王天正,江灝,王欣偉,王康寧,鄧禹,賈志東
(1.山西省電力科學(xué)研究院,太原 030001; 2.清華大學(xué)深圳研究生院,深圳 518055; 3.清華大學(xué),北京 100084)
高壓輸電走廊跨越偏遠(yuǎn)地區(qū),面臨著嚴(yán)酷的氣候考驗(yàn)。在局部微氣象區(qū)域,低溫高濕氣候會造成嚴(yán)重的覆冰問題。自2008年南方地區(qū)的大面積覆冰災(zāi)害出現(xiàn)以來,輸電線路的覆冰問題受到更為廣泛的重視[1]。山西地區(qū)是煤電能源大省,復(fù)合絕緣子由于重量輕,耐污性能好等優(yōu)點(diǎn)在山西地區(qū)得到廣泛的重視[2,3]。但是由于山西的重污穢運(yùn)行環(huán)境,降低了復(fù)合絕緣子的絕緣性能,容易誘發(fā)復(fù)合絕緣子的閃絡(luò)事故[4]。
覆冰絕緣子的閃絡(luò)特性方面國內(nèi)外開展了大量的研究工作。Khalifa發(fā)現(xiàn)當(dāng)覆冰密度從0.32g/cm3增加到0.8g/cm3時(shí),泄漏電流增加了一倍,而覆冰密度0.8g/cm3以上時(shí),密度對冰閃電壓的影響趨于飽和[5]。Farzaneh等發(fā)現(xiàn)污穢對冰閃電壓的影響近似為降冪函數(shù)。隨著覆冰水電導(dǎo)率或鹽密的增大,冰閃電壓逐漸下降并趨于飽和。絕緣子覆冰閃絡(luò)多出現(xiàn)在融冰時(shí)期,融冰水電導(dǎo)率的變化會改變絕緣子沿面泄漏電流值,對冰閃過程造成影響[6]。鄧禹等觀測了水滴中鹽分的遷移過程,發(fā)現(xiàn)過冷卻水中鹽分在冰水相變過程中會逐漸向表層發(fā)生遷移,且鹽分遷移過程與覆冰水電導(dǎo)率和覆冰速度密切相關(guān),是導(dǎo)致融冰水電導(dǎo)率分布差異性的主要原因[7]。M. Farzaneh等通過三角平板模型研究了融冰期泄漏電流變化規(guī)律,指出泄漏電流隨著融冰水膜厚度和電導(dǎo)率的增大而線性增加[8]。
平板模型試驗(yàn)以復(fù)合絕緣子一個(gè)大傘為基礎(chǔ),將其沿泄漏距離展開為矩形,其長為大傘上下表面泄漏距離之和12.5cm,寬為護(hù)套的周長7.85cm。為模擬復(fù)合絕緣子材料狀態(tài),基座表面覆有憎水性硅橡膠涂料。
為模擬實(shí)際覆冰過程,采用0℃的覆冰水進(jìn)行凍冰。覆冰前試品預(yù)冷卻至-10℃,覆冰水采用分層冷凝方式,覆冰水的電導(dǎo)率為180μS/cm(20℃)。在閃絡(luò)試驗(yàn)開始之前,冰層預(yù)融冰至表面出現(xiàn)一層薄水膜。試驗(yàn)中采用均勻升壓法,每一種影響因素下的不同模型試品均進(jìn)行5次升壓試驗(yàn),并求取平均值。
本試驗(yàn)?zāi)M了染污后的輕覆冰情況。染污鹽密為0.1mg/cm2,灰密1.0mg/cm2。輕度覆冰時(shí)絕緣子表面的覆冰厚度為3mm,無冰棱。
圖1 大型人工覆冰氣候室結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 復(fù)合絕緣子試品結(jié)構(gòu)示意圖
表1 復(fù)合絕緣子試品參數(shù)
覆冰不均勻會使絕緣子表面冰層出現(xiàn)空氣間隙。輕覆冰時(shí)傘裙與護(hù)套的交界處由于被遮擋而難以覆冰,易出現(xiàn)空氣間隙。本節(jié)通過平板模型試驗(yàn)研究冰層中間隙長度及位置、染污程度對覆冰閃絡(luò)過程的影響。
試驗(yàn)中研究了不同間隙長度(0、5、10、15mm)對覆冰閃絡(luò)特性的影響。間隙設(shè)置在高壓極處,覆冰厚度為10mm。圖3和圖4分別為無空氣間隙和間隙長度為10mm時(shí)的閃絡(luò)過程。
2)水域、草地和林地都有不同程度的減少,林地主要轉(zhuǎn)換為草地(約105.8 km2),水域和草地主要轉(zhuǎn)換為耕地(分別約為136.98 km2、112.19 km2);
冰層中無間隙時(shí),升壓過程中冰與電極交界面的氣泡承受強(qiáng)場而首先發(fā)生放電。隨后電弧主要沿冰內(nèi)氣泡路徑發(fā)展,爬弧過程緩慢,臨閃前電弧將表層冰融化,轉(zhuǎn)為沿面閃絡(luò)。
冰層中存在初始間隙時(shí),閃絡(luò)則完全沿冰面發(fā)展。升壓過程中,間隙處場強(qiáng)首先達(dá)到臨界值,誘發(fā)起始電弧,此時(shí)泄漏電流小、冰面水膜薄,電弧難以向前發(fā)展。當(dāng)冰面逐漸融化后,泄漏電流劇增,電弧開始沿冰面發(fā)展,并在短時(shí)間內(nèi)閃絡(luò)。
圖5為兩種工況下閃絡(luò)后的冰層形態(tài)??梢钥闯?,無空氣間隙時(shí)冰層內(nèi)部中空,說明無初始?xì)庀稌r(shí)電弧易沿冰層內(nèi)部發(fā)展;存在間隙時(shí),電弧完全沿間隙和冰層表面發(fā)展,僅放電通道附近冰體發(fā)生融化。
表2為不同間隙長度時(shí)的閃絡(luò)電壓。從中可知,隨著間隙長度的增大,冰閃電壓呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。
存在空氣間隙時(shí),間隙中承受高電壓易起弧,電弧能量逐漸使冰面出現(xiàn)明顯水膜,進(jìn)而在較短時(shí)間內(nèi)沿冰面形成閃絡(luò),因此有間隙時(shí)冰閃電壓較低。間隙為10mm時(shí),起始電弧產(chǎn)生時(shí)冰表面充分融冰,此時(shí)閃絡(luò)電壓最低。
圖3 無空氣間隙時(shí)覆冰閃絡(luò)過程圖
圖4 間隙長度10mm時(shí)覆冰閃絡(luò)過程圖
圖5 兩種工況下閃絡(luò)后的冰層形態(tài)
隨著間隙長度增大至15mm,冰閃電壓升高。此時(shí)由于間隙長度較大,間隙場強(qiáng)難以達(dá)到產(chǎn)生起始電弧的臨界值。電流爬升至相同水平所需電壓更高,且電流增長速度較緩,局部電弧的能量難以融化冰層,即使間隙中出現(xiàn)了貫穿電弧,電流也不足以支撐局部電弧向前發(fā)展。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),該工況下電弧僅出現(xiàn)在間隙附近,少有爬弧現(xiàn)象,直至臨閃前電弧才沿面迅速發(fā)展。
該組試驗(yàn)中考慮了不同間隙位置時(shí)的覆冰閃絡(luò)特性。其中間隙與高壓極的距離分別為0、30mm、60mm,間隙長度設(shè)定為5mm,冰層厚度10mm。
圖6與圖7分別為間隙與高壓極間距30mm、60mm時(shí)的閃絡(luò)過程。間隙位于電極處時(shí),電弧向一側(cè)發(fā)展,而間隙位于冰層中部時(shí)則向兩側(cè)發(fā)展。當(dāng)空氣間隙距高壓極30mm時(shí),起始電弧首先向較為接近的高壓極發(fā)展,待這一側(cè)電弧貫通冰面后,電弧向低壓側(cè)發(fā)展形成閃絡(luò)。而當(dāng)間隙距電極60mm時(shí),起始電弧向兩側(cè)電極的發(fā)展均比較困難,因此電弧在間隙部分維持時(shí)間較長,此時(shí)隨著電壓的升高,高壓極與冰層間的小氣隙中也出現(xiàn)了局部電弧。
表2 間隙長度不同時(shí)的閃絡(luò)電壓值
圖6 間隙與高壓極間距30mm
圖7 間隙與高壓極間距60mm
表3為間隙與高壓極間距不同時(shí)的閃絡(luò)電壓值。間隙位于電極處時(shí),起始電弧僅有一個(gè)弧根,因此比較容易貫穿整個(gè)冰面;而當(dāng)間隙位于冰層中部時(shí),起始電弧存在兩個(gè)弧根,發(fā)展更為困難。特別是當(dāng)間隙位于冰層正中時(shí),電弧向兩側(cè)發(fā)展都比較困難,需要外施電壓達(dá)到足夠強(qiáng)度電弧才開始發(fā)展,此時(shí)高壓極處也因?yàn)槿诒霈F(xiàn)局部電弧。因此間隙愈遠(yuǎn)離電極,閃絡(luò)電壓愈高。
覆冰時(shí)污穢和覆冰水中鹽分同時(shí)發(fā)生遷移,會改變了融冰水電導(dǎo)率的分布趨勢,對冰閃特性造成影響。本組試驗(yàn)研究了不同染污程度(ESDD=0、0.05、0.1、0.2 mg/cm2)下的冰閃特性,冰層厚度為10mm。圖8所示為為ESDD=0.2mg/cm2時(shí)的閃絡(luò)過程。
當(dāng)模型表面涂有污穢時(shí),閃絡(luò)發(fā)展速度較快。冰層并未出現(xiàn)中空,空氣/冰層界面和涂料/冰層界面均有大量冰融化,低鹽密時(shí)閃絡(luò)大都沿著空氣/冰面發(fā)展;當(dāng)鹽密較高時(shí),由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導(dǎo)率,使閃絡(luò)沿內(nèi)部界面發(fā)展。表4所示為不同染污程度時(shí)的閃絡(luò)電壓值。表5所示為閃絡(luò)后不同染污程度下的融冰水電導(dǎo)率和所有冰層的融冰水電導(dǎo)率。
表3 間隙位置不同時(shí)的閃絡(luò)電壓值
圖8 ESDD=0.2mg/cm2時(shí)的閃絡(luò)過程
表5中可以看出,隨著染污程度的增加,冰閃電壓逐漸下降。隨著污穢中鹽密的增加,遷移進(jìn)冰層中的鹽分增多,融冰水電導(dǎo)率提高,能在較低電壓下實(shí)現(xiàn)閃絡(luò)。此外,閃絡(luò)導(dǎo)致的融冰水電導(dǎo)率要大于所有冰層的融冰水電導(dǎo)率,這說明鹽分較多的冰層首先發(fā)生融化。
圖9所示為復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)過程。從圖中可以看出,在覆冰閃絡(luò)的過程中,電弧多出現(xiàn)在覆冰較少的復(fù)合絕緣子桿徑處,然后沿著下傘裙表面發(fā)展,最后通過上表面冰層構(gòu)成完整的閃絡(luò)通道。實(shí)際覆冰過程中,復(fù)合絕緣子上表面由于直接接收沉降的過冷卻水而具有大量冰層;下表面及桿徑處覆冰較少,通常是在局部湍流作用下,懸浮在空間中的過冷卻水粘附于其表面而形成的覆冰。根據(jù)第3節(jié)的分析可知,覆冰量少或者間隙處易產(chǎn)生起始電弧。
表4 染污程度不同時(shí)的閃絡(luò)電壓值
表5 染污程度不同時(shí)的融冰水電導(dǎo)率對比
圖9 復(fù)合絕緣子覆冰閃絡(luò)過程
染污試品在一定程度上降低絕緣子覆冰閃絡(luò)電壓。鹽密為0.2 mg/cm2時(shí)的冰閃電壓約為鹽密為0.05 mg/cm2時(shí)的92%。圖10所示為染污程度對輕覆冰復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的影響。
圖10 染污對輕覆冰復(fù)合絕緣子閃絡(luò)電壓的影響
根據(jù)覆冰模型試驗(yàn)及全尺寸人工覆冰試驗(yàn)結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:
1)間隙是產(chǎn)生起始電弧的主要因素。無間隙時(shí)電弧主要沿冰內(nèi)氣泡路徑發(fā)展,臨閃電弧將表層冰融化轉(zhuǎn)為沿面閃絡(luò);存在初始間隙時(shí),閃絡(luò)完全沿冰面發(fā)展。間隙長度與冰閃電壓之間呈先降后升的變化趨勢;
2)間隙愈接近電極愈易發(fā)生閃絡(luò)。間隙位于電極處電弧只需向一側(cè)發(fā)展,而間隙位于冰層中部則需向兩側(cè)發(fā)展,弧根的增加提高了剩余電阻,導(dǎo)致了閃絡(luò)電壓的提升;
3)染污程度與冰閃電壓正相關(guān),低鹽密時(shí)閃絡(luò)大都沿著空氣/冰面發(fā)展,當(dāng)鹽密較高時(shí),由于涂料/冰層界面具有更高的融冰水電導(dǎo)率,使閃絡(luò)沿內(nèi)部界面發(fā)展;
4)通過復(fù)合絕緣子全尺寸人工覆冰試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),輕覆冰條件下,起始電弧出現(xiàn)在覆冰量較少的桿徑及下表面處,且覆冰閃絡(luò)電壓隨染污程度的上升呈下降趨勢。
[1] Masoud Farzaneh.Atmospheric Icing of Power Networks[M].Berlin:Springer Press.2008:1-4.
[2] 李永生,李冰.山西電網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子抽樣檢測與分析[J].山西電力,2006,2:12-13.
[3] 紀(jì)建民,杜建忠.1 000 kV 特高壓試驗(yàn)線路工程運(yùn)行初探[J].山西電力,2006:43-46.
[4] 劉亞新,周國華.山西電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行情況及分析[J].電力設(shè)備,2006,8(8):60-62.
[5] Khalifa M M,Morris R M. Performance of line insulators under rime ice[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1967,86(6):692-698.
[6] Farzaneh M,Zhang J.A multi-arc model for predicting AC critical f ashover voltage of ice-covered insulators[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007,14(6):1401-1409.
[7] Deng Y,Jia Z,Wei X,et al.Mechanism of salt migration in icicles during phase transition and its impact on ice f ashover[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2012,19(5):1700-1707.
[8] Farzaneh M,Zhang J,Chen X. A laboratory study of leakage current and surface conductivity of ice samples[C].IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.Arlington,USA,1994:631-638.