1、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室SKL-PES第第8章章 覆冰绝缘子放电过程和覆冰绝缘子放电过程和闪络特性闪络特性 电力系统污秽与覆冰绝缘电力系统污秽与覆冰绝缘1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室内容提要内容提要0 覆冰绝缘子放电过程覆冰绝缘子放电过程 覆冰绝缘子放电模型覆冰绝缘子放电模型 悬式绝缘子交流冰闪特性悬式绝缘子交流冰闪特性 悬式绝缘子直流冰闪特性悬式绝缘子直流冰闪特性 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室
2、覆冰绝缘子放电过程覆冰绝缘子放电过程8.1试验结果表明，覆冰不仅导致绝缘子串电压分布畸变，由于上、下表面覆冰不均匀还会引起单片绝缘子表面电压分布的畸变，这种电压分布的畸变是绝缘子(串)冰闪电压降低的主要原因之一。融冰过程中，绝缘子表面将形成导电水膜，因此覆冰绝缘子放电与污秽绝缘子放电相似，其放电过程也是由表面泄漏电流引起的，所以覆冰是一种特殊形式的污秽。根据人工覆冰闪络试验可知：当绝缘子覆冰后施加电压时，便产生泄漏电流。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 覆冰绝缘子串电压分布覆冰绝缘子串电压分布 由此可见，无论覆冰轻重如
3、何，覆冰对绝缘子串电压分布都有畸变作用；覆冰越重、电压分布畸变越严重，绝缘子串两端特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高，导致这些部位首先产生放电，局部冰层开始融化。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 9 9片串标准绝缘子严重覆冰时的闪络过程片串标准绝缘子严重覆冰时的闪络过程(t0=0.04s)(t0=0.04s)0 85t0 107t0 130t0 137t0 170t0 178t0 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室187t0 203t0 214t0
4、 220t0 236t0 251t0 255t0 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 9 9片串标准绝缘子严重覆冰时的局部电弧片串标准绝缘子严重覆冰时的局部电弧建立、发展和熄灭过程建立、发展和熄灭过程(t0=0.04s)(t0=0.04s)0 t0 2t0 3t0 4t0 5t0 6t0 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室当泄漏电流小于5mA时，外观上观测不到放电现象，Ic波形平稳；电压升高，Ic增大，当泄漏电流超过5mA时，高压端绝缘子钢脚出现蓝紫色局部
5、电晕放电，逐渐发展并加剧；电压继续升高，伞裙间冰凌尖端空气间隙的流注放电特别明显，融冰现象也逐渐加剧。当Ic超过20mA时，蓝紫色的火花放电变成粉红色放电，随后将突变成间歇性白弧，此时电源供给的能量一部分维持电弧燃烧，一部分用于融化冰层，当两部分能量达到平衡时，电弧熄灭。冰层在泄漏电流焦耳热作用下进一步融化时，融冰所需的能量减少，导电水膜增长，电弧再次燃烧。当Ic达到250mA时，其白弧电流的焦耳热不仅可以使冰层充分融化，而且足以保证间歇性白弧稳定燃烧并在导电水膜表面空气中发展；此时绝缘子串各片间都已出现白弧，各段白弧迅速连通，跨接串长的40%70%左右，当Ic达到400mA时，白弧与接地端的
6、小弧连通而完成全面闪络。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室在覆冰不均匀时，闪络前的白弧电流波形存在“零休”，即存在电弧的熄灭和重燃现象，相应的电流波形产生畸变，电流过零持续一段时间。覆冰越不均匀，“零休”现象越明显。覆冰绝缘子串电压分布的畸变导致冰闪电压比湿闪电压还低。串的两端，特别是高压引线端电压分布增高是导致覆冰放电比湿放电早的最基本原因。覆冰表面水膜导电率的高低以及冰凌尖端流注式电晕脉冲频率和强度决定放电发展的速度，间歇性白弧能否发展成稳定白弧是闪络的主要条件。整个放电过程按泄漏电流的变化规律可定性分为基本电流、电晕流注电
7、流、白弧电流和闪络电流四个发展阶段，参照污秽放电过程可把闪络前半周的白弧泄漏电流最大幅值定义为交流冰闪的临界闪络电流。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室覆冰绝缘子放电模型覆冰绝缘子放电模型 8.2影响覆冰绝缘子闪络过程的因素甚多，至今尚未见有比较公认的描述覆冰绝缘子放电过程的物理数学模型，研究和应用较多的仍是基于Obenaus于1958年提出的污秽放电物理模型发展起来的模型。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(一一)电路模型电路模型 放电高压电极导体 冰树脂玻璃模
8、型触发电极 HVxL电弧冰面电阻R(x)(1)基于树脂玻璃槽试验的Obenaus交流 冰闪模型U为施加的电压，V；UE为电极压降，V；x为电弧长度，cm。k、b是电弧的重燃常数。bmUkxIxIRAxIUU1rE)(现有覆冰闪络数学模型基本上是以此为基础，对其中的参数进行研究，且重点集中在冰面电弧的研究上，也就是在各种情况下的A、m、UE及Rr(x)等参数值。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室当考虑实际覆冰绝缘子串是一个半圆柱状的冰体，剩余冰层电阻为：0er42ln2)(421)(rdDdDxLxRe为冰层表面电导率，S/cm；
9、L、D为别为绝缘子的长度和等效直径，cm；d为冰层厚度，cm；r0为电弧根部半径，cm。r0同电压极性等因素有关。/10kIr k1称为电弧根部半径系数，不同的电压类型和极性下有不同的值。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(2)(2)基于圆柱形覆冰和三角平板试验结果的临界冰闪条件基于圆柱形覆冰和三角平板试验结果的临界冰闪条件 所有长度单位：mmH.V.高压电极758912310 电阻153气 隙电极冰树脂玻璃圆柱101010300 地电极气 隙电弧冰测量电极280mm200mm高压电极1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术
10、国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 0er2ln1rwwxLxRbmUkxIxIRxIkAUU1rE)(.00 xUIU1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(二二)热力学模型热力学模型覆冰闪络的主要因素之一是冰层的融化，与热平衡有关。可以从热力学角度对覆冰表面闪络的模型进行分析。以一个理想的均匀覆冰的圆柱绝缘子作为研究对象，从理论分析和试验得到最低闪络电压和冰表面最小表面电阻是相对应的，进而得出覆冰绝缘子最低闪络电压的必要条件，即在冰表面冰融化的速率大于等于水结冰的速率。1SKL-PES输配电装备及系统安全与
11、新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 r1r2xyzrL冰层U附图附图 理想的光滑圆柱均匀覆冰模型理想的光滑圆柱均匀覆冰模型 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室由电弧弧柱电场强度小于未被电弧跨接部分冰面电场强度，根据热平衡方程可得到了圆柱形绝缘子稳态下的临界闪络的电流和电压分别为 cfnnIrrrLUPtrrktarrrrrrAIwic22122iccf213121wic22122122ic1cf2/ln22/ln21SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国
12、家重点实验室式中：ic、w为冰体的电阻率和冰面水膜的电阻率，/m；r1、r2、分别为绝缘子直径、覆冰后外径、冰层厚度，m；L为绝缘子长度，m；t1、t2、t3分别为绝缘子表面、冰表面和空气温度，为简便起见，可以认为t2=t1；k为冰的热传导系数；a为无量纲系数，与冰表面积，外界与冰体温度，周围空气温度、密度有关；(t3-t2)是由于冰表面和周围空气温差单位长度上从外界传入绝缘子内部的热量，J/m；P是绝缘子单位长度上传入的外界辐射热，J/m。该模型从热力学和功率平衡方面开拓了研究的视野和思路，但模型较粗糙，临界闪络电流和电压公式中的参数也未确定，不能做定量的分析。且电弧弧柱电场强度小于未被电弧
13、跨接部分冰面电场强度，实质上讲也就是电弧单位长度电阻小于未被电弧跨接部分冰面的单位长度电阻，也就是说其基本理论与Obenaus概念的观点一致。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室悬式绝缘子交流冰闪特性悬式绝缘子交流冰闪特性 8.3利用均匀升压法对覆冰绝缘子的闪络特性进行了试验，分别得出覆冰绝缘子交流闪络电压与融冰时间、绝缘子覆冰量、融冰水电导率及绝缘子串长等的关系。在工程应用中，科研、设计、运行及维护人员最关心的是可能危及电力系统安全运行的最低闪络电压，不同覆冰状态下其最低闪络电压也不同。既然覆冰是一种特殊的污秽形式，考虑最低闪络
14、电压时应针对不同的污秽形式和程度。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(一一)闪络电压与融冰时间关系闪络电压与融冰时间关系人工覆冰与自然覆冰绝缘子串闪络电压融冰时间“U”形的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室不同型式绝缘子串冰闪电压与融冰时间的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(二二)绝缘子冰闪电压与覆冰量的关系绝缘子冰闪电压与覆冰量的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点
15、实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室当覆冰较轻时，绝缘子表面冰层薄，裙边无冰凌或冰凌很短，“冰凌伞裙”之间空气间隙及绝缘子表面电阻并未因覆冰而明显变化，最低闪络电压(Ufmin)与未覆冰时没有明显差异。当覆冰量增加时，表面冰层也加厚，泄漏电流因表面电阻降低而增大；同时，冰凌增长使“冰凌伞裙”间空气间隙缩短，为电弧桥接空气间隙提供了条件，最低闪络电压随之降低。如果覆冰量增加并造成“冰凌伞裙”间空气间隙的放电电压小于沿爬电路径的放电电压时，最低闪络电压将明显降低。当覆冰量增加导致冰凌桥接绝缘子串部分伞裙或全部伞裙时，放电路径将会沿冰凌湿润表面，最低冰闪电压趋于稳定。在这种情况下，即使覆
16、冰继续加剧，仅增加表面覆冰厚度或桥接伞裙的冰凌数量，为电弧提供更多的放电通道，在这种覆冰程度饱和状态下，最低闪络电压几乎保持一致。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 不同盐密下平均每片不同盐密下平均每片XP-70绝缘子的绝缘子的Ufmin与与W的关系的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 覆冰覆冰FXBW-10/70复合绝缘子最低交流复合绝缘子最低交流冰闪电压与覆冰量的关系冰闪电压与覆冰量的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家
17、重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(三三)最低闪络电压与污秽程度的关系最低闪络电压与污秽程度的关系 最低冰闪电压(Ufmin)与0融冰水电导率(0)关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 平均最低冰闪电压(Uave)与0融冰水电导率(0)关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室盐密对复合绝缘子最低交流冰闪电压Ufmin的影响1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(四四)最低交流冰闪电
18、压与串长关系最低交流冰闪电压与串长关系 最低冰闪电压与串长(h)的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室串的片数(N)与最低交流闪络电压的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(五五)冰闪电压与污冰参数冰闪电压与污冰参数(ISP)(ISP)的关系的关系 当采用覆冰水电导率模拟污秽时，覆冰绝缘子的闪络电压不仅随覆冰量增加而降低，而且随覆冰水电导率的增加而下降。覆冰绝缘子电气强度的降低是二者共同作用的结果。因此，如何综合反应二者的共同作用不仅对于对于防冰设计，而且对
19、于覆冰试验均具有重要作用。通过大量的试验摸索和分析得到，将转换为20的覆冰水电导率(20)与每片绝缘子平均覆冰量w的积20w作为新的特征参量来表征覆冰和污秽对绝缘子串闪络电压的影响较为合理，并为分析覆冰绝缘子闪络特性带来了很大方便，且易于被工程应用所采纳。为分析方便，用污冰参数(ISP)表示新的特征参量，即ISP=20w，其量纲为g-1m-1。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 9片串片串XP-70覆冰绝缘子的覆冰绝缘子的Umf与与ISP关系关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统
20、安全与新技术国家重点实验室附图附图 覆冰覆冰XP-70绝缘子串的最低闪络电压绝缘子串的最低闪络电压 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室pISPAU)(fmin式中：A是常数，决定于绝缘子片数及绝缘子结构，对于9片串XP-70覆冰悬式绝缘子，A的值为378.0；p是一个反映覆冰量和覆冰水电导率综合作用时对最低闪络电压Ufmin影响的特征指数，它与绝缘子的结构和覆冰的状态有关。对于XP-70瓷悬式绝缘子串，当绝缘子2/3被冰棱桥接时，p为0.32。对于绝缘子长串，冰闪电压的通用关系为：paISPNBU).(.fmin1SKL-PES
21、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(六六)人工覆冰绝缘子和自然覆冰绝缘子电气特性的比较人工覆冰绝缘子和自然覆冰绝缘子电气特性的比较 自然覆冰与人工覆冰之间在外形和性质上均存在一定的差异，且两者之间的闪络电压也有差异，因此，与人工污秽试验类似，人工覆冰与自然覆冰试验也存在等价性问题，且影响因素更多。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室绝缘子型式绝缘子型式覆冰量覆冰量W(kg/串串)等值盐密等值盐密SDD(mg/cm2)最低闪络电压最低闪络电压Umf(kV/3 units)比人工模拟试
22、验结比人工模拟试验结果增大果增大(%)XP-704.00.04237.517.24.10.03640.020.83.60.03242.522.43.80.02745.025.2XP-1604.20.02353.028.63.60.02748.822.03.80.03245.018.03.50.04240.513.43.20.02752.028.9XWP2-1604.10.02346.07.14.00.02744.05.95.00.03540.46.14.30.03939.02.3附图附图 3 3片串自然污秽覆冰绝缘子现场交流闪络试验结果片串自然污秽覆冰绝缘子现场交流闪络试验结果(海拔海拔180
23、0m)1800m)1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附表附表 六盘水马落青观冰站冰中导电物质的化学成分六盘水马落青观冰站冰中导电物质的化学成分自然覆冰条件下，冰中导电杂质的成分复杂，对冰闪电压的影响也有差异。六盘水马落青观冰站自然覆冰水的导电率在80S/cm左右。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室悬式绝缘子直流冰闪特性悬式绝缘子直流冰闪特性 8.4与覆冰绝缘子的交流冰闪特性一致，覆冰绝缘子的直流冰闪电压也与绝缘子型式、污秽程度、气压和串长等的有关，并存在极性的效应。
