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覆冰對(duì)于電網(wǎng)輸電線路而言是一種嚴(yán)重的災(zāi)害。導(dǎo)線覆冰會(huì)加重導(dǎo)線及桿塔機(jī)械負(fù)荷，導(dǎo)致倒桿、倒塔事故。絕緣子覆冰則主要會(huì)降低絕緣子絕緣特性，引起局部放電或閃絡(luò)跳閘事故。

為解決絕緣子覆冰閃絡(luò)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的大量學(xué)者針對(duì)其影響因素展開(kāi)了相關(guān)的研究工作。1970年M. Kawai對(duì)覆冰絕緣子串進(jìn)行了交流閃絡(luò)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：絕緣子串覆冰總是不均勻出現(xiàn)的，當(dāng)絕緣子表面最大厚度達(dá)到25.4mm后，絕緣子串在工作電壓就可以閃絡(luò)，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(dǎo)率，絕緣子表面的污穢會(huì)在覆冰后通過(guò)融冰水進(jìn)入冰層，形成大量導(dǎo)電離子，使得冰閃電壓進(jìn)一步降低。覆冰水電導(dǎo)率越大，絕緣子耐受的電壓越低。在進(jìn)一步的研究中，國(guó)內(nèi)外的研究者嘗試將絕緣子覆冰閃絡(luò)的影響因素進(jìn)行參數(shù)化，由此建立絕緣子覆冰閃絡(luò)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆冰電弧的模擬和閃絡(luò)電壓的預(yù)測(cè)。

M. Farzaneh研究發(fā)現(xiàn)，冰層剩余電阻R在覆冰閃絡(luò)模型的建立中不可或缺，該參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算可有效反映覆冰程度、覆冰水電導(dǎo)率及水膜狀態(tài)對(duì)覆冰閃絡(luò)的影響。一些研究人員從最嚴(yán)重時(shí)的絕緣子覆冰形態(tài)出發(fā)，以半圓筒形態(tài)等效計(jì)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(zhǔn)確地獲得絕緣子覆冰冰形和覆冰量成為問(wèn)題的關(guān)鍵。

為探究絕緣子覆冰增長(zhǎng)特性，張志勁等人對(duì)絕緣子開(kāi)展了人工覆冰試驗(yàn)，其研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境參數(shù)決定絕緣子覆冰增長(zhǎng)特性，在供水量充足條件下，風(fēng)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(chǎng)特性，并初步建立絕緣子霧凇覆冰計(jì)算模型，但該模型也僅限于在二維范圍內(nèi)對(duì)絕緣子覆冰厚度進(jìn)行計(jì)算，不能獲得絕緣子覆冰形態(tài)和整體覆冰程度。

絕緣子覆冰增長(zhǎng)過(guò)程和導(dǎo)線類似，L. Makkonen將導(dǎo)線覆冰過(guò)程總結(jié)為三個(gè)方面：過(guò)冷卻水滴在導(dǎo)線表面的碰撞過(guò)程；碰撞的過(guò)冷卻水滴在導(dǎo)線表面被捕獲的過(guò)程；被捕獲的過(guò)冷卻水滴在導(dǎo)線表面的凍結(jié)過(guò)程。相對(duì)于導(dǎo)線，絕緣子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，不同環(huán)境條件下水滴在絕緣子表面各個(gè)位置的碰撞特性和凍結(jié)特性不同，覆冰增長(zhǎng)速率也有差異，導(dǎo)致絕緣子復(fù)雜的覆冰外形。

為獲得絕緣子覆冰增長(zhǎng)特性及其影響因素，國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院的研究人員分析了絕緣子不同覆冰類型形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程的差異性，基于流體力學(xué)和熱力學(xué)基本理論建立了絕緣子三維覆冰數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同環(huán)境條件下的絕緣子覆冰增長(zhǎng)進(jìn)行了迭代仿真計(jì)算，并在湖南雪峰山對(duì)不同結(jié)構(gòu)的絕緣子進(jìn)行了自然覆冰試驗(yàn)，對(duì)比驗(yàn)證了覆冰模型的準(zhǔn)確性。

圖1 絕緣子干增長(zhǎng)和濕增長(zhǎng)覆冰形態(tài)

圖2 絕緣子表面覆冰凍結(jié)及水膜流動(dòng)圖

圖3 絕緣子三維覆冰增大迭代計(jì)算流程

圖4 兩種絕緣子自然覆冰6h試驗(yàn)與仿真

他們最后得出的結(jié)論如下：

1）絕緣子不同類型覆冰增長(zhǎng)過(guò)程不同，干增長(zhǎng)覆冰時(shí)，水滴在碰撞到絕緣子表面后立即凍結(jié)；濕增長(zhǎng)覆冰時(shí)，水滴不能完全凍結(jié)而形成水膜，覆冰模擬時(shí)需考慮水膜流動(dòng)特性及水量的再分配過(guò)程。

2）在不考慮冰棱生長(zhǎng)的條件下，本研究基于水滴碰撞、凍結(jié)和水膜流動(dòng)等過(guò)程建立了絕緣子覆冰三維數(shù)值計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣子表面水滴局部碰撞系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)、水膜流動(dòng)狀態(tài)的仿真模擬。

3）環(huán)境參數(shù)是決定絕緣子覆冰速率和形態(tài)的主要原因。仿真結(jié)果顯示，風(fēng)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(jié)的覆蓋面積越大，覆冰增長(zhǎng)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(huì)越小。

4）自然條件下，覆冰總是在絕緣子迎風(fēng)側(cè)累積形成扇形尖銳的覆冰結(jié)構(gòu)。相對(duì)于玻璃絕緣子LXY◆300，復(fù)合絕緣子因傘裙直徑更小、厚度更薄、水滴碰撞系數(shù)更大、覆冰增長(zhǎng)速率更快，傘裙間隙更容易被覆冰連通。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)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。