复合绝缘子伞裙结构特征参数对其冰闪特性的影响

刘 毓 蒋兴良 舒立春 向 泽

（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400044）

1 引言

绝缘子是电力系统使用量最大的器件[1]，绝缘子覆冰研究是研究输电线路防覆冰必不可少的内容。从1989 年年底到次年年初，复合绝缘子在我国工业投网运行以来[2]，对提高输电线路耐污闪水平，维护电网安全运行方面起到了巨大作用。但是目前常用的复合绝缘子普遍存在伞间距小、易被冰棱和电弧桥接等特点[3-5]，在覆冰气象条件下电气性能大大降低。随着输电线路电压等级不断提升[6,7]，对防冰闪性能的要求也越来越高，冰闪性能不够优异的复合绝缘子渐渐显出弊端。

在以往对覆冰复合绝缘子伞裙结构优化的研究中[8-12]，研究者们并未考虑带电覆冰与不带电覆冰的差别。例如，文献[10]根据不带电覆冰试验测得数据建立了复合绝缘子计算模型，指出覆冰和伞裙结构对闪络电压的影响。文献[11]根据气候室不带电覆冰试验数据，对空气流场和过冷却水滴撞击绝缘子表面的过程进行了模拟分析，提出了伞裙结构优化的方案。

然而，很多研究已经证实，电场对绝缘子覆冰的冰棱形态、覆冰重量、覆冰密度、覆冰速度等有很大影响，带电覆冰试验与不带电覆冰试验有很大的差异[13-23]。文献[13]的研究得到：带电情况下，电场的吸引力作用在一定程度上增加绝缘子的覆冰量与覆冰密度，高压端冰棱容易向绝缘子芯棒弯曲。文献[15-17]指出，带电覆冰绝缘子（串）高压端冰棱不桥接而留有空气间隙。文献[19]对线路绝缘子的带电覆冰试验得到结论：带电覆冰情况下的覆冰密度较不带电时要小，主要取决于电场强度、覆冰水电导率以及绝缘子材料、结构等因素。

为了使试验更加接近实际情况、所得数据更加具有工程应用价值，本文针对对电力系统危害最大的雨凇覆冰，模拟输电线路实际运行中复合绝缘子的覆冰情况，对其进行带运行电压覆冰试验，分析伞裙结构对冰闪电压的影响，为伞裙结构参数寻求最优值，实现伞裙结构优化的目标。

2 人工覆冰试验

2.1 试验装置及试品

试验装置为大型多功能人工气候室及其相关设备，其技术参数指标满足复合绝缘子覆冰试验的要求[4,5]。试验原理和接线图参见文献[5]。

试品为三种伞裙结构的 35kV 复合绝缘子FXBW—35/70和四种伞裙结构的110kV 复合绝缘子FXBW—110/100，均为现有的冰区用复合绝缘子。按泄漏距离的递增顺序将试品编号为：A、B、C、D、E、F和G。各自的结构示意和基本技术参数分别如图1和表1 所示。

图1 试品绝缘子结构示意图Fig.1 The configuration of tested specimens

表1 试品绝缘子参数Tab.1 Parameters of tested insulators

2.2 试验方法

参照IEC 60507[22]的标准，采用覆冰水电导率法模拟输电线路实际运行中的绝缘子不同染污情况，覆冰前绝缘子表面洁净。根据试验中常模拟的几种污秽等级，改变20℃时覆冰水电导率γ20（300μS/cm、640μS/cm、1 120μS/cm、1 825μS/cm），每隔30min记录一次覆冰状态，使用监测导体[18]测量绝缘子覆冰厚度，其值取布置在绝缘子附近（上、中、下）三个监测导体覆冰厚度的平均值。当覆冰达到要求后，继续冷冻试品15min，以使冰表面水膜彻底冻结，最后分别采用U 形曲线法[1]测量最低闪络电压Umin。

3 试验结果及分析

当试品绝缘子伞裙全部桥接后（高压端伞裙除外），停止覆冰，测得此时A、B、C 号绝缘子覆冰厚度为10mm，D、E、F、G 号绝缘子覆冰厚度为13mm，继续冷冻15min 后采用U 形曲线法测量最低闪络电压Umin。

3.1 覆冰量

试验测得两种电压等级、不同伞裙结构的复合绝缘子在带运行电压下，不同的γ20对应的覆冰重量比较如图2 所示。

图2 试品绝缘子覆冰重量比较Fig.2 Comparision of ice weight of tested insulators

从图2a、图2b 的对比中可以直观地看出：

（1）对于同电压等级、不同伞裙结构的复合绝缘子，在相同电气条件下的覆冰重量与伞裙结构及覆冰水电导率都有关系。

（2）结构高度越大、伞裙数量越多、伞裙半径越大，则覆冰量越多。特别是G 号绝缘子，因其伞裙数量明显多余D、E、F 号绝缘子，故其覆冰量也明显多于D、E、F 号（见图2b）。因为结构高度相同时，泄漏距离s与CF系数越大，绝缘子表面积越大，其捕获过冷却水滴的概率就越大，故覆冰量随着s与CF系数的增加而增加。

3.2 冰棱形态

电场与伞裙结构对雨凇覆冰的冰棱形态有很大的影响。在严重覆冰时，高压端伞裙不被桥接，留有一定空气间隙，部分绝缘子低压端伞裙也不桥接。原因在于带电覆冰时，沿面电场分布较瓷和玻璃绝缘子串更加不均匀[18]，在高压端和低压端会出现高电场区。当冰棱长度增长到一定值时，这两个地方的冰棱尖端会出现电晕放电从而抑制冰棱的进一步增长，因此高低压端冰棱增长速度较中间部分冰棱慢，高压端电场强度较低压端更强，这种抑制作用更明显。分以下两种情况：

（1）随着冰棱的增长，最先总是高压端的冰棱由电晕放电转为出现间歇性燃烧的电弧[21]，电弧的燃烧放热遏制冰棱的继续增长甚至使既成的冰棱尖端炸裂、脱落，从而高压端总是留有一定的空气间隙。低压端虽然电场强度也较强，存在一定的放电现象，但是放电强度没有高压端大，大部分情况冰棱都要桥接。当高压端出现电弧放电时低压端冰棱已经桥接，那么低压端冰棱放电现象将变得不明显，因为大部分电压降落在高压端间隙。最后将只有高压端存在空气间隙，如图3a 所示。

（2）倘若在高压端出现电弧放电时低压端冰棱尚未桥接（这时中间部分伞裙全部桥接），中间部分冰棱表面水膜串联电阻很小，低压端空气间隙也将承担很高电压。而高压端电弧放电又将间歇性地短接高压端间隙，这就进一步增强低压端空气间隙的场强，从而低压端开始出现电弧放电。根据试验中的观察，这个时候电弧放电严重，常出现稳定燃烧的电弧。这种情况下低压端冰棱也无法继续增长，最后在高低压端均留有空气间隙，如图3b 所示。

此外，电场的吸引作用使得高压端冰棱向芯棒弯曲。由于部分试品绝缘子k1过大，导致大伞上冰棱尖端与（中）小伞边缘之间的空气间隙很小甚至被桥接，如图4 所示。

图3 高低压端空气间隙Fig.3 Air gaps at high-voltage and low-voltage top

图4 冰棱向芯棒弯曲Fig.4 Icicles bending to the core rod

3.3 闪络电压

大量试验结果表明[1,26,30-32]，覆冰绝缘子最低闪络电压与覆冰水电导率成幂函数关系，即Umin与γ20的关系可表示为

式中，W为常数，其值与覆冰状态、伞裙结构等有关；c为γ20对Umin影响的特征指数，c＞0。

将试验测得数据用上式拟合（相关系数均在0.96 以上），在Matlab 中绘制出拟合曲线与原始数据的图形，如图5 所示。其中，散点图为试验原始数据，曲线为拟合幂函数曲线。

图5 最低闪络电压Umin与γ20的关系Fig.5 Uminof tested specimens versus γ20

从闪络电压曲线可以得到以下几点结论：

（1）随着γ20的增加，闪络电压降低。

（2）伞裙结构对冰闪电压有明显影响，且爬电距离s对冰闪电压的影响与k1、k2、k3以及CF系数有关（参数k1～k3、CF的意义详见表2）。

（3）35kV 绝缘子中，闪络电压最高的是C 号，但是比较其结构参数可知，其结构参数仍然存在不足之处，如k1过大、k2过小。110kV 绝缘子中，闪络电压最高的是E 号，但是其k1偏小，可适当调大，CF系数较大，可适当减小。

4 伞裙结构特征参数优化

4.1 参数定义

充分考虑影响冰闪电压的因素（如伞间距、伞伸出、爬距等），定义几个表征绝缘子形状特征的参数k1、k2、k3，表达式及示意图见表2。三个参数之间相互独立，和CF系数[8]一起，能够综合反映伞裙结构的特征，将伞裙结构数字化表示，可以更加方便地分析伞裙结构对复合绝缘子冰闪特性的影响。

表2 伞裙结构参数定义Tab.2 Definition of shed configuration parameters

表3 所示为文中所用试品绝缘子的参数值。

表3 试品绝缘子伞裙结构参数Tab.3 Sheds configuration parameters of tested insulators

4.2 参数取值

（1）k1。绝缘子覆冰时，随着冰厚和冰棱长度的增加，大伞冰棱的尖端与（中）小边缘之间空气间隙的长度越来越小，特别是带电覆冰情况下，高压端冰棱会向芯棒弯曲，这就进一步减小了上述空气间隙的长度，甚至桥接间隙。为了增大大伞冰棱尖端与（中）小边缘之间空气间隙的长度（特别是带电覆冰时），绝缘子的大（中）小伞伞径差Δx要足够大，且根据文献[11]基于流体力学的分析，Δx的增大还可以减小水滴碰撞系数，减少覆冰量。又因为带电情况下，越靠近绝缘子芯棒电场强度就越大[10]，放电现象越严重，因此伞伸出（表2 中x）要足够大，以使冰棱处电场强度尽可能小，况且伞伸出越大，爬电距离也越大。但是由于复合材料硬度等的限制，伞伸出也不宜过大，因此x变化范围很小。假定x不变，则参数k1=x/Δx要求足够小。

（2）k2。倘若相邻大伞间距（即表2 中w）不够大，即使覆冰不严重、冰棱长度不太长也可造成伞裙的桥接，因此为尽可能避免冰棱桥接伞裙，w应足够大。既然w应尽可能大，x变化很小，那么在满足足够泄漏距离的前提下，k2=w/x应该足够大。

（3）k3。根据前面的分析，大（中）小伞伞径差Δx要足够大，从表2 可以看出，Δx越大，折线y1-y2-y3就越向芯棒弯曲，∑yi就越大。极限情况是当相邻两大伞间中伞和小伞伞伸出都为 0 时，Δx=x，∑yi=w；当中伞和小伞伞伸出都为x时，Δx=0，仍然有∑yi=w。既然中伞和小伞伞伸出取值在0和x之间，那么就一定有个合适的值或者范围是对闪络电压最有利的，也就是∑yi必有一个合适的范围。又因为∑zi反映的是泄漏距离的大小，∑zi越大，泄漏距离越大。为了有足够的爬距，∑zi应足够大。但是现有的复合绝缘子大都过分追求爬距[5,7,8]，几乎不存在爬距过小的问题，因此，∑zi应以满足覆冰地区的要求为主取值。这样，k3=∑zi/∑yi也有个合适的值对闪络电压最有利。

（4）CF系数。因为CF=泄漏距离s/干弧距离l≈(∑zi)/w，根据上面的分析，∑zi与w都应该尽可能大，但是∑zi越大表明伞裙越密集，w就越小，二者同时取大在一定程度上互相矛盾。既然二者不能同时增大，它们的比值就不能维持在一个稳定值上，那么CF系数就和k3一样需要确定一个对冰闪电压最有利的最优值。

4.3 特征参数最优取值

为了求取对冰闪电压最有利的伞裙结构参数k1、k2、k3以及CF系数的取值，本文求取了严重覆冰时七种试品绝缘子在几种覆冰水电导率下沿电弧的闪络电压梯度El（El=Umin/l），结果见表4。对El的求取，可以将不同电压等级的复合绝缘子伞裙结构参数归一分析，求取适用于任何电压等级的复合绝缘子最优伞裙结构参数。

表4 试品绝缘子闪络电压梯度ElTab.4 Icing flashover gradient Elof tested insulators （单位：kV/m）

将带电覆冰时各电导率下的El与各伞裙结构参数分别进行二次多项式拟合，发现所有参数和El的拟合曲线都开口向下，即都存在一个令El最大的最优值，这说明参数的定义与二次多项式拟合符合实际规律，可以用来作为求取参数最优值的方法。计算的具体步骤如下：

对El与4 个参数分别拟合，得到4 簇开口向下的抛物线，如图6 所示。抛物线的对称轴对应横坐标即为令El取值最大的最优参数值。

图6 不同电导率下El和结构参数的拟合曲线Fig.6 Fitted curve of El and sheds configuration parameters with different water conductivities

表5 所示为拟合得到的各参数在不同电导率下的系数以及令El最大时的最优取值。对各参数在不同电导率下的最优值取平均得到该参数的最优值。

表5 拟合系数及最优参数取值Tab.5 Fitting coefficients and optimal parameter values

从图6 中可以看出，每簇曲线的对称轴非常靠近，即每种电导率下的参数最优取值很接近，并且对比表5和表3 可以知，E 号和C 号绝缘子特征参数和计算所得最优取值最为接近，而试验结果E号和C 号闪络电压分别最高，这说明本文所用曲线拟合的方法符合客观规律，且计算结果精度较高。

由表5 可知，本文得到带电严重覆冰条件下复合绝缘子伞裙结构参数k1、k2、k3及CF系数最优取值分别为：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可为冰区用复合绝缘子伞裙结构设计提供理论依据。

5 结论

（1）运行电压对绝缘子覆冰形态影响显著。在实验室条件（环境温度为-5～0℃、风速为3m/s、过冷却水滴直径为80～100μm）下带运行电压覆冰时，复合绝缘子高压端冰棱一般不桥接，少部分绝缘子低压端冰棱也不桥接，在电场强度较高的高压端，冰棱容易向绝缘子芯棒弯曲。

（2）带电覆冰情况下，覆冰水电导率对绝缘子覆冰量的影响很小，而伞裙结构对覆冰量的影响很大，且覆冰量随着泄漏距离s与CF系数的增加而增加。

（3）对伞裙结构特征参数的定义可以使研究伞裙结构对复合绝缘子冰闪特性的影响更方便，且爬电距离s对冰闪电压的影响与伞裙结构特征参数有关。

（4）对伞裙结构特征参数与闪络电压梯度El的多项式拟合符合实际规律。计算得到严重覆冰地区复合绝缘子的特征参数k1、k2、k3及CF系数最优取值分别为：2.270 2、2.922 4、1.863 9、3.081 7，可为冰区用复合绝缘子伞裙结构优化设计提供理论依据。

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