不同形貌冰棱的融化过程及其对覆冰闪络特性的影响_邓禹

第41卷第2期：669-679高电压技术Vol.41,No.2:669-6792015年2月28日HighVoltageEngineeringFebruary28,2015DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.02.046不同形貌冰棱的融化过程及其对覆冰闪络特性的影响邓禹1,2，贾志东2，江灏1,2，王康宁3，王天正3，关志成2（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.清华大学深圳研究生院，深圳518055；3.山西电力科学研究院，太原030001）摘要：覆冰过程中沿绝缘子串形成的未桥接冰棱和桥接冰柱是造成融冰期绝缘子串发生闪络的主要因素。为此，根据融冰物理过程，研究了冰棱相变过程中水滴喷射对未桥接冰棱闪络的影响。研究发现：水滴喷射过程缩短了冰板间距，改变了冰棱前端的电场分布，是诱发冰板间隙电弧的重要原因。未桥接冰棱受耐受电压值影响，其闪络过程存在沿冰面放电和冰内放电两种形式。桥接冰柱的初始电弧通常出现在冰柱内部气隙处，其融冰闪络路径沿冰柱内部形成贯穿通道。试验结果表明：桥接冰柱发生闪络需要更多的融冰能量来形成贯通通道，而完成击穿过程，因此桥接冰柱的闪络电压值较未桥接冰棱略高。110kV全尺寸玻璃绝缘子覆冰闪络试验进一步证明，融冰时液滴喷射会形成沿冰棱和水滴路径的闪络通道。综合以上结论认为，融冰滴水是导致未桥接冰棱较桥接冰柱更易发生闪络的重要因素。关键词：融冰；滴水；闪络；冰棱；绝缘子；桥接；电场MeltingProcessofDifferentIcingMorphologyandItsImpactonIceFlashoverDENGYu1,2,JIAZhidong2,JIANGHao1,2,WANGKangning3,WANGTianzheng3,GUANZhicheng2(1.DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China;3.ShanxiElectricPowerResearchInstitute,Taiyuan030001,China)Abstract：Bridgedandnon-bridgediciclesformedalonginsulatorstringsarethemainreasonsleadingtoiceflashoverduringicemeltingperiods.Therefore,basedonmeltingphysics,weanalyzeddropletejectionanditsimpactonnon-bridgediciclesthroughexperiments.Accordingtoourobservation,dropletejectionshortensairgapanddistortstheelectricalfielddistributioninthegap,whichisamaincauseofpartialarcsandconsequentflashover.Thereweretwokindofflashoverpatternsofnon-bridgediciclesdependedontheappliedvoltage,includingthesurfacedischargealongicicleandtheinnerpartialdischarge.Asforbridgedicicles,partialdischargesorarcsoccurfromairgapsinside;theyelongateforwardtopenetratethroughthewholebridgedicicle.Experimentalresultsshowthatmoreenergyisrequiredforbridgediciclestoformpenetratedchannelsforflashover;hencebridgedicicleshaveflashovervoltagehigherthanthatofnon-bridgedicicles.A110kVfull-scaleinsulatortestfurtherprovedthatflashoverpathwasformedalongiciclesurface,gapanddropletsduetothedropletejectionduringicemeltingprocess.Itisconcludedthatdropletejectionisacriticalreasontothatfactthatnon-bridgediciclescanhaveflashovermoreeasilythanbridgedicicles.Keywords：melting;droplet;flashover;icicle;insulator;bridged;electricalfieldstrength0引言1输电线路走廊多跨越人烟稀少地区，面临复杂的地理条件和气候环境。在低温高湿地区，输电线路易受冰雪灾害的影响。2008年中国南方地区的罕见冰灾对电网造成了巨大的破坏，标示着覆冰事故已成为影响电力系统安全运行的重要隐患[1-4]。对覆———————基金资助项目：国家自然科学基金(51077081；51177081)．ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51077081,51177081).冰引发的闪络等问题仍缺乏深入的研究和有效的防范，来频发的覆冰问题已造成巨大的经济损失。对输电线路绝缘子覆冰危害最大的是雨凇。这种覆冰常出现于寒暖流交汇频繁且降雨量较大的区域，温度略低于0℃，覆冰透明且附着力极强[5]。在这种条件下，持续降落在输电线路绝缘子表面的过冷却水逐渐冻结，易形成冰棱，严重时会桥接、甚至包覆绝缘子[6]。当温度回升到0℃以上时，绝缘子表面冰层因融化而出现连续的水膜，形成导电670高电压技术2015,41(2)通路，大幅削弱绝缘子的强度，在空气间隙中引发局部放电甚至电弧，诱发绝缘子闪络[7]。针对覆冰闪络试验模型，国内外已开展大量的相关研究。基于Obenaus污闪模型，研究人员提出基于剩余冰层电阻和放电电弧串联的冰闪模型。该模型将冰闪问题作为污闪的一种特殊情况进行处理，在三角冰板模型试验中得到了大量数据，并推导出在电弧弧根作用下的剩余冰层阻值表达式[8-10]。2004年加拿大学者在三角冰板模型的基础上，提出了基于电弧重燃的覆冰闪络模型，并通过大量试验得到冰层相应的电弧重燃常数值[11]。随后，2007年M.Farzaneh以支柱绝缘子为研究对象，针对覆冰过程中的多间隙放电建立了相应的数学模型，将原有单电弧模型中的剩余阻值推广至多条电弧条件下的广义模型，同时给出了多电弧存在的稳定性判据，并采用多电弧模型来推测极限闪络电压[12]。国内重庆大学基于起弧前后电场分布的计算，提出了一种预测交直流情况下覆冰绝缘子闪络电压和闪络过程的场路模型，通过判定电弧弧头前的电位梯度与电弧电位梯度的大小关系作为临界闪络的判据[13]。苑吉河等人以柱形冰为研究对象，通过设计不同的电极形式，区分了冰内闪络与冰面闪络两种方式，在原有的剩余冰层模型理论基础上提出更具有一般性的试验结论[14]。绝缘子覆冰闪络模型的研究为冰区输电线路的建设提供了大量的理论支持。但对融冰的动态过程及不同覆冰形貌下的闪络特征仍缺乏研究。为此，本文结合现场实测覆冰形貌，对典型覆冰状态下的融冰闪络特性进行研究。1覆冰现场分析图1是覆冰闪络事故现场环境照片。图2是输电线路绝缘子覆冰形貌典型特征图。从现场的覆冰环境和输电线路覆冰形貌来看，属于典型的雨凇覆冰类型。从绝缘子沿串的覆冰趋势来看，临近高低压端的强电场区域覆冰程度普遍较弱，覆冰大都出现在电场强度稍弱的中部区域，大量的未桥接冰棱与桥接冰柱共存。通过对存在覆冰的绝缘子串进行红外测温检测，发现绝缘子串上有大量泄漏电流，绝缘子发热情况严重。图3所示为故障线路绝缘子现场红外实测图。图4为现场故障点情况。(a)故障区段现场植被覆冰情况(b)绝缘子上覆冰跌落地面图1覆冰闪络事故现场Fig.1Fieldpicturesofaniceflashoverfaultscene(a)低压端绝缘子覆冰形貌图(b)中压端绝缘子覆冰形貌图图2典型输电线路绝缘子覆冰形貌Fig.2Typicalicingmorphologyofinsulators(a)左相红外测温图谱(b)中相红外测温图谱图3故障线路绝缘子现场红外测温图谱Fig.3Infraredcameraphotooffaultyinsulatorstrings(a)A相绝缘子挂点处放电痕迹(c)A相第3片绝缘子放电痕迹(b)A相第1片绝缘子放电痕迹(d)A相均压环及导线放电痕迹图4现场故障点情况Fig.4Fieldfailuresituation邓禹，贾志东，江灏，等：不同形貌冰棱的融化过程及其对覆冰闪络特性的影响671现场故障原因为绝缘子串覆冰闪络放电造成跳闸。故障时为冻雨天气，沿绝缘子串形成冰棱，绝缘子伞裙间隙被冰棱桥接，冰棱在桥接绝缘子间隙的同时，严重畸变了绝缘子表面的电场，降低了绝缘子冰闪电压。冰棱的融冰闪络过程与覆冰形貌紧密相关。根据实际输电线路绝缘子覆冰形貌特点，为便于开展试验研究，本文提取出典型的覆冰形态模型，包括不同间隙的未桥接冰棱模型，桥接冰柱模型，以及冰棱–冰柱模型共存的4种典型结构。2融冰滴水物理过程气温回暖过程中，绝缘子串表面的冰棱在环境温度加热下逐渐融化，冰尖处形成水滴。该过程包含3个部分：一是冰棱表层温度Tice升高至冰点的过程；二是冰水相变时的潜热释放过程；三是表层水膜在冰尖处汇聚成液滴，在重力和电场力作用下发生滴落。2.1融冰过程中液滴滑落条件冰棱的融化过程由表及里，表层逐渐形成水膜。在重力作用下，水膜滑落至冰尖处形成直径3~5mm的液滴。当液滴汇聚到一定大小后，克服冰面的表面张力从而出现滴落现象。假设冰棱表面一厚度为Δx，质量为Mice的冰层发生相变，形成液态水。图5所示为相变过程冰棱示意图，图中Tice、TM、Tenv分别为冰棱、冰点、环境温度。当表层厚度Δx的冰面完全相变后，冰表面张力的吸附作用阻碍液滴滴落。发生滴落时，固液界面消失。在滴落的临界状态下，此时冰尖处液滴维持静止状态所需的能量为stcontacts1EAγ=(1)式中：Est为表面能，表现为冰面对液滴的吸附作用；γs1为单位面积固液表面能；Acontact为液滴与冰尖的接触底面积。冰层相变后产生的液面在滑落过程中可近似为准静态过程。当所积聚的能量足以克服冰面表面能时，液滴将发生滴落。该临界条件下能量守恒方程可表示为icest12MgLE⋅=(2)由此可确定s1ice2xgLγρΔ=(3)图5相变过程冰棱示意图Fig.5Schematicdiagramoficicleduringmelting式中：Mice为发生相变的冰层质量；g为重力加速度；L为冰锥的高度；ρice为冰密度。2.2冰水相变过程的热力学分析冰棱表层冰发生相变时，主要通过热传递、热对流以及热辐射的方式由环境中汲取能量。在这一过程中固体冰经历了3个阶段的变化，一是表面冰层的温度由Tice上升至冰点温度TM的过程；二是温度维持在冰点TM，冰水发生相变释放潜热的过程；三是相变后冰棱表面液相水TM温度上升至环境温度Tenv的过程(假设此时液相水膜仍附着于冰棱表面尚未滑落)。融冰过程中以传导热Hcond和对流热Hconv为主，辐射热可近似忽略[15]。iceMMenvcondicecwcTTTTHKAKAxx−−=+ΔΔ(4)convfcenvicefcenvM()()HhATThA