高电压作业-绝缘子覆冰闪络研究进展

学院班级学号姓名绝缘子覆冰闪络研究进展摘要：覆冰绝缘子的电气特性是绝缘子防冰闪措施研究的关键技术难题，国内外学者对此进行了大量试验、理论研究，取得了很多有价值的成果，但输电线路冰闪事故仍时常发生。

因此，总结了国内外关于绝缘子覆冰闪络的研究进展，为国内外从事绝缘子防冰闪工作的研究人员提供参考。

结合近80 年国内外对绝缘子覆冰闪络及其防治方法的丰富科学研究经验，从覆冰绝缘子表面冰层的物理特性、覆冰绝缘子试验方法、覆冰闪络特性及其冰闪数学模型等方面系统地总结分析了覆冰绝缘子闪络的各种影响因素/机理。

并对未来绝缘子覆冰闪络的研究提出了一些极具价值地建议和设想。

关键词：覆冰；绝缘子；闪络特性；研究进展Abstract：The electrical characteristics of ice-covered insulators is one of the key issues in developing anti-flashover measures for the insulators. Although there are many experiments and theoretical investigations of this issue worldwide,from which a lot of valuable results has been obtained, icing flashover accidents are still far from being prevented. There-fore, it is necessary to summarize these research results of flashovers on ice-covered insulator, so as to provide references for and guide further efforts on development of anti-flashover measures. On the basis of the rich experimental investiga-tions on icing flashover and anti-icing measures of insulators carried both at home and abroad in last eighty years. We also proposed some key topics, which covered icing flashover’s mechanism and characteristics and its mathematical prediction models, as well assome suggestions and ideas, for future researches of icing flashovers on insulator.Key words：icing; insulator; flashover performance; research and development引言覆冰是分布广泛的自然现象，人们已熟知纯冰的物理特性，但对积覆于绝缘子表面的污染冰层的物理特性和电气性能缺乏系统研究。

为表征绝缘子的覆冰特征，根据运行经验以及大量的观测和调查，宏观上将绝缘子覆冰程度分为轻微、轻度、中等和严重覆冰4种类型[1]。

自20世纪30年代起，国外便开始研究电网覆冰问题。

经过80余年的持续研究，国内外已经初步制定了绝缘子覆冰的试验方法，并在试验室内获得了大量的绝缘子冰闪特性的试验结果，所研究的绝缘子串涉及到超特高压交直流系统[2-3]。

由试验室的研究结果可知，在一定覆冰程度和运行电压下，融冰过程的最低冰闪电压、冰层和冰凌的覆冰水电导率是覆冰绝缘子电气特性最为重要的特征参数。

本文系统总结了近几十年来科研工作者取得的绝缘子覆冰闪络研究成果及尚待研究的科学难题，分析了其研究的发展趋势，并提出了解决上述问题的可能途径与努力方向。

1 冰与绝缘子冰闪1.1 冰的物理性质冰的形态决定了冰结晶形状和尺寸。

绝缘子表面冰的形态与其电气闪络有直接关系。

水在固化相变过程中，导电离子产生晶释效应，改变了绝缘子的放电路径，使其电气强度降低。

在融冰过程中冰体表面或冰晶体表面的水膜很快溶解污秽物中的电解质并提高融冰水或冰面水膜的导电率，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压[4-5]。

1.2 绝缘子冰闪过程对于绝缘子冰闪，要解决的基本问题有：①预染污是否为绝缘子冰闪的必要条件；②若预染污是必要条件，那该如何预测可能发生冰闪的线路的污秽类型和程度；③运行电压下长串(超高压或特高压)绝缘子的覆冰形成机理；④泄漏电流对覆冰形成类型的影响。

人工模拟和运行经验表明，严重覆冰条件下影响实际运行绝缘子闪络的主要因素有[13]：①绝缘子覆冰增长的类型(干、湿增长)、冰密度和覆冰质量；②运行电压下绝缘子长串覆冰时空气间隙的形成和分布规律；③冰层的电导率与冰层表面滴落水滴的电导率；④电压类型和直流电压极性。

覆冰绝缘子表面闪络过程极其复杂，相互作用的影响因素很多，如电场分布、冰面湿润度和污秽度、空气间隙的数量和位置、环境条件和绝缘子上冰层的形状和直径等。

2 覆冰绝缘子试验方法绝缘子覆冰引起的闪络在不同地域会有明显的差异，其原因在于冰的形态、类型、冰凌状态、覆冰质量、覆冰厚度各不相同。

人工气候室可以模拟自然环境绝缘子积覆的大多数覆冰类型，具有以下优点：①可在任意季节进行覆冰试验研究；②可精确控制模拟大气条件；③可分别研究影响绝缘子电气性能的各个参数。

虽然人工气候试验室研究具有很多优点，但在自然环境下研究绝缘子覆冰及其放电特性是验证人工模拟试验方法和试验结果的必不可少的环节。

2.1 覆冰绝缘子电气试验标准目前的人工覆冰试验方法是基于污秽和淋雨闪络试验方法的标准，即参照盐雾试验、清洁雾试验和淋雨试验的标准改进而来的，改进的淋雨试验方法最适用于模拟雨凇和雾凇的增长，采用此方法可减少试验的准备时间和试验费用。

覆冰试验电源必须具有足够大的容量和较强的电压调节能力，目前国内外尚未对覆冰试验电源提出特别的要求。

由于覆冰可以看成一种特殊的污秽形式，因此，国内外均是参照污秽试验电源的要求来规定覆冰试验电源[5]。

2.2 户外自然覆冰试验冬季冻雨或湿雪积聚会导致污秽绝缘子覆冰闪络，因此国外有些国家建立了绝缘子自然覆冰试验站(点)。

当温度接近0℃时，这些试验站不时会出现类似于文献[24]中的“雾浪”，进而导致绝缘子覆冰。

然而，自然覆冰试验站不能控制覆冰参数，试验环境极其恶劣，耗费的人力、物力、财力巨大，且取得的数据有限。

国内自然覆冰试验站更少，只有重庆大学在湖南省雪峰山建立了绝缘子自然覆冰基地[25]，配置了满足覆冰绝缘子闪络试验要求的试验电源装置，布置了各种型式的10~1 000 kV的交、直流绝缘子串。

为开展自然覆冰环境下电网覆冰机理、外绝缘特性、覆冰在线监测和预警技术，融冰、除冰技术，防冰冻新材料应用等电网防冰减灾课题研究创造了良好的试验平台，其研究结果对电力系统开展防冰减灾技术研究具有重要的参考价值和工程指导意义。

2.3 人工气候室覆冰试验方法的发展国内外许多研究机构在人工气候室所采用的覆冰绝缘子试验方法都是逐步发展完善的。

如：(1) 1967 年，Khalifa 等将自来水或蒸馏水直接喷射到已冷却至−18℃的人工气候室瓷绝缘子上覆冰[26]。

采用串联电阻为100 kΩ、40 kV 电压时其短路电流为400 mA 的交流高压电源对覆冰绝缘子进行试验。

(2) 1968年，Meier 等将长棒绝缘子放置于模套内，加入σ20=56 μS/cm 的覆冰水，使绝缘子表面均匀覆冰3 cm，覆冰密度为0.8 g/cm3。

试验发现，当温度为−20 ℃时，在加压3 h 后发生闪络；当温度为−10℃和−5 ℃时，分别在加压70 min 和 3 min 时发生闪络[27]。

(3) 1970 年，Kawai在户外进行了不带电覆冰试验，覆冰后利用400 kV 电源施加试验电压，串入15 kΩ电阻后的系统短路电流为26 A。

试验时施加电压恒定，让阳光使绝缘子冰雪自然融化。

结果表明，户外试验所得的长串绝缘子泄漏电流和闪络特性与人工气候室短串绝缘子的试验结果类似[28]。

(4) 1971 年，Renner等在Bonneville 电力公司采用额定电流 1.5 A、额定电压500 kV 的直流电源进行了绝缘子覆冰试验[29]。

采用淋雨装置在户外对带电绝缘子进行喷雾覆冰，研究其覆冰增长特性、以及其在融冰期和覆冰期的闪络和耐受特性。

先在一定试验电压下对绝缘子进行覆冰直至闪络，降低施加电压后再次覆冰直至耐受，不断重复以上步骤直至获得最低闪络电压。

(5) 1975 年，Schneider 采用串入12 k Ω电阻后最小短路电流为18 A 的400 kV 电源对超高压绝缘子进行了试验[30]。

当温度<3 ℃时，采用σ20=29μS/cm 的细雾进行了绝缘子带电覆冰试验。

覆冰持续至闪络发生或 4 h 后停止。

采用静止圆柱形导体来监测冰厚，试验时的雨凇覆冰厚度为25 mm，并同时测量绝缘子覆冰质量。

结果表明，“V形”绝缘子串的性能最好，标准悬垂布置的瓷绝缘子串次之，复合绝缘子串的性能最差。

(6) 1975 年，Lee 等在σ20=202μS/cm、电压500kV 条件下对耐张、悬式瓷及复合绝缘子串进行了试验，验证了V形串的良好覆冰特性[31]。

(7) 1979 年，Fujimura 等在−20℃的冷冻室中采用恒压法研究了绝缘子的耐受水平和闪络电压[32]，其覆冰水电导率σ20在50~500μS/cm 之间，绝缘子表面覆冰密度在100~130 mg/cm2之间，施加试验电压高达600 kV。

(8) 1980 年，Cherney利用室内试验装置对绝缘子施加恒定电压进行人工冻雨试验[33]。

由370 kV/1 666 kV A 变压器提供试验电源，采用的自来水进行覆冰，绝缘子施加的试验电压比运行电压(230、500 kV)高10%，降雨率在8~10 mm/h 之间，以25 mm 分裂导线上的表面覆冰增长作为参照。

由于清洁绝缘子未发生闪络，因此试品绝缘子预染污盐密为0.4 mg/cm2。

(9) 1982 年，Charneski 等在−12 ℃环境中采用σ20=200μS/cm 的自来水进行覆冰，在给定电压下使支柱绝缘子单面覆冰1 h，由10次试验发生闪络的次数(改变施加电压使其发生0~10次闪络)来确定其电气特性[34]。

试验电源由电压为75 kV、短路电流为6.7A 的变压器提供。