电力系统污秽与覆冰绝缘6
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绝缘子覆冰是一种特殊的污秽形式。覆冰绝缘子的电气强度降低始终与污秽有 关。在高寒地区，绝缘子面临着覆冰积雪的危害更为严重。覆冰积雪对绝缘子电气强 度的影响主要体现在二个方面：一是冰雪在泄漏电流或局部小电弧的热作用下融化， 使绝缘子表面污秽湿润，或染污的冰雪融化后本身电阻降低从而导致绝缘子表面电阻 降低，即污秽绝缘子表面冰层融化后，融化的冰雪本身就是一种特殊形式的污秽；二 是冰雪的堆积改变了绝缘子的外形结构，特别是冰凌产生以后，冰凌的形成改变了绝 缘子沿面的泄漏路径，并导致在正常运行电压下沿绝缘子表面的电位分布发生变化。
6.2 覆冰的分类和物理性质 6.2.1 覆冰分类 (一)、按形成条件分类
输电线路导线和绝缘子的覆冰按形成条件及性质可分为A型、B型、C型、D型 和E型五种，如表6.1所示。
输配电装备及系统安全与新技术国家重点1 实验室 SKL-PES
输配电装备及系统安全与新技术国家重点1 实验室 SKL-PES
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B型：混合凇(硬雾凇)(Hard Rime)
➢性质：不透明(奶色)或半透明冰，常由透明和不透明冰层交错形成 ，密度0.6~0.8g/cm3。 ➢形成条件及过程：在低地由云中来的冰晶或有雨滴的地面雾形成， 气温-5~0℃；在山地,在相当高的风速下，由云中来的冰晶或带有中 等大小水滴的地面雾形成，气温 -10~ -3℃。 ➢特点：雨淞和雾淞的连续冻结物，在天气周期性变化时形成；坚硬 ；粘附力强。对输电线路的危害仅次于雨淞。
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5、影响输电线路覆冰的因素
影响导线覆冰的因素很多，主要有： ➢ 气象因素 ➢ 地形和地理环境条件 ➢ 海拔高度和导线悬挂高度 ➢ 导线结构特性
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(1) 气象因素
影响导线覆冰的气象因素主要有温度、空气湿度、风速、风向、 空气中过冷却水滴或雾滴的直径及凝结高度等。
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3、输电线路覆冰的分类
(1) 按照覆冰对电网形成的危害，输电线路覆冰分为五类： ➢ A-雨淞 ➢ B-混合淞(硬雾凇) ➢ C-雾淞(软雾凇) ➢ D-雪 ➢ E-霜凇
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A型：雨凇(Glaze)
(b) 空气湿度：空气湿度的大小对导线覆冰影响甚大。湿度大，一般在 85%以上，不仅较易引起导线覆冰，而且还易形成雨凇。湖南省每逢严冬 和初春季节，因阴雨连绵，空气湿度很高(90%以上)，故导线极易覆冰， 且多为雨凇。
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(c) 风速风向：由于风起着对云和水滴的输送作用，故对导线覆冰有重要 影响。无风和微风时，有利于晶状雾凇的形成；风速较大时则有利于粒状 雾凇的形成。几乎所有计算导线覆冰的模型都包含有风速这一因素，一般 而言，风速越大(0~6m/s范围内)，导线覆冰越快。而风向主要会对覆冰形 状产生影响，当风向与导线垂直时，结冰会在迎风面上先生成，产生偏心 覆冰，而输当配电风装向备及与系导统安线全平与行新技时术，国家则重容点1 实易验产室生均匀覆冰。
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4、覆冰的形成条件
导线覆冰是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空 气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。导线覆冰必 须具备三个条件，即 ➢ 可冻结的气温(＜0℃) ➢ 较高的湿度(RH%＞85%)，空气中具有可冻结的水分或过冷 却水滴、雾滴和水汽等。 ➢ 使空气中水滴运动的风速(＞1m/s)
D型 ：雪 (Snow and Sleet)
➢性质：在低地为干雪,密度低,粘附力弱.在丘陵为凝结雪和雨夹雪或 雾,重量大. 密度0.1~0.3 ➢形成条件及过程：粘附雪经过多次融化和冻结,成为雪和冰的混合 物,可以达到相当高的重量和体积。 ➢特点：
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绝缘子表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即 ① 大气中必须有足够的过冷却水滴； ② 过冷却水滴被导线捕获； ③ 过冷却水滴立即冻结或在离开绝缘子表面前冻结。
其中，必要条件①取决于气象条件，是气象学问题；必要条件②是流体的力学过程，由流体力 学定律来决定；必要条件③是热力学问题，由覆冰表面的热平衡方程来确定。因此，绝缘子覆 冰增长的机理应从这三个方面进行讨论。绝缘子覆冰过程是与气象学、流体力学、热力学等有 关的综合物理过程。
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(d)过冷却水滴大小：雨凇覆冰时，过冷却水滴直径大，约在10~40μm之间 ，中值体积水滴直径为25μm左右，是毛毛细雨；雾凇覆冰时，水滴直径 在1~20μm之间，中值体积水滴直径为10μm左右;而对于混合凇，其水滴直 径在5~35μm之间，中值体积直径为15~18μm。
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6.1 概述 覆冰是电力系统的严重自然灾害。我国自上世纪五十年代首次发现电网冰害事
故以来，我国各电压等级的输变电设备均发生了冰害事故。 我国自上世纪七十年来以来，就十分关注覆冰的危害，对其进行了长期的观测和
研究，特别是对于绝缘子覆冰。近年来，随着特高压工程的建设，对其研究越来越重 视。经过长期的研究，在绝缘子覆冰闪络特性和闪络机理方面，取得了许多有工程实 际意义的成果。
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C型 ：雾凇(Rime)
➢性质：白色,呈粒状雪,质轻ห้องสมุดไป่ตู้为相对坚固的结晶,密度0.3~0.6g/cm3,粘 附力颇弱。 ➢形成条件及过程：在中等风速下形成，在山地由云中来的冰晶或含 水滴的雾形成， 气温 -13~ -7℃。 ➢特点：
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(a) 环境温度：对覆冰的影响最。一般最易覆冰的温度为-1℃和-5℃ ，气 温太低，过冷却水滴变成了雪花，形成不了导线覆冰，因此，严寒的北方 地区冰害事故反而比南方的云、贵、湘、鄂为轻。
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2、我国电网典型覆冰灾害事故概要
最近30年来，局部覆冰事故和大面积冰害事故在全国各地时有发生。 ❖ 我国最早有记录的输电线路冰害事故出现于1954年，当时全国发生
大面积覆冰，如果发生在现在，造成的灾害将超过2008年1月。 ❖ 1972年 ❖ 1976年 ❖ 1984年云南贵州大面积覆冰。 ❖ 1992年10月青海日月山口330kV线路覆冰倒塌8基。 ❖ 1993年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌7基。 ❖ 1994年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌2基。 ❖ 1999年3月，北京、天津、唐山地区出现持续1周的冻雾，涉及
➢性质：纯粹、透明的冰，坚硬，密度0.9g/cm3或更高,粘附力很强。 ➢形成条件及过程：在低地区过冷却雨或毛毛细雨降落在低于冻结温 度的物体上形成，气温-2~0℃；在山地由云中来的冰晶或含有大水滴 的地面雾在高风速下形成，气温-4~0℃。 ➢特点：一般是由空气中过冷却水滴冻结在导线形成，多出现在海拔 较低的地区；可形成冰柱，密度一般0.8~0.9 g/cm3，结构最紧密，附 着力强，对输电线危害最大。
线路覆冰为9mm。 ❖ 1998年1月，有史以来最严重的冻雨冰风暴袭击加拿大东部和美国东
北部部分地区。自1月4日至10日，加拿大魁北克地区降冻雨总计 120mm，高压输电线路杆塔倒塌1000多基，配电电杆倒塌3000多基。 加拿大470万人、美国50万人受到影响，400万人停电超过2周，当年 10月电网才完成恢复。 ❖ 1999年12月法国发生为期3天的冰雪风暴，38条主要线路停运， 5000MV电力不能输送，超过350万户人家停电。 ❖ 2005年1月瑞典南部遭受严重暴风雪灾害，风速达46m/s。电力系统、 电话通讯以及铁路公路长时间停运。65万人电力中断，电力修复周期 ：7周。 ❖ 2005年11月德国发生冰雪灾害造成超过70基输电线路杆塔倒塌，20万 人停电。
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2005年华中地区冰灾给我国电网造成60多亿的损害 2008年南方大面积冰灾给我国电网造成1000多亿的损失
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1、国外典型的电网覆冰灾害事故
❖ 1921年10月瑞典发生严重积冰现象。瑞典研究报告指出，如果当时的 低温、冻雨和强风气象条件发生在现在，20%~50%的杆塔将倒塌。
❖ 国外最早有记录的输电线路覆冰事故出现于美国1932年。 ❖ 1972年1月，冰灾袭击美国哥伦比亚州，二条500kV线路严重损坏，
覆冰虽然是一种特殊形式的污秽，但覆冰绝缘子的放电过程比污秽绝缘子放电 更为复杂，所涉及的问题更多。到目前为止，覆冰绝缘子的电气强度及放电过程仍是 国内外没有很好解决的技术难题，也是重庆大学多年来一直研究的重点，在该领域的 研究，重庆大学取得了许多研究成果。
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E型 ：霜凇(Hoar Frost)
➢性质：白色，雪状，不规则针状结晶，很脆而轻，密度 0.05~0.3g/cm3，粘附力弱。 ➢形成条件及过程：水汽从空气中直接凝结而成,发生在寒冷而平静 的天气,气温低于-10℃。 ➢特点：
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(2) 按照根据导线覆冰形成的机理及形成过程，导线覆冰增长 过程可分为两种： ➢ 干增长覆冰过程 ➢ 湿增长覆冰过程 ➢ 雾凇是干增长过程，雨凇是湿增长过程，混合凇是介于、干湿 增长之间的一种覆冰过程。
110/220/500kV共10条线路冰闪47次。 ❖ 2004年12月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 ❖ 2005年2月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 ❖ 2005年2月重庆遭受特大风雪袭击。220kV线路严重破坏。 ❖ 2008年南方广大地区的长时间、冻雨覆冰灾害事故。
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6.3.1 气象因素
当过冷却在0℃及其以下的云中或雾中水滴与导线和绝缘子表面碰撞并冻结时，覆冰现象产 生。在冬季，当温度低于0℃时，大气中的小水滴将发生过冷却；在高空甚至在夏季水滴也会 发生过冷却。处于过冷却水滴包围的输电线路绝缘子与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在 绝缘子表面而形成覆冰。
6.2 覆冰的分类和物理性质 6.2.1 覆冰分类 (一)、按形成条件分类
输电线路导线和绝缘子的覆冰按形成条件及性质可分为A型、B型、C型、D型 和E型五种，如表6.1所示。
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B型：混合凇(硬雾凇)(Hard Rime)
➢性质：不透明(奶色)或半透明冰，常由透明和不透明冰层交错形成 ，密度0.6~0.8g/cm3。 ➢形成条件及过程：在低地由云中来的冰晶或有雨滴的地面雾形成， 气温-5~0℃；在山地,在相当高的风速下，由云中来的冰晶或带有中 等大小水滴的地面雾形成，气温 -10~ -3℃。 ➢特点：雨淞和雾淞的连续冻结物，在天气周期性变化时形成；坚硬 ；粘附力强。对输电线路的危害仅次于雨淞。
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5、影响输电线路覆冰的因素
影响导线覆冰的因素很多，主要有： ➢ 气象因素 ➢ 地形和地理环境条件 ➢ 海拔高度和导线悬挂高度 ➢ 导线结构特性
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(1) 气象因素
影响导线覆冰的气象因素主要有温度、空气湿度、风速、风向、 空气中过冷却水滴或雾滴的直径及凝结高度等。
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3、输电线路覆冰的分类
(1) 按照覆冰对电网形成的危害，输电线路覆冰分为五类： ➢ A-雨淞 ➢ B-混合淞(硬雾凇) ➢ C-雾淞(软雾凇) ➢ D-雪 ➢ E-霜凇
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A型：雨凇(Glaze)
(b) 空气湿度：空气湿度的大小对导线覆冰影响甚大。湿度大，一般在 85%以上，不仅较易引起导线覆冰，而且还易形成雨凇。湖南省每逢严冬 和初春季节，因阴雨连绵，空气湿度很高(90%以上)，故导线极易覆冰， 且多为雨凇。
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(c) 风速风向：由于风起着对云和水滴的输送作用，故对导线覆冰有重要 影响。无风和微风时，有利于晶状雾凇的形成；风速较大时则有利于粒状 雾凇的形成。几乎所有计算导线覆冰的模型都包含有风速这一因素，一般 而言，风速越大(0~6m/s范围内)，导线覆冰越快。而风向主要会对覆冰形 状产生影响，当风向与导线垂直时，结冰会在迎风面上先生成，产生偏心 覆冰，而输当配电风装向备及与系导统安线全平与行新技时术，国家则重容点1 实易验产室生均匀覆冰。
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4、覆冰的形成条件
导线覆冰是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空 气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。导线覆冰必 须具备三个条件，即 ➢ 可冻结的气温(＜0℃) ➢ 较高的湿度(RH%＞85%)，空气中具有可冻结的水分或过冷 却水滴、雾滴和水汽等。 ➢ 使空气中水滴运动的风速(＞1m/s)
D型 ：雪 (Snow and Sleet)
➢性质：在低地为干雪,密度低,粘附力弱.在丘陵为凝结雪和雨夹雪或 雾,重量大. 密度0.1~0.3 ➢形成条件及过程：粘附雪经过多次融化和冻结,成为雪和冰的混合 物,可以达到相当高的重量和体积。 ➢特点：
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绝缘子表面发生覆冰现象必须满足三个条件，即 ① 大气中必须有足够的过冷却水滴； ② 过冷却水滴被导线捕获； ③ 过冷却水滴立即冻结或在离开绝缘子表面前冻结。
其中，必要条件①取决于气象条件，是气象学问题；必要条件②是流体的力学过程，由流体力 学定律来决定；必要条件③是热力学问题，由覆冰表面的热平衡方程来确定。因此，绝缘子覆 冰增长的机理应从这三个方面进行讨论。绝缘子覆冰过程是与气象学、流体力学、热力学等有 关的综合物理过程。
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(d)过冷却水滴大小：雨凇覆冰时，过冷却水滴直径大，约在10~40μm之间 ，中值体积水滴直径为25μm左右，是毛毛细雨；雾凇覆冰时，水滴直径 在1~20μm之间，中值体积水滴直径为10μm左右;而对于混合凇，其水滴直 径在5~35μm之间，中值体积直径为15~18μm。
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6.1 概述 覆冰是电力系统的严重自然灾害。我国自上世纪五十年代首次发现电网冰害事
故以来，我国各电压等级的输变电设备均发生了冰害事故。 我国自上世纪七十年来以来，就十分关注覆冰的危害，对其进行了长期的观测和
研究，特别是对于绝缘子覆冰。近年来，随着特高压工程的建设，对其研究越来越重 视。经过长期的研究，在绝缘子覆冰闪络特性和闪络机理方面，取得了许多有工程实 际意义的成果。
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C型 ：雾凇(Rime)
➢性质：白色,呈粒状雪,质轻ห้องสมุดไป่ตู้为相对坚固的结晶,密度0.3~0.6g/cm3,粘 附力颇弱。 ➢形成条件及过程：在中等风速下形成，在山地由云中来的冰晶或含 水滴的雾形成， 气温 -13~ -7℃。 ➢特点：
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(a) 环境温度：对覆冰的影响最。一般最易覆冰的温度为-1℃和-5℃ ，气 温太低，过冷却水滴变成了雪花，形成不了导线覆冰，因此，严寒的北方 地区冰害事故反而比南方的云、贵、湘、鄂为轻。
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最近30年来，局部覆冰事故和大面积冰害事故在全国各地时有发生。 ❖ 我国最早有记录的输电线路冰害事故出现于1954年，当时全国发生
大面积覆冰，如果发生在现在，造成的灾害将超过2008年1月。 ❖ 1972年 ❖ 1976年 ❖ 1984年云南贵州大面积覆冰。 ❖ 1992年10月青海日月山口330kV线路覆冰倒塌8基。 ❖ 1993年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌7基。 ❖ 1994年11月湖北荆门500kV线路覆冰倒塌2基。 ❖ 1999年3月，北京、天津、唐山地区出现持续1周的冻雾，涉及
➢性质：纯粹、透明的冰，坚硬，密度0.9g/cm3或更高,粘附力很强。 ➢形成条件及过程：在低地区过冷却雨或毛毛细雨降落在低于冻结温 度的物体上形成，气温-2~0℃；在山地由云中来的冰晶或含有大水滴 的地面雾在高风速下形成，气温-4~0℃。 ➢特点：一般是由空气中过冷却水滴冻结在导线形成，多出现在海拔 较低的地区；可形成冰柱，密度一般0.8~0.9 g/cm3，结构最紧密，附 着力强，对输电线危害最大。
线路覆冰为9mm。 ❖ 1998年1月，有史以来最严重的冻雨冰风暴袭击加拿大东部和美国东
北部部分地区。自1月4日至10日，加拿大魁北克地区降冻雨总计 120mm，高压输电线路杆塔倒塌1000多基，配电电杆倒塌3000多基。 加拿大470万人、美国50万人受到影响，400万人停电超过2周，当年 10月电网才完成恢复。 ❖ 1999年12月法国发生为期3天的冰雪风暴，38条主要线路停运， 5000MV电力不能输送，超过350万户人家停电。 ❖ 2005年1月瑞典南部遭受严重暴风雪灾害，风速达46m/s。电力系统、 电话通讯以及铁路公路长时间停运。65万人电力中断，电力修复周期 ：7周。 ❖ 2005年11月德国发生冰雪灾害造成超过70基输电线路杆塔倒塌，20万 人停电。
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0 内容提要
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2005年华中地区冰灾给我国电网造成60多亿的损害 2008年南方大面积冰灾给我国电网造成1000多亿的损失
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1、国外典型的电网覆冰灾害事故
❖ 1921年10月瑞典发生严重积冰现象。瑞典研究报告指出，如果当时的 低温、冻雨和强风气象条件发生在现在，20%~50%的杆塔将倒塌。
❖ 国外最早有记录的输电线路覆冰事故出现于美国1932年。 ❖ 1972年1月，冰灾袭击美国哥伦比亚州，二条500kV线路严重损坏，
覆冰虽然是一种特殊形式的污秽，但覆冰绝缘子的放电过程比污秽绝缘子放电 更为复杂，所涉及的问题更多。到目前为止，覆冰绝缘子的电气强度及放电过程仍是 国内外没有很好解决的技术难题，也是重庆大学多年来一直研究的重点，在该领域的 研究，重庆大学取得了许多研究成果。
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E型 ：霜凇(Hoar Frost)
➢性质：白色，雪状，不规则针状结晶，很脆而轻，密度 0.05~0.3g/cm3，粘附力弱。 ➢形成条件及过程：水汽从空气中直接凝结而成,发生在寒冷而平静 的天气,气温低于-10℃。 ➢特点：
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(2) 按照根据导线覆冰形成的机理及形成过程，导线覆冰增长 过程可分为两种： ➢ 干增长覆冰过程 ➢ 湿增长覆冰过程 ➢ 雾凇是干增长过程，雨凇是湿增长过程，混合凇是介于、干湿 增长之间的一种覆冰过程。
110/220/500kV共10条线路冰闪47次。 ❖ 2004年12月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 ❖ 2005年2月湖南、湖北发生大面积覆冰，电网遭受严重破坏。 ❖ 2005年2月重庆遭受特大风雪袭击。220kV线路严重破坏。 ❖ 2008年南方广大地区的长时间、冻雨覆冰灾害事故。
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6.3.1 气象因素
当过冷却在0℃及其以下的云中或雾中水滴与导线和绝缘子表面碰撞并冻结时，覆冰现象产 生。在冬季，当温度低于0℃时，大气中的小水滴将发生过冷却；在高空甚至在夏季水滴也会 发生过冷却。处于过冷却水滴包围的输电线路绝缘子与气流中过冷却水滴发生碰撞，并冻结在 绝缘子表面而形成覆冰。