500kV绝缘子串的人工雾淞覆冰和放电试验

粟福珩 贾逸梅 王均谭 李 刚

摘要 叙述在试验室条件下产生雾淞类型覆冰的方法和对500 kV线路悬式绝缘子串进行人工雾淞覆冰以及工频电压放电特性试验研究的情况。试验结果表明，与雨淞型覆冰绝缘子串相比较，两者在放电现象及绝缘抗电强度上有很大的差异。

关键词 绝缘子串 雾淞 放电 中图分类号：TM855

ARTIFICIAL RIME COVERING AND DISCHARGE TESTS

OF 500 kV INSULATOR STRINGS Su Fuheng Jia Yimei

North China Electric Power University，Beijing，100085 China

Wang Juntang Li Gang

Sichuan Electric Power Company，Chengdu，610061 China

ABSTRACT This paper describes the method of rime formation in laboratory and artificial rime discharge tests of long insulator string.The test results confirm that there is a great difference of dischargephenomenon and electric insulation strength between the rime co-vered insulator and the glaze covered one. KEY WORDS Insulator string Rime Discharge

1 前言

中国西部水力资源丰富，正在建设许多500 kV输电线路。这些线路经过的地区一般为海拔数千米的山地，每年冬春季节都有严重的覆冰问题。在高海拔山区，覆冰类型主要是雾淞。而过去关于覆冰绝缘子电气性能的试验研究和文献资料大都是雨淞覆冰的。为了满足工程建设需要及为高寒山区输电线路的绝缘配合和绝缘设计提供依据，开展长绝缘子串的人工雾淞覆冰和工频电压放电特性试验研究，是一项极有意义的工作。

2 雾淞的一般特征和形成条件

每年11月至翌年2月，是电力系统冰害事故的多发期。在我国西南高海拔山区，每当冬季寒潮自北方侵入，与西南海洋来的暖湿气流对峙，加上受山地阻隔，形成准静止峰。此时近地面温度降低到0℃以下，加上这一地区水汽来源广，湿度大，海拔高，过冷水滴的直径很小，常常形成持续数日的低温和浓雾天气。在这种天气下，极易形成雾淞。一般形成雾淞的典型天气是：气温在－5～15℃，

有浓雾，风速为0～5m/s。在严重情况下，输电线路导线上的雾淞覆冰直径达到几十至几百毫米，绝缘子串的伞裙迎风上下表面被雾淞包裹，伞裙之间被雾淞充塞，甚至形成一个圆柱形覆冰整体。

覆冰是过冷水滴在低温物体上的冻结。由于水滴大小、冻结温度等条件的差别，覆冰可形成为雾淞或雨淞。形成为哪一种类型取决于小水粒冻结时释放热量的速度同这些热量被强制散发到周围环境中去的速度是否达成平衡。雾淞一般由过冷云雾或极小水粒冻结而成，由于水粒直径很小，一经碰到低温物体表面就马上冻结，因此，绝缘子上的雾淞可以认为是在其表面维持干燥状态下由许多小冰晶逐步堆积成长起来的。并因此具有组织精细，结构蓬松，附着力小，受到外力振动或在融化时容易脱落的特点。比重一般较轻，为0.1～0.4。相比之下，雨淞是在下冻雨或水滴尺寸较大时形成的。由于大水滴的冻结需要较长时间，当碰撞到物体表面后，在冻结之前将沿着表面流动或淌开，因此绝缘子上的雨淞是在表面为湿状态下由水膜的逐步冻结而增厚的。其表面较平滑、坚硬，呈透明或由于夹杂有大量空气泡而显白色半透明状，粘附力强，比重在0.8～0.92间。可见，由于形成条件不同，雾淞和雨淞在形成过程、形态、覆冰量以及物理性质上有着较大的差别。对覆冰绝缘子电气强度的影响程度也必然有很大的差别。

根据国外有关资料介绍［1］和我们进行的大量试验研究，要在人工条件下形成雾淞，必须严格控制水粒直径在15μm以下，才能保证雾淞的形成。另外，较低的冻结气温和一定的风速也有利于雾淞的形成。当温度愈低时，形成的雾淞愈干和松，因而比重也轻(例如在－15℃下比重为0.1左右)。随着温度提高，雾淞变得较为湿润柔软，比重也随之增大(例如－7℃下比重约为0.25)。根据我们的经验，在进行绝缘子串人工雾淞覆冰试验时，试验条件可取表1所提供的数据。

表1 人工覆冰试验中形成雾淞的试验条件

Table 1 Experimental conditions for produceing rime

水滴直径/μm 气温/℃ 风速/m*s－1 ≤15 －7～－20 2～5 3 500 kV长绝缘子串的人工雾淞覆冰

由29片机械破坏负荷为21okN的标准型绝缘子(尺寸为Φ280×170)组成的500 kV悬式绝缘子串试件，串长为4.93 m，下方高压端安装均压环后全长为5.3 m。这些绝缘子串的人工雾淞覆冰是在一个高度为6.7 m的冷冻室内完成的(见图1)。冷冻室的温度最低可达－20℃。悬式绝缘子串吊在冷冻室的中央，外围有一个圆筒形集雾罩，由制冷机蒸发器送出的强劲冷风带动水雾化器产生的雾汽经风斗进入集雾罩，由下向上经过绝缘子串，许多雾粒在运行中与绝缘子串碰撞，冻结形成雾淞。由于正确设计了集雾罩的形状和进出口尺寸，可以使绝缘子串获得上下厚度均匀一致的覆冰。雾汽的产生由一台超声波水雾化器完成。它产生的雾粒直径为5～15μm。因为是直接由冰水生成，因此，易于变成过冷水滴和很快冻结。在覆冰过程中没有对绝缘子串施加电压。这是考虑到雾淞覆冰属于“干成长”过程。由于不存在因潮湿水膜引起绝缘子串泄漏电阻的降低，即使加电压，在覆冰过程中沿绝缘子串流过的泄漏电流也几乎等于零［2］，由此产生的热效应十分微小，因此带电与不带电对于绝缘子串上雾淞的生成不应有明显影

响。

实践表明，采用上述方式，在绝缘子串上形成的雾淞与实际情况很类似。雾淞的比重在0.1～0.25之间。为了考核最危险情况，试验中大多数绝缘子串的覆冰模拟了自然界中重冰区的严重情况。伞面最大冰厚达5～6 cm，径向最大冰厚迎风侧3 cm，最小也有1 cm，绝缘子串所有伞间被雾淞充塞，伞裙被冰桥接，全串形成一个被雾淞包裹的冰柱。完成一串绝缘子串的人工雾淞覆冰约需3～4天。

图1 人工雾淞覆冰装置

Fig.1 Artificial rime covering set-up

4 500 kV雾淞覆冰绝缘子串工频放电特性试验

过去对重雨淞覆冰的500 kV绝缘子串施加工频电压试验［3］，观察到在加压后，覆冰迅速溶化形成水流，使绝缘子的泄漏电阻大大降低和产生较大的泄漏电流。泄漏电流支持在覆冰断口处发生的局部放电的发展，逐渐由电晕放电、紫色丝状放电发展成白色电弧。当覆冰严重和冰水电导率较大时，泄漏电流的增长和白色电弧的发展极快，最终将导致绝缘子串闪络。研究表明，重雨淞覆冰的500 kV绝缘子串的工频放电电压有很大的降低，在某些情况下已经难以耐受正常运行电压。那么，在我国西南高海拔山区普遍发生、类型为重雾淞覆冰的500 kV线路绝缘子串，其电气强度能否有保证呢?

在1995年和1996年两个冬季期间我们进行了一系列500 kV绝缘子串雾淞覆冰和工频耐压试验。由于冷冻室就建在高压实验大厅内，当绝缘子串完成覆冰后，吊出来放在大厅宽敞的环境中加压试验，可免除在窄小的冷冻室内试验时邻近效应的影响。试验期间大厅内气温为2～15℃，这一温度较实际线路开始发生冰闪活动的0℃气温更有利于覆冰的融化，因此试验所得耐受电压能力的结果将比实际偏低，但这对于工程应用更具安全性。

试品串分为清洁绝缘子串和污秽绝缘子串两大类。覆冰形态有均匀覆冰和不均匀覆冰等情况，但都为重覆冰。

试验设备为1000 kV工频试验变压器。耐压试验方法采用恒压法。分别进

行了施加500 kV线路的最大相对地运行电压317.5 kV(即550 kV/3)及提高到1.1～1.55倍电压的耐受试验，主要试验情况见表2。

表2 500 kV雾淞覆冰绝缘子串工频耐压试验结果 Table 2 Results of power frequency voltage withstand

test on 500 kV rime-covered insulator strings

绝缘子 耐受电 为系统最大 电压梯度 污秽盐密 试验 片数 压/ kV 电压的倍数 /kV/片 /mg.cm－2 结果 317.50 412.75 29 500.00 381.00 412.75 1.00 1.30 1.55 1.20 1.30 10.95 14.23 16.97 13.14 耐受 14.23 0.06 从试验中观察到，对均匀雾淞覆冰绝缘子串，当吊出冷冻塔并施加电压后，开始时绝缘子串上无放电现象出现，测量泄漏电流为零。随着时间增长，绝缘子表面的雾淞在气温和电压的作用下开始缓慢融化，有断续的水滴落下并伴随有小块雾淞脱落，此时测量绝缘子串的泄漏电流仍几乎为零。几分钟后，绝缘子串高压端均压环处首先产生蓝紫色电晕放电，串下部的雾淞融化加快，下落水滴增多，在覆冰薄弱处开始出现覆冰的断口，并在断口上发生间歇的电晕放电，监测泄漏电流的示波器上不时可见尖脉冲放电波形，但幅值不大。十多分钟后，在放电活动较大的绝缘子串下部分，伞裙间原先覆冰桥接处已全部出现断口，串的上部靠近接地端的几片绝缘子间也出现了断口，泄漏电流仍很小，约为1～3 mA。后来，一些绝缘子上的雾淞已融化大半，残留在表面上的冰亦呈峰窝状结构，极易滑脱，串下部的几片绝缘子上已形成干区，泄漏电流渐趋于零，整个绝缘子串的放电现象减弱。此现象持续半个多小时后串上覆冰已近融化完毕，试验结果为耐受。对于不均匀覆冰的长绝缘子串，与均匀覆冰时不同的是，在施加电压后不久就在覆冰有断口的地方首先出现了蓝紫色电晕放电，但测量的泄漏电流亦不大，约1KG-*9mA。随时间的增长，覆冰融化，断口增多，但因融化水量始终不很大，泄漏电流和放电并无明显发展，试验结果亦均为耐受。对涂污的500 kV雾淞覆冰绝缘子串的耐压试验，则现象与清洁串时有较明显差别。加压开始后，在下部高压端均压环与邻近绝缘子的间隙上即发生电晕放电，串上覆冰融化较清洁串时稍快，有较多水滴滴下和一块块雾淞掉落，泄漏电流达到1～5 mA。几分钟后，串中部绝缘子伞间的桥接雾淞也依次被破坏，在产生了断口的绝缘子上开始发生断续的、颜色为红黄色的火花放电，放电主要发生在靠近钢脚的棱间和钢帽附近瓷面上。火花放电即起即熄，并且各片绝缘子上的放电是同时爆发，发出呼呼的响声!观测泄漏电流为突发的尖顶波(见图2)，最大峰值达30 mA，火花放电停歇时的平稳

图2 雾淞覆冰污秽绝缘子串泄漏电流波形

Fig.2 Leakage current waveform of contaminative

insulator string covered with rime

电流约为5mA。然而随着时间增长，冰逐渐融化、掉落并使绝缘子表面上的盐污流失，泄漏电流减小，火花放电爆发越来越弱并最终停止，绝缘子串上只有零星的紫红色丝状放电或电晕放电发生，此后，覆冰融化掉落贻尽，进行几次试验的结果均为耐受。为了了解雾淞覆冰绝缘子发生冰闪的过程，我们又对8片及13片串的覆冰绝缘子串进行了耐压试验。随电压梯度的升高，雾淞溶化加快，绝缘子串滴水增多。泄漏电流上升但数值仍不是很大，串上放电活动也不很强烈。当电压梯度大于35 kV/片时，才突然发生闪络。

5 结论

(1)在我国西南高海拔山区，低比重的雾淞是线路绝缘子串覆冰的主要类型。 (2)严格控制雾粒尺寸、气温和风速等条件，可实现在绝缘子串上形成类似于自然界雾淞结构和形态的覆冰。

(3)对比雾淞覆冰绝缘子串与雨淞覆冰绝缘子串的放电试验，可见到由于雾淞的结构蓬松，比重轻，覆冰量小，且因附着力小而易于脱落，因此在耐压试验中冰溶化产生的水量少，泄漏电流增长和放电活动发展都受到限制，从而耐受电压能力比雨淞时明显提高。 (4)从耐压试验结果，可认为重雾淞覆冰的29片串500 kV线路绝缘子仍有较好的抗冰闪电气强度。

华北电力大学电力工程系，100085 北京 四川省电力公司，610061 成都 栗福珩 贾逸梅 王均谭 李 刚

教授，从事高电压绝缘与测试技术、电力设备在线监测技术研究。 教授，从事高电压试验技术，电力设备在线监测技术研究。 教授级高工，从事电网技术研究。 高工，从事电网技术研究。

6 参考文献

[1] Farzaneh M, et al.AC flashover performance of Insulators covered with artificial ice.IEEE/PEC 1994 summer Meeting. San Francisco

[2] Farzaneh M,Drapeau J F.Ice accretion on energized line insulators.iuternational journal of off shore and polar engineering,Vol.2,No.3,1992

[3] 栗福珩等.500 kV覆冰绝缘子串的工频和操作冲击电压特性试验.高电压技术，1991，1