多参数的变化和不可确定性使得覆冰绝缘子的闪络过程变得十 分复杂1 9 , 埘。 2 0 世纪5 0 年代，i m a i 、o g u c h i 和c u r i a 等对覆冰的类型及形成的机理进行研 究提出；绝缘子覆冰是大气中过冷却水滴在风力等作用下碰撞绝缘子表面冻结而 形成的 1 1 , 1 2 1 。覆冰可分为雨淞( g l a z e ) 、混合淞( h a r dr i m e ) 和软雾凇( s o f tr i m e ) ， 其形成与环境温度、过冷却水滴的大小、风速及空气中液态水的含量等有关。此 外，覆冰还与绝缘子类型及泄漏电流大小等有关。 覆冰类型对绝缘子闪络电压有明显影响。研究表明：绝缘子覆冰时的闪络电 压仅为覆雪时的4 0 ，覆雨凇时绝缘子闪络电压最低【m 1 6 1 。 从形成机理上，覆冰增长可分为干增长和湿增长二种情况。雾凇覆冰属于干 增长方式，干增长过程中所有碰撞绝缘予表面的过冷却水滴完全冻结；雨凇覆冰 属于湿增长方式，湿增长过程中伴随着水滴的流失和冰凌的产生【m f a r z a n e h 等人研究了干、湿增长条件下绝缘子的耐受电压，结果表明，在湿增长条件下， 绝缘子的最大耐受电压比干增长条件下要低的多，即湿增长条件下的覆冰对输电 线路的威胁更大【堋。 ( 2 ) 覆冰绝缘子闪络模型 1 9 7 7 年，h a r a 和p h a a 在研究中发现：当泄漏电流i 1 8 m a 时，覆冰绝缘子 开始起弧；当泄漏电流l l s 0 m a 时，局部电弧可发展成闪络【1 9 1 ；覆冰是一种特殊 的污秽，基于此概念，f a r z a n e h 等人在o b e n a u s 污闪模型的基础上，建立了覆冰绝 缘子闪络模型( 如图1 1 ) 删，即： v = 埘”+ 脚+ k ，1n 式中：k 和b 为静态电弧常数，巧为电极压降，v 为外施电压，x 为局部电弧长度， r 是剩余冰层电阻。b l l i 建立简单的电解槽模型来研究覆冰绝缘子的闪络机理，得 出环境温度对电弧常数没有影响，而电压类型对电弧常数的影响较大口。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电弧 图1 1 覆冰绝缘子闪络模型 f i g i 1t h ef l a s h o v e rm o d e lo f i c e di n s u l a t o r s 2 0 0 0 年，加拿大的f a r z a n e h 等人利用覆冰三角形模型研究，得出：对于交流 闪络而言，参数圪被包含在常数爿中，当电弧长度小于7 c m 时，电弧长度对其闪 络机理的影响不可忽略；在直流条件下，动态和静态电弧的e i 特性与电弧长度无 关，但对于动态和静态而言则稍有差别。z h a n g ，f a r z a n e h 等人对覆冰绝缘子的电 弧维持条件进行了研究，得出覆冰绝缘子电弧的重燃条件为： 圪等 2 ， 式中：x 和6 是重燃系数和指数。其中x 与绝缘子长度有关，绝缘子越长，x 值越 大瞄】。由式( 1 2 ) 可看出，要改善覆冰绝缘子的闪络特性，就要提高电弧的维持电 压，可采取增大绝缘子长度和减小电弧电流两种方法，来达到提高输电线路覆冰 绝缘子冰闪电压的目的。 1 2 2 覆冰绝缘子闪络特性 ( 1 ) 污秽对覆冰绝缘子闲络特性的影响 洁净的覆冰即冰层中不含其它杂质或覆冰水电导率很低的冰层并不会导致绝 缘子闪络电压明显降低，只有冰层中有污秽物的存在即覆冰过程中覆冰水受到污 染，或者覆冰前绝缘子已经污染时，其闪络电压和耐受电压才会明显降低【l j 。因此， 覆冰是一种特殊的污秽形式，覆冰绝缘子的闪络始终与污秽相关。 在覆冰季节。覆冰地区大气中的污秽物积聚于绝缘子表面有两种方式：一是 在覆冰前污秽物已沉积在运行绝缘子表面，二是在冻结前悬浮水汽已溶解或捕获 空气中的微小导电粒子，即过冷却水滴冻结前被污染，从而具有较高导电率。对 于后一种情况，水滴在冻结过程中已经捕获或溶解的导电杂质具有“晶释效应”，即 冻结时水中杂质被排释在冰晶体外表面。因此，无论何种积污方式，在融冰过程 中冰体表面或冰晶表面的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰或冰面 水膜的导电率，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压【l 】。 绝缘子在覆冰过程中污染难以避免，因而融冰时覆冰绝缘子表面将形成导电 水膜。覆冰绝缘子放电与污秽放电相似，也是由泄漏电流引起的【埔l 。覆冰绝缘子 的闪络过程的基本特点是【踟 】：覆冰导致绝缘子串电压分布畸变，高压端和接地 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 端承担很大的电压，尤其是高压端；随着电压的升高，在绝缘子串的高压端和接 地端发生蓝紫色的电晕放电现象，电流一般在5 2 0 m a 之间，此时冰开始明显的 融化；电压继续升高，当电流超过2 0 m a 后，蓝紫色的火花变成粉红色并突变为 白色的电弧，当白弧电流达到2 5 0 m a 时，将可以保证间歇性自弧稳定的燃烧和发 展，各段电弧迅速连通跨接串长的7 0 左右；当电弧电流超过4 5 0 m a 后，电弧迅 速连通两极而完成闪络。 ( 2 ) 覆冰量对覆冰绝缘子闪络特性的影响 1 9 5 7 年，r u s h 和w a r d l a w 在实验室中用单根旋转圆柱体监测同一环境条件下 绝缘子的覆冰厚度，提出用覆冰厚度来德量绝缘子覆冰程度。1 9 8 3 年p h a n 等入得 出，当冰厚小于2 e r a 时，闪络电压与冰厚有关，大予2 c m 时闪络电压几乎不变【1 6 1 。 在以后的研究中，加拿大、美国、前苏联等国家的研究人员都以覆冰厚度表示绝 缘子覆冰的严重程度。 1 9 8 8 年重庆大学的研究者提出用冰重来表示绝缘子覆冰程度，研究表明，绝 缘子的覆冰厚度和冰重成正比，这两个参量具有等价性。覆冰量对绝缘子的闪络 电压有很大的影响，随着覆冰量的增加，覆冰绝缘子串的最低闪络电压会显著下 降，二者之间满足以下关系： t r ) ( 日) = ( o ) ( 日) p ，11 、 、o ， 式中；c l i ( 聊( 回是覆冰量为辟，、海拔高度为日时的最低闪络电压，k v ：w 为绝缘 子覆冰重量，蚝；m 是表示覆冰量影响的特征指数：；名哦o ) ( 固为覆冰量为零、海拔 高度为日时污秽或清洁绝缘子的闪络电f l i 2 7 , u o , 6 1 。当覆冰较轻时，绝缘子表面冰 层薄，裙边无冰凌或冰凌很短，锄( 凌一伞裙”间空气间隙及绝缘子泄漏电阻并未因 覆冰而明显变化，最低闪络电压与未覆冰时没有明显差异。当覆冰量增加时，表 面冰层加厚，冰凌增长使“冰凌一伞裙”之间空气问隙缩短，最低闪络电压随之降低。 如果覆冰量增加并造成“冰凌一伞裙”间空气间隙的放电电压小于沿爬电路径的放 电电压时，最低闪络电压将明显降低。当覆冰量增加导致冰凌桥接绝缘子串部分 伞裙或全部伞裙时，放电路径为冰凌湿润表面，最低冰闪电压趋于稳定。即使覆 冰继续加剧，仅增加表面覆冰厚度或桥接伞裙的冰凌数量，为电弧提供更多的放 电通道，在这种覆冰程度饱和的状态下，最低闪络电压几乎保持一致【。 ( 3 ) 串长对覆冰绝缘子闪络特性的影响 覆冰绝缘子串的闪络电压与绝缘子串长有关。但至今为止，关于覆冰绝缘子 串交、直流闪络电压或耐受电压与串长是否呈线性关系一直没有达成共识。目前 对覆冰绝缘予串闪络电压与串长的关系的主要观点有： 1 ) f a r z a n e h ，p h a n 等研究了短串绝缘子的覆冰闪络特性分别提出，当绝缘子 重庆大学硕士学位论文1 绪论 串长小于1 0 m 时，覆冰绝缘子最低交、直流电压与串长呈线性关系 1 6 , 2 s l 。 重庆大学在上世纪8 0 年代在人工气候实验室研究了覆冰绝缘子短串的交 流闪络电压特性，提出覆冰绝缘子串的交流闪络电压与串长呈非线性关系，并且 认为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所致 【2 7 , 2 9 ) o l 。 3 ) 中国电力科学研究院在冬季寒冷天气通过人工方法向绝缘子串泼洒水分覆 冰进行试验得到，在相当于x p 7 0 绝缘子串长1 5 片以内，低海拔条件下覆冰绝缘 子串闪络电压与串长呈非线性关系。 重庆大学在海拔2 3 2m 的气候室内对7 2 l 片串x p - 7 0 和l x p o l 6 0 绝缘子 串覆冰交流闪络特性进行试验研究，提出绝缘子串在严重覆冰后，即其串长的2 ，3 以上被冰凌桥接时，其闪络电压最低且与串长呈线性关系，并且严重覆冰后绝缘 子串的冰闪电压受绝缘子结构的影响不明显f 3 1 j 2 】 1 2 3 防冰措施的研究现状 研究覆冰绝缘子的闪络特性及其放电规律，其目的是便于采取合适的防冰闪 措施。对于设计中的输电线路，采用v 型布置方式1 3 3 d 刀和增加绝缘子串串长可以 提高冰闪电压，而对于已有线路进行防冰改造，工程中采用绝缘子串倒v 型布置 方式、绝缘子表面涂覆防冰涂料【3 1 】和采用间插型布置的绝缘子串m 4 3 1 等方法。 由于其它防冰方法，如绝缘予倒v 型布置方式和绝缘子表面涂覆防冰涂料等 还存在许多争论，防冰效果没有得到国内外研究者的认可，需要慎用；而间插型 布置的绝缘子串具有不改变杆塔结构的优点，施工简单方便，因此，在本论文中， 只研究此种防冰方法下绝缘子( 串) 的覆冰闪络特性。 研究认为，冰凌在绝缘子串高低压两极间贯通桥接的平均时间对覆冰绝缘子 串的泄漏电阻有影响1 4 2 。基于闪络电压与覆冰量的关系和这种思路，有人提出采 用直径不同的绝缘子组合成串的间插方式来减少覆冰量，通过绝缘子大小伞相间 来增大空气间隙的长度，增大绝缘子串的泄漏电阻在覆冰期，可以阻止冰凌跨 接大伞问的距离，延缓绝缘予串覆冰桥接时间，使得冰闪电压下降不大；在融冰 期，可以阻止高电导率的融冰水所形成的“水帘”，防止绝缘子串外表面组成闪络通 道，以达到提高冰闪电压的目的。 1 9 8 9 年，日本学者n o r i y o s h i 和s u g a w a r a 研究了覆冰与融冰期不同绝缘子的 电气性能1 4 2 】，他们使用两种间插方式来做试验( 见图1 2 所示) ，结果表明：大小 盘径间插组合的绝缘子串( 大的0 4 2 5 m m ，小的0 2 8 0 m m ) 所需冰柱桥接时间比 等盘径( 0 2 8 0 m m ) 长的多，并与布置顺序有关。当顺序为a ( 小、大串接) 时冰 柱桥接时间长4 2 倍，顺序为b ( 大、小串接) 时冰柱桥接时间长7 1 倍。 由此他们得出结论；大小直径相间的绝缘子串组合方式，可以提高绝缘子串 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的平均覆冰桥接时间，能改善覆冰绝缘子串的电气性能；而组合方式不同、大小 绝缘子直径差以及绝缘子型式的差异都会对电气性能产生不同的影响。 塞霎 1 3 论文研究的主要内容 综上所述，虽然国内外对覆冰绝缘子的闪络特性和机理进行了许多研究，并 取得了大量的研究成果，但关于间插布置的绝缘子串冰闪特性研究则较少，并且 对于防冰方法的机理和闪络特性的研究几乎还是空白，因此存在许多工程应用中 亟待解决的问题，主要有： 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 覆冰绝缘子( 长) 串的交流闪络特性与串的布置方式的关系； ( 2 ) 间插布置方式下绝缘子( 串) 的防冰机理和闪络特性； ( 3 ) 间插布置方式绝缘子串与串长的关系；绝缘予材质对间插布置的绝缘子 ( 串) 覆冰闪络特性的影响。 针对目前存在的问题，结合工程研究上的需要，本文的主要研究内容有： ( 1 ) 试验研究采用阃插布置方式提高交流冰闪电压的可能性； ( 2 ) 研究2 + 1 ”、“3 + l ”和4 + l ”布置方式下绝缘子串交流冰闪特性，并进行优 化； ( 3 ) 研究三种间插布置的防冰型复合绝缘子覆冰闪络特性，并进行优化； ( 4 ) 通过电场仿真分析间插布置的绝缘子( 串) 表面电场分布情况，并分析问 插布置的绝缘子( 串) 提高冰闪电压的原因；通过覆冰闪络过程的分析，研究间 插布置的绝缘子( 串) 冰闪机理； ( 5 ) 对比间插布置的玻璃和复合绝缘子( 串) 冰闪特性，分析绝缘子的材料对 冰闪特性的影响。 1 4 小结 本章论述了论文研究的目的和意义，并在大量国内外相关研究资料和研究成 果的基础上，着重分析了覆冰绝缘子( 串) 闪络特性和防冰措施的研究现状及其 尚未解决的问题，并根据分析结果，提出了论文研究的主要内容。 8 重庆大学硕学位论文2 试验装置及方法 2 试验装置及方法 本章介绍了论文试验研究采用的试品、应用的试验装置及采用的试验方法。 2 1 试品 本文选择f c l 0 0 1 4 6 ，f c l 0 0 d 1 4 6 玻璃绝缘子，a 、b 、c 、d 型四种l1 0 k v 复合绝缘子为试品，玻璃绝缘子的基本技术参数和结构如表2 1 和图2 1 所示。其 中，h 为结构高度，d 为绝缘子盘径，为爬电距离。 表2 1 试品绝缘子的基本技术参数 t a b 2 1p a r a m e t e r so f t e s ts p e c i m e n s 型号 d m m 觑蛐工( m m ) 上，下表面积( 埘哪2 ) f c 1 0 d ，1 4 6 2 8 0 1 4 63 2 05 6 6 1 0 8 3 f c l o o d ，1 4 63 8 01 4 63 6 51 0 s 2 ，1 2 5 4 图2 i 玻璃绝缘子结构图 f 酶2 1p r o f i l eo f f , l a s si n s u l a t o r s 复合绝缘子基本技术参数和结构示意图如表2 2 和图2 2 所示。复合绝缘子试 品均为i1 0 k v 级，其中d 型为常规型绝缘子，其余三种是采用间插布置的防冰型 绝缘子。 表2 2 复合绝缘子的基本技术参数 h 上 杆径伞径( r a m ) 袭面积 型号组合方式 ( r a m )( m m )中伞小伞( c m 2 ) a“6 03 4 7 52 8 1 4 0 1 1 04 9 4 5 5低压端加- - 0 2 5 0 m m 大伞 低压端加- - 0 3 0 0 m m 大伞，中 b 1 1 6 03 4 1 0 2 8 1 4 01 1 05 6 6 9 6 部加- - 0 2 5 0 n u n 大伞 低压端加- - 0 3 0 0 m m 大伞。中 c 1 1 6 03 2 6 52 81 4 01 1 05 8 8 0 5 部及下部各加- - 0 2 5 0 n u n 大 企 d1 1 6 03 2 6 52 81 4 01 1 0 4 1 5 9 1 常规型 9 重庆大学硕士学位论文2 试验装置及方法 ( a ) a 型 ( ”b 型 ( c ) c 型 ( d ) d 型 图2 2 复合绝缘子结构示意图 f 嘻2 2p r o f i l eo f c o m p o s i t ei n s u l a t o r s 2 2 试验装置及电源 2 2 1 试验装置 ( 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 工气候室内进行。人工气候室内径毋为7 8 m ，净空高日为1 1 6 m ，如图2 3 所示。 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。室内的最低温度可降至- 4 5 + 1 ，最低气压可降低至3 0 k p a ，可模拟海拔 7 0 0 0 m 及以下地区的大气条件。人工气候室内安装有两排按国际电工委员会( i e c ) 1 0 重庆大学硕士学位论文2 试验装置及方法 标准推荐制作的喷头( 每排7 个) ，用来在气候室内喷雾并形成覆冰的环境条件；气 候室内的吹风装置可以模拟风速，风速调节范围为l 1 2m s 。喷雾系统具有喷洒 不同直径水滴微粒的喷雾装置，可模拟不同条件下的覆冰状况。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。 图2 3 大型多功能人工气候室 f i g 2 3t h em u l t - f u n c t i o na r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e r ( a ) 5 0 0 k v 2 0 0 0 k v a 交流试验变压器( b ) 5 0 0 k v 交流分压器 图2 45 0 0 k v 2 0 0 0 k v a 试验变压器及交流分压器 f i g 2 45 0 0 k v 2 0 0 0 k v a a ct e s t e de l e c t r i c a ls o u r a n dd i v i d e r ( 2 ) 试验电源 本文采用的试验电源为y d t w - 2 0 0 0k v a 5 0 0k v 试验变压器，如图2 4 所示。 试验变压器的主要技术参数为：输入电压1 0 k v ，输出电压0 5 0 0 k v ，短路阻抗 6 o ，额定容量2 0 0 0 k v a ，额定电流为4 0 a ，试验变压器在输出电压5 0 0 k v ( 有 效值) 时的最大短路电流7 5 a ，系统输出电压波形畸变率 1 0 的m 次试验 结果，取次有效闪络电压的算术平均值作为试品绝缘子的5 0 闪络电压，并 求取其标准偏差一) ，即： 5 善瓦i - 善( _ ，) ( 2 l 口) ，府；一 弘瓦品善( 一) 2 ( 2 1 式中：是第f 次闪络试验电压，为试品绝缘子串编号，共试验三串，( n - 琳5 次，工术3 。 2 4 特征量及测量方法 2 4 1 覆冰绝缘子的特征量 影响覆冰绝缘子闪络过程和闪络电压的因素很多，至今为止，国内外对采用 何种参数作为表征绝缘子覆冰严重程度的特征量尚无统一认识，泄漏电流是反映