復合絕緣子傘裙結構特征參數對其冰閃特性的影響

劉 毓 蔣興良 舒立春 向 澤

（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

絕緣子是電力系統使用量最大的器件[1]，絕緣子覆冰研究是研究輸電線路防覆冰必不可少的內容。從1989 年年底到次年年初，復合絕緣子在我國工業投網運行以來[2]，對提高輸電線路耐污閃水平，維護電網安全運行方面起到了巨大作用。但是目前常用的復合絕緣子普遍存在傘間距小、易被冰棱和電弧橋接等特點[3-5]，在覆冰氣象條件下電氣性能大大降低。隨著輸電線路電壓等級不斷提升[6,7]，對防冰閃性能的要求也越來越高，冰閃性能不夠優異的復合絕緣子漸漸顯出弊端。

在以往對覆冰復合絕緣子傘裙結構優化的研究中[8-12]，研究者們并未考慮帶電覆冰與不帶電覆冰的差別。例如，文獻[10]根據不帶電覆冰試驗測得數據建立了復合絕緣子計算模型，指出覆冰和傘裙結構對閃絡電壓的影響。文獻[11]根據氣候室不帶電覆冰試驗數據，對空氣流場和過冷卻水滴撞擊絕緣子表面的過程進行了模擬分析，提出了傘裙結構優化的方案。

然而，很多研究已經證實，電場對絕緣子覆冰的冰棱形態、覆冰重量、覆冰密度、覆冰速度等有很大影響，帶電覆冰試驗與不帶電覆冰試驗有很大的差異[13-23]。文獻[13]的研究得到：帶電情況下，電場的吸引力作用在一定程度上增加絕緣子的覆冰量與覆冰密度，高壓端冰棱容易向絕緣子芯棒彎曲。文獻[15-17]指出，帶電覆冰絕緣子（串）高壓端冰棱不橋接而留有空氣間隙。文獻[19]對線路絕緣子的帶電覆冰試驗得到結論：帶電覆冰情況下的覆冰密度較不帶電時要小，主要取決于電場強度、覆冰水電導率以及絕緣子材料、結構等因素。

為了使試驗更加接近實際情況、所得數據更加具有工程應用價值，本文針對對電力系統危害最大的雨凇覆冰，模擬輸電線路實際運行中復合絕緣子的覆冰情況，對其進行帶運行電壓覆冰試驗，分析傘裙結構對冰閃電壓的影響，為傘裙結構參數尋求最優值，實現傘裙結構優化的目標。

2 人工覆冰試驗

2.1 試驗裝置及試品

試驗裝置為大型多功能人工氣候室及其相關設備，其技術參數指標滿足復合絕緣子覆冰試驗的要求[4,5]。試驗原理和接線圖參見文獻[5]。

試品為三種傘裙結構的 35kV 復合絕緣子FXBW—35/70和四種傘裙結構的110kV 復合絕緣子FXBW—110/100，均為現有的冰區用復合絕緣子。按泄漏距離的遞增順序將試品編號為：A、B、C、D、E、F和G。各自的結構示意和基本技術參數分別如圖1和表1 所示。

圖1 試品絕緣子結構示意圖Fig.1 The configuration of tested specimens

表1 試品絕緣子參數Tab.1 Parameters of tested insulators

2.2 試驗方法

參照IEC 60507[22]的標準，采用覆冰水電導率法模擬輸電線路實際運行中的絕緣子不同染污情況，覆冰前絕緣子表面潔凈。根據試驗中常模擬的幾種污穢等級，改變20℃時覆冰水電導率γ20（300μS/cm、640μS/cm、1 120μS/cm、1 825μS/cm），每隔30min記錄一次覆冰狀態，使用監測導體[18]測量絕緣子覆冰厚度，其值取布置在絕緣子附近（上、中、下）三個監測導體覆冰厚度的平均值。當覆冰達到要求后，繼續冷凍試品15min，以使冰表面水膜徹底凍結，最后分別采用U 形曲線法[1]測量最低閃絡電壓Umin。

3 試驗結果及分析

當試品絕緣子傘裙全部橋接后（高壓端傘裙除外），停止覆冰，測得此時A、B、C 號絕緣子覆冰厚度為10mm，D、E、F、G 號絕緣子覆冰厚度為13mm，繼續冷凍15min 后采用U 形曲線法測量最低閃絡電壓Umin。

3.1 覆冰量

試驗測得兩種電壓等級、不同傘裙結構的復合絕緣子在帶運行電壓下，不同的γ20對應的覆冰重量比較如圖2 所示。

圖2 試品絕緣子覆冰重量比較Fig.2 Comparision of ice weight of tested insulators

從圖2a、圖2b 的對比中可以直觀地看出：

（1）對于同電壓等級、不同傘裙結構的復合絕緣子，在相同電氣條件下的覆冰重量與傘裙結構及覆冰水電導率都有關系。

（2）結構高度越大、傘裙數量越多、傘裙半徑越大，則覆冰量越多。特別是G 號絕緣子，因其傘裙數量明顯多余D、E、F 號絕緣子，故其覆冰量也明顯多于D、E、F 號（見圖2b）。因為結構高度相同時，泄漏距離s與CF系數越大，絕緣子表面積越大，其捕獲過冷卻水滴的概率就越大，故覆冰量隨著s與CF系數的增加而增加。

3.2 冰棱形態

電場與傘裙結構對雨凇覆冰的冰棱形態有很大的影響。在嚴重覆冰時，高壓端傘裙不被橋接，留有一定空氣間隙，部分絕緣子低壓端傘裙也不橋接。原因在于帶電覆冰時，沿面電場分布較瓷和玻璃絕緣子串更加不均勻[18]，在高壓端和低壓端會出現高電場區。當冰棱長度增長到一定值時，這兩個地方的冰棱尖端會出現電暈放電從而抑制冰棱的進一步增長，因此高低壓端冰棱增長速度較中間部分冰棱慢，高壓端電場強度較低壓端更強，這種抑制作用更明顯。分以下兩種情況：

（1）隨著冰棱的增長，最先總是高壓端的冰棱由電暈放電轉為出現間歇性燃燒的電弧[21]，電弧的燃燒放熱遏制冰棱的繼續增長甚至使既成的冰棱尖端炸裂、脫落，從而高壓端總是留有一定的空氣間隙。低壓端雖然電場強度也較強，存在一定的放電現象，但是放電強度沒有高壓端大，大部分情況冰棱都要橋接。當高壓端出現電弧放電時低壓端冰棱已經橋接，那么低壓端冰棱放電現象將變得不明顯，因為大部分電壓降落在高壓端間隙。最后將只有高壓端存在空氣間隙，如圖3a 所示。

（2）倘若在高壓端出現電弧放電時低壓端冰棱尚未橋接（這時中間部分傘裙全部橋接），中間部分冰棱表面水膜串聯電阻很小，低壓端空氣間隙也將承擔很高電壓。而高壓端電弧放電又將間歇性地短接高壓端間隙，這就進一步增強低壓端空氣間隙的場強，從而低壓端開始出現電弧放電。根據試驗中的觀察，這個時候電弧放電嚴重，常出現穩定燃燒的電弧。這種情況下低壓端冰棱也無法繼續增長，最后在高低壓端均留有空氣間隙，如圖3b 所示。

此外，電場的吸引作用使得高壓端冰棱向芯棒彎曲。由于部分試品絕緣子k1過大，導致大傘上冰棱尖端與（中）小傘邊緣之間的空氣間隙很小甚至被橋接，如圖4 所示。

圖3 高低壓端空氣間隙Fig.3 Air gaps at high-voltage and low-voltage top

圖4 冰棱向芯棒彎曲Fig.4 Icicles bending to the core rod

3.3 閃絡電壓

大量試驗結果表明[1,26,30-32]，覆冰絕緣子最低閃絡電壓與覆冰水電導率成冪函數關系，即Umin與γ20的關系可表示為

式中，W為常數，其值與覆冰狀態、傘裙結構等有關；c為γ20對Umin影響的特征指數，c＞0。

將試驗測得數據用上式擬合（相關系數均在0.96 以上），在Matlab 中繪制出擬合曲線與原始數據的圖形，如圖5 所示。其中，散點圖為試驗原始數據，曲線為擬合冪函數曲線。

圖5 最低閃絡電壓Umin與γ20的關系Fig.5 Uminof tested specimens versus γ20

從閃絡電壓曲線可以得到以下幾點結論：

（1）隨著γ20的增加，閃絡電壓降低。

（2）傘裙結構對冰閃電壓有明顯影響，且爬電距離s對冰閃電壓的影響與k1、k2、k3以及CF系數有關（參數k1～k3、CF的意義詳見表2）。

（3）35kV 絕緣子中，閃絡電壓最高的是C 號，但是比較其結構參數可知，其結構參數仍然存在不足之處，如k1過大、k2過小。110kV 絕緣子中，閃絡電壓最高的是E 號，但是其k1偏小，可適當調大，CF系數較大，可適當減小。

4 傘裙結構特征參數優化

4.1 參數定義

充分考慮影響冰閃電壓的因素（如傘間距、傘伸出、爬距等），定義幾個表征絕緣子形狀特征的參數k1、k2、k3，表達式及示意圖見表2。三個參數之間相互獨立，和CF系數[8]一起，能夠綜合反映傘裙結構的特征，將傘裙結構數字化表示，可以更加方便地分析傘裙結構對復合絕緣子冰閃特性的影響。

表2 傘裙結構參數定義Tab.2 Definition of shed configuration parameters

表3 所示為文中所用試品絕緣子的參數值。

表3 試品絕緣子傘裙結構參數Tab.3 Sheds configuration parameters of tested insulators

4.2 參數取值

（1）k1。絕緣子覆冰時，隨著冰厚和冰棱長度的增加，大傘冰棱的尖端與（中）小邊緣之間空氣間隙的長度越來越小，特別是帶電覆冰情況下，高壓端冰棱會向芯棒彎曲，這就進一步減小了上述空氣間隙的長度，甚至橋接間隙。為了增大大傘冰棱尖端與（中）小邊緣之間空氣間隙的長度（特別是帶電覆冰時），絕緣子的大（中）小傘傘徑差Δx要足夠大，且根據文獻[11]基于流體力學的分析，Δx的增大還可以減小水滴碰撞系數，減少覆冰量。又因為帶電情況下，越靠近絕緣子芯棒電場強度就越大[10]，放電現象越嚴重，因此傘伸出（表2 中x）要足夠大，以使冰棱處電場強度盡可能小，況且傘伸出越大，爬電距離也越大。但是由于復合材料硬度等的限制，傘伸出也不宜過大，因此x變化范圍很小。假定x不變，則參數k1=x/Δx要求足夠小。

（2）k2。倘若相鄰大傘間距（即表2 中w）不夠大，即使覆冰不嚴重、冰棱長度不太長也可造成傘裙的橋接，因此為盡可能避免冰棱橋接傘裙，w應足夠大。既然w應盡可能大，x變化很小，那么在滿足足夠泄漏距離的前提下，k2=w/x應該足夠大。

（3）k3。根據前面的分析，大（中）小傘傘徑差Δx要足夠大，從表2 可以看出，Δx越大，折線y1-y2-y3就越向芯棒彎曲，∑yi就越大。極限情況是當相鄰兩大傘間中傘和小傘傘伸出都為 0 時，Δx=x，∑yi=w；當中傘和小傘傘伸出都為x時，Δx=0，仍然有∑yi=w。既然中傘和小傘傘伸出取值在0和x之間，那么就一定有個合適的值或者范圍是對閃絡電壓最有利的，也就是∑yi必有一個合適的范圍。又因為∑zi反映的是泄漏距離的大小，∑zi越大，泄漏距離越大。為了有足夠的爬距，∑zi應足夠大。但是現有的復合絕緣子大都過分追求爬距[5,7,8]，幾乎不存在爬距過小的問題，因此，∑zi應以滿足覆冰地區的要求為主取值。這樣，k3=∑zi/∑yi也有個合適的值對閃絡電壓最有利。

（4）CF系數。因為CF=泄漏距離s/干弧距離l≈(∑zi)/w，根據上面的分析，∑zi與w都應該盡可能大，但是∑zi越大表明傘裙越密集，w就越小，二者同時取大在一定程度上互相矛盾。既然二者不能同時增大，它們的比值就不能維持在一個穩定值上，那么CF系數就和k3一樣需要確定一個對冰閃電壓最有利的最優值。

4.3 特征參數最優取值

為了求取對冰閃電壓最有利的傘裙結構參數k1、k2、k3以及CF系數的取值，本文求取了嚴重覆冰時七種試品絕緣子在幾種覆冰水電導率下沿電弧的閃絡電壓梯度El（El=Umin/l），結果見表4。對El的求取，可以將不同電壓等級的復合絕緣子傘裙結構參數歸一分析，求取適用于任何電壓等級的復合絕緣子最優傘裙結構參數。

表4 試品絕緣子閃絡電壓梯度ElTab.4 Icing flashover gradient Elof tested insulators （單位：kV/m）

將帶電覆冰時各電導率下的El與各傘裙結構參數分別進行二次多項式擬合，發現所有參數和El的擬合曲線都開口向下，即都存在一個令El最大的最優值，這說明參數的定義與二次多項式擬合符合實際規律，可以用來作為求取參數最優值的方法。計算的具體步驟如下：

對El與4 個參數分別擬合，得到4 簇開口向下的拋物線，如圖6 所示。拋物線的對稱軸對應橫坐標即為令El取值最大的最優參數值。

圖6 不同電導率下El和結構參數的擬合曲線Fig.6 Fitted curve of El and sheds configuration parameters with different water conductivities

表5 所示為擬合得到的各參數在不同電導率下的系數以及令El最大時的最優取值。對各參數在不同電導率下的最優值取平均得到該參數的最優值。

表5 擬合系數及最優參數取值Tab.5 Fitting coefficients and optimal parameter values

從圖6 中可以看出，每簇曲線的對稱軸非常靠近，即每種電導率下的參數最優取值很接近，并且對比表5和表3 可以知，E 號和C 號絕緣子特征參數和計算所得最優取值最為接近，而試驗結果E號和C 號閃絡電壓分別最高，這說明本文所用曲線擬合的方法符合客觀規律，且計算結果精度較高。

由表5 可知，本文得到帶電嚴重覆冰條件下復合絕緣子傘裙結構參數k1、k2、k3及CF系數最優取值分別為：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可為冰區用復合絕緣子傘裙結構設計提供理論依據。

5 結論

（1）運行電壓對絕緣子覆冰形態影響顯著。在實驗室條件（環境溫度為-5～0℃、風速為3m/s、過冷卻水滴直徑為80～100μm）下帶運行電壓覆冰時，復合絕緣子高壓端冰棱一般不橋接，少部分絕緣子低壓端冰棱也不橋接，在電場強度較高的高壓端，冰棱容易向絕緣子芯棒彎曲。

（2）帶電覆冰情況下，覆冰水電導率對絕緣子覆冰量的影響很小，而傘裙結構對覆冰量的影響很大，且覆冰量隨著泄漏距離s與CF系數的增加而增加。

（3）對傘裙結構特征參數的定義可以使研究傘裙結構對復合絕緣子冰閃特性的影響更方便，且爬電距離s對冰閃電壓的影響與傘裙結構特征參數有關。

（4）對傘裙結構特征參數與閃絡電壓梯度El的多項式擬合符合實際規律。計算得到嚴重覆冰地區復合絕緣子的特征參數k1、k2、k3及CF系數最優取值分別為：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可為冰區用復合絕緣子傘裙結構優化設計提供理論依據。

[1]蔣興良,舒立春,孫才新.電力系統污穢與覆冰絕緣[M].北京:中國電力出版社,2009.

[2]謝從珍.硅橡膠絕緣子傘裙優化研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[3]張銳,吳光亞.高壓輸電線路絕緣子行業發展和技術綜述[J].電力技術,2009,72(2):47-53.Zhang Rui,Wu Guangya.Development and technical review of the high-voltage transmission line insulator industry[J].Electric Power Standardization,2009,72(2):47-53.

[4]蔣興良,張志勁,等.高海拔下不同傘形結構750kV 合成絕緣子短樣交流污穢閃絡特性及其比較[J].中國電機工程學報,2005,25(12):159-164.Jiang Xingliang,Zhang Zhijin,et al.AC pollution flashover performance and comparison of short samples of 750kv composite insulators with different configuration in high altitude area[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(12):159-164.

[5]王波.傘裙結構對復合絕緣子直流冰閃特性影響的研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[6]歐陽麗莎,黃新波,李俊峰,等.1 000kV 特高壓輸電線路覆冰區的研究與劃分[J].高壓電器,2010,46(5):4-8,13.Ouyang Lisha,Huang Xinbo,Li Junfeng,et al.Research and division of icing area along 1 000kV ultra high voltage AC transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2010,46(5):4-8,13.

[7]王紹武.污穢地區有機外絕緣特性的研究[D].北京:清華大學,2001.

[8]袁前飛,舒立春,蔣興良,等.低氣壓下不同傘裙結構復合絕緣子交流污閃性能對比[J].高電壓技術,2010,36(7):1662-1668.Yuan Qianfei,Shu Lichun,Jiang Xingliang,et al.Comparison of AC pollution flashover performances for composite insulators with different configuration under low atmospheric pressure[J].High Voltage Engineering,2010,36(7):1662-1668.

[9]蔣興良,巢亞峰,陳凌,等.高海拔地區不同傘裙結構復合絕緣子短樣直流冰閃性能對比[J].高電壓技術,2011,37(5):1066-1073.Jiang Xingliang,Chao Yafeng,Chen Ling,et al.Comparison of DC icing flashover performances for pre-polluted short samples of composite insulators with different configuration in high altitude area[J].High Voltage Engineering,2011,37(5):1066-1073.

[10]楊慶.絕緣子沿面電場特性和放電模型研究[D].重慶:重慶大學,2006.

[11]溫作銘.基于流體力學的覆冰地區用復合絕緣子傘裙結構研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[12]舒立春,蔣興良,田玉春,等.海拔4 000m 以上地區4 種合成絕緣子覆冰交流閃絡特性及電壓校正[J].中國電機工程學報,2004,24(1):97-101.Shu Lichun,Jiang Xingliang,Tian Yuchun,et al.AC flashover performance and voltage correction of four types of iced composite insulator at altitude 4000m above[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(1):97-101.

[13]黃斌.交流電場對復合絕緣子覆冰過程及放電特性影響的研究[D].重慶:重慶大學,2008.

[14]International Electrotechnical Commission.International standard IEC 60507 Artificial pollution tests on high voltage insulators to be used on AC systems[S].1991.

[15]張志勁,蔣興良,馬俊,等.工作電壓下 110kV 交流絕緣子串覆冰特性研究[J].中國電機工程學報,2006,26(4):140-143.Zhang Zhijin,Jiang Xingliang,Ma Jun,et al.Study on icing performance of 110kV insulator strings at AC service voltage[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(4):40-143.

[16]馬俊,蔣興良,張志勁,等.帶電覆冰過程對盤型懸式絕緣子覆冰及電場特性的影響[J].高電壓技術,2010,36(8):1936-1941.Ma Jun,Jiang Xingliang,Zhang Zhijin,et al.Influence of the icing period with voltage on the icing and electric field characteristics of impendent insulators[J].High Voltage Engineering,2010,36(8):1936-1941.

[17]張志勁,蔣興良,胡建林,等.間插布置方式對交流絕緣子串覆冰特性影響[J].電工技術學報,2011,26(1):170-176.Zhang Zhijin,Jiang Xingliang,Hu Jianlin,et al.Influence of the type of insulators connected with alternately large and small diameter sheds on AC icing flashover performance[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(1):170-176.

[18]孫才新,舒立春,蔣興良,等.高海拔、污穢、覆冰環境條件下超高壓線路絕緣子交直流放點特性及閃絡電壓校正研究[J].中國電機工程學報,1999,22(11):115-120.Sun Caixin,Shu Lichun,Jiang Xingliang,et al.AC/DC flashover performance and its voltage correction of UHV insulators in high altitude and icing and pollution environments[J].Proceedings of the CSEE,1999,22(11):115-120.

[19]Farzaneh M,Kienicki J.Ice accretion on energized line insulators[J].International of Offshore and Polar Engineering,1992,2(3):228-233.

[20]Farzaneh M,Brettschneider S,Srivastava K D.Study of visible discharge onset and development on ice surfaces[C].Conference Record of the 2000 IEEE International Symposium on Electrical Insulation,Anaheim,CA USA,2000:216-221.

[21]司馬文霞,蔣興良,武利會,等.低氣壓下覆冰染污10kV 合成絕緣子直流電氣特性[J].中國電機工程學報,2004,24(7):121-126.Sima Wenxia,Jiang Xingliang,Wu Lihui,et al.DC electric performance of icing and polluted 10kV composite insulator at low atmospheric pressures[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(7):121-126.

[22]Farzaneh M,Drapeau J F.Ac flashover performance of insulators covered with artificial ice[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1995,10(2):1038-1051.

[23]Jiang Xingliang,Chao Yafeng,Zhang Zhijin,et al.DC flashover performance and effect of sheds configuration on polluted and ice–covered composite insulators at low atmospheric pressure[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,18(1):97-105.