自然覆冰绝缘子交流放电发展过程与电弧动态特性研究

Even though lots of work have been done to study AC flashover characteristic of ice-covered insulator within artificial climate chamber all over the word, the insulator ice covering flashover still remain unsolved due to the much difference between artificial simulation and natural icing. Therefore, insulator flashover caused by icing in high voltage transmission line is still a frequently occurring problem. Based on the Xuefeng mountain natural icing test station for up to 150 days icing conditions every year, the 500kV AC test power supply system and digital instruments such as high speed camera digital instrument, ultraviolet imager, spectroscopy et al., the AC discharge process and dynamic characteristic of arc of icing insulators under nature condition and the difference from artificial icing will be studied in the project. The formation and development criteria for various stages of discharge and its influence during the flashover process will be analyzed. It also will reveal the effect of varying temperature and conductivity caused by melting ice layer on arc development. Furthermore, AC icing flashover model based on temperature variation of ice surface will be put forward. At last, the criteria of natural icing insulators’ AC flashover and simulation formula will be raised. This project provides experimental and theoretical supports to perfect the artificial icing test method and boosts icing research.

虽然国内外在人工模拟条件下对覆冰绝缘子交流闪络特性开展了大量研究，但因人工模拟与自然覆冰存在很大差异，导致绝缘子冰闪问题尚未得到很好解决，因此近年来高压输电线路仍时有发生冰闪跳闸。本项目依托雪峰山自然覆冰试验基地覆冰长达150(天/年)且覆冰类型多样的覆冰条件和已经建立的500kV交流覆冰试验系统，采用像增强型高速摄像仪、紫外成像仪、光谱仪等数字化仪器，研究绝缘子自然雾凇、混合凇和雨凇的交流放电发展过程和电弧的动态特性及其与人工覆冰的差异；分析覆冰绝缘子交流放电各阶段形成、发展与转变的条件及影响因素，揭示冰层融化导致的温度与电导率的动态变化对电弧发展及其特性的影响规律；建立基于冰面温度变化的交流冰闪动态模型；提出自然覆冰绝缘子交流冰闪判据与冰闪电压仿真计算方法。为改进人工覆冰试验方法和推进覆冰研究提供试验和理论支持。

虽然国内外在人工模拟条件下对覆冰绝缘子交流闪络特性开展了大量研究，但因人工模拟与自然覆冰存在很大差异，导致绝缘子冰闪问题尚未得到很好解决，因此近年来高压输电线路仍时有发生冰闪跳闸。本项目依托雪峰山自然覆冰试验基地开展自然覆冰绝缘子交流放电过程、电弧特性及闪络模型研究。研究结果发现① 自然覆冰过程，温度、湿度、风速等气象随机性和分散性使得绝缘子自然覆冰与人工覆冰在分布、类型等方面存在一定的差异，进而影响其冰闪电压，污秽和覆冰对绝缘子的冰闪电压的影响可以采用冰污参数（ISP）综合表征，即 U=A(ISP)^(-P)，试验所得A在8000~13000，p在0.43~0.47；自然覆冰绝缘子闪络过程电弧发展存在显著飘弧现象和泄漏距离短接现象；电弧发展过程，其路径小于临界电弧长度时，速度基本小于4.8 m/s，达到临界电弧长度时，速度急剧增加至70.67 m/s及以上；闪络过程电弧放电强度与泄漏电流、电弧光子数呈正相关性，绝缘子覆冰电场分布畸变影响电弧发展；② 测量得到冰面长电弧(10-60cm)伏安特性为 E=46.28I^(-0.656)，提出冰面交流电弧重燃条件为Um≥1238.91xI^(-0.439) 或Up≥593.5xI^(-0.403) ；随着泄漏电流增加，冰面交流激发温度随之增加，当泄漏电流峰值介于0.1~0.7 A时，冰面交流激发温度波动范围介于4800~6400 K，冰面交流电弧的转动温度逐渐增加，且呈现一定的饱和趋势；电子密度随泄漏电流峰值增加而增加，当电流超过0.4 A时，电子密度增加速度放缓，并逐渐有饱和趋势，当泄漏电流接近0.6 A时，电子密度达1.6×10^17 cm-3；③提出绝缘子接触和与空气接触的冰层的剩余冰层电阻的计算方法，建立覆冰绝缘子交流冰闪数学模型，提出了覆冰绝缘子交流电弧临界闪络判据，试验验证结果其误差小于15%。研究结果为改进人工覆冰试验方法和推进覆冰研究提供试验和理论支持。