李亞偉，張星海，賈志東，孫 磊，周 朋

（1.國網四川省電力公司 電力科學研究院，成都610072； 2.清華大學深圳研究生院，深圳518055）

線路絕緣子覆冰中鹽分分布規(guī)律研究

李亞偉1，張星海1，賈志東2，孫 磊2，周 朋2

（1.國網四川省電力公司 電力科學研究院，成都610072； 2.清華大學深圳研究生院，深圳518055）

絕緣子覆冰后電氣性能大幅下降，在融冰期，由冰內鹽分分布不均造成的冰面高電導率水膜顯著提高閃絡概率。以玻璃絕緣子為研究對象，通過覆冰試驗，測量了不同覆冰條件下，融冰水電導率隨融冰時間的變化趨勢，根據測量結果選擇合理的擬合方程，研究了絕緣子覆冰內的鹽分遷移特性，定義了冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β對冰層鹽分分布進行定量表征。研究結果表明，沿覆冰融化方向，雨凇覆冰內的含鹽量按指數規(guī)律下降。冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β受溫度、降水強度、風速、電壓等覆冰環(huán)境因素的影響，不同因素的影響規(guī)律有所不同。本文研究成果可作為計算絕緣子覆冰閃絡概率的參考。

鹽分遷移；融冰水；電導率；覆冰；絕緣子

0 引言

隨著我國電網建設的開展，超特高壓輸電線路難免會經過眾多氣象條件復雜區(qū)域，極易受到覆冰等各類自然災害的威脅[1-4]。覆冰可對輸電線路、鐵塔等造成機械損傷，并大幅降低線路絕緣子電氣性能，引起倒塔、斷線和絕緣子閃絡等。目前國內外針對線路絕緣子覆冰問題，進行了覆冰機理[5-8]、閃絡特性[9-13]、防冰措施[14-17]等方面的大量研究，并取得了豐富的成果?，F有研究表明，鹽分在冰層內的遷移過程和分布規(guī)律，是決定絕緣子串閃絡特性的重要因素。

覆冰在絕緣子表面形成時，由于溶質再分配過程，覆冰水中的鹽分會由即將凍結的冰層向尚未凍結的水層轉移，導致覆冰表層含鹽量遠高于內部含鹽量，這一過程即為鹽分遷移。

對于雨凇覆冰，鹽分遷移使得覆冰絕緣子在融冰期冰面出現高電導率水膜，由于水膜電導率遠高于空氣，因此前者的出現導致冰棱與傘裙之間的空氣間隙承擔了絕緣子串大部分電壓降落，全串電場畸變加劇，閃絡概率大幅增加[18-21]。

為了研究鹽分在冰層內的分布規(guī)律，文獻[18]以冰凍小球為研究對象，測量了融冰水電導率沿小球徑向的分布，指出了融冰水與覆冰水電導率的差異性，但其研究變量較為單一，未充分考慮環(huán)境因素變化造成的鹽分分布差異。文獻[19]通過測量絕緣子覆冰融冰水電導率變化曲線，驗證了覆冰表層含鹽量高于內部含鹽量，并指出在不同覆冰條件下，融冰水電導率變化趨勢具有普遍性，文獻[20]通過KMnO4溶液冷凝試驗，研究了鹽分遷移的顯微結構，以及覆冰增長速率和絕緣子染污程度對冰層鹽分分布的影響，文獻[19-20]的研究均以定性為主，并未提出可以有效表征絕緣子冰層鹽分分布的方法或參數。文獻[22]通過絕緣子覆冰試驗指出，冰棱中鹽分含量遠高于冰殼，但其將研究對象分為冰棱尖端、根部和冰殼3部分，忽略了鹽分在冰層內部的分布差異。

筆者通過改變環(huán)境參數，進行玻璃絕緣子覆冰試驗，并10 mL為取樣單位，按照融冰順序，連續(xù)取樣并測量融冰水電導率，得到了冰內鹽分分布的基本規(guī)律，并提出了用于表征冰層鹽分分布的表層含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β，定量分析了覆冰環(huán)境因素對以上兩個參數的影響規(guī)律，研究成果可為計算覆冰絕緣子閃絡概率提供重要依據。

1 試驗裝置與方法

1.1 試品介紹

試驗所用絕緣子結構參數見表1，試品布置方式為4片串懸垂結構。

為排除表面染污對絕緣子冰層內鹽分分布的影響，試驗均用潔凈絕緣子。

1.2 試驗裝置

試驗在清華大學深圳研究生院能源電工試驗室覆冰氣候室內進行。氣候室內部溫度最低可達-20℃，通過一側的空氣霧化噴頭對絕緣子進行覆冰水噴淋，降水量和覆冰水粒徑可由供水量、風速進行調節(jié)。氣候室內部裝有溫度和重量傳感器，可實時監(jiān)測覆冰環(huán)境溫度和絕緣子覆冰重量。

表1 試驗絕緣子結構參數Table 1 Structural parameters of test insulators

覆冰電壓加載和信號采集系統(tǒng)示意圖見圖1。試驗所用電源為5 kVA/0.1 A，絕緣子泄漏電流通過測量系統(tǒng)顯示和記錄在PC端。

圖1 覆冰電壓加載和信號采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of icing chamber

1.3 試驗方法

由于絕緣子覆冰融化是從表層開始，后逐漸向內層進行，且有研究表明，含鹽量與融冰水電導率呈正比[23-25]，故而后者隨時間的變化曲線即可反映冰層內的鹽分由外向內的分布情況。因此筆者以融冰水電導率表征鹽分在冰層中的含量。

覆冰試驗開始前需要對覆冰水進行預冷卻，保持其溫度在0℃到1℃之間。

試驗前在氣候室懸掛4片玻璃絕緣子，并開始降溫，達到預定溫度后開啟供水系統(tǒng)，通過噴頭對絕緣子進行噴淋覆冰，同時施加合適的電壓。試驗中保持絕緣子所處環(huán)境條件和外加電壓穩(wěn)定，覆冰持續(xù)時間為1 h。覆冰結束后降壓（如需進行帶電測量，則在測量結束后降壓），停供水，并進行融冰水電導率測量。

測量融冰水電導率的方法如下。覆冰試驗結束后打開氣候室門，進行自然升溫融冰，并收集融冰水，每收集10 mL融冰水時測量并記錄電導率，后重新收集并重復以上過程。

為研究溫度、降水強度、風速和電壓等因素對絕緣子覆冰鹽分遷移規(guī)律的影響，按照單一變量原則，設計了如下4組試驗。

1）覆冰環(huán)境溫度依次為－3、－4、－5、－6 ℃，并保持降水強度7.3 mm/h，風速2.2 m/s，電壓為0。

2）降水強度依次為 7.3、6.4、5.5、4.6 mm/h，并保持溫度－4℃，風速2.2 m/s，電壓為0。

3）覆冰環(huán)境風速依次為 2.6、2.9、3.4、4.4、5.3、6.2 m/s，并保持溫度－4℃，降水強度4.6 mm/h，電壓為0。

4）絕緣子外加電壓依次為 0、4、8、12、16、20 kV，保持溫度－4℃，風速2.9 m/s，降水強度4.6 mm/h。

為防止傘裙被橋接后冰棱端部鹽分遷移對冰殼含鹽量產生影響，試驗中冰棱均未橋接傘裙。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

試驗得到典型覆冰形態(tài)見圖2，從形態(tài)來看，可判定為雨凇，不同試驗條件下其密度測量結果在0.5 g/cm3～0.85 g/cm3之間。

圖2 絕緣子表面雨凇覆冰形態(tài)Fig.2 The appearance of glaze ice on insulators

試驗結束后對融冰水電導率進行測量。圖3給出了溫度對融冰水電導率的影響；降水強度和風速對融冰水電導率的影響見圖4和圖5；圖6為融冰水電導率隨電壓的變化情況。圖中σ/σ0為融冰水電導率（σ）與覆冰水電導率（σ0）之比。

圖3 不同溫度下融冰水電導率測量結果Fig.3 Measurement results of conductivity of melting ice water under different temperatures

圖3—圖6的測量結果表明，不同因素對融冰水電導率的影響有所不同，但其隨溫度、降水強度、風速和電壓的變化趨勢基本相同，均先快速下降后保持平穩(wěn)。這表明可以用統(tǒng)一的方程對不同條件下的測量數據進行擬合，根據擬合結果對冰內鹽分遷移規(guī)律進行分析，可以有效提取特征信息，避免對繁雜的測量數據的直接討論。

圖4 不同降水強度下融冰水電導率測量結果Fig.4 Measurement results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

圖5 不同風速下融冰水電導率測量結果Fig.5 Measurement of conductivity of melting ice water under different wind speeds

圖6 不同電壓下融冰水電導率測量結果Fig.6 Measurement of conductivity of melting ice water under different voltages

根據圖3—圖6，本文選用擬合方程為

式中：y（n）為融冰水電導率（σ）與覆冰水電導率（σ0）之比；n為測量次序，代表融冰量。并定義α為冰面含鹽系數，α越大，表示冰面含鹽量越高；定義β為冰內鹽分分布系數，β越大，表示沿著覆冰融化方向，冰內含鹽量下降越快。

2.2 溫度對鹽分分布影響

不同溫度下，融冰水電導率擬合結果見圖7。

試驗用覆冰水電導率及擬合曲線R2值見表2。

表2中R2值均大于0.95，說明方程（1）能夠基本概括試驗條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β隨溫度變化見圖8（a）和圖8（b）。

圖7 不同溫度下融冰水電導率擬合結果Fig.7 Fitting results of conductivity of melting ice water under different temperatures

表2 不同溫度下擬合結果Table 2 Fitting results under different temperatures

圖8 不同溫度下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.8 The law of ice salt distribution under different temperatures

圖8（a）表明，α值隨溫度升高而減小，這與試驗中發(fā)現的溫度較高時冰棱尖端出現滴水現象保持了一致，說明較高溫度下液滴凍結緩慢，流失相對較多，其沖刷作用使冰面鹽分有一定流失，導致α值有所下降。

圖8（b）表明，β值隨溫度上升出現小幅上升。這說明溫度升高，覆冰水凍結時間延長時，其中的鹽分得以更加充分地遷移，加劇了覆冰表面和內部含鹽量的差異。

2.3 降水強度對覆冰鹽分分布的影響

降水強度的影響主要體現在覆冰形態(tài)上，其減小削弱了冰殼增長和冰棱伸長。降水強度過低時，將嚴重抑制冰棱生長。

試驗結果表明，絕緣子表面冰棱數量隨降水強度降低而逐漸減少，當后者降至4.6 mm/h時，絕緣子表面覆冰透明且無冰棱。

不同降水強度下融冰水電導率測量結果和擬合結果見圖9，對應的覆冰水電導率以及擬合曲線R2值見表3。

圖9 不同降水強度下融冰水電導率擬合結果Fig.9 Fitting results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

表3 不同降水強度下擬合結果Table 3 Fitting results under different rainfall intensities

表3的擬合結果中，不同降水強度下的擬合曲線R2值不小于0.96，說明方程（1）能夠基本概括試驗條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

降水強度變化時冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數 β 見圖10（a）和圖10（b）。

圖10 不同降水強度下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.10 The law of ice salt distribution under different rainfall intensities

圖10表明，α值和β值與覆冰是否形成冰棱緊密相關，當降水強度降低且噴頭霧化效果提高至一定程度，導致絕緣子邊緣不出現冰棱時，冰殼的α值和β值將大幅上升，原本聚集于冰棱的鹽分此時大多分布于冰殼外表面，提升了冰面含鹽量和冰層內外鹽分差異。而在有冰棱形成時，α值和β值未隨降水強度而出現大幅變化。

這說明，盡管冰棱減少降低了傘裙橋接風險，但是由于其提高了冰殼表面含鹽量，仍可能在融冰初始階段促使閃絡發(fā)生。

2.4 風速對覆冰鹽分分布的影響

其他條件不變時，風速增加有利于噴嘴霧化效果提升，減小覆冰液滴直徑。這樣一方面提高了液滴接觸到冰面后的凍結速度，減緩了鹽分遷移過程，另一方面也抑制了液滴的流動性，使得冰棱生長較為困難，冰層表面可能積累更多鹽分。

試驗發(fā)現，風速增加時，絕緣子邊緣冰棱數量有所增加，當達到6.2 m/s時，表面覆冰類型由雨凇轉變?yōu)榛旌馅?，說明該環(huán)境下干增長過程非常顯著?；旌馅「脖螒B(tài)見圖11，其密度測量結果為0.48 g/cm3。

不同風速下融冰水電導率測量結果和擬合結果見圖12，對應的覆冰水電導率以及擬合曲線R2值見表4。

圖11 絕緣子表面混合凇覆冰Fig.11 Mixed-phase ice on the surface of insulator

圖12 不同風速下融冰水電導率擬合結果Fig.12 Fitting results of conductivity of melting ice water under different wind speeds

表4 不同風速下擬合結果Table 4 Fitting results under different wind speeds

表4中不同風速下的擬合曲線R2最小值接近0.97，表明方程（1）能夠基本概括試驗條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

不同風速下冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數 β 見圖13（a）和圖13（b）。

圖13表明，風速增加在提高冰層表面含鹽量的同時，也降低了內部相鄰冰層間的鹽分差異。液滴流動性變差之后，鹽分通過液滴滑落而流失的比例逐漸減少，同時冰棱生長變慢，導致冰殼含鹽量增加顯著。而在冰殼內部，不同層之間的含鹽量差異隨風速增加有降低趨勢，這表明液滴凍結速度加快，凍結前鹽分遷移能力下降，冰殼由外向內含鹽量下降趨勢變緩。

2.5 電壓對覆冰鹽分分布的影響

電壓引起的熱效應可延長液滴凍結時間，提高其流動性，使得鹽分遷移相對較為充分。

圖13 不同風速下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.13 The law of ice salt distribution under different wind speeds

不同電壓融冰水電導率測量和擬合結果見圖14。

圖14 不同電壓下融冰水電導率擬合結果Fig.14 Fitting results of conductivity of melting ice water under different voltages

覆冰水電導率以及擬合曲線R2值如表5所示。表5中，擬合曲線R2不小于0.90，部分可達0.99以上，表明方程（1）能夠基本概括試驗條件下冰層鹽分分布規(guī)律。

表5 不同電壓下擬合結果Table 5 Fitting results under different voltages

不同電壓下，冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數 β 見圖15（a）和圖15（b）。

圖15 不同電壓下冰層鹽分分布規(guī)律Fig.15 The law of ice salt distribution under different voltages

圖15表明，電壓升高時，其冰面含鹽系數α與冰內鹽分分布系數β均保持了先升高后降低的趨勢。這說明在一定范圍內，電壓升高產生的熱效應延長了水滴凍結時間，使鹽分向冰層表面的遷移更為容易，遷移量也較大，因此無論是冰面含鹽量還是冰層內外含鹽量的懸殊程度，都隨著電壓增加有所提升。

當電壓繼續(xù)增加時，電流的熱效應更加顯著，此時冰面液滴不僅凍結難度增加，而且有可能直接滑落，其沖刷作用反而導致了一定程度的冰表鹽分流失，引起α值與β值的下降。

3 結論

以4片懸垂串玻璃絕緣子為研究對象，通過覆冰試驗研究了絕緣子不同類型覆冰內的鹽分分布特性，定義了冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β，對絕緣子覆冰鹽分分布進行了定量分析，主要結論如下：

1）沿著覆冰融化方向，雨凇覆冰內，鹽分按指數規(guī)律下降，其下降規(guī)律可通過特征量冰面含鹽系數α和冰內鹽分分布系數β來表征；

2）冰面含鹽系數α隨溫度上升而緩慢下降，隨降水強度增加呈下降趨勢，且下降速度逐漸減小，隨風速增加呈線性上升，在電壓升高時，α先上升后逐漸下降；

3）冰內鹽分分布系數β在覆冰環(huán)境溫度提升時逐漸上升，而隨降水強度或風速的增加，其總體先快速下降，后保持平穩(wěn)，電壓持續(xù)升高時，β先升高后減小。

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Research on Law of Salt Distribution of Ice-Covered Transmission Line Insulators

LI Yawei1， ZHANG Xinghai1， JIA Zhidong2， SUN Lei2， ZHOU Peng2
（1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China;2.Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

Electrical performance of transmission lines fall sharply after icing.In the period of melting， high conductivity water film on the surface of ice， caused by uneven distribution of salt in ice，significantly increased the probability of flashover.Ice tests are carried out under different conditions with glass insulators， as research objects in the article， to measure the trend of melting ice water conductivity with time.According to measurement results，reasonable fitting equation is chosen to study salt migration characteristics of ice on insulators.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are defined for quantitative characterization.It is shown that， along the direction of melting，the salt content of glaze decline according to the law of index.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are affected by icing environment factors such as temperature， rainfall intensity， wind speed and voltage.The influence laws of different factors are different.The research results of the article can provide reference for flashover probability calculation of ice-covered insulators.

salt migration;melting ice water;conductivity;icing;insulators

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.023

2016-10-20

李亞偉 （1980—） 男，博士，高級工程師，研究方向為交直流絕緣子污穢、覆冰閃絡機理及其防治措施，復合外絕緣老化機理。

中國博士后科學基金面上資助 (編號：2014M562506XB)；國家電網公司科技項目 (編號：GY71-13-034)；國家自然科學基金 (編號：51177081)。