浅析输电线路绝缘子及串型抗冰设计

浅析输电线路绝缘子及串型抗冰设计摘要：随着电网的发展，越来越多的架空输电线路受到冰害的威胁，严重影响电网的安全可靠性。

冰灾事故中所发生的覆冰跳闸、倒塔等事故均与导地线覆冰相关，本文结合输电线路覆冰对绝缘子及串型抗冰设计进行讨论。

Abstract: With the development of power network complicated, More and more overhead transmission lines are threatened by ice.It seriously affect the safety and reliability of power grid. Tripping and tower collapsing are all related to the conductor and earth wire iceing in ice disaster. In this paper, the design of insulator and stringanti-icing is discussed according to the icing of transmission line.1.引言我国是输变电线路覆冰事故较多的国家之一。

覆冰事故已严重威胁了电力系统的安全运行，并造成巨大的经济损失。

近30年来，大面积的覆冰事故在全国各地时有发生。

2008年春节前后，持续雨雪天气造成14个电网的覆冰事故和大面积停电，经济损失惨重，华中地区覆冰绝缘子跳闸就有200多次【1】【2】。

2.输电线路绝缘子冰闪情况早在20世纪60年代，美国的345kV和瑞士的400kV线路都曾先后在冬季覆冰时期，出线覆冰绝缘子闪络事故。

从那时开始世界各国科技工作者在模拟试验的基础上，对覆冰绝缘子串的闪络机理，以及其主要影响因素如冰(雪)水导电率、覆冰厚度(或重量)绝缘子型式、串长、受污秽程度以及悬挂方式等进行了系统的研究。

20世纪80时年代，我国多所研究机构进行了模拟冬季覆冰时期，覆冰绝缘子闪络事故的试验，充分证明覆冰绝缘子串在覆冰融化阶段闪络发展过程与污秽绝缘子串闪络放电极为相似，都是由于泄漏电流起了主导作用。

开始当泄漏电流较小时，覆冰绝缘子串会出现可见的辉光放电现象，随着放电电流增加，如此反复发展，当泄漏电流达到200mA左右时，即可使局部白色电弧跨过整个绝缘子串而造成闪络接地事故。

【3】绝缘子串上的覆冰，由于气流中过冷水滴的粒径大小和数量、周围气温以及风速等不同，而分别形成雨凇、雾凇、混合凇。

一般来讲，当过冷却水滴碰撞低温绝缘子瞬间，如果热平衡后再0℃及以上，则水滴将散开成水膜，然后再冻结，即湿增形成雨凇。

反之，如果碰撞瞬间水滴热平衡在0℃以下，则迅速冻结为冰粒。

即所谓干增长形成雾凇。

当有部分大粒径水滴呈湿增长，另一部分小粒径水滴呈干增长时或者由于水滴碰撞密度大部分呈干增长部分呈湿增长，抑或短时呈干增长、短时呈湿增长都会将形成混合冻结，也称为硬雾凇。

雨凇覆冰的主要特征是在绝缘子裙边生成长度不一的冰柱，当覆冰很大时，可使上下绝缘子裙相连，形成“桥“状。

雾凇、混合凇属于风积型覆冰，其特征主要是冻结在绝缘子串的迎风侧，即将绝缘子瓷裙赏析密密填时，使绝缘子串的大部分形成上下一体的大冰柱。

湿雪是影响绝缘闪络的两一类冰型，它是高空形成的雪花，在降落过程中，经过温暖层时，雪花开始融化，表面呈融湿状况，在降落到低温的绝缘子串上，形成冠雪。

或者受风力影响在绝缘子的迎风侧形成密实的黏附雪和冻结雪柱。

从以上几种覆冰情况看，覆冰后绝缘子串绝缘强度降低，主要是绝缘子的正常泄漏距离为冰所短接，使泄漏电流和弧光闪络沿冰雪面发展(相当于绝缘子串的干闪间隙)，减少了放电距离，其次，由于冰雪的存在，以及融化过程中，干、湿间区间的影响，使得绝缘子串电压分布不均，从而导致覆冰绝缘子串绝缘强度显著降低，引起不应有的闪络接地事故。

冰闪的绝缘子有单、双串合成绝缘子、双串瓷绝缘子，其中双串绝缘子结构发生几率较高，约占67%。

原因有：覆冰或大雾时双串绝缘子间电场分布相互影响，电场畸变，使其最低闪络电压比单串低，双串间净气隙>60cm时，单双串放电电压基本一致；双悬垂串绝缘子的串间积污比耐张串、V型串及单悬垂串严重，且积污水平与双串间气隙成反比；采用双挂形式，双悬垂串绝缘子积水面较大。

同等环境条件下，双串瓷瓶的最低闪络电压比单串低20%。

据统计，气候变化异常的大山、丘陵及两气象区交界处海拔较高的分水岭冰闪故障较多，覆冰、大雾时常发生，是绝缘子冰闪的典型地形。

另有部分故障点在普通丘陵地段，大多是居民和农田，易出现结冰、浓雾现象。

结合对多次故障的分析，超过85%的故障发生在10～16时气温回升时段。

温度升高时积雪开始融化并沿角铁面流向绝缘子串，在绝缘子瓷边缘形成时断时续的冰凌。

中午前后太阳直射使绝缘子冰凌开始融化并形成连续冰柱，融解了污秽的冰水使冰柱冰面导电率及泄漏电流剧增，短接了绝缘子沿面的爬距，导致工作电压下闪络。

3绝缘子抗冰设计方案3.1 绝缘子选型目前，具有较好的防覆冰绝缘子主要有：防覆冰悬式复合绝缘子、防雷防冰闪绝缘子、瓷（玻璃）复合绝缘子，现将其各自性能简述如下：防覆冰悬式绝缘子是针对覆冰及冰闪严重影响输电线路安全运行而研发的一种新型防冰闪产品，它通过优化普通复合绝缘子伞形结构，有效解决了伞裙在覆冰情况下冰溜桥接问题，提高了覆冰闪络电。

该绝缘子具有结构合理、性能可靠、能有效提高污秽覆冰复合绝缘子交流闪络电压的优点，对保障架空输电线路安全运行的可靠性具有重要意义。

2008年以来，已有近千支110kV～500kV新型防冰闪复合绝缘子在湘鄂江浙及东北等地区电网线路抗冰改造工程中成功挂网。

通过运行实际应用数据记录对比分析，结果表明：相同条件下，防冰闪型复合绝缘子的覆冰工频闪络电压比普通型复合绝缘子约高10～20%；覆冰越严重，防冰闪复合绝缘子的工频闪络电压比普通型复合绝缘子提高的幅度越大；相邻大伞间桥接时间提高七倍以上，从1小时提高到超过7小时。

防雷防冰闪复合绝缘子，是一种具有防雷功能的防冰闪复合绝缘子。

其工作原理：输电线路正常运行时，工作电压大部分由绝缘段承担；当雷暴天气出现，落雷直击杆塔或绕击导线时，雷电产生的过电压击穿绝缘段均压环构成的间隙后施加在防雷段上，此时金属氧化物阀片会加收冲击能量钳制过电压，从而保护整支绝缘子使其免于闪络，阻止引发线路跳闸事故；而当雨雪冰冻天气来袭时，上述具有伞径大小不同的层叠式伞裙的复合伞套，其大伞裙对小伞裙能起到良好的遮蔽作用，借此可以防止伞间桥接、防止严重覆冰覆雪以及阻滞电弧串接，从而有效地延缓所述绝缘子的冰凌桥接时间，增大其闪络的难度，大大降低冰冻天气下线路跳闸的概率。

防雷防冰闪复合绝缘子上下贯穿的整支芯棒悬吊输电导线承受负荷更大；金属氧化物阀片的老化可忽略不计。

由于与之串联的绝缘段的隔离作用，金属氧化物阀片即使劣化也不影响线路正常运行；弹簧的拉力作用使得金属氧化物阀片接触紧密，且可防止芯棒拉伸时造成金属氧化物阀片分离；防雷段使线路具有防雷功能；绝缘外套采用大小伞裙交错层叠的伞裙串结构，成功地实现了低温雨雪冰冻天气下的防冰闪功能。

瓷（玻璃）复合绝缘子是在传统瓷或玻璃绝缘子基础上发展而来的一种新型结构的绝缘产品。

它具有以下优点稳定可靠的机械性能，该绝缘子的端部联接金具（钢脚、铁帽）全部采用盘形悬式玻璃绝缘子的结构，芯盘用高强瓷，从配套件到成品每道工序均严格按照国家及行业标准制作和检验，从而可靠的保证了作用于绝缘子上的力矩的承接和传递。

试验结果证明，玻璃绝缘子的这一结构优势得到了完整的体现。

优异的耐污闪性能，由于硅橡胶复合外套具有良好的憎水性和憎水性的迁移性，因而提高了工频湿闪络电压和抗污闪能力。

通过人工污秽闪络电压对比试验，每片瓷（玻璃）复合绝缘子的污秽闪络电压比相同类型规格的瓷绝缘子提高幅度为70%以上，同时该伞形亦有较好的风雨自洁能力，积污速度慢，人工水冲洗和清扫也极为方便，特别是在粉尘类污秽环境中，愈见其优。

该绝缘子容易调整外绝缘爬距，可满足重污区运行线路对绝缘子串爬电距离的要求。

耐冲击能力强，瓷（玻璃）复合绝缘子表面牢固包履了硅橡胶复合外套，使其具有良好的耐冲击能力。

同时由于使瓷件不直接暴露在空气中，从而减少了因环境温差骤变或雷击而导致的瓷件击穿或爆裂的频率，从而大大降低了线路维护费用。

重量轻方便运输安装及维护，瓷（玻璃）复合绝缘子重量比同类型的玻璃绝缘子减轻了1/3，从而降低了安装劳动强度和铁塔承重压力。

它在耐张串上能良好的承受弯距和减缓周期性冲击力对铁塔的破坏。

结构独特合理，瓷（玻璃）复合绝缘子的外形结构，铁帽在瓷绝缘子铁帽基础上增加了一个凹型槽，便于本绝缘子进行安装更换时使用工具夹持。

绝缘子铁帽和钢脚联接尺寸、结构高度与原瓷绝缘子完全相同，具有良好的互换性。

尤其在现运行的线路上，可直接更换本复合绝缘子，无需对原线路弧垂等进行调整，更换极为方便。

盘形悬式瓷（玻璃）复合绝缘子采用硅橡胶复合外套具有良好的憎水性和憎水性的迁移性，解决了瓷和玻璃绝缘子的污闪问题；它采用芯棒采用高强玻璃，解决了普通棒形悬式复合绝缘子的芯棒“脆断”问题。

它采用玻璃绝缘子成熟的浇装工艺，采用钢脚、铁帽联接，与玻璃绝缘子的联接方式相同，可以象普通玻璃绝缘子一样用于耐张串上。

使用瓷（玻璃）复合绝缘子具有十分明显的经济效益和社会效益。

同时，为了防止周期性大面积污闪，在工程完工后，常规的玻璃绝缘子需在其上喷涂PRTV涂料，并且6-7年就要重新涂一次，而瓷（玻璃）复合绝缘子可以至少使用20年以上，真正实现免维护。

瓷（玻璃）复合绝缘子由于防污能力好，可减少使用片数以减少串长，从而可以降低铁塔高度，自身重量轻，可提高铁塔及线路耐覆冰能力，节省大量钢材和占地面积。

3.2 绝缘子串型选择导线悬垂串一般主要有I串和V串两种，Ⅴ串可减小导线相间距，进而减小铁塔单基重量，减少走廊宽度及房屋拆迁、减少树木砍伐、减小电磁环境影响程度，另外相同串长条件下绝缘优于I型串，但Ⅴ串绝缘子片数要增加一倍。

I型串具有受力合理，安装方便，便于施工等特点，但是I型悬垂串风偏角度，杆塔塔头尺寸较大，线路走廊较宽，该串型抗污闪、冰闪、雨闪能力较差。

通过大量的工程试验，得出采用交错布置的方式较常规悬垂串的抗冰能力有明显提高。

I型串采用“交错”布置主要是在悬式瓷绝缘子串的上部、中部、下部各更换一片大盘径绝缘子，阻断了整串绝缘子冰凌的桥接通路，即是采用3+1或者是4+1交错。

图3.2-1 无交错常规串图3.2-2 3+1的交错绝缘子串V型串悬挂方式可以有效阻止所有绝缘子间的冰棱桥接，并改变了闪络路径。