覆冰绝缘子串闪络过程研究

80
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ppedli
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图7
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200
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400
500
Frequency (Hz)
(c) 泄漏电流频谱特性
绝缘子串上局部电弧发展时的电压电流特性
奇次谐波含量较多，其中三次谐波占 23.74%，五次 谐波占 7.93%，七次谐波占 2.16%。
图 8 为工作电压下覆冰绝缘子串融冰期从临界 闪络到闪络过程的波形图。
由图 8 可知，闪前电压无跌落，波形畸变小于 3%，这说明电源系统容量能够满足覆冰试验要求。 闪络时，泄漏电流在电压峰值时刻突然增大，电弧
贯通了整个绝缘子串。由于电弧等离子体具有强的
导电性，泄漏电流转变为短路电流，绝缘子串两端
电压迅速下降，波形近似为方波。
图 1 环境气候实验室
试验采用 14 片 XWP2-160 型双伞瓷绝缘子，在 绝缘子上下表面采用固体层法涂敷人工污秽 (SDD=0.1mg/cm2, NSDD=0.5 mg/cm2)，模拟污秽条 件下 220 kV 输电线路覆冰绝缘子串闪络。绝缘子 的几何及电气参数如表 1。覆冰过程中保持实验室 内温度在-10℃左右，覆冰用的过冷却水电导率为 100μS/cm。
4 电压电流特性
在带电覆冰及融冰闪络过程的不同阶段，绝缘 子上电压电流表现出不同的特性。因此，电压电流 特性对于分析和监测冰闪过程具有重要意义。本文 分析了融冰期闪络过程中电压电流特性的变化 规律。
在融冰初期，绝缘子串冰面无水膜，无局部电 弧产生，此时的电压、电流波形图，U-I 特性曲线 及泄漏电流频谱特性如图 6 所示。可见，这种状态 下，泄漏电流与施加电压之间存在约 90o 的相位差， U-I 特性曲线为圆形，绝缘子串表现为电容特性。 从泄漏电流波形上可以看出, 其峰值不超过 10mA, 气隙及冰棱断口产生的电晕放电使得波形上存在 较多毛刺。泄漏电流频率成分以基波为主, 同时电 晕放电带来了一些幅值非常低的高频成分，如 图 6(c)。
(a) 0s
(b) 0.93s
(c) 1.85s
(d) 2.19s
2009 特高压输电技术国际会议论文集
3
(e) 2.52s
(f) 2.71s
(g) 2.91s
(h) 3.07s
图 5 覆冰绝缘子串闪络过程
发展速度也迅速增大。电弧从第二片绝缘子下边缘
发展到第三片绝缘子下边缘用时 0.92s；从第三片发
0
2
4
6
8
Leakage Current (mA)
(b) U-I 特性曲线
4.5
4
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Baidu Nhomakorabea
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图6
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Frequency (Hz)
(c) 泄漏电流频谱特性
融冰初期绝缘子上无局部电弧时的电压电流特性
随着温度的升高，绝缘子上冰面开始融化, 水 膜形成, 电导率也相应增加,从而使得泄漏电流值 增大, 在气隙处产生局部电弧。电流峰值超过 200mA 并呈现出不断增长的趋势，如图 7(a)。泄漏 电流与施加电压之间的相位差减小至 25.2o。在电压 过零时，由于电源输入能量减小，泄漏电流停止上
2 试验系统
试验是在国家电网公司特高压交流试验基地 环境气候实验室进行的。该实验室罐体直径 22m, 高 32m, 净空间直径 20m、高 25m，罐体内最低温 度可以降至-19oC，最低气压 0.05MPa, 并且配置了
3× 500kV 交流污秽试验电源和 ± 1000kV 直流试验
电源，能够进行污秽、高海拔低气压、覆冰条件下 的交直流特高压及以下电压等级输变电设备外绝 缘试验研究。试验系统如图 1 所示。
5 结论
本文从电弧状态，泄漏电流及其频谱特性等方 面研究了 14 片 XWP2-160 双伞瓷绝缘子串融冰期闪 络过程，得出结论如下：
(1) 覆冰绝缘子串闪络过程可以分为五个阶 段，即起始阶段，间歇性局部电弧阶段，电弧发展 阶段，临界闪络阶段及闪络阶段，各阶段放电现象 明显，泄漏电流峰值具有明显的分界值;
图 5 为整串绝缘子闪络过程照片。从绝缘子串 高压端产生局部电弧到闪络的时间为 2.91s。在闪络 过程前期，局部电弧在电压过零时会出现熄灭现 象，但只要存在足够大的电压和泄漏电流，电弧将 重燃并不断发展。在电弧长度小于临界长度时，电 弧发展较慢，随着泄漏电流的增长，电弧长度增加,
图 4 覆冰绝缘子串上局部电弧的产生过程
2009 特高压输电技术国际会议论文集
1
覆冰绝缘子串闪络过程研究
许佐明，陈勇，刘云鹏，姚涛
（国网电力科学研究院，武汉，430074）
摘要：本文对污秽条件下覆冰绝缘子串融冰期闪络过程进行 了实验研究，分析了覆冰闪络过程中绝缘子串电弧发展、泄 漏电流及其频率特性的变化规律。结果表明：覆冰绝缘子串 闪络过程可以分为初始阶段，间歇性局部电弧阶段，电弧发 展阶段，临界闪络阶段和闪络阶段；各阶段放电现象明显， 泄漏电流峰值具有明确的分界值；随着泄漏电流的增大，电 流与电压的相位差减小，非线性程度降低；起始阶段泄漏电 流峰值小，谐波含量最低；产生间歇性局部电弧时泄漏电流 谐波含量最高；临界闪络时泄漏电流波形平滑，谐波含量 较低。
分析绝缘子串覆冰闪络全过程的泄漏电流峰
值变化规律如图 10。
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图8
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Time (s)
临界闪络至闪络过程电压电流波形图
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)
图 3 带电覆冰过程中高压端产生的电弧
在电弧的作用下部分冰棱可能被烧断，形成断 口。气隙和断口的存在造成绝缘子表面电场分布的 不均匀，断口处电场畸变较大，承担较大的电压， 当此电压达到一定程度时就能将周围空气电离，产 生放电。图 4 表明，融冰期覆冰绝缘子串闪络正是 从断口处的紫丝状放电开始的。丝状放电产生的能 量加快了冰的融化，泄漏电流增大，紫色丝状放电 发展成为白色局部电弧并呈飘弧状向外发展。
(b) U-I 特性曲线
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2009 特高压输电技术国际会议论文集
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Frequency (Hz)
(c) 泄漏电流频谱特性
图 9 临界闪络时的电压电流特性
1200
intermitt-
ence local
本文在大型人工环境气候实验室模拟了污秽 条件下绝缘子串带电覆冰及融冰闪络过程，对闪络 过程中电弧发展、U-I 特性曲线、泄漏电流变化及 其频域特性进行了实验研究及分析。基于这些分 析，闪络过程可被分成几个阶段，每一阶段都对应 着不同的电弧形态和泄漏电流波形，这对覆冰绝缘
子串的在线监测及状态预警系统的开发具有重要 的参考价值。
展到第五片用时 0.67s；从第五片发展到第七片用时
仅 0.09s。当电弧长度大于临界长度，即绝缘子串长 的 45%-60%[21]，电弧发展极快, 在 0.2s 的时间内即
可从第七片绝缘子下边缘发展直至贯通两极，完成
闪络。由图 5 可以看出，电弧呈现波浪状向上发展，
闪络时，放电路径呈 S 形围绕整个绝缘子串。
critical flash-
1000
initial stage
arcstage arc propagationstage overstage
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图 10 闪前泄漏电流峰值变化图
可见，泄漏电流呈明显的阶梯状增长，每一阶 梯都能和电弧发展阶段相对应。当峰值小于 10mA 时，对应绝缘子串覆冰表面无水膜，无局部电弧产 生的初始阶段；当峰值大于 50mA 小于 200mA 时， 气隙中产生间歇性局部电弧；当峰值达到 200mA 后，泄漏电流呈直线增长，电弧处于发展阶段；当 峰值大于 700mA 时，绝缘子串处于临界闪络状态。
2
覆冰绝缘子串闪络过程研究
1 柱式调压器 2 试验变压器 3 保护电阻 4 电容分压器 5 穿墙套管 6 绝缘子串 7 模拟横担 8 环境气候实验室 9 电流测量线圈 10 数据采
集卡 11 计算机
图 2 试验电路原理图
3 电弧发展
为了更好地模拟实际线路绝缘子串覆冰状态， 试验采用带电覆冰方法，即在覆冰过程中，绝缘子 串高压端施加额定运行相电压。由于该电压的存在， 当水喷淋到绝缘子串上时，绝缘子表面产生较大的 泄漏电流，泄漏电流产生的热量减缓了绝缘子表面 覆冰过程，在绝缘子串两端电场强度较大的位置会 产生局部电弧(如图 3)，这样就使得高压端及接地端 相邻绝缘子难以被冰棱桥接，从而形成气隙。
Leakage current (mA) Applied voltage (kV)
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事实上，对于电力系统安全而言，分析临界闪
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Time(s)
(a) 电压电流波形
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表 1 绝缘子几何及电气参数
型号
结构高度 盘径 爬电距离
XWP2-160 155mm 300mm 450mm
试验电源采用交流污秽试验电源系统中的下 级试验变压器，其额定输出电压为 500kV，额定输 出电流为 10A，短路阻抗为 3.18%。电压电流波形 数据分别由电容分压器及线圈测量，并通过数据采 集系统输入计算机进行显示、存储及分析。该数据 采集系统由计算机，高速数据采集卡及基于 LabVIEW 平台的软件构成。试验接线原理如图 2。
关键词：覆冰; 绝缘子串; 电弧; 泄漏电流; 融冰;闪络过
1 引言
绝缘子覆冰是输电线路严重自然灾害之一。在 覆冰条件下，绝缘子电气性能明显降低，并可能 导致闪络引起线路跳闸[1-3]。当前对于绝缘子覆冰 的研究主要集中于覆冰过程[4-5]，人工覆冰试验方 法[6-7]及覆冰绝缘子耐受电压的确定[8-10]等方面， 而关于融冰期绝缘子串闪络过程的研究则鲜有报 道。运行经验表明，覆冰绝缘子串在气温回暖的 融冰期发生闪络的可能性更大[11-12]，而绝缘子覆 冰闪络是一种极其复杂的放电现象，与电场、绝 缘子覆冰表面气隙、冰面湿润及污秽，环境条件、 绝缘子型式等因素密切相关[13-14]。在覆冰绝缘子 串融冰期闪络过程中，最为明显的特征是电弧的 发展及泄漏电流的变化。为建立绝缘子冰闪数学 模型及探索放电机理，文献[15-16]分别对覆冰绝 缘子及样品冰面的电弧发展进行了研究。但仅有 少量的文献报导了线路悬式绝缘子在覆冰及融冰 期泄漏电流的变化规律[17-18]。对覆冰绝缘子串泄 漏电流进行时域及频域分析可以为覆冰绝缘子串 的状态提供更多的信息[19-20]。
意义。因此，我们将临闪状态提取出来单独分析，
如图 9。临界闪络时，泄漏电流波形不再存在停顿，
即电弧不再熄灭，而是在电动力的驱动下不断发
展。此时，相位差仅为 9.9o, U-I 特性曲线更接近于
直线，这表明随着电弧长度的增长, 绝缘子串非线
性程度是降低的。由图 9(c)，泄漏电流谐波含量减
少，其中三次谐波占 10.55%，五次谐波占 1.99%。
升并有少许下降，当电压继续上升超过 40kV 时， 电流重新增长，电弧重燃。U-I 曲线(图 7(b))为梭状， 表明覆冰绝缘子串为非线性高阻抗的电路元件。此
阶段泄漏电流畸变严重，总畸变率(THD)为 25.3%，
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覆冰绝缘子串闪络过程研究
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Time(s)
(a) 电压电流波形
-200 -100
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Leakage Current(mA)
(b) U-I 特性曲线
-200 0.1 300
络状态可以为系统预警提供更好的参考，具有实际