蔣興良 胡玉耀 汪泉霖 范才進(jìn) 朱承治

(1.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(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 杭州 310000)

覆冰絕緣子導(dǎo)電離子分布規(guī)律

蔣興良1胡玉耀1汪泉霖1范才進(jìn)1朱承治2

(1.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(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 杭州 310000)

為研究電場(chǎng)及染污方式對(duì)覆冰復(fù)合絕緣子導(dǎo)電離子分布的影響，該文在低溫、低氣壓人工氣候室對(duì)兩種染污方式下的35 kV復(fù)合絕緣子開展了帶電和不帶電雨凇覆冰試驗(yàn)。結(jié)合COMSOL軟件仿真分析冰凌尖端水滴及覆冰滴水過(guò)程對(duì)絕緣子覆冰的影響，揭示電場(chǎng)、染污方式和染污程度對(duì)覆冰絕緣子離子分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：電場(chǎng)對(duì)絕緣子覆冰形態(tài)、冰層及冰凌中離子分布和閃絡(luò)電壓均有顯著的影響；在帶電覆冰條件下，采用覆冰水電導(dǎo)率法時(shí)的冰層及冰凌融冰水電導(dǎo)率均低于不帶電時(shí)；在不帶電覆冰條件下，采用固體涂層法時(shí)的融冰水電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于覆冰水電導(dǎo)率；絕緣子帶電覆冰時(shí)的閃絡(luò)電壓高于不帶電時(shí)，而閃絡(luò)過(guò)程中的融冰水電導(dǎo)率低于不帶電時(shí)。在分析絕緣子覆冰閃絡(luò)時(shí)，應(yīng)考慮晶釋效應(yīng)對(duì)其閃絡(luò)特性的影響。

覆冰絕緣子 導(dǎo)電離子 電導(dǎo)率 電場(chǎng) 晶釋效應(yīng)

0 引言

由于我國(guó)能源分布不均衡，負(fù)荷中心和能源中心相距甚遠(yuǎn)，為滿足負(fù)荷中心日益增長(zhǎng)的用電需求，開工建設(shè)了多條超、特高壓輸電線路[1]。我國(guó)地域遼闊、地形地貌復(fù)雜，這些線路不可避免地經(jīng)過(guò)覆冰(雪)、污穢、高海拔地區(qū)。在低溫、高濕、高海拔地區(qū)，受氣象(微氣象)、地形(微地形)的影響，超、特高壓輸電線路易遭受冰雪災(zāi)害的影響[2]。2008年初，罕見的冰雪災(zāi)害導(dǎo)致我國(guó)南方大面積停電甚至電網(wǎng)解列，給人民的生命、財(cái)產(chǎn)和安全構(gòu)成了極大的威脅[3，4]。近年來(lái)輸電線路事故仍時(shí)有發(fā)生。因此，深入研究絕緣子覆冰形成的機(jī)理及覆冰后的閃絡(luò)過(guò)程和特性，對(duì)于我國(guó)超、特高壓輸電工程建設(shè)和外絕緣設(shè)計(jì)具有工程應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)絕緣子覆冰機(jī)理及覆冰后的電氣特性開展了大量的研究。文獻(xiàn)[5]在多功能人工氣候室模擬自然覆冰條件試驗(yàn)研究了不同環(huán)境參數(shù)對(duì)110 kV復(fù)合絕緣子覆冰的影響。文獻(xiàn)[6]研究了在嚴(yán)重覆冰條件下，絕緣子直徑對(duì)閃絡(luò)特性的影響，提出了用于預(yù)測(cè)不同直徑的覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[7]研究了自然條件下懸式復(fù)合絕緣子雨凇與輕霧凇覆冰形態(tài)，并從水滴碰撞和凍結(jié)兩個(gè)過(guò)程揭示了兩類覆冰形態(tài)差異的原因。文獻(xiàn)[8]針對(duì)35 kV復(fù)合絕緣子開展了不帶電及帶不同電壓類型的雨凇覆冰試驗(yàn)，對(duì)比分析了電壓類型對(duì)絕緣子覆冰及閃絡(luò)特性的影響。文獻(xiàn)[9]在人工氣候室研究了不同傘裙結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子的覆冰增長(zhǎng)及電氣特性，結(jié)果表明：絕緣子的覆冰量和閃絡(luò)電壓與傘裙結(jié)構(gòu)、泄漏距離、覆冰水電導(dǎo)率等均有關(guān)系。文獻(xiàn)[10]研究了間插布置方式對(duì)絕緣子串閃絡(luò)特性的影響，結(jié)果表明：“3+1”和“4+1”的絕緣子串布置方式可大大提高覆冰絕緣子的交流冰閃電壓。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子覆冰進(jìn)行了大量的研究，但僅有部分學(xué)者涉及覆冰過(guò)程中晶釋效應(yīng)的研究。由于晶釋效應(yīng)的存在，覆冰水在凍結(jié)過(guò)程中溶解的導(dǎo)電離子會(huì)被排釋在冰晶體外表面，致使其中的導(dǎo)電離子重新分布，從而導(dǎo)致冰晶體內(nèi)部的電導(dǎo)率呈現(xiàn)差異。為了計(jì)算剩余冰層電阻，文獻(xiàn)[11，12]利用三角冰板模型在交、直流電壓下，建立了覆冰水電導(dǎo)率和冰表面電導(dǎo)率兩者之間的線性關(guān)系。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)圓柱形冰樣品的研究表明，冰內(nèi)、外表面電導(dǎo)率隨著外施電壓的升高而升高，并且電壓與電導(dǎo)率之間呈指數(shù)關(guān)系。鄧禹等基于高錳酸鉀溶液的冷凝實(shí)驗(yàn)證明了冰水相變過(guò)程中鹽分遷移現(xiàn)象的存在，并研究了鹽分遷移對(duì)覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓及泄漏電流的影響[14，15]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要基于各種覆冰模型研究了覆冰水相變過(guò)程中的晶釋效應(yīng)，但是，缺乏對(duì)覆冰絕緣子導(dǎo)電離子分布規(guī)律的研究。鑒于此，本文在人工氣候室采用兩種染污方式對(duì)35 kV復(fù)合絕緣子分別開展帶電與不帶電雨凇覆冰試驗(yàn)，對(duì)比分析電場(chǎng)對(duì)絕緣子覆冰的影響；然后，基于融冰期對(duì)融冰水電導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果，揭示導(dǎo)電離子在冰中的空間分布；最后，基于閃絡(luò)試驗(yàn)研究晶釋效應(yīng)對(duì)覆冰絕緣子閃絡(luò)特性的影響。

1 試品、試驗(yàn)裝置及程序

1.1 試品

試驗(yàn)選用FXBW-35/70試品，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和示意圖分別見表1和圖1。表1中，L為爬電距離，h為結(jié)構(gòu)高度，d為芯棒直徑，d1、d2分別為大、小傘直徑。

表1 試品結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of composite insulator (單位：mm)

圖1 試品絕緣子示意圖Fig.1 Configuration of specimen

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在直徑2.0 m、長(zhǎng)4.0 m的低溫、低氣壓人工氣候室進(jìn)行，如圖2所示。室內(nèi)最低溫度為-36 ℃，噴頭采用IEC推薦的標(biāo)準(zhǔn)定制，水滴顆粒直徑范圍為10～120 μm，氣候室內(nèi)部的風(fēng)扇不僅可模擬風(fēng)速，而且使過(guò)冷卻水滴及室內(nèi)溫度分布均勻，試驗(yàn)電源通過(guò)穿墻套管引入。

圖2 低溫、低氣壓人工氣候?qū)嶒?yàn)室Fig.2 Artificial climate chamber with low temperature and low pressure

1.3 試驗(yàn)程序

本文試驗(yàn)內(nèi)容主要包括覆冰試驗(yàn)、融冰試驗(yàn)和閃絡(luò)試驗(yàn)3部分。

1)覆冰試驗(yàn)：在氣候室內(nèi)模擬自然覆冰條件下，水滴直徑為100～120 μm，噴霧流量為80 mm/h，環(huán)境溫度為-8 ℃，風(fēng)速為1～3 m/s。根據(jù)絕緣子人工覆冰試驗(yàn)的要求，覆冰水在噴霧之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)冷卻至4 ℃。詳細(xì)的覆冰試驗(yàn)程序見文獻(xiàn)[16，17]。

2)融冰試驗(yàn)：待覆冰達(dá)到要求后，拍照并將絕緣子取出置于恒溫環(huán)境中融化。為了探究導(dǎo)電離子在冰中的分布規(guī)律，將冰層和冰棱分別進(jìn)行融化并測(cè)量融冰水電導(dǎo)率。以冰層融化為例，試驗(yàn)步驟為：①將完成覆冰后的復(fù)合絕緣子從氣候?qū)嶒?yàn)室取出置于恒溫環(huán)境中，為了減小試驗(yàn)誤差，整個(gè)測(cè)量過(guò)程試驗(yàn)人員佩戴橡膠手套；②隨著時(shí)間的增加，冰層由外向內(nèi)開始融化，融化的水滴經(jīng)漏斗收集最終滴落在量筒中；③假 設(shè)絕緣子表面覆冰厚度及冰層融化速度一致，則同一時(shí)間冰層各處的厚度相等，每隔1 min取出量筒，并在下一滴融冰水滴落前更換新量筒，測(cè)量融冰水電導(dǎo)率并記錄其溫度；④冰層脫落或融冰水電導(dǎo)率幾乎不變時(shí)融冰試驗(yàn)結(jié)束。

3)閃絡(luò)試驗(yàn)：在融冰期，覆冰絕緣子的平均閃絡(luò)電壓通過(guò)均勻升壓法[2，18]獲得。閃絡(luò)試驗(yàn)過(guò)程中，在待加壓絕緣子下方放置器皿收集閃絡(luò)時(shí)的融冰水，并測(cè)量其電導(dǎo)率和溫度。

2 覆冰絕緣子電場(chǎng)仿真計(jì)算

為了分析電場(chǎng)對(duì)絕緣子覆冰及離子分布的影響，本文采用有限元法建立試品絕緣子的二維軸對(duì)稱模型，利用COMSOL軟件對(duì)覆冰絕緣子的電場(chǎng)進(jìn)行仿真。仿真所用到的試品結(jié)構(gòu)參數(shù)均為實(shí)測(cè)值，外施電壓為20 kV，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)合絕緣子雨凇覆冰下的電壓分布Fig.3 Potential distribution for glaze iced composite insulators

由圖3可知，絕緣子覆冰形態(tài)對(duì)其表面電場(chǎng)分布有顯著的影響。與未覆冰相比，隨著冰凌長(zhǎng)度的增加，覆冰絕緣子表面電場(chǎng)分布越來(lái)越不均勻，冰凌尖端電場(chǎng)明顯畸變。當(dāng)冰凌橋接了大部分傘裙時(shí)，被冰凌所圍的封閉空間內(nèi)，沒有電壓等值線穿過(guò)，覆冰絕緣子表面的高電導(dǎo)率水膜起了很好的屏蔽作用，高壓端大傘傘裙冰凌附近電壓等值線密集，電壓梯度變化大，此處的空氣間隙承受了絕緣子大部分電壓降，易產(chǎn)生電暈，如果電源的能量足夠大，則發(fā)展成為局部電弧，抑制冰凌的生長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)覆冰過(guò)程中試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)，由于雨凇覆冰濕增長(zhǎng)的特性，在覆冰過(guò)程中絕緣子表面存在高電導(dǎo)率水膜。因此，冰凌尖端會(huì)形成水滴(如圖4a所示)，進(jìn)而發(fā)生覆冰滴水(如圖4b所示)。以往的仿真研究沒有考慮上述現(xiàn)象，本文采用圖4a、圖4b所示的模型進(jìn)行仿真，其對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果分別如圖4c、圖4b 所示。

圖4 復(fù)合絕緣子冰凌尖端模型及其仿真結(jié)果Fig.4 Composite insulators icicle tip models and their simulation results

仿真結(jié)果表明，當(dāng)冰凌尖端存在水滴及發(fā)生覆冰滴水現(xiàn)象時(shí)，高壓端冰凌尖端電場(chǎng)強(qiáng)度由5.72 kV/cm分別增加到7.93 kV/cm、9.18 kV/cm，大于覆冰環(huán)境下空氣間隙的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而誘發(fā)局部放電。在分析絕緣子覆冰增長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)考慮上述兩種現(xiàn)象對(duì)覆冰的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電場(chǎng)對(duì)絕緣子覆冰形態(tài)的影響

當(dāng)電導(dǎo)率γ20=320 μS/cm，覆冰結(jié)束后，絕緣子帶電與不帶電覆冰形態(tài)如圖5所示。不帶電覆冰時(shí)，絕緣子被冰凌完全橋接，冰凌光滑、豎直，且冰凌直徑較粗，內(nèi)部無(wú)氣泡。帶電覆冰時(shí)，冰凌尖端出現(xiàn)向絕緣子軸線側(cè)彎曲現(xiàn)象，冰凌根數(shù)少，冰凌間的空隙較大，且冰凌直徑小，內(nèi)部出現(xiàn)氣泡。這主要是因?yàn)榻^緣子帶電覆冰條件下，電場(chǎng)對(duì)分布在空氣中的過(guò)冷卻水滴有極化作用，使得水滴沿著電場(chǎng)的方向移動(dòng)，冰凌尖端出現(xiàn)彎曲。隨著覆冰時(shí)間的增長(zhǎng)，冰凌長(zhǎng)度增加。由圖3可知，絕緣子表面電場(chǎng)分布不均勻，冰凌尖端水滴的存在以及覆冰滴水過(guò)程，都有可能誘發(fā)冰凌尖端產(chǎn)生電暈甚至局部電弧，而且因絕緣子表面泄漏電流的作用，使得冰凌較細(xì)、不易橋接傘裙。

圖5 復(fù)合絕緣子帶電與不帶電覆冰形態(tài)Fig.5 Appearance of ice-covered composite insulators under energized and non-energized conditions

3.2 電場(chǎng)對(duì)晶釋效應(yīng)的影響

為了分析電場(chǎng)對(duì)晶釋效應(yīng)的影響，本文在320 μS/cm、500 μS/cm和800 μS/cm三種覆冰水電導(dǎo)率下，對(duì)復(fù)合絕緣子分別開展了帶電與不帶電覆冰試驗(yàn)。冰層及冰凌融冰水電導(dǎo)率隨融冰時(shí)間的變化關(guān)系分別如圖6和圖7所示。

圖6 帶電與不帶電覆冰時(shí)的冰層融冰水電導(dǎo)率比較Fig.6 Comparison between melting water conductivity under energized icing and non-energized icing

圖7 帶電與不帶電覆冰時(shí)的冰凌融冰水電導(dǎo)率比較Fig.7 Comparison between melting water conductivity under energized icing and non-energized icing

由圖6可知，無(wú)論絕緣子覆冰過(guò)程中是否帶電，冰層融冰水電導(dǎo)率隨融冰時(shí)間的增加均呈非線性下降，且下降的速度先快后慢。以絕緣子不帶電覆冰為例，當(dāng)γ20分別為800 μS/cm、500 μS/cm和320 μS/cm時(shí)，冰層融化10 min之后，融冰水電導(dǎo)率分別由1 617 μS/cm、849 μS/cm和447 μS/cm下降到503 μS/cm、352 μS/cm和225 μS/cm，分別下降了68.9%、58.5%和49.7%，融冰30 min時(shí)的電導(dǎo)率分別為22.3 μS/cm、25.1 μS/cm和16.9 μS/cm。由此可見，絕緣子覆冰水在由液態(tài)至固態(tài)的相變過(guò)程中離子分布發(fā)生了變化，靠近冰層外表面離子濃度最大；在冰層與絕緣子交界面處離子濃度最低，融冰水電導(dǎo)率最小。分析其原因可能為：①過(guò)冷卻水滴在凍結(jié)過(guò)程中，溫度持續(xù)降低，溶質(zhì)的溶解度降低結(jié)晶析出；②覆冰水在凍結(jié)過(guò)程中會(huì)釋放大量的潛熱，其中溶解的導(dǎo)電離子獲得能量由凍結(jié)部分向未凍結(jié)部分遷移，最后凍結(jié)的部分導(dǎo)電離子濃度最高，即冰層外面離子含量最多。當(dāng)離子遷移速度小于水滴凍結(jié)速度，遷移結(jié)束。由于大量的導(dǎo)電離子獲得能量遷移至冰層外表面，僅有部分離子凍結(jié)在冰層中，因此冰層內(nèi)表面離子濃度最低。

從圖6可明顯看出，電場(chǎng)對(duì)晶釋效應(yīng)有影響，絕緣子帶電覆冰時(shí)的冰層融冰水電導(dǎo)率顯然低于不帶電覆冰時(shí)。電場(chǎng)對(duì)離子分布的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①絕緣 子帶電覆冰時(shí)由于泄漏電流的熱效應(yīng)，過(guò)冷卻水滴在絕緣子表面的凍結(jié)速度減慢、凍結(jié)量減少，由晶釋效應(yīng)釋出的導(dǎo)電離子沿絕緣子表面流失；②水分子是極性分子，在電場(chǎng)作用下被極化成電偶極子。由于交流電場(chǎng)的時(shí)變特性，導(dǎo)電離子和電偶極子在平衡位置做往返移動(dòng)，遷移至冰層表面的導(dǎo)電離子減少。

由圖7可知，絕緣子在帶電和不帶電覆冰條件下，冰凌融冰水電導(dǎo)率與融冰時(shí)間呈非線性，且不帶電覆冰時(shí)的冰凌融冰水電導(dǎo)率高于帶電覆冰時(shí)的融冰水電導(dǎo)率。原因?yàn)椋孩俳^緣子帶電覆冰時(shí)，由于泄漏電流、冰凌尖端局部放電的熱效應(yīng)，使得水滴在冰凌表面的凍結(jié)速度減慢，容易沿冰凌流失；②冰凌尖端水滴滴落瞬間提高了冰凌尖端與水滴間的電場(chǎng)，容易誘發(fā)電暈放電；③絕緣子帶電覆冰時(shí)，其冰凌內(nèi)部含有大量氣泡。

3.3 污穢對(duì)晶釋效應(yīng)的影響

為了模擬不同染污程度，等值附鹽密度(Equivalent Salt Deposit Density，ESDD)取值分別為0.08 mg/cm2、0.10 mg/cm2和0.15 mg/cm2，絕緣子表面覆冰厚度d分別取4 mm、6 mm和8 mm，覆冰水電導(dǎo)率為115 μS/cm。冰層及冰凌融冰水電導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 不同覆冰厚度下的冰層融冰水電導(dǎo)率變化(ESDD=0.08 mg/cm2)Fig.8 Melting water conductivity of the ice layer under different ice thicknesses (ESDD=0.08 mg/cm2)

圖9 不同覆冰厚度下的冰凌融冰水電導(dǎo)率變化(ESDD=0.08 mg/cm2)Fig.9 Melting water conductivity of icicle under different ice thicknesses (ESDD=0.08 mg/cm2)

圖10 不同鹽密下的冰層融冰水電導(dǎo)率變化(d=8 mm)Fig.10 Melting water conductivity of the ice layer under different ESDDs (d=8 mm)

圖11 不同鹽密下的冰凌融冰水電導(dǎo)率變化(d=8 mm)Fig.11 Melting water conductivity of icicle under different ESDDs (d=8 mm)

由圖8和圖9可知：

1)當(dāng)絕緣子表面染污時(shí)，冰層融冰水電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于不染污的情況，其最大值是覆冰水電導(dǎo)率的10.2倍，并且隨著覆冰厚度的增加，高數(shù)值電導(dǎo)率的數(shù)目也增加。電導(dǎo)率的最大值并未出現(xiàn)在冰層的外表面，而是靠近外表面的位置，當(dāng)溫度高于相變溫度時(shí)，冰層逐漸融化，待融化一段時(shí)間之后，水膜中含有大量的導(dǎo)電離子，提高了冰面水膜的電導(dǎo)率，在運(yùn)行電壓下，絕緣子有可能發(fā)生冰閃。隨著融冰時(shí)間的增加，電導(dǎo)率逐漸下降，但在絕緣子與冰層的交界面附近融冰水電導(dǎo)率略有升高，其原因是：絕緣子表面污穢以及冰層中的導(dǎo)電離子在融化時(shí)均溶解在融冰水中，提高了融冰水的電導(dǎo)率。

2)當(dāng)ESDD=0.08 mg/cm2、絕緣子覆冰厚度不同時(shí)，其冰凌融冰水電導(dǎo)率隨融冰時(shí)間的增加呈非線性下降。覆冰厚度越小，融冰電導(dǎo)率越高。當(dāng)d=4 mm時(shí)，融冰水電導(dǎo)率的最大值約為覆冰水電導(dǎo)率的5.7倍。隨著融冰時(shí)間的增加，電導(dǎo)率逐漸降至很低的水平。分析其原因是：由噴頭噴出的過(guò)冷卻水滴接觸絕緣子表面，溶解了部分污穢。在水滴凍結(jié)過(guò)程中，污穢中的導(dǎo)電離子受晶釋效應(yīng)的影響，遷移至冰層表面。含有大量導(dǎo)電離子的水膜沿著冰凌向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中被凍結(jié)。冰層厚度越薄，覆冰水中的導(dǎo)電離子越容易遷移到冰層表面。因此，冰凌的融冰水電導(dǎo)率越高。

由圖10和圖11可知：

1)當(dāng)d=8 mm，絕緣子表面染污鹽密不同時(shí)，冰層融冰水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與圖8一致。融冰水電導(dǎo)率先升高后降低，在冰層與絕緣子交界面處略有升高。并且隨著污穢等級(jí)的增加，電導(dǎo)率最大值升高，冰層中的離子濃度增大。例如，當(dāng)ESDD=0.15 mg/cm2時(shí)，融冰水電導(dǎo)率的最大值約為覆冰水電導(dǎo)率的12.4倍。

2)在不同染污鹽密下，冰凌融冰水電導(dǎo)率隨時(shí)間增加呈非線性下降。染污鹽密越大，融冰水電導(dǎo)率越高。當(dāng)ESDD分別為0.08 mg/cm2、0.10 mg/cm2和0.15 mg/cm2時(shí)，對(duì)應(yīng)的融冰水電導(dǎo)率最大值分別為覆冰水電導(dǎo)率的3.5、4.2和6.0倍，低于冰層融冰水的電導(dǎo)率。其原因?yàn)椋罕M管絕緣子表面覆蓋了一層薄污穢，但污穢主要影響冰層內(nèi)部導(dǎo)電離子的空間分布。與冰層相比，冰凌內(nèi)的電導(dǎo)率空間分布主要受覆冰水的影響，受絕緣子表面污穢影響較小。

3.4 晶釋效應(yīng)對(duì)閃絡(luò)特性的影響

對(duì)于清潔絕緣子，在帶電與不帶電情況下，采用電導(dǎo)率γ20分別為320 μS/cm、500 μS/cm和800 μS/cm的覆冰水進(jìn)行覆冰時(shí)的閃絡(luò)電壓Uf及閃絡(luò)過(guò)程中的融冰水電導(dǎo)率分別見表2和圖12。

表2 帶電與不帶電情況下，覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓Tab.2 Flashover voltage of iced composite insulators under energized and non-energized conditions

圖12 覆冰絕緣子閃絡(luò)過(guò)程中的融冰水電導(dǎo)率Fig.12 Melting water conductivity of iced composite insulators during the flashover

由表2可知，在相同的覆冰試驗(yàn)條件下，覆冰水電導(dǎo)率和電場(chǎng)對(duì)復(fù)合絕緣子的覆冰閃絡(luò)電壓均有影響。無(wú)論是否帶電，隨著γ20的增大，閃絡(luò)電壓逐漸降低。絕緣子帶電覆冰時(shí)的Uf明顯高于不帶電時(shí)，并且隨γ20的增大，差異逐漸增大。這主要是由于帶電覆冰條件下，電場(chǎng)不均勻分布使得冰凌不能完全橋接絕緣子傘裙，與不帶電時(shí)相比，泄漏距離增大，進(jìn)而閃絡(luò)電壓升高。隨著γ20的增大，放電活動(dòng)劇烈，冰凌與傘裙間的間隙增大，泄漏距離與不帶電時(shí)的差值更大，同時(shí)γ20越大，晶釋效應(yīng)越顯著，從而使得兩者之間的閃絡(luò)電壓差值越來(lái)越大。

由圖12可知，帶電覆冰絕緣子閃絡(luò)時(shí)的融冰水電導(dǎo)率低于不帶電時(shí)。隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加，融冰水電導(dǎo)率先略有上升，然后逐漸下降，這與前述試驗(yàn)結(jié)果基本一致。融冰水電導(dǎo)率上升的原因?yàn)椋涸诟脖^緣子進(jìn)行閃絡(luò)試驗(yàn)過(guò)程中，絕緣子表面大部分區(qū)域出現(xiàn)局部放電或穩(wěn)定的電弧，由此產(chǎn)生的各種離子及雜質(zhì)進(jìn)入融冰水中，提高了融冰水的電導(dǎo)率。

4 結(jié)論

1)電場(chǎng)對(duì)絕緣子的覆冰形態(tài)有顯著影響。在帶電條件下，冰凌較細(xì)，不易橋接相鄰傘裙；冰凌尖端水滴及覆冰滴水過(guò)程均會(huì)誘發(fā)電暈放電，抑制冰凌生長(zhǎng)。

2)對(duì)于清潔絕緣子，冰層及冰凌融冰水電導(dǎo)率隨融冰時(shí)間的增加均呈非線性下降。由于電暈放電及泄漏電流的熱效應(yīng)，帶電覆冰時(shí)的融冰水電導(dǎo)率低于不帶電時(shí)。

3)對(duì)于染污絕緣子，污穢程度對(duì)晶釋效應(yīng)的影響較為顯著，其融冰水電導(dǎo)率最大值可達(dá)覆冰水電導(dǎo)率的12.4倍。冰層中導(dǎo)電離子集中分布在冰層外表面，受表面污穢的影響，在絕緣子與冰層交界面處的融冰水電導(dǎo)率略有升高。與冰層相比，冰凌中導(dǎo)電離子的分布主要受覆冰水的影響，污穢對(duì)其影響較小。

4)絕緣子帶電覆冰時(shí)的閃絡(luò)電壓高于不帶電時(shí)，而閃絡(luò)時(shí)的融冰水電導(dǎo)率低于不帶電時(shí)。隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加，融冰水電導(dǎo)率基本呈下降趨勢(shì)。

[1] 周浩，邱文千，孫可，等.特高壓交直流輸電技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014.

[2] 蔣興良，舒立春，孫才新.電力系統(tǒng)污穢與覆冰絕緣[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[3] 潘力強(qiáng)，張文磊，湯吉鴻，等.2008年湖南電網(wǎng)特大冰災(zāi)事故綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(增刊2)：20-25.

Pan Liqiang，Zhang Wenlei，Tang Jihong，et al.Overview of the extraordinarily serious ice calamity to Hunan Power Grid in 2008[J].Power System Technology，2008，32(S2)：20-25.

[4] 袁偉，舒立春，蔣興良，等.交流電場(chǎng)對(duì)220 kV復(fù)合絕緣子覆冰及其閃絡(luò)特性的影響[J].高電壓技術(shù)，2013，39(6)：1541-1548.

Yuan Wei，Shu Lichun，Jiang Xingliang，et al.Influence of AC electrical field on 220 kV composite insulators icing and flashover characteristics[J].High Voltage Engineering，2013，39(6)：1541-1548.

[5] 趙世華，蔣興良，張志勁，等.環(huán)境參數(shù)對(duì)110 kV復(fù)合絕緣子覆冰增長(zhǎng)過(guò)程的影響[J].高電壓技術(shù)，2012，38(10)：2575-2581.

Zhao Shihua，Jiang Xingliang，Zhang Zhijin，et al.Impact of environmental parameters on the icing process of 110 kV composite insulators[J].High Voltage Engineering，2012，38(10)：2575-2581.

[6] Farzaneh M，Zhang J，Volat C.Effect of insulator diameter on AC flashover voltage of an ice-covered insulator string[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13(2)：264-271.

[7] 薛藝為，陽(yáng)林，郝艷捧，等.輸電線路懸式復(fù)合絕緣子雨凇與輕霧凇覆冰形態(tài)和覆冰過(guò)程對(duì)比研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31(8)：212-219.

Xue Yiwei，Yang Lin，Hao Yanpeng，et al.A comparative study on icing morphology and process of glaze and light rime in suspension composite insulators on transmission lines[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(8)：212-219.

[8] 胡琴，袁偉，舒立春，等.電壓類型對(duì)復(fù)合絕緣子覆冰及閃絡(luò)特性的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(3)：268-276.

Hu Qin，Yuan Wei，Shu Lichun，et al.Influence of voltage types on composite insulator icing and flashover characteristics[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(3)：268-276.

[9] 劉毓，蔣興良，舒立春，等.復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)其冰閃特性的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(8)：319-326.

Liu Yu，Jiang Xingliang，Shu Lichun，et al.Influence of characterizing shed configuration parameters of composite insulators on icing flashover performance[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(8)：319-326.

[10]張志勁，蔣興良，胡建林，等.間插布置方式對(duì)交流絕緣子串覆冰特性影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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.

[11]Farzaneh M，Zhang J，Chen X.Modeling of AC arc discharge on ice surfaces[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(1)：325-338.

[12]Farzaneh M，Zhang J.Modeling of DC arc discharge on ice surfaces[J].IEE Proceedings-Generation Transmissions and Distribution，2000，147(2)：81-86.

[13]Farzaneh M，Chen X，Zhang J.The influence of applied voltage on the surface conductivity of atmospheric ice deposited on insulating surfaces[C]//IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Montreal，Montreal,Quebec,Canada,1996：275-278.

[14]鄧禹，賈志東，韋曉星，等.冰水相變過(guò)程中鹽分遷移現(xiàn)象及其對(duì)融冰泄漏電流的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(28)：184-191.

Deng Yu，Jia Zhidong，Wei Xiaoxing，et al.Salt migration phenomena during phase transition in cooling water and its impact on leakage current[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(28)：184-191.

[15]Deng Yu，Jia Zhidong，Wei Xiaoxing，et al.Mechanism of salt migration in icicles during phase transition and its impact on ice flashover[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19(5)：1700-1707.

[16]蔣興良，趙世華，張志勁，等.覆冰絕緣子串泄露電流與覆冰量及覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(10)：296-303.

Jiang Xingliang，Zhao Shihua，Zhang Zhijin，et al.Relationship between leakage current of ice-covered insulators icing weight，and icing water conductivity[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(10)：296-303.

[17]Jiang Xingliang，Chen Ling，Zhang Zhijin，et al.Equivalence of influence of pollution simulating methods on DC flashover stress of ice-covered insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25(4)：2113-2120.

[18]董冰冰，蔣興良，黎振宇，等.35 kV輸電線路絕緣子串交流覆冰閃絡(luò)特性試驗(yàn)方法的比較[J].高電壓技術(shù)，2014，40(2)：421-426.

Dong Bingbing，Jiang Xingliang，Li Zhenyu，et al.Comparison of test methods on AC icing flashover performance of insulators installed in 35 kV transmission lines[J].High Voltage Engineering，2014，40(2)：421-426.

(編輯 張洪霞)

Distribution of Conductive Ions in Ice-Covered Composite Insulators

JiangXingliang1HuYuyao1WangQuanlin1FanCaijin1ZhuChengzhi2

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China
2.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Hangzhou 310000 China)

To research the influence of the electric filed and pollution method on the distribution of conductive ions in ice-covered composite insulators，a series of energized and non-energized tests were conducted on 35 kV composite insulators with glaze icing using two different types of pollution methods in artificial climate chamber.Combined with COMSOL simulation，the influence of water droplet on the icicle tip and droplet ejection during icing on insulators icing was analyzed.And the influence rule of the electric field，pollution method and pollution severity on ions distribution was revealed.Test results show that the appearance of ice-covered insulator，ions distribution in the ice layer and icicle and the flashover voltage are significantly impacted by the electric field；melting water conductivity under energized condition is lower than that under non-energized condition using icing water conductivity method；melting water conductivity is much higher than freezing water conductivity using the sold layer method under non-energized condition；the flashover voltage of ice-covered insulator under energized condition is higher than that under non-energized condition，however，melting water conductivity during the flashover is opposite.Therefore，the crystallization effect should be taken into account when analyzing the flashover performance of ice-covered insulators.

Ice-covered insulator，conductive ion，conductivity，electric field，crystallization effect

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(GY71-14-033)。

2016-05-03 改稿日期2016-06-13

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160593

TM85

蔣興良 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣技術(shù)、氣體放電和輸電線路覆冰及防護(hù)。

E-mail：xljiang@cqu.edu.cn

胡玉耀 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜大氣環(huán)境下輸電線路外絕緣及防護(hù)。

E-mail：hyuyaocqu@163.com(通信作者)