胡 琴，何高輝，劉延慶，張 智，吳曉東

導(dǎo)線覆冰過(guò)程中的晶釋效應(yīng)試驗(yàn)研究

胡 琴，何高輝，劉延慶，張 智，吳曉東

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030）

在低溫低氣壓人工氣候室內(nèi)模擬自然覆冰條件，對(duì)LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線進(jìn)行了帶電和不帶電覆冰－融冰試驗(yàn)研究，分析了2類導(dǎo)線的異同。結(jié)果表明，普通鋼芯鋁絞線和瓦型導(dǎo)線帶電及不帶電覆冰均存在晶釋效應(yīng)；在施加交流高電壓后，污穢離子向冰層表面遷移的速度加劇了，即冰的晶釋效應(yīng)加劇了；對(duì)比LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線在帶電和不帶電覆冰下的晶釋效應(yīng)可知，瓦型導(dǎo)線由于其特殊的表層結(jié)構(gòu)，覆冰量更少，但兩者晶釋效應(yīng)的劇烈程度幾乎相同，不同的導(dǎo)線類型對(duì)晶釋效應(yīng)的影響不大。

導(dǎo)線覆冰；晶釋效應(yīng)；瓦型導(dǎo)線；交流；雨淞

我國(guó)是發(fā)生輸電線路覆冰事故較多的國(guó)家之一，覆冰已嚴(yán)重威脅了我國(guó)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，特別是2008年1～2月，持續(xù)的低溫雨雪冰凍自然災(zāi)害天氣，使中國(guó)13個(gè)?。▍^(qū)）的電力系統(tǒng)運(yùn)行受到影響。其中，災(zāi)情最為嚴(yán)重的是華中和南方地區(qū)，特別是貴州、湖南、江西、廣東、廣西、浙江等地。本次災(zāi)害共造成全國(guó)169個(gè)縣停電，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟(jì)損失［1－2］。同時(shí)，世界上其他國(guó)家，如加拿大［3－5］、日本［6－7］、挪威［8］、瑞典［9］、美國(guó)［10］等，也發(fā)生過(guò)由覆冰所引起的輸電線路絕緣子閃絡(luò)事故。

水滴在凍結(jié)過(guò)程中已經(jīng)捕獲或溶解的導(dǎo)電雜質(zhì)會(huì)被排釋在冰晶體外表面。這種冰層中的某些成分由內(nèi)部遷移到表面并重新結(jié)晶釋出的現(xiàn)象稱之為覆冰的“晶釋效應(yīng)”［11］。

在國(guó)外，加拿大的Farzaneh等人［12］建立了有限元模型：許多電解質(zhì)在水中會(huì)電離（完全或者部分電離），而這些電解質(zhì)大部分會(huì)在凍結(jié)過(guò)程中被排斥到液態(tài)表面。這個(gè)過(guò)程就是本課題所要研究的“晶釋效應(yīng)”或者叫做冰的“晶釋效應(yīng)”。融冰期間，鹽分遷移對(duì)電場(chǎng)分布的影響嚴(yán)重，然而鹽分的遷移同樣受外加電場(chǎng)的影響。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)深圳研究生院在研究過(guò)程中得出以下結(jié)論：凍結(jié)速率和溫度是影響結(jié)冰水中離子遷移的重要因素［13］。

重慶大學(xué)對(duì)相同體積、不同電導(dǎo)率的試品進(jìn)行了冰凍。研究人員通過(guò)測(cè)量得知，覆冰水在由液態(tài)至固態(tài)的相變過(guò)程中，靠近冰層外表面空間的導(dǎo)電離子濃度最大；分析了覆冰水在相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，冰層內(nèi)部空間電導(dǎo)率分布出現(xiàn)差異的原因；揭示了融冰水電導(dǎo)率與覆冰水電導(dǎo)率差異的本質(zhì)；提出了覆冰閃絡(luò)時(shí)覆冰體電阻的表達(dá)式；指出了在分析覆冰絕緣子閃絡(luò)特性時(shí)，應(yīng)考慮覆冰的晶釋效應(yīng)的影響［14］。

前蘇聯(lián)在單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線試驗(yàn)線段上對(duì)電暈損失進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果認(rèn)為，覆冰的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短（在前蘇聯(lián)歐洲部分的中部地區(qū)和西西伯利亞一年內(nèi)的平均持續(xù)時(shí)間為340 h）。但是，這種天氣下的電暈損失非常大，約占年平均損失的50%。所以，在確定年平均電暈損失時(shí)，必須計(jì)入覆冰天氣［15］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于晶釋效應(yīng)導(dǎo)電微粒運(yùn)動(dòng)遷移特性的研究雖然取得了一定的成果，但基本都是從宏觀方面解釋覆冰絕緣子的閃絡(luò)特性，而且對(duì)于晶釋效應(yīng)這一過(guò)程的解釋也不足。在帶電絕緣子覆冰方面雖然已經(jīng)有了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對(duì)于不帶電覆冰的試驗(yàn)存在較大的分散性。而且，在導(dǎo)線覆冰的晶釋效應(yīng)，不同類型導(dǎo)線的晶釋效應(yīng)，以及電場(chǎng)對(duì)晶釋效應(yīng)的影響方面的研究也較少。

1 試驗(yàn)裝置、試品及試驗(yàn)程序

1．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)電源為YDJ－900／150型自冷式變壓器，外觀如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)：額定容量900 kVA；額定電流6 A；輸入電壓0～10．5 kV；輸出電壓0～150 kV；短路阻抗百分比為8．25%；試驗(yàn)變壓器在輸出電壓為150 kV（有效值）時(shí)的最大短路電流為30 A。這完全可以滿足覆冰、污穢環(huán)境中導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)對(duì)電源的要求。

圖1 YDJ－900／150型試驗(yàn)變壓器

覆冰環(huán)境為直徑2．0 m、內(nèi)長(zhǎng)3．8 m的低溫低氣壓人工氣候室，如圖2所示。該人工氣候室的制冷系統(tǒng)可將溫度下降到－45℃左右；抽濕與噴淋系統(tǒng)可將相對(duì)濕度控制在20%～100%；氣候室內(nèi)裝有國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦制作的標(biāo)準(zhǔn)噴頭，過(guò)冷卻水滴直徑可控制在20～500μm以內(nèi)；風(fēng)速可以控制在0～12 m／s。故通過(guò)人工氣候室可模擬自然界中的覆冰、雨、霧等環(huán)境。

圖2 低溫低氣壓試驗(yàn)室

覆冰水和融冰水電導(dǎo)率采用型號(hào)為DD－810E精密電導(dǎo)率儀，其具體參數(shù)是：電極常數(shù)×（1～3 000）μS／cm，測(cè)量溫度范圍為0～99．9℃；分辨率可達(dá)到0．001μS／cm，0．1℃。測(cè)定不同濃度下的溶液電導(dǎo)率，并記錄當(dāng)前溫度，最后將結(jié)果轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）下的值。

1．2 試品

試品選用LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用導(dǎo)線參數(shù)

1．3 試驗(yàn)程序

1）試品的預(yù)處理：先用軟布抹導(dǎo)線，去除導(dǎo)線表面在生產(chǎn)搬運(yùn)過(guò)程中留下的毛刺；然后用工業(yè)酒精擦洗，溶解掉出廠時(shí)導(dǎo)線表面所攜帶的油脂；最后用電導(dǎo)率為20μS／cm的純凈水清洗導(dǎo)線，去除導(dǎo)線表面的污穢。

2）覆冰過(guò)程：將試品布置在低溫低氣壓實(shí)驗(yàn)室中，降低該試驗(yàn)室的溫度至預(yù)定覆冰溫度－8℃。用NaCl配置電導(dǎo)率為250．0μS／cm的覆冰水，并將其在氣候室內(nèi)降溫至5℃左右。達(dá)到預(yù)定溫度后，打開(kāi)噴淋裝置，覆冰過(guò)程中氣候室溫度控制在－8℃，使導(dǎo)線表面覆冰以雨淞為主。帶電覆冰則在覆冰前施加15 kV交流高電壓。帶電和不帶電覆冰時(shí)間均為45 min。

3）融冰過(guò)程：覆冰結(jié)束后，先用游標(biāo)卡尺測(cè)量導(dǎo)線覆冰厚度；然后從氣候室中取出覆冰后的導(dǎo)線放置在試品架上，在室溫下使覆冰融化；用電導(dǎo)率為20μS／cm的純凈水清洗容器，并用該容器每隔5 min收集1次融冰水。

4）覆冰水電導(dǎo)率測(cè)量：用型號(hào)為DD－810E的精密電導(dǎo)率儀測(cè)量收集的融冰水，并用數(shù)字式溫度計(jì)測(cè)量此時(shí)溫度，通過(guò)式（1）轉(zhuǎn)化為20℃時(shí)的融冰水電導(dǎo)率。

式中：γ20為20℃時(shí)融冰水電導(dǎo)率，μS／cm；γt為t℃時(shí)融冰水電導(dǎo)率，μS／cm；Kt為融冰水溫度換算系數(shù)［2］。

2 導(dǎo)線覆冰的晶釋效應(yīng)

對(duì)LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線進(jìn)行不帶電覆冰，測(cè)量其融冰水電導(dǎo)率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)線不帶電覆冰各階段的融冰水電導(dǎo)率μS／cm

在導(dǎo)線8個(gè)點(diǎn)測(cè)量覆冰厚度，取平均值后得到導(dǎo)線覆冰厚度，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

將表2中的數(shù)據(jù)繪制在圖3中，由此可知，無(wú)論是LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線，還是Drake－1020型瓦型導(dǎo)線，其融冰水電導(dǎo)率都隨著融冰時(shí)間的增加而減小，并且減小的趨勢(shì)一致。對(duì)于不帶電覆冰，普通鋼芯鋁絞線和瓦型導(dǎo)線均存在晶釋效應(yīng)。此外，由于瓦型導(dǎo)線的特殊結(jié)構(gòu)，覆冰量較少，因此相較于普通鋼芯鋁絞線而言，其融冰水電導(dǎo)率更高。

表3 導(dǎo)線表面覆冰（不帶電）后直徑mm

圖3 不帶電覆冰導(dǎo)線融冰水電導(dǎo)率

對(duì)LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線進(jìn)行帶電覆冰，施加15 kV交流電在導(dǎo)線上，測(cè)量其融冰水電導(dǎo)率，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)線帶15 kV交流電時(shí)的融冰水電導(dǎo)率μS／cm

在導(dǎo)線8個(gè)點(diǎn)測(cè)量覆冰厚度，取平均值后得到導(dǎo)線覆冰厚度，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 導(dǎo)線表面覆冰（15 V交流）后直徑mm

LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線帶電和不帶電覆冰的融冰水電導(dǎo)率如圖4所示，Drake－1020型瓦型導(dǎo)線帶電和不帶電覆冰的融冰水電導(dǎo)率如圖5所示。

圖4 LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線帶電（15 kV交流）和不帶電覆冰的融冰水電導(dǎo)率

圖5 Drake－1020型瓦型導(dǎo)線帶電（15 kV交流）和不帶電覆冰的融冰水電導(dǎo)率

由圖4及圖5可知，兩種導(dǎo)線帶電后，其晶釋效應(yīng)更為顯著。導(dǎo)線帶電后，本身就會(huì)釋放焦耳熱，而且覆冰過(guò)程中不僅會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，也會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。覆冰水中的導(dǎo)電微粒吸收焦耳熱后，能量加劇，獲得了更加充足的能量向外遷移。而且覆冰水的溫度上升，導(dǎo)電微粒的溶解度增加，能容納更多的導(dǎo)電微粒，所以帶電覆冰有利于離子的遷移運(yùn)動(dòng)。

對(duì)比表3和表5可知，普通鋼芯鋁絞線比瓦型導(dǎo)線覆冰更嚴(yán)重，導(dǎo)線在電場(chǎng)作用下覆冰量減少。

3 結(jié)論

1）LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線覆冰存在晶釋效應(yīng)，可以采用測(cè)量融冰水電導(dǎo)率的方法從側(cè)面反映晶釋效應(yīng)。

2）對(duì)導(dǎo)線施加15 kV交流電壓覆冰時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，導(dǎo)線覆冰水電導(dǎo)率相較于不帶電覆冰高，晶釋效應(yīng)加劇。

3）對(duì)比LGJ－400／25型普通鋼芯鋁絞線和Drake－1020型瓦型導(dǎo)線在帶電和不帶電覆冰下的晶釋效應(yīng)可知：瓦型導(dǎo)線由于其特殊的表層結(jié)構(gòu)，覆冰量更少，但兩者晶釋效應(yīng)的劇烈程度幾乎相同，不同的導(dǎo)線類型對(duì)晶釋效應(yīng)的影響差別不大。

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An Experimental Study on Crystal Release Effects During the Icing Process of W ires

HU Qin，HE Gaohui，LIU Yanqing，ZHANG Zhi，WU Xiaodong
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆System Security and New Technology of Chongqing University，Chongqing 400030，P．R．China）

The natural icing condition was simulated in the low-temperature and low-pressure artificial climate chamber．Both charged and uncharged icing and ice-melting experimental studies weremade on the LGJ-400／25 steelcored aluminum strand and the Drake-1020 tile-typewirewith the differences and similarities between the two were analyzed．The results showed that crystal release effects occurred on both wires in charged and uncharged icing conditions．With the alternating high-tension currentbeing applied，impure ionmoved to the surface of the ice layer faster，so crystal release effects of ice accelerated．By comparing the crystal release effects on both wires in charged and uncharged icing conditions，itwas known that due to its special surface structure，the tile-typewirewas covered with less ice．However，the intensity of the crystal release effects of the twowas almost the same，so the types ofwires had little influence on crystal release effects．

icing of the wire；crystal release effects；tile-type wire；alternating；glaze

TM216

A

1008-8032（2017）02-0042-04

2016－11－03

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)

胡 琴（1981－），博士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)閺?fù)雜大氣環(huán)境外絕緣技術(shù)。