750kV防冰型復(fù)合絕緣子冰閃試驗(yàn)研究

南敬，李學(xué)林，徐濤，許佐明，萬(wàn)小東，姚濤，劉琴，李金，蔡林，賈如

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢市 430074)

0 引 言

隨著我國(guó)超、特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，輸電線路走廊不可避免地要穿越覆冰、污穢、高海拔等復(fù)雜環(huán)境地區(qū)。然而，由于覆冰外絕緣的復(fù)雜性，以及對(duì)其認(rèn)識(shí)的有限性，還沒(méi)有覆冰外絕緣配置方法和依據(jù)，因此，現(xiàn)有的線路設(shè)計(jì)規(guī)程主要以污穢外絕緣來(lái)確定絕緣子的配置。覆冰后絕緣子的電氣特性明顯下降，絕緣子覆冰閃絡(luò)是輸電線路發(fā)生故障的主要原因之一。因此，如何提高超、特高壓輸電線路抵御冰害的能力，保證線路安全可靠運(yùn)行，已經(jīng)成為我國(guó)超、特高壓輸電線路工程設(shè)計(jì)中不可回避的問(wèn)題。

復(fù)合絕緣子以其質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、防污性能好、便于維護(hù)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用［1］。由于傘間距離較小、傘徑較小，在覆冰的情況下，普通復(fù)合絕緣子的部分傘裙很容易被冰棱橋接，有效爬電距離縮短，使得大部分電壓由復(fù)合絕緣子高壓端附近處冰棱與傘裙間的空氣間隙承擔(dān)，并使得這些空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)迅速增大而導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生。因此，覆冰后復(fù)合絕緣子電氣性能急劇下降。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，普通復(fù)合絕緣子在防止冰閃故障方面存在的缺陷，需要對(duì)覆冰環(huán)境中復(fù)合絕緣子傘群結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)絕緣子冰閃特性和冰閃機(jī)理進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和理論分析。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，覆冰絕緣子放電與污穢絕緣子放電相似，其放電過(guò)程也是由表面泄漏電流引起的，覆冰是一種特殊形式的污穢。文獻(xiàn)［3］指出復(fù)合絕緣子由于其表面材料的憎水性和較小的傘群間距，傘群間隙更容易被冰棱橋接。文獻(xiàn)［4-6］指出采用大小盤徑絕緣子交替布置可以提高冰閃電壓，但采用何種布置方式還需進(jìn)行大量的研究。文獻(xiàn)［7］表明V型布置方式可以有效減少傘群橋接，進(jìn)而提高冰閃電壓。

目前，超高壓線路長(zhǎng)串絕緣子模擬真型布置情況的冰閃試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，而特高壓長(zhǎng)串絕緣子傘形優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有，現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不能充分指導(dǎo)我國(guó)超、特高壓輸電線路覆冰情況下的外絕緣配置。為提高我國(guó)電網(wǎng)輸電線路的防冰閃能力，為輸電線路建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)提供指導(dǎo)，開(kāi)展超高壓線路模擬真型布置長(zhǎng)串絕緣子冰閃特性的研究非常重要。

本文冰閃試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，冰閃電壓隨著防冰傘數(shù)量的增加呈上升且逐漸飽和的趨勢(shì)，但提升不明顯，選擇合理的防冰傘裙間距離及傘徑可提高復(fù)合絕緣子的冰閃電壓。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

復(fù)合絕緣子冰閃特性試驗(yàn)在國(guó)家電網(wǎng)公司武漢特高壓交流試驗(yàn)基地大型環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行。環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室配備1 000 kV串級(jí)式絕緣外筒試驗(yàn)變壓器，如圖1所示，以下中級(jí)串聯(lián)1 000 kV/6 A用作覆冰試驗(yàn)電源，下級(jí)和中級(jí)串聯(lián)的阻抗電壓為7.29%。調(diào)壓器和試驗(yàn)變壓器的阻抗電壓按照最大取5%和8%核算，保護(hù)電阻3～9 kΩ，R/X＞0.59，I s c＞16 A。

圖1 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室Fig.1 Artificial climate laboratory

1.2 試驗(yàn)方法

覆冰絕緣子的電氣特性可用耐受特性和閃絡(luò)特性來(lái)表征，IEEE工作組推薦使用的方法為最大耐受電壓法和50%閃絡(luò)電壓法（U50)，國(guó)內(nèi)蔣興良等［7-10］常用的方法還有平均閃絡(luò)電壓法和最低閃絡(luò)電壓法（U形曲線法)。

參照G B311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的外絕緣配合》和G B/T16927.1—1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》的有關(guān)規(guī)定，以及我國(guó)通常采用50%閃絡(luò)電壓作為設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)際情況，本試驗(yàn)采用定量涂刷法模擬自然污穢，采用50%閃絡(luò)電壓法來(lái)表明覆冰復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)特性。

每一次試驗(yàn)施加的電壓水平應(yīng)按升降法變化，電壓級(jí)差應(yīng)不大于預(yù)期的50%閃絡(luò)電壓的10%。

50%閃絡(luò)電壓及其標(biāo)準(zhǔn)偏差使用如下公式計(jì)算：

式中：Ui為施加的電壓水平，kV;ni為在相同的施加電壓水平Ui下進(jìn)行試驗(yàn)的次數(shù);N為有效試驗(yàn)的次數(shù)。

覆冰復(fù)合絕緣子冰閃電氣試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 覆冰絕緣子的電氣試驗(yàn)方法Fig.2 Electrical testmethod of iced insulator

1.3 試品選擇及布置

本試驗(yàn)采用4種不同大傘個(gè)數(shù)的750 kV復(fù)合絕緣子，見(jiàn)圖3。傘表面積、傘徑、傘形及傘間距如表1所示。

將絕緣子直立地掛放于環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室中的覆冰均勻區(qū)域內(nèi)，并完整地裝上金屬附件。除絕緣子的支持結(jié)構(gòu)物以及噴嘴柱（覆冰用)以外，絕緣子的任一部件與任何接地物體之間的最小間距為每100 kV試驗(yàn)電壓不應(yīng)小于0.5 m，并且在任何情況下不應(yīng)小于1.5 m。支持結(jié)構(gòu)以及帶電金屬部件的布置，至少在絕緣子的最小間距內(nèi)應(yīng)模擬運(yùn)行中的預(yù)計(jì)情況。

圖3 絕緣子試品Fig.3 Insulator in test

表1 不同傘形結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural param eters of insulatorsw ith different umbrellas

2 覆冰試驗(yàn)及結(jié)果分析

以帶電覆冰、鹽密/灰密（ρSDD/ρNSDD)=0.08/ 0.48 m g/c m2、15 m m覆冰、帶均壓環(huán)和模擬導(dǎo)線情況下的帶70%相電壓覆冰來(lái)分析10個(gè)超大傘防冰傘絕緣子的冰閃放電過(guò)程，圖4為冰閃泄漏電流波形。

圖4 覆冰絕緣子冰閃過(guò)程泄漏電流波形Fig.4 Leakage current waveform of iced insulator in flashover process

圖5（a)～（j)為融冰期間從開(kāi)始產(chǎn)生局部電弧放電到閃絡(luò)的過(guò)程。

圖5 覆冰絕緣子閃絡(luò)放電過(guò)程Fig.5 Flashover process of iced insulators

通過(guò)覆冰絕緣子閃絡(luò)放電過(guò)程可見(jiàn)，融冰期間閃絡(luò)過(guò)程大致經(jīng)歷了電暈放電、間歇性局部電弧、白色電弧和閃絡(luò)4個(gè)發(fā)展階段。在一定的外施電壓下，覆冰絕緣子能否發(fā)生閃絡(luò)關(guān)鍵在于白色電弧能否形成并發(fā)展到臨界長(zhǎng)度。一般情況下，當(dāng)泄漏電流大于900 m A時(shí)，白色電弧開(kāi)始形成，白色電弧前期發(fā)展比較緩慢。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)白弧發(fā)展到一定長(zhǎng)度時(shí)（約為絕緣子串2/3的干弧距離)，剩余的冰層很難耐受住外施電壓而發(fā)生閃絡(luò)。電弧在發(fā)展中會(huì)受到一些因素影響，如氣隙的長(zhǎng)度、數(shù)量、位置，冰棱和部分冰層從絕緣子上融化脫落，造成氣隙突然增大，冰層融化吸收熱量，融冰水落在電弧前方，蒸發(fā)吸熱等，都會(huì)對(duì)電弧發(fā)展起到一定的延遲或阻礙作用。

由于白色電弧階段的電流幅值較大，因此該階段冰層的融化速度比前一階段更快，大量電解質(zhì)會(huì)隨融冰水不斷從冰層中流失，即冰層的表面電阻下降到一定程度后會(huì)逐漸回升。因此，如果白弧在冰層電阻回升以前沒(méi)有發(fā)展到足夠的長(zhǎng)度，則發(fā)生冰閃的概率將會(huì)變小。相反，融冰期間阻礙電弧發(fā)展的因素越少，如冰層連續(xù)性較好，氣隙長(zhǎng)度相對(duì)較短，則白弧發(fā)展至閃絡(luò)的幾率更大。

2.1 不同傘形復(fù)合絕緣子試品覆冰對(duì)比

在相同的覆冰條件下，絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其冰閃電壓有很大的影響，傘間距離較小的絕緣子，冰層融化時(shí)更容易形成連續(xù)的水簾，而且傘間距較小的絕緣子冰閃電壓梯度受污穢度的影響更大。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子表面所具有的憎水性并不能夠阻止覆冰，傘裙被冰凌橋接時(shí)，其冰閃電壓與瓷絕緣子相差不大，因此提高復(fù)合絕緣子冰閃電壓要從防止冰棱橋接入手。選定普通的1大1小傘、1大2小傘復(fù)合絕緣子和防覆冰超大傘形復(fù)合絕緣子，在相同條件下進(jìn)行覆冰試驗(yàn)，普通傘和防覆冰傘復(fù)合絕緣子覆冰效果如圖6所示。

圖6 普通傘和防覆冰傘復(fù)合絕緣子覆冰效果Fig.6 Icing status contrast of insulatorsw ith ordinary umbrella and anti-icing umbrella

復(fù)合絕緣子冰棱主要形成于大傘邊沿，這是因?yàn)榇髠銓?duì)小傘具有遮擋作用，噴淋水難以落到小傘上。當(dāng)大傘間距不夠大時(shí)，大傘邊沿冰棱就可能將傘裙橋接，普通的1大1小傘和1大2小傘復(fù)合絕緣子在經(jīng)過(guò)3 h覆冰后即被冰棱橋接。但是，當(dāng)大傘間距過(guò)大的情況下，遮擋作用減弱，噴淋水會(huì)在次大傘上形成冰棱，因此，次大傘也應(yīng)具備相當(dāng)?shù)膫汩g距。超大傘型復(fù)合絕緣子在經(jīng)過(guò)3 h覆冰后，在超大傘邊沿形成了較長(zhǎng)的冰棱，在大傘邊沿也同樣有冰棱出現(xiàn)，但由于傘徑不同，冰棱并未橋接。綜上所述，復(fù)合絕緣子防覆冰傘形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從傘徑、傘間距、爬距等多方面綜合考慮，在大傘強(qiáng)度足夠的條件下增大大傘直徑可加強(qiáng)遮擋作用，采用多種傘徑并且合理設(shè)計(jì)傘間距可以防止冰棱直接橋接，小傘徑傘裙則可用于增大爬電距離。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在相同的覆冰條件下，絕緣子的結(jié)構(gòu)形狀與干弧距離對(duì)其冰閃電壓有很大的影響，在相同電導(dǎo)率覆冰水（100 μ S/c m，20°C)，帶電重覆冰冰閃電壓可以得出，絕緣子的結(jié)構(gòu)傘形有一定的差異，必然會(huì)對(duì)冰閃電壓造成不同的影響。傘間距離較小的絕緣子，冰層融化時(shí)更容易形成連續(xù)的水簾，而污穢度則直接影響水電導(dǎo)率，因而傘間距較小的絕緣子冰閃電壓梯度受污穢度的影響更大。

不同傘形結(jié)構(gòu)750 kV復(fù)合絕緣子污穢試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同傘形試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of insulators with different umbrellas kV

試驗(yàn)結(jié)果表明，750 kV復(fù)合絕緣子在污穢度ρSDD/ ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，環(huán)境溫度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的狀況下，以普通傘冰閃電壓為U0，帶7，9，10個(gè)超大傘型復(fù)合絕緣子的平均閃絡(luò)電壓分別約為1.12 U0、1.26 U0和1.28 U0，見(jiàn)圖7。

圖7 超大傘數(shù)量和閃絡(luò)電壓關(guān)系趨勢(shì)Fig.7 Relationship trend of large umbrellas'number and flashover voltage

電壓。防冰型復(fù)合絕緣子雖然覆冰量增加，但冰閃電壓有所提高，因此該傘形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理，其防冰閃效果顯著。

本文對(duì)10個(gè)超大傘帶不同大小傘復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)特性進(jìn)行了研究。2種絕緣子的區(qū)別在于大小傘的傘徑，其中傘徑結(jié)構(gòu)分別為310/200/160 m m和310/140/110 m m。試驗(yàn)分為污穢度ρSDD/ρNSDD= 0.08/0.48 m g/c m2和0.15/0.90 m g/c m2。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同結(jié)構(gòu)絕緣子試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of insulators with different structures kV

750kV防冰型復(fù)合絕緣子大中小傘交錯(cuò)排列、大中傘間由2個(gè)小傘排列組成的防冰型，除了有效阻止冰棱橋接傘裙外，還使有效高度的空氣擊穿強(qiáng)度大大高于絕緣體與空氣界面的擊穿強(qiáng)度，從而使爬電距離不易被電弧放電短接;也可在絕緣距離不變的情況下實(shí)現(xiàn)更高的泄漏距離，從而提高冰閃電壓。

3 結(jié) 論

（1)普通型復(fù)合絕緣子加超大傘后，絕緣子的覆冰過(guò)程和最終覆冰狀態(tài)與普通型復(fù)合絕緣子不同。

（2)普通型和防冰型750 kV復(fù)合絕緣子在污穢度ρSDD/ρNSDD=0.08/0.48 m g/c m2，環(huán)境溫度-1～0℃，覆冰厚度在13～15 m m的狀況下，帶7，9，10個(gè)超大防冰傘復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)電壓較普通型的分別高12.3%、25.8%、27.7%左右。

（3)在絕緣子串長(zhǎng)一定的情況下，冰閃電壓隨著防冰傘數(shù)量的增加呈上升且逐漸飽和趨勢(shì)，但提升不明顯，選擇合理的防冰傘裙間距離及傘徑可提高復(fù)合絕緣子的冰閃電壓。

（4)750 kV防冰型復(fù)合絕緣子大中小傘交錯(cuò)排列，大中傘間由2個(gè)小傘排列組成?的“五三型”，除了有效阻止冰棱橋接傘裙外，還改善了2超大傘之間的電場(chǎng)分布，從而提高冰閃電壓。

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