- 頭條自然條件下絕緣子覆冰有怎樣的發展規律，重慶電科院專家發表成果2022-03-10 作者：高晉、郭思華 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語覆冰可極大程度降低絕緣子絕緣性能，嚴重威脅輸電線路的穩定運行。開展絕緣子覆冰特性研究并建立絕緣子覆冰增長數值計算模型是解決絕緣子覆冰閃絡問題的基礎。為研究自然條件下絕緣子覆冰增長的發展規律和其影響因素，國網重慶市電力公司電力科學研究院、重慶交通大學機電與車輛工程學院、輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員高晉、郭思華 等，在2021年第14期《電工技術學報》上撰文，從環境參數出發分析絕緣子表面水滴碰撞、凍結、水膜流動等過程，對比不同覆冰類型增長過程的差異性，并基于流體力學和熱力學基本理論建立絕緣子三維覆冰數值計算模型。 在此基礎上，以絕緣子LXY?120為例，對不同環境條件下絕緣子覆冰類型及增長特性進行仿真計算，并在雪峰山對兩種不同類型的絕緣子進行了自然覆冰試驗，將測量得到的絕緣子覆冰質量、最大覆冰厚度和仿真結果進行了對比，結果表明，不同環境條件下，絕緣子表面覆冰類型、發展過程、覆冰面積、速率等均有差異。此外，絕緣子傘裙結構會影響覆冰增長。復合絕緣子FXBW?220因為傘裙直徑更小、厚度更薄，且具有多傘裙結構，其覆冰增長速率大于普通玻璃絕緣子LXY?300。自然條件下，覆冰可很快連通復合絕緣子傘裙間隙。
覆冰對于電網輸電線路而言是一種嚴重的災害。導線覆冰會加重導線及桿塔機械負荷，導致倒桿、倒塔事故。絕緣子覆冰則主要會降低絕緣子絕緣特性，引起局部放電或閃絡跳閘事故。
為解決絕緣子覆冰閃絡問題，國內外的大量學者針對其影響因素展開了相關的研究工作。1970年M. Kawai對覆冰絕緣子串進行了交流閃絡試驗，試驗結果發現：絕緣子串覆冰總是不均勻出現的，當絕緣子表面最大厚度達到25.4mm后，絕緣子串在工作電壓就可以閃絡，每片絕緣子的最低冰閃電壓只有10kV。
除覆冰程度外，絕緣子冰閃電壓還受到其他因素的影響，包括污穢程度和覆冰電導率，絕緣子表面的污穢會在覆冰后通過融冰水進入冰層，形成大量導電離子，使得冰閃電壓進一步降低。覆冰水電導率越大，絕緣子耐受的電壓越低。在進一步的研究中，國內外的研究者嘗試將絕緣子覆冰閃絡的影響因素進行參數化，由此建立絕緣子覆冰閃絡模型，從而實現對覆冰電弧的模擬和閃絡電壓的預測。
M. Farzaneh研究發現，冰層剩余電阻R在覆冰閃絡模型的建立中不可或缺，該參數的準確計算可有效反映覆冰程度、覆冰水電導率及水膜狀態對覆冰閃絡的影響。一些研究人員從最嚴重時的絕緣子覆冰形態出發，以半圓筒形態等效計算了冰層剩余電阻。但這種巧妙的等效方式并不適用于所有覆冰類型，如何準確地獲得絕緣子覆冰冰形和覆冰量成為問題的關鍵。
為探究絕緣子覆冰增長特性，張志勁等人對絕緣子開展了人工覆冰試驗，其研究發現，環境參數決定絕緣子覆冰增長特性，在供水量充足條件下，風速越大、溫度越低、絕緣子覆冰速率越快；此外，還分析了絕緣子覆冰外流場特性，并初步建立絕緣子霧凇覆冰計算模型，但該模型也僅限于在二維范圍內對絕緣子覆冰厚度進行計算，不能獲得絕緣子覆冰形態和整體覆冰程度。
絕緣子覆冰增長過程和導線類似，L. Makkonen將導線覆冰過程總結為三個方面：過冷卻水滴在導線表面的碰撞過程；碰撞的過冷卻水滴在導線表面被捕獲的過程；被捕獲的過冷卻水滴在導線表面的凍結過程。相對于導線，絕緣子結構更為復雜，不同環境條件下水滴在絕緣子表面各個位置的碰撞特性和凍結特性不同，覆冰增長速率也有差異，導致絕緣子復雜的覆冰外形。
為獲得絕緣子覆冰增長特性及其影響因素，國網重慶市電力公司電力科學研究院的研究人員分析了絕緣子不同覆冰類型形成機理和發展過程的差異性，基于流體力學和熱力學基本理論建立了絕緣子三維覆冰數值計算模型，對不同環境條件下的絕緣子覆冰增長進行了迭代仿真計算，并在湖南雪峰山對不同結構的絕緣子進行了自然覆冰試驗，對比驗證了覆冰模型的準確性。
圖1 絕緣子干增長和濕增長覆冰形態
圖2 絕緣子表面覆冰凍結及水膜流動圖
圖3 絕緣子三維覆冰增大迭代計算流程
圖4 兩種絕緣子自然覆冰6h試驗與仿真
他們最后得出的結論如下：
1）絕緣子不同類型覆冰增長過程不同，干增長覆冰時，水滴在碰撞到絕緣子表面后立即凍結；濕增長覆冰時，水滴不能完全凍結而形成水膜，覆冰模擬時需考慮水膜流動特性及水量的再分配過程。
2）在不考慮冰棱生長的條件下，本研究基于水滴碰撞、凍結和水膜流動等過程建立了絕緣子覆冰三維數值計算模型，實現了對絕緣子表面水滴局部碰撞系數、凍結系數、水膜流動狀態的仿真模擬。
3）環境參數是決定絕緣子覆冰速率和形態的主要原因。仿真結果顯示，風速越大，空氣中水滴中值體積直徑越大，絕緣子表面水滴碰撞、凍結的覆蓋面積越大，覆冰增長速率越快。溫度越低，絕緣子傘裙邊緣和鋼帽處的覆冰厚度越大，但是覆冰范圍會越小。
4）自然條件下，覆冰總是在絕緣子迎風側累積形成扇形尖銳的覆冰結構。相對于玻璃絕緣子LXY◆300，復合絕緣子因傘裙直徑更小、厚度更薄、水滴碰撞系數更大、覆冰增長速率更快，傘裙間隙更容易被覆冰連通。
以上研究成果發表在2021年第14期《電工技術學報》，論文標題為“絕緣子表面三維覆冰特性的影響因素”，作者為高晉、郭思華 等。
