（高电压与绝缘技术专业论文）500kv交流支柱绝缘子覆冰闪络特性研究.pdf

一 么 i k r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文5 0 0 k v 交流支柱绝缘子覆冰闪络特 性究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：遂耋! 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 锺 秘 一 o l 么 ， l i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 绝缘子覆冰是一种特殊形式的污秽，由于覆冰、污秽、高海拔等因素的影响， 绝缘子的绝缘性能显著降低。为进一步研究超高压支柱绝缘子的冰闪特性，在特高 压交流试验基地大型气候室内，带电重覆冰情况下对5 0 0k v 支柱绝缘子进行了融冰 闪络试验研究，分析了带电覆冰对5 0 0k v 支柱绝缘子覆冰状态的影响，5 0 0k v 支 柱绝缘子放电过程以及预污染不同污秽度对5 0 0k v 支柱绝缘子冰闪电压的影响。分 析了带电重覆冰情况下有无增爬裙对覆冰状态的影响，以及对5 0 0 k v 加装增爬裙的 支柱绝缘子放电过程和冰闪电压进行了初步分析。并利用多弧电路模型对试验结果 进行了初步验证和研究。研究结果可为我国重冰区变电站支柱绝缘配置提供参考。 关键词：支柱绝缘子，覆冰，冰闪电压，放电过程，模型 a bs t r a c t i n s u l a t o ri c i n gi sas p e c i a lf o r mo fc o n t a m i n a t i o n ，t h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo f i n s u l a t o r sw i l ld e c r e a s e s i g n i f i c a n t l y w h e nu n d e rt h ec o m b i n e dc o n d i t i o n so f i c e c o v e r i n g ，p o l l u t i o na n dh i g ha l t i t u d e s 。i no r d e r t o a n a l y z et h ei c i n gf l a s h o v e r c h a r a c t e r i s t i c so fp o s ti n s u l a t o r s ，t h ei c i n gf l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g i z e d5 0 0k v p o s ti n s u l a t o r sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r i nal a r g e - s c a l ea r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e ra tu l t r a h i 曲v o l t a g e ( u h v ) a c t e s tb a s eo fs g c c t h es t a t eo fi c i n g ，t h ed i s c h a r g ep r o c e s so f 5 0 0k v p o s ti n s u l a t o r sa n di n f l u e n c eo fp o l l u t i o na r ed i s c u s s e d t h es t a t eo fi c i n go f5 0 0 k vp o s ti n s u l a t o r sb e t w e e nt h eo n ew i t hi n c r e a s ec l i m b i n gs k i r t sa n dt h eo n ew i t h o u t i n c r e a s ec l i m b i n gs k i r t si sd i s c u s s e dt o o t h ed i s c h a r g ep r o c e s sa n df l a s h o v e rv o l t a g e so f 5 0 0k vp o s ti n s u l a t o r sw i t hi n c r e a s ec l i m b i n gs k i r t sa r ed i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y a n dt h e t e s tr e s u l t sc a r r yo u ta p r e l i m i n a r yv e r i f i c a t i o na n dr e s e a r c hu s e i n gt h em u l t i - a r ec i r c u i t m o d e l t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nb ear e f e r e n c ef o rt h ep o s ti n s u l a t o r si c i n gf l a s h o v e r c h a r a c t e r i s t i c st e s t sa n de x t e m a li n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o no ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni nt h e h e a v yi c i n gr e g i o n so fc h i n a l u j i e ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s p r o f l i uy u n p e n g ，k e yw o r d s ：p o s ti n s u l a t o r s ，i c i n g ，f l a s h o v e rv o l t a g e ，d i s c h a r g ep r o c e s s ，m o d e l i 一 ，l 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论一1 1 1 论文研究的目的和意义l 1 2 国内外研究现状：3 1 2 1 绝缘子冰闪特性研究概况。4 1 2 2 提高绝缘子冰闪电压措施研究概况。9 1 3 本论文的主内容1 2 第二章试验装置及试验方法方法1 3 2 1 试验设备1 3 2 1 1 环境气候实验室1 3 2 1 2 交流试验装置和试验接线图1 3 2 1 3 制冷系统1 5 2 1 4 喷淋覆冰系统1 5 2 1 5 环境气候实验室测量系统1 5 2 2 绝缘子参数和配套金具参数1 7 2 3 试验方法1 8 2 3 1 试品准备及布置1 8 2 3 2 覆冰方法1 8 2 3 3 融冰闪络试验方法2 0 第三章5 0 0k v 支柱绝缘子的覆冰闪络特性试验研究2 1 3 1 支柱绝缘子冰闪放电过程及放电机理2 1 3 1 15 0 0k v 支柱绝缘子自然覆冰和实验室人工覆冰状态对比2 1 3 1 2 带电覆冰对5 0 0 k y 支柱绝缘子覆冰状态的影响2 1 3 1 3 放电过程分析2 2 3 2 污秽度对支柱绝缘子冰闪电压的影响2 7 3 2 1 闪络电压分析2 7 3 2 2 有无增爬裙对支柱绝缘子覆冰状态的影响及放电过程的差异2 8 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 单位干弧距离冰闪电压的比较3 0 3 4 本章小结3 l 第四章覆冰支柱绝缘子闪络模型研究3 2 4 1 污秽绝缘子闪络模型简介3 2 4 2 覆冰支柱绝缘子闪络模型研究3 2 4 2 1 直流电路模型3 2 4 2 2 交流电路模型3 3 4 2 3 覆冰支柱绝缘子闪络多弧电路模型3 4 4 爹支柱绝缘子覆冰模型的验证。3 6 4 玺本章小结3 9 第五章结论与展望4 1 参考文献+ 4 2 致谢：4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论 我国是世界上输电线路覆冰最严重的国家之一，覆冰将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，绝缘子覆冰是一种特殊 形态的污秽【i 】【2 1 ，这不仅因为冰闪是由于冰中含有污秽等导电杂质造成的，而且从 污秽绝缘子和覆冰绝缘子的耐受电压和闪络机理也可以发现其有一定的相似性。 在覆冰、污秽、积雪、高海拔等因素综合作用下，绝缘子的外绝缘性能将显著 降低【1 1 。美国学者p e r e n n e r 等于1 9 7 0 年指出在恶劣覆冰条件下，线路绝缘子串 可能发生覆冰期间闪络，严重覆冰后，融冰期间也可能发生闪络【3 】，如冰闪跳闸后 重合闸不成功将导致线路停运。覆冰期间线路停运后将加剧导线覆冰，可能由于载 荷过重导致倒塔断线，融冰期间导线脱冰跳跃等也可能导致倒塔及断线等严重事 故。变电站绝缘子覆冰严重，发生闪络时容易导致设备损坏。如绝缘子冰闪问题严 重，可能导致电网解列和大面积停电，严重危害电力系统的安全稳定运行。 自1 9 3 2 年美国首次出现输电线路覆冰事故以来【l 】，各国的输电线路冰害事故不 断发生。中国、加拿大、美国、前捷克斯洛法克、英国、芬兰、日本、挪威、瑞士、 瑞典和前南斯拉夫等国均有覆冰导致绝缘子闪络造成电网事故的报道【4 】【8 1 。世界上 除中国外覆冰覆雪造成电力系统故障的主要事故统计如表l 一1 所示。 表1 1 世界其他国家主要覆冰覆雪事故统计7 】 是否融冰期覆冰前电压等级 地点时间覆冰和积污类型海拔 发生故障积污情况( k v ) 英国1 9 3 5 1 9 3 6白霜是重低 1 3 2 英国1 9 6 2 1 9 6 3自霜是 重低2 7 5 、4 0 0 瑞士1 9 6 6 - - 1 9 6 7重、湿雪、0 8g c m 3是无高4 0 0 加拿大安大略湖1 9 8 6 冰 是 中 低 5 0 0 挪威1 9 8 7 脏雪、薄雾淞和雾 大部分是重中3 0 0 加拿大魁北克省1 9 8 8脏雪是低低 7 3 5 南斯拉夫1 9 8 9脏冰雾、雪是 重6 0 0m4 0 0 加拿大安大略省1 9 8 9 冰是重低2 3 0 挪威1 9 9 3 薄雾淞冰、雾 是有中3 0 0 、4 2 0 美国爱达荷，1 1 1 9 9 4 |是 有 1 4 0 0m3 4 5 加拿大安大略省1 9 9 4 冰是重低1 1 5 、2 3 0 加拿大魁北克省1 9 9 5雪 否( 一1 0 。c ) 低 4 0 0m 7 3 5 华北电力大学硕士学位论文 表1 1 世界其他国家主要覆冰覆雪事故统计续表 美国新德克萨斯州1 9 9 6大风和雪 |“0 0m3 4 5 加拿大安大略湖1 9 9 7 脏冰( 公路盐) 是无低2 3 0 涂半导体釉绝缘子 前捷克斯洛伐克2 0 0 2脏冰|重低1 1 0 、2 2 0 、4 0 0 日本2 0 0 4 脏雪( 海盐) 是无0 海拔3 3 加拿大安大略省2 0 0 4脏雪 否( - 2o c )重 低 1 1 5 注：”表示情况不明。 我国是世界上输电线路覆冰最严重的国家之一，自1 9 5 4 年有输电线路冰灾事 故记录以来【l 】，1 9 7 4 。1 9 7 6 年、1 9 8 4 年、1 9 9 6 年、2 0 0 4 年、2 0 0 5 年、2 0 0 8 年相继 发生了全国范围内的大面积冰灾事故【9 】。辽宁、山西、陕西、北京、天津、内蒙古、 山东、河南、湖北、湖南、江西、云南、贵州、四川等省( 区) 的输电线路，都曾发 生过绝缘子覆冰闪络事故【5 】。 1 9 5 4 年，湘中电力系统( 长沙、株洲、湘潭) 出现过一次严重冰冻，有1 4 条输电 线路发生大面积倒塔断杆事故，1 9 5 7 年又发生一次。1 9 8 4 年贵州电力系统发生了 大面积的架空线路覆冰事故，全省有2 7 3 7 的线路发生1 3 l 条次跳闸，此次事故造 成了贵州电力系统解列。1 9 8 7 1 9 9 4 年，华中电网发生重大覆冰事故9 次，经济损 失过亿元【6 】。1 9 9 6 年福建省3 5 2 2 0k v 线路因覆冰倒塔断线2 0 0 多处【。1 9 9 9 年1 2 月2 4 日，东北两锦地区输电线路出现大面积覆冰，导致线路跳闸达1 0 3 次【5 1 。2 0 0 1 年2 月河南省2 2 0k v 输电线路发生大面积覆冰倒塔和绝缘子冰闪事故，河南省电网 几乎瓦解。2 0 0 3 2 0 0 5 年国家电网公司系统2 2 0k v 及以上线路由覆冰引起的跳闸数 及事故数分别为：2 0 0 3 年跳闸7 5 次，引发事故1 2 次，2 0 0 4 年跳闸5 3 次，引发事 故2 4 次，2 0 0 5 年跳闸8 5 次，引发事故4 5 次f l o 】。据国家电网公司2 0 0 3 年生产运 行情况分析知，我国1 1 0 - - , 5 0 0k v 线路跳闸2 4 4 6 次，其中冰闪跳闸7 9 次，占3 2 3 ； 5 0 0k v 线路跳闸1 1 5 次，其中冰闪跳闸1 3 次，占1 1 3 ；5 0 0k v 线路跳闸故障中， 冰闪位于外力破坏、雷击闪络之后居第3 位；在5 0 0k v 线路非计划停运原因中，冰 闪造成停运占2 3 o ，位于外力破坏之后居第2 位。2 0 0 4 年1 2 月和2 0 0 5 年2 月， 湖北、湖南、江西、河南、重庆、贵州等地电网出现严重的覆冰【1 1 1 。其中华中地区 发生了两次大范围的冰闪跳闸事故，2 0 0 4 年1 2 月2 0 日到2 8 日发生跳闸2 8 条次， 导致1 8 条5 0 0k v 线路跳闸6 9 次，4 条5 0 0k v 线路出现倒塔事故【1 2 】。湖北玉贤变 电站# 5 0 1 2c t 、# 5 0 1 3c t 发生了冰闪爆炸事故【1 3 】。国家电网公司运行管理处统计资 料表明，2 0 0 6 年1 月至2 0 0 7 年6 月，由覆冰引起的5 0 0k v 线路跳闸1 3 次，占总 跳闸次数的8 8 4 ，由覆冰引起的5 0 0k v 线路非计划停运4 次，占总停运次数的 1 1 1 i t 14 1 。 2 0 0 8 年1 2 月的极端暴雪、冻雨天气造成河南、湖南、湖北、江西、四川、重 庆、浙江、安徽、广西、贵州和云南等电网输电线路和杆塔大面积覆冰，输变电设 2 华北电力大学硕士学位论文 备受损严重。据统计，国家电网公司系统由于覆冰造成高压线路倒塔1 7 2 万基，受 损1 2 万基，低压线路倒塔断杆5 1 9 万基，受损1 5 - 3 万k m ，各电压等级线路停运 1 5 3 万条，变电站停运8 8 4 座。其中1 0 1 1 0k v 线路倒塔1 4 万多基，2 2 0k v 及以 上线路倒塔1 5 0 0 多基，7 0 7 座变电站停运【1 3 】【15 1 。仅湖南电网从1 月2 0 日到2 9 日 期间，5 0 0k v 线路就跳闸7 3 条次，2 2 0k v 线路跳闸4 0 8 条次，这些跳闸均由绝缘 子冰闪造成【1 3 】f 15 1 。湖南电网株洲云田5 0 0k v 变电站发生4 台c t 瓷套爆炸、1 台避 雷器瓷套闪络事故【i 引。 据国家电网公司统计2 0 0 8 年冰灾造成系统直接经济损失达1 5 2 亿美元，电能 销售损失达7 4 亿美元，恢复重建投资需5 6 8 亿美元【l 。7 1 。 2 0 0 8 年冰灾造成南方电网公司系统1 0k v 及以上线路杆塔损毁1 2 6 2 4 7 基，线 路停运7 5 4 1 条，3 5k v 及以上变电站停运8 5 9 座，通信光缆中断1 0 6 条【1 5 】【19 1 。 我国7 5 0k v 交流输电线路穿越地区地形复杂，部分线路覆冰严重【2 0 1 。特高压 输电工程中的1 0 0 0k v 交流线路要穿越覆冰区，承担西南水电送出重任的士8 0 0k v 直流线路也要穿越重覆冰区。随着我国超、特高压电网的建设和发展，输电线路走 廊及变电站不可避免穿越覆冰、污秽、高海拔等复杂环境地区。因此，在工程设计 中绝缘子的覆冰闪络问题是一个不可回避的问题，如何提高超、特高压输电线路抵 御冰害的能力，保证线路安全可靠运行，已经成为我国超、特高压输电线路工程设 计中需考虑的一个重要问题。 站用支柱绝缘子与相同电压等级的线路绝缘子的伞间距离不同，一般支柱绝缘 子伞间距离约为线路绝缘子串两个相邻绝缘子之间距离的一半【i 引，这就导致在相同 覆冰条件下，冰凌桥接支柱绝缘子将比线路绝缘子更加迅速、容易，在重覆冰地区， 支柱绝缘子由于覆冰而造成的问题将更加严重。变电站支柱绝缘子在中等及重覆冰 条件下外绝缘的问题会比输电线路多许多。 目前国内外对悬式绝缘子覆冰闪络特性及放电过程研究甚多，但是对支柱绝缘 子相关方面的研究较少。因此，本文在线路绝缘子覆冰闪络特性研究的基础上对支 柱绝缘子的冰闪特性及放电过程进行试验研究，进一步深入研究超高压支柱绝缘子 串的冰闪特性，研究提高支柱绝缘子冰闪电压的措施，从而可对重冰区变电站绝缘 子选型配置提出更加具有实际工程指导意义的建议，对我国电网的安全稳定运行具 有重要意义。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪5 0 年代起，加拿大、美国、日本、瑞典、挪威、芬兰、中国等国家 相继开展了绝缘子覆冰的相关问题研究。经过世界各国学者几十年来的不懈努力， 在架空线路和变电站绝缘子覆冰模拟和电气试验方法【2 1 】【2 2 】【2 3 1 、覆冰特征参量、冰闪 3 华北电力大学硕士学位论文 特性、提高冰闪电压措施【2 1 1 【2 4 1 、架空线路绝缘子【2 5 1 1 2 6 1 和变电站【1 8 】【2 7 】绝缘子外绝缘 配置方法等方面取得了大量研究成果【2 。 1 2 1 绝缘子冰闪特性研究概况 对覆冰积污方式，覆冰试验方法，绝缘子冰闪放电过程和机理，伞型对冰闪电 压的影响，覆冰类型、污秽、覆冰水电导率、气压、冰厚对冰闪电压的影响等方面 进行了介绍。 1 ) 绝缘子覆冰积污方式 通常覆冰被认为是一种特殊形态的污秽【1 蜩。覆冰绝缘子积污一般有两种方式： 一是覆冰前已沉积在绝缘子表面；二是冻结前悬浮水汽溶解或捕获空气中微小导电 粒子，即过冷却水滴冻结前被污染。后者水滴在冻结过程中已经捕获或溶解的导电 杂质有“晶释效应”，即冻结时水中杂质被排释在冰晶体外表面f 1 】【2 】。无论何种积污 方式，融冰过程中冰体或冰晶表面水膜会很快溶解污秽物中的电解质，提高融冰水 或冰面水膜电导率，从而降低绝缘子冰闪电压【1 】【2 8 1 ，可见绝缘子表面的积污是导致 绝缘子串冰闪的重要因素之一。 挪威学者s v e i n m f i k k e 等研究了5 5 个绝缘子覆冰样品的电导率，并分析了自 然产生和人类活动产生的污染物离子对电导率的贡献【2 9 1 。结果表明3 3 个样品中人 为产生污染物的长期积污离子对电导率的贡献超过5 0 ，另外有2 1 个样品中贡献 超过8 0 ，可见人类活动对绝缘子覆冰污秽程度的影响很大。 2 ) 绝缘子冰闪试验方法 i e e et a s kf o r c e s 对世界各国在绝缘子覆冰和电气特性试验方法等方面的研究 工作进行了总结，并推荐了绝缘子覆冰闪络试验方法【2 2 】【3 0 1 ，具有重要的参考意义。 孙才新教授等提出绝缘子覆冰电气试验可采用u 形曲线法【3 1 】【3 2 1 ，此种方法的 有效性在重庆大学多年试验研究中得到了验证，得到国内外许多专家学者的认可， 同时c i g r e3 3 0 4 0 9 推荐该方法为一种重要的冰闪特性研究方法【2 3 1 【3 4 1 。蒋兴良教 授对绝缘子覆冰试验方法进行了探讨，认为覆冰绝缘子的试验电源满足绝缘子污闪 试验电源要求即可1 3 引。 蒋兴良教授等用改变覆冰水电导率的方法来模拟绝缘子染污程度，参照 g b t 4 5 8 5 2 0 0 4 的推荐方法，根据p s d d 、p n s d d 及绝缘子表面积求得盐量和灰量并加 入一定量电导率小于1 0t t s e r n 的蒸馏水中，充分搅拌后，用电导率仪测得其电导率 并换算到2 0o c 时的值，再用此电导率的过冷却水覆冰，相当于模拟该绝缘子染污 p s d d 下的覆冰【3 4 l 【3 卯。 ， 在人工覆冰过程中，为防止覆冰水直接冲刷掉覆冰前涂刷的污秽，重庆大学采 用人工操作喷壶反复多次在试品上、下表面喷洒薄薄的水膜冻结，形成1 2m m 的 冰层保护，污秽不会被冲刷掉后再喷水覆冰3 6 】【3 7 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 但目前国际上还没有针对绝缘子覆冰和闪络特性试验研究的统一标准。 3 ) 绝缘子冰闪的放电过程与机理分析 孙才新教授、蒋兴良教授等用小球法对5 片串和7 片串x p 一7 绝缘子的沿串电 压分布研究表明，覆冰绝缘子串电压分布是电阻性分布，相对于无冰情况下畸变很 多，随覆冰量增加，高压端和低压端绝缘子承担电压比例增高，7 片串最高分别可 达到4 1 2 和2 9 4 ，而5 片串高压端电压可达5 6 7 【3 8 】。覆冰状态也影响绝缘子 沿串电压分布，特别是冰凌桥接改变了电压分布，带电覆冰下高压端绝缘子一般不 会被冰凌桥接，形成一定长度的气隙，绝缘子电压分布的畸变作用更为突出【4 】【3 4 1 3 9 】。 美国学者m k a w a i 对5 0 0k v 线路长串( 1 9 2 5 片) 绝缘予进行了冰闪试验研究， 表明沿绝缘子串的电压分布不均匀，绝缘子串高压端和低压端承担较高电压【4 0 1 。 相关冰闪试验研究表明局部电弧总是从高压端起始，发展到一定长度后接地端 起弧，然后贯通表面至闪络；间歇性白弧能否发展成稳定的白弧是闪络发生的主要 条件【3 4 】【3 8 】【4 0 1 。m k a w a i 的研究也表明试验中绝缘子串两端先出现白弧【4 1 1 。因此， 覆冰染污绝缘子交流闪络电压下降的主要原因是覆冰使绝缘子串的两端、特别是高 压端绝缘子承担的电压过高，造成沿串电压分布畸变非常严重【l 】【4 。 孙才新教授等通过对覆冰、低气压和污秽综合作用下绝缘子放电物理过程的研 究，对覆冰绝缘子的交流放电过程进行了系统的描述【3 引。认为覆冰绝缘子的交流放 电过程与染污放电一样也是由泄漏电流引起的，但覆冰放电是融冰，融冰水蒸发和 局部电弧的发生发展过程。从电流角度考虑，认为放电过程可定性分为基本电流、 电晕或流注电流、白弧电流和闪络电流四个发展阶段。 蒋兴良教授等对长串绝缘子的闪络特性研究表明，覆冰绝缘子串的局部电弧产 生于冰凌和绝缘子表面的气隙击穿，但是电弧的持续时间要远大于绝缘子污闪情 况。覆冰绝缘子串局部电弧发展时间较长，当局部电弧大于串长的4 9 时，可能发 展成完全闪络，但不是所有大于串长4 9 的电弧均会发展成完全闪络，只有当剩余 冰层是连续且处于足够融化状态时，局部电弧才可能发展成完全闪络，局部电弧发 展成完全闪络与绝缘子串表面冰的连续性和热平衡状态有关【4 1 1 。 加拿大学者m f a r z a n e h 、j z h a n g 等研究表明电弧发展过程可以分为两个阶段： 第一阶段最大电弧的发展速度较慢，最快在0 0 4 0 1 5m s ，此阶段占绝缘子串干弧 距离的4 0 5 0 ；第二阶段电弧发展速度突增到1 6 3 0m s ，在闪络前的半周波内， 电弧最大发展速度可达4 4 0m s 4 2 1 。j z h a n g 和m f a r z a n e h 用高速相机对交流和直 流冰闪电弧进行了研究m 】，研究表明电弧可在冰层内部或冰层外部发展，且电弧的 产生是随机的，临闪前交流电弧最大发展速度可达直流电弧发展速度的4 倍【4 2 1 1 4 3 】。 蒋兴良教授研究表明因覆冰绝缘子冰层相对较厚，闪络可沿冰层表面( 通过空气) 或在冰层内部两个不同路径发生，且电弧沿冰层外部或冰层内部发展是随机的【3 6 1 。 5 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 绝缘子伞型对冰闪电压影响 加拿大学者e a c h e m e y 对中度覆冰下带模拟导线的2 3 0k v 、5 0 0k v 的长棒 形复合绝缘子和2 5 片普通型瓷绝缘子的冰闪特性进行了对比研究【4 4 1 。研究表明圆 锥形大小伞复合绝缘子的冰闪特性比普通等径伞的复合绝缘子的好，2 3 0k v 圆锥形 大小伞和普通等径伞复合绝缘子比普通型瓷绝缘子的好，而5 0 0k v 只有圆锥形大小 伞比普通型瓷绝缘子的好。相同覆冰条件下，5 0 0k v ( 施加电压3 1 8k v 覆冰) 绝缘子 比2 3 0k v ( 施加电压1 4 5k v 覆冰) 更容易闪络。 m f a r z a n e h 等用5 片串i e e e 标准绝缘子改变覆冰宽度的交流冰闪试验研究表 明，冰闪电压随覆冰宽度的增加具有指数为负的幂函数变化规律，因绝缘子盘径与 覆冰宽度成正比，这表明冰闪电压与绝缘子盘径具有指数为负幂函数变化关系【4 5 1 。 重庆大学胡建林等对两种典型特高压交流复合绝缘子f x b w - 1 0 0 0 2 1 0 短样进 行的冰闪试验研究表明，在冰厚小于2 5h i m 覆冰情况下，绝缘子伞型不同对冰闪电 压有一定影响【3 6 1 。张志劲等对一二型、五三型结构特高压直流复合绝缘子进行的冰 闪特性研究表明【3 7 1 ，中等覆冰条件下五三型伞型绝缘子具有较好的覆冰电气性能。 但在严重覆冰条件下，复合绝缘子的伞裙结构对直流冰闪电压的影响不明显。 李鹏等在p s d d p n s d d - = 0 0 2 1 0m g e m 2 情况下对典型防雾型、双伞、三伞型和复 合绝缘子进行了直流冰闪试验，表明在覆冰厚度超过2 5m m 严重覆冰情况下，相同 串长各种型号绝缘子的冰闪电压非常接近。 可见轻度覆冰下，绝缘子伞型对冰闪电压有一定的影响，但随着覆冰厚度的增 加，这种影响逐渐减弱；同样覆冰条件下，小盘径绝缘子的冰闪电压比大盘径绝缘 子的高。 目前国内电力部门对在重冰区的线路绝缘子串和站用套管及支柱绝缘子加装 合成材料增爬裙，目的在于阻断瓷套表面冰桥的连接，改善纵向电位分布。但是目 前并没有对加装增爬裙的支柱绝缘子在覆冰状态下的冰闪特性与同种覆冰条件下 的标准支柱绝缘子的冰闪特性进行比较分析，本文将在这点上进行研究。 5 ) 绝缘子冰闪电压的影响因素 绝缘子覆冰的类型、覆冰水电导率、覆冰前染污程度、气压、覆冰厚度、桥接 程度、覆冰不均匀程度等都影响绝缘子串的冰闪电压，其中覆冰水电导率、覆冰厚 度、冰重是比较常用的表征覆冰状态的参量【1 】【4 6 1 。 ( 1 ) 覆冰类型 覆冰一般可分为雨淞、雾淞、混合淞、积雪、白霜等，大量研究表明雨淞覆冰 下绝缘子串冰闪电压最低【4 6 】。 武汉水利电力大学粟福珩、贾逸梅等对雾淞冰的试验研究表明雾淞冰的耐压能 力明显高于雨淞冰。 6 日本学者t e t s u of u j i m u r a 等对雨凇覆冰和覆雪两种情况的绝缘子串进行了交流 闪络试验，表明融冰水电导率在5 0 0 - 3 0 0 0l l s c m 情况下，交流绝缘子串的冰闪电压 比雪闪电压低4 0 。 芬兰学者k k a n n u s 等研究表明相同电导率下绝缘子冰闪电压约为人工雨闪电 压的4 2 ，雾凇覆冰干净和染污p s d o = 0 3m g c m 2 的绝缘子融冰期间闪络电压分别 是干闪电压的7 5 和6 5 。 w i l l i a ma c h i s h o l m 采用冷雾( c o l d f o gt e s t ) 试验方法研究了已染污的悬式和支 柱绝缘子在轻度白霜下的闪络特性。研究表明5 0 岬厚的霜层相当于p n s d d _ 5 m g c m 2 的积污情况，绝缘子闪络电压将降低，如以p s d d = 0 1m g c m 2 的附盐密度为 例，闪络电压将降低3 0 。 加拿大学者l c p h a n 等研究得出密度为0 8 7g c m 3 硬雾淞覆冰的绝缘子冰闪 电压是其湿闪电压的4 0 。 孙才新教授研究也表明覆冰绝缘子最低交流闪络电压分别是其干闪和湿闪电 压的2 5 和4 5 。 ( 2 ) 覆冰水电导率 m f a r z a n e h 等国内外学者研究表明冰闪电压随覆冰水电导率的增加而明显降 低，随覆冰水电导率增加，绝缘子冰闪电压与电导率具有指数为负的幂函数变化规 律。重庆大学研究表明覆冰水电导率增加，交流、直流绝缘子冰闪电压降低，且两 者之间满足幂函数的关系如式( 1 1 ) 所示4 7 1 。 以似= c a ；o ( 1 1 ) 式中：c 为常数；e 为覆冰水电导率影响的特征指数，与绝缘子类型、串长等 有关，其值越大，c r 2 0 的影响越明显，0 2 0 为2 0o c 时覆冰水电导率，l l s c m 。 ( 3 ) 覆冰前染污 国内外研究表明，覆冰水电导率不变时，u s 0 与覆冰前染污的附盐密度p s d d ) 之间关系可表示为式( 1 - 2 ) 3 s 】。 址o = d p ；d d ( 1 2 ) 式中：d 为常数，其值与绝缘子结构、气压、覆冰厚度等有关；p s d d 为附盐密 度，m g c m 2 ；厂为污秽影响特征指数，其值与气压、绝缘子结构、覆冰量等有关，d 、 厂可根据试验结果进行统计分析求得。 ( 4 ) 气压 国内外研究表明，绝缘子冰闪电压随气压降低而降低。孙才新教授、舒立春教 授等在对高海拔覆冰绝缘子的冰闪电压协o 与气压尸的关系研究中使用式( 1 3 ) 进行海拔校正【4 1 。 虬o = u 0 ( p p o ) 4 ( 1 3 ) 7 华北电力大学硕士学位论文 式中：u s o , 为气压为尸时的5 0 闪络电压，k v ；u o 为气压为p 0 时的5 0 闪络 电压，k v ；p 、p o 分别为高海拔地区的气压和标准参考气压；刀为气压影响特征指 数，介于0 - 1 之间。 孙才新教授、舒立春教授给出了覆冰、气压和污秽综合作用下的闪络电压修正 公式( 1 4 ) 【4 】。 = d p s 孟v ( 1 一羔) 5 m ( 1 一南) 5 撕( 1 - 4 ) 式中：形为冰重，k g ；n 为海拔高度影响的特征指数；m 是覆冰量影响的特征 指数，是m 值确定的覆冰特征指数的另一种形式，r = 7 8 9 5 m + 0 0 2 4 。 ( 5 ) 冰厚 加拿大学者l c p h a n 等研究得出【4 8 】：绝缘子串的冰闪电压与 2c m 的冰厚无关，且冰厚对覆冰前染污绝缘子的冰闪电压随污秽度的升高 而降低。 m f a r z a n e h 等学者对支柱绝缘子的冰闪试验研究中表明，在旋转钢管冰厚为 3 0m m 时，耐受电压不再降低，趋于饱和。在均匀覆冰下，覆冰水电导率为8 0l 上s c m ， 旋转钢管冰厚为2 0m m 时，覆冰可以与附盐密度p s d d = 0 1 3m s e r a 2 的污秽度情况等 价【4 9 1 。 可见，覆冰绝缘子闪络电压随覆冰厚度增加而下降，通常当覆冰厚度大于2 0m m 时，绝缘子闪络电压趋于饱和。 ( 6 ) 冰重 对于同一型号绝缘子，在相同的覆冰条件下，冰重和冰厚具有相对应的变化规 律。 蒋兴良教授、王岩等用覆冰水电导率与单位长度干弧距离冰重( i c i n gs t r e s s p r o d u c t - - i s p ) 为参量表征覆冰状态，采用u 形曲线法对3 2 1 片x p 7 0 ( 串长 0 4 3 8 - 3 0 6 6m ) 绝缘子串进行交流冰闪试验。最低冰闪电压和i s p 的关系如式 ( 1 5 ) 所示【3 9 1 。 = ( i s p ) 1 ( 1 5 ) 式中：i s p 为覆冰特征参量，g p s c m ；g 为与绝缘子覆冰水电导率、覆冰量等 相关的特征指数。 ( 7 ) 风速 m f a r z a n e h 等学者研究表明在1 2o c 湿增长雨凇覆冰情况下闪络概率最大，在 风速为3 3m s 情况下，冰凌垂直生长且比较均匀，在这种情况下耐受电压最低【4 9 1 。 ( 8 ) 桥接程度 贾逸梅等研究表明不均匀覆冰的绝缘子串，当仅在接地端开始6 5 全长的一段 覆冰时，闪络电压是最低的，这一最低值等于绝缘子串全长均匀覆冰时数值的7 5 。 lill ， 6 ) 带电覆冰对覆冰状态和冰闪电压的影响 重庆大学马俊和蒋兴良等对电场影响绝缘子表面干、湿增长覆冰的机理进行了 研究【5 0 】。研究表明：电场增加了绝缘子覆冰表面的粗糙度，影响覆冰表面的热传递， 树突状的分枝阻碍了冰层表面水膜的流动，引起绝缘子冰层表面和冰凌上的树枝状 增长。对干增长的覆冰，电场的影响主要表现为极化作用和电吸力增加了覆冰表面 的粗糙度，表现为覆冰质量增加，密度增大。对于湿增长或雨凇覆冰，不带电时形 成的覆冰为光滑、密实的结构，冰凌透明垂直，带电覆冰时泄漏电流和电晕放电产 生的焦耳热明显减少了覆冰量，而与电晕放电相关的几种活动使得覆冰分布不均 匀、覆冰量减少，覆冰密度降低，从而直接影响绝缘子串的冰闪电压【3 9 1 。 张志劲等对7 片x p 7 0 、x w p 1 6 0 瓷绝缘子串和f x b w 4 1 1 0 1 0 0 合成绝缘子在 运行电压( 相对地电压6 4k v ) 情况和不带电情况下的覆冰特性进行了试验研究【6 】。结 果表明带电覆冰下绝缘子高压端不易被冰凌桥接，绝缘子带电情况的覆冰密度比不 带电情况的覆冰密度小，且带电情况绝缘子表面覆冰多呈松针状。绝缘子覆冰密度 与电场强度、绝缘子材料、结构、形状、覆冰水电导率等有关。 加拿大学者l c p h a n 等研究得出带电覆冰绝缘子冰闪电压比不带电覆冰的绝 缘子冰闪电压要高【4 8 1 。李鹏等的直流冰闪试验研究表明带电覆冰绝缘子冰闪电压略 高于不带电覆冰情况。 瑞典学者i g o rg u t m a n 和挪威学者k j e l lh a l s a n 等用i c ep r o g r e s s i v es t r e s s ( i p s ) 方法对4 0 0k v9 种不同型号的真型绝缘子串( 瓷、玻璃、复合) 和3 种真型断路器( t 型瓷、复合) 进行了冰闪试验，结果表明，在湿增长覆冰情况下，当冰凌长度和覆冰 到一定程度时，冰凌不再变长，原因是冰凌尖端的放电阻止其变长，研究表明i p s 方法在冰闪试验研究中具有很好的重复性【5 。 m f a r z a n e h 等【5 2 】对7 3 5k v4 1 7m 干弧距离的标准伞型支柱绝缘子冰闪特性的 试验研究表明，在覆冰水电导率为3 0l x s c m ，旋转钢管冰厚1 5m m 时，运行电压下 绝缘子就会发生闪络。 可见带电覆冰对绝缘子覆冰状态影响显著，并且冰闪电压比不带电覆冰的冰闪 电压有所提高，带电覆冰更接近线路运行实际。 1 2 2 提高绝缘子冰闪电压措施研究概况 国内外研究表明，防止绝缘子冰闪的措施一般有增加绝缘强度、降低运行电压、 改变串型、使用涂料、冬季覆冰前清扫污秽等方式。 增加绝缘子干弧距离是最直接有效的提高绝缘子串冰闪电压的措施，但有时受 外绝缘空气间隙尺寸限制。改变串型、使用涂料等在国内研究也较多，使用耐张串、 v 串、倒v 串、插花布置、半导体釉涂层等措施都能提高绝缘子的冰闪电压。这些 措施基本原理都为增加绝缘强度，延长冰凌桥接时间，阻隔融冰水形成闪络通道等。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 串型对冰闪电压的影响 武汉水利电力学院粟福珩，重庆大学蒋兴良教授、国网武汉高压研究院易辉研 究表明冰闪电压与绝缘子串布置方式有关，垂直布置方式时冰闪电压最低，v 型布 置方式次之，水平布置时冰闪电压最高。 双i 串。双i 串绝缘子覆冰后，由于临近效应，相互影响电场分布，串间空气 间隙电场畸变，导致双i 串冰闪电压比单i 串低4 一9 t 9 1 ，且最低闪络电压与串长 的非线性关系更明显。当双串之间的净空间距离大于6 0 0m m 时，双i 串和单i 串的 放电电压基本一致。 耐张串。耐张串( 水平布置) 冰凌不能桥接伞裙间隙，爬电距离利用充分，其交 流冰闪电压较悬垂串约高2 0 t 1 1 。 v 型串和倒v 串。v 型串和倒v 串都属于绝缘子的斜挂方式，倾斜布置可以防 止冰凌桥接，防止融冰形成泄漏通道，具有良好的防冰闪效果，在实际应用中效果 明显。在保证垂直方向空气间隙长度不变的情况下，倒v 串布置的覆冰绝缘子串闪 络电压比垂直布置的高【9 】。中国电力科学研究院开展的交流绝缘子串冰闪试验结果 表明，v 型串的冰闪电压是悬垂串的1 2 3 倍。湖南省电力公司试验研究院刘纯等认 为使用倒v 型绝缘子串由于档距、高差和不均匀荷载等原因可能会引起改造的铁塔 纵向不平衡张力大于设计值，绝缘子串偏转导致绝缘距离不够等问题应引起注意。 易辉对5 0 0k v 线路倒v 串绝缘子的力学特性进行的研究表明，一般5 0 0k v 线路悬 垂绝缘子串均可进行倒v 串的改造，当大档距或大高差时，通过采用加强型大握力 线夹也可以改造。 插花串。插花配置方式由日本学者s u g a w a r an 提出【5 3 1 ，插花串覆冰期间可以 防止冰凌桥接，融冰期间可以防止融冰水形成泄漏通道而发生冰闪，因此能够提高 冰闪电压。重庆大学杜辕研究了f c 1 0 0 1 4 6 和f c 1 0 0 d 1 4 6 绝缘子“2 + i ”、“3 + 1 ” 和“4 + 1 ”的插花组合提高冰闪电压的能力【9 】。研究表明大盘径绝缘子的直径比小盘径 绝缘子的大1 0 0m m 以上，且采用接地端第l 片加装大盘径绝缘子的“3 + 1 ”插花方式 效果最好。插花串在现场应用中表现出抗冰闪能力有所提高【2 引，但据湖北超高压公 司统计，2 0 0 8 年冰灾事故中共发生5 0 0k v 交流线路绝缘子串冰闪4 次，其中就有 “3 + 1 ”和“5 + 1 ”插花串闪络情况。可见在严重覆冰情况下，绝缘子串完全被冰包裹， 插花方式阻断融冰水形成泄漏通道的能力降低，从而导致其提高冰闪电压的能力降 低。这表明重冰区线路为抵御可预见的特大冰灾事故应使绝缘子串具有足够长的干 弧距离。从“3 + 1 ”插花串提高绝缘子串冰闪电压的机理上可认为其更加适用于轻、中 度覆冰区。 李鹏等认为防止覆冰闪络应主要应从串型上考虑，对于已经建立的i 型悬垂串， 可更改为倒v 型，或采取插花串方式，以防止冰凌完全桥接绝缘子串，提高冰闪电 压。 10 华北电力大学硕士学位论文 2 1 ) 防冰闪涂料 蒋兴良教授分析了p r t v 涂料对绝缘子串覆冰及其冰闪电压的影响。研究表明： p r t v 涂料在覆冰初期具有延缓覆冰的作用，但在严重覆冰过程中则没有明显效果； 其冰闪电压降低7 。1 5 ，主要原因是p i 玎v 涂层的憎水性引起覆冰状态改变，使 得冰层内部形成“空腔”，更易产生局部放电【9 1 。因此，覆冰区特别是重冰区，绝缘 子积污也较严重情况下，应慎重使用r t v 和p r t v 涂料，防止其降低绝缘子串的冰 闪电压。蒋兴良教授、孙才新教授认为大于1 7 0 0 的接触角将使化学涂料具有较好的 防冰效果，荷叶表面与水滴的接触角度平均为1 6 0 0 ，最大接近1 8 0 0 的极限值，因此 仿荷叶涂料在输电线路防冰中具有较好的应用前景。 清华大学廖伟焱、中国电力科学研究院范建斌等研究了半导体室温硫化( r o o m t e m p e r a t u r ev u l c a n i z e d - - r t v ) 硅橡胶涂层对绝缘子覆冰量和冰闪电压的影响。结果 表明在相同试验条件下，相对于无涂层绝缘子，半导体l 盯v 硅橡胶涂层能使绝缘子 的覆冰量减少5 0 ，并且没有冰凌桥接伞间隙，从而可以有效提高绝缘子冰闪电压。 j f d r a p e a u 和m f a r