交流电场对复合绝缘子覆雾凇过程影响研究

绝缘子覆冰严重威胁输电线路的安全运行,而电场对输电线路绝缘子覆冰的影响不可忽视。以复合绝缘子FXBW-35/100为试品,在人工气候室内模拟自然覆冰条件,分析研究电场对复合绝缘子覆雾凇过程的影响。结果表明:电场对绝缘子覆雾凇的影响主要体现为对水滴的吸引作用和泄漏电流以及绝缘子表面各类放电现象的作用。电吸力的作用使得覆冰量与覆冰密度增加,泄漏电流以及绝缘子表面各类放电现象使得覆冰量与覆冰密度减小。随着外加电压的升高,绝缘子伞裙边缘、伞裙下表面以及芯棒背风面的雾凇明显增多,迎风面的雾凇全部出现下垂现象;带电覆雾凇时,雾凇密度较不带电时大;覆冰15 min时,冰重随电压的增长有一个先增加后减小的过程。     

交流电场对复合绝缘子覆冰过程的影响

电场对输电线路绝缘子覆冰过程的影响不可忽视。以复合绝缘子FXBW-35/100为试品,分别进行了带电与不带电人工覆冰试验,分析电场对复合绝缘子覆冰过程的影响。结果表明：电场对绝缘子覆冰的影响体现为对水滴的吸引作用和泄漏电流的热效应。电场强度小的地方吸引作用明显,而电场强度大的地方热效应明显;带电覆冰时,冰凌中的气泡增多会向复合绝缘子的芯棒弯曲;低压端附近冰密度较大;高压端附近冰密度较小;冰厚的增长速度会出现饱和;冰重随电压的增长有一个先增加后减小的过程;带电覆冰时会出现稳定燃烧的电弧,这容易损伤绝缘子。     

覆冰绝缘子导电离子分布规律

为研究电场及染污方式对覆冰复合绝缘子导电离子分布的影响,该文在低温、低气压人工气候室对两种染污方式下的35 k V复合绝缘子开展了带电和不带电雨凇覆冰试验。结合COMSOL软件仿真分析冰凌尖端水滴及覆冰滴水过程对绝缘子覆冰的影响,揭示电场、染污方式和染污程度对覆冰绝缘子离子分布的影响规律。结果表明:电场对绝缘子覆冰形态、冰层及冰凌中离子分布和闪络电压均有显著的影响;在带电覆冰条件下,采用覆冰水电导率法时的冰层及冰凌融冰水电导率均低于不带电时;在不带电覆冰条件下,采用固体涂层法时的融冰水电导率远高于覆冰水电导率;绝缘子带电覆冰时的闪络电压高于不带电时,而闪络过程中的融冰水电导率低于不带电时。在分析绝缘子覆冰闪络时,应考虑晶释效应对其闪络特性的影响。     

冰棱生长对绝缘子覆冰过程的影响分析

国内外对不同环境参数下绝缘子覆冰增长特性进行了大量的试验研究,而绝缘子湿增长覆冰过程中会产生冰棱,对冰棱如何影响绝缘子覆冰的研究较为缺乏。因此,该文首先基于流体力学原理,采用仿真软件Fluent对比分析有、无冰棱及冰棱长度对绝缘子外部气流场及水滴运动轨迹的影响,计算得到不同冰棱长度下绝缘子表面的水滴碰撞率α_1。在此基础上,根据热平衡方程,推导出绝缘子表面冻结系数α_3的计算公式,进而得到绝缘子表面覆冰厚度增长模型。对复合绝缘子FXBW-110/100和瓷绝缘子XP-160在人工气候室开展湿增长覆冰试验,研究不同温度及风速下,绝缘子表面覆冰厚度随时间的变化规律,并将模型计算结果与试验值对比。结果表明:两种绝缘子表面覆冰厚度模型的计算值与试验值的误差小于10%,瓷绝缘子覆冰厚度增长速度快于复合绝缘子,并且随着冰棱长度的增加,绝缘子表面覆冰厚度增长速率逐渐降低。     

绝缘子表面三维覆冰特性的影响因素

覆冰可极大程度降低绝缘子绝缘性能,严重威胁输电线路的稳定运行.开展绝缘子覆冰特性研究并建立绝缘子覆冰增长数值计算模型是解决绝缘子覆冰闪络问题的基础.为研究自然条件下绝缘子覆冰增长的发展规律和其影响因素,该文从环境参数出发分析绝缘子表面水滴碰撞、冻结、水膜流动等过程,对比不同覆冰类型增长过程的差异性,并基于流体力学和热力学基本理论建立绝缘子三维覆冰数值计算模型.在此基础上,以绝缘子LXY?120为例,对不同环境条件下绝缘子覆冰类型及增长特性进行仿真计算,并在雪峰山对两种不同类型的绝缘子进行了自然覆冰试验,将测量得到的绝缘子覆冰质量、最大覆冰厚度和仿真结果进行了对比,结果表明,不同环境条件下,绝缘子表面覆冰类型、发展过程、覆冰面积、速率等均有差异.此外,绝缘子伞裙结构会影响覆冰增长.复合绝缘子FXBW?220因为伞裙直径更小、厚度更薄,且具有多伞裙结构,其覆冰增长速率大于普通玻璃绝缘子LXY?300.自然条件下,覆冰可很快连通复合绝缘子伞裙间隙.     

交流电场对覆冰水冻结过程中导电离子迁移的影响

鉴于冰层电导率分布对于绝缘子闪络的重要性,文中着重从以下方面进行研究:电场对水滴冻结过程的影响、电场强度对导电离子迁移的影响。通过对带电覆冰绝缘子冰层融冰水电导率的测量,进而分析讨论绝缘子表面冰层和冰棱中电导率的空间分布。结果表明:水滴的平均冻结时间跟电场强度有关系。电场强度越大,覆冰水冻结过程中导电离子迁移程度越小。绝缘子表面冰层融冰水电导率与融冰时间成非线性递减关系。绝缘子在串中的悬挂位置对其冰层最大融冰水电导率有明显影响。带电覆冰条件下,冰层和冰棱的最大融冰水电导率要低于不带电覆冰条件下的对应值。综上所述,交流电场对覆冰水中导电离子迁移的影响较为明显。因此,该研究为进一步完善绝缘子覆冰闪络模型提供参考。     

500 kV复合绝缘子横向覆冰现象有限元分析

雨凇覆冰严重影响输电线路的安全,绝缘子上的冰棱会导致其电场与电位分布的恶化。为探究绝缘子覆冰横向增长现象对绝缘子沿面电场电位的影响,利用ANSYS仿真软件,建立500 kV复合绝缘子覆冰有限元模型。根据输电线路现场与实验室中绝缘子覆冰出现的冰棱横向增长现象,在仿真模型中改变冰棱长度、角度、位置以及横向竖直冰棱同时出现等情况,对比分析不同工况下各覆冰形态对复合绝缘子电场电位分布的影响。仿真分析表明：雨凇条件下,覆冰横向增长冰棱长度、位置的改变对复合绝缘子沿面电位电场分布的影响较小;随着冰棱铅垂角度减小,复合绝缘子沿面电场电位分布畸变增大,竖直覆冰对复合绝缘子沿面电场电位分布起主要影响。     

交流电场对220kV复合绝缘子覆冰及其闪络特性的影响

为补充完善高电压等级复合绝缘子带电覆冰的研究,以复合绝缘子FXBW-220/100为试品,在大型人工气候实验室对其进行了带电与不带电人工覆冰试验。利用试验结果分析了电场对复合绝缘子覆冰及闪络特性的影响,并针对试验现象给出了合理的解释。结果表明:电场对覆冰绝缘子覆冰的影响主要为电场的极化作用和几种常规放电等带来的热效应;电场的强度、场线的均匀性对复合绝缘子覆冰也有重要影响。带电情况下绝缘子覆冰的其它结论包括:带均压环的绝缘子的高压端不易发生桥接;复合绝缘子大部分伞面覆冰冰层结构密实、光滑、透明;带电情况下雨凇冰棱密度小于不带电情况下雨凇冰棱密度,且随着外加电压的提高而减小;均压环冰棱密度随着外加电压的提高而增加;绝缘子覆冰质量随着外加电压的提高呈先上升后降低的趋势;绝缘子50%闪络电压随着外加电压的提高呈先降低后升高的趋势。     

复合绝缘子不同部位水滴撞击特性及其影响因素

绝缘子各部位水滴撞击数不同其覆冰形态不同,为得到各因素对绝缘子不同部位水滴撞击特性的影响,建立风洞和复合绝缘子模型,将复合绝缘子分为伞上表面、伞下表面、伞边缘和芯棒4部分,研究水滴滴径、流速、气流倾角、温度等参数对绝缘子不同部位水滴撞击特性的影响,结果表明:滴径小于30μm时,水滴主要撞击在伞边缘和芯棒上,大于30μm后,水滴主要撞击在伞上表面;随流速增大,伞上表面水滴撞击数由增加趋势变为减小趋势,其临界水滴滴径为90μm,而伞边缘和芯棒水滴撞击数由增加趋势变为饱和,其临界滴径分别为30和50μm;水平气流时复合绝缘子水滴撞击数最少,气流从上至下时其水滴撞击率最大。滴径、流速和气流倾角对绝缘子局部水滴撞击特性均有较大影响且特点各异。     

电场对冰水相变过程晶释效应的影响

覆冰水电导率会影响冰表面水膜电导率,进而影响覆冰绝缘子的电气特性。但是,对于电导率的空间分布缺乏研究。为此在低温、低气压气候室对3片串XP_4–160瓷绝缘子分别在带电和不带电条件下开展覆冰试验,结合COMSOL Multiphysics软件仿真和水分子极化理论分析了电场对绝缘子覆冰形态的影响。在电场、水分子极化以及局部放电、泄漏电流等因素的综合作用下,绝缘子带电覆冰冰凌长度较短、直径较细且冰凌尖端向绝缘子串轴线弯曲。将完成覆冰后的绝缘子冰层和冰凌分别置于恒温环境中融化,测量其融冰水电导率,结果表明,绝缘子在带电和不带电覆冰条件下,冰层及冰凌融冰水电导率随融冰时间的增加均呈非线性下降;覆冰水电导率越高,晶释效应越明显;受电晕放电、局部电弧及泄漏电流等因素的影响,不带电覆冰时的融冰水电导率高于带电覆冰时的融冰水电导率。     

带电覆冰过程对盘形悬式绝缘子覆冰及电场特性的影响

运行条件下绝缘子表面的电场强度对覆冰过程有明显影响,但国内外对此研究不多。为此,采用有限元法和COMSOL软件对3种盘型悬式绝缘子在不同覆冰状态下的电场和电位分布进行了计算,并结合在人工气候室内的覆冰试验来研究交流电场强度对绝缘子覆冰过程的影响。结果表明:有限元法计算的覆冰绝缘子表面电场和电位分布与试验结果具有一致性,能很好地解释电场强度对绝缘子覆冰过程的影响;绝缘子表面电场和电位分布受到覆冰状态和绝缘子材料和型式的影响;覆冰过程中,电场畸变和局部电场强度的变化影响绝缘子覆冰增长速率、覆冰外观和分布、覆冰质量、覆冰密度和闪络电压;电场对玻璃绝缘子覆冰过程的影响要高于瓷绝缘子。     

输电线路悬式复合绝缘子雨凇与轻雾凇覆冰形态和覆冰过程对比研究

覆冰形态是影响输电线路绝缘子闪络的重要因素之一。目前未见各类型覆冰形态差异及其原因的相关研究,绝缘子覆冰形态形成的微观物理过程研究较少。覆冰过程包括水滴撞击,捕获和冻结三个过程。对比研究了南方电网电线路灾害(覆冰)预警系统监测的悬式复合绝缘子雨凇、轻雾凇覆冰形态,通过Fluent仿真研究了两类覆冰形态的水滴与绝缘子撞击过程,计算了绝缘子伞裙上表面、伞裙边缘和杆径的水滴撞击数和撞击密度,通过微气象数据分析研究水滴冻结过程,从水滴撞击和冻结两个过程理论解释了雨凇和轻雾凇两类覆冰形态差异的原因。     

绝缘子湿增长动态覆冰模型研究

绝缘子覆冰是一种复杂的自然现象,涉及流体力学、热力学、气象学等多方面的问题。为了实现绝缘子湿增长覆冰的数值计算和模拟,该文采用软件仿真、理论分析和试验研究相结合的方法分析了不同环境条件下的绝缘子表面水滴碰撞捕获、水膜的流动和冻结等物理过程。综合考虑冰棱长度对绝缘子外部流场及水滴运动轨迹的影响及冰棱壁面水膜"断流"对冰棱生长的影响,基于质量守恒定律和能量守恒定律,建立了绝缘子表面覆冰厚度和冰棱增长的计算模型。在重庆大学人工气候室内通过控制环境参数,对FXBW-110/100绝缘子进行湿增长覆冰试验,记录不同环境温度、不同风速下复合绝缘子伞裙表面覆冰厚度、冰棱长度随着时间的变化规律。将试验值和模型计算值进行对比,得到绝缘子表面覆冰厚度平均误差15%,冰棱长度平均误差10%,验证了模型的有效性。     

风速对复合绝缘子覆冰增长及其闪络特性的影响

风速和电场均是影响绝缘子覆冰的重要因素,在多功能人工气候室对不同风速下的复合绝缘子进行了人工雨凇带电和不带电覆冰试验研究,分析了风速和电场双重作用对冰棱生长、覆冰量、覆冰密度、厚度及闪络电压的影响。研究表明:随着覆冰期风速的增大,绝缘子的冰棱长度、倾角、伞面冰厚、覆冰密度和覆冰重量均逐渐增大,在覆冰时间相同的条件下,其闪络电压随着风速的增大而逐渐降低;电场在风速较低时对覆冰参数和闪络性能都有明显的影响,但随着风速的增大,此种影响逐渐变得不明显,在风速较大的条件下可以不考虑电场的影响。     

复合绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型

基于拉格朗日法,通过数值求解覆冰过程中复合绝缘子外部连续气流场和水滴运动轨迹,提出一种以区域分割方式数值计算绝缘子表面水滴碰撞系数的方法,并分析了风速和水滴中值体积直径(MVD)对水滴碰撞系数的影响;通过求解覆冰热平衡方程建立绝缘子雾凇覆冰厚度预测模型,并通过人工覆冰增长试验,对模型进行了验证。数值计算和试验结果表明:复合绝缘子迎风侧杆径和伞裙边缘的水滴碰撞系数比迎风侧伞裙表面的碰撞系数大很多,迎风侧伞裙表面的水滴碰撞系数几乎是背风侧水滴碰撞系数的两倍;水滴碰撞系数随风速和MVD的增大而增大,且MVD的影响程度比风速更大;绝缘子伞裙表面覆冰厚度小于8mm时,模型能很好地预测绝缘子表面雾凇覆冰厚度,模型计算厚度与试验实测厚度相对误差在8%以内;绝缘子伞裙表面覆冰厚度在10~14mm之间时,模型的预测准确性稍差,其相对误差为12%~15%。     

均压环安装位置对220kV复合绝缘子覆冰及其闪络特性的影响

在人工气候室对不同位置安装均压环的220 kV复合绝缘子进行了人工带电覆冰试验,分析了均压环安装位置对绝缘子覆冰及电气特性的影响。结果表明:复合绝缘子本身电场分布极不均匀,使不同均压环安装位置对改善电场分布的效果不尽相同,从而对复合绝缘子覆冰有明显影响。高压端均压环使高压端伞裙覆冰比较均匀,冰棱生长较长,均压环冰棱呈向外弯曲生长,提高冰闪电压;低压端均压环使低压端伞裙相邻冰棱之间发生粘接,均压环冰棱基本呈垂直生长,降低冰闪电压;绝缘子和均压环表面覆冰密度大于冰棱冰密,安装均压环的高压端或低压端,其表面和冰棱冰密都大于不带均压环时;仅高压端带均压环时的绝缘子自身冰重大于仅低压端带均压环时。     

过冷水滴撞击复合绝缘子表面的数值模拟

为合理设计和选择适用于覆冰地区复合绝缘子伞型结构,建立了求解覆冰气象下复合绝缘子外部三维两相粘性不可压缩湍流流场的基本控制方程组,得到覆冰过程中复合绝缘子外的水滴运动轨迹,分析了复合绝缘子的水滴碰撞系数等撞击特性和气体来流速度v、水滴平均有效直径MVD、绝缘子伞裙倾角和伞裙直径等对水滴撞击复合绝缘子特性的影响。结果表明:伞裙的水滴碰撞系数E随v或MVD的增大而增大,上倾角α=7～9°、下倾角β=0的伞裙和伞径为130～145mm的伞裙水滴E最小。根据计算结果,提出了应用于覆冰地区的复合绝缘子伞裙结构:大中小伞交错排列,大中伞间由两个小伞排列组成,α取5～9°,β取0,中伞伞径取130mm。     

环境参数对110kV复合绝缘子覆冰增长过程的影响

绝缘子覆冰严重影响着电力系统的安全稳定运行,国内外对输电线路覆冰增长过程进行了大量的研究,但对绝缘子覆冰过程的研究较少,因此研究环境参数对绝缘子覆冰的影响在防冰抗冰工作中显得尤为重要。为此,通过在人工气候室的模拟试验来研究环境参数(水滴中值体积直径(MVD)、液态水含量(LWC)、温度、风速)对不同伞型结构的110kV复合绝缘子覆冰过程的影响。研究结果表明:绝缘子覆冰质量、伞裙表面覆冰厚度、冰凌长度及冰凌直径随时间的增长成非线性增长,而随着时间的延长,覆冰质量的增长程度变缓;绝缘子覆冰质量随着环境温度的降低成非线性增加;绝缘子覆冰质量随风速的增加而增加;水滴中值体积直径、液态水含量对绝缘子覆冰质量、冰凌增长有着重要的影响,随着MVD、LWC的增大,覆冰质量、冰凌长度增长迅速;在同等覆冰条件下,D型绝缘子的覆冰质量最轻,冰凌桥接速度最慢,所以D型绝缘子更适合在覆冰严重地区使用。     

应用圆柱体模型的绝缘子带电覆冰临界状态分析

带电运行绝缘子串严重覆冰后,其表面的电场分布及覆冰动态平衡过程主要与覆冰水电导率和空气间隙的长度有关,受绝缘子材料和型式的影响不大。建立了绝缘子覆冰的圆柱体模型,通过分析影响覆冰增长的因素,建立了以空气间隙长度、覆冰水电导率和融冰效率3个参数为变量的带电覆冰过程的动态平衡方程;同时在人工气候室里进行了试验研究。理论推导和试验结果均表明：绝缘子带电覆冰过程主要受两方面因素的影响,是一个可逆的过程,存在动态平衡状态;并得出了不同环境下的动态临界条件;带电覆冰过程中各类放电活动产生的焦耳热大部分维持电弧的燃烧和损耗,只有15%～35%用于覆冰的融化,且用于覆冰融化的部分随空气间隙长度的增加而减少。     

覆冰复合绝缘子电场分布的研究

为研究覆冰复合绝缘子的电气特性,基于ANSYS有限元法建立了330 k V覆冰复合绝缘子模型,分别模拟仿真了干、湿覆冰情况下,不同空气间隙位置及冰棱长度对覆冰复合绝缘子的沿面电场、电位分布的影响,并与清洁复合绝缘子进行比较分析。结果表明:与清洁复合绝缘子相比,覆冰明显畸变了复合绝缘子的沿面电场和电位分布;当覆冰未完全桥接大伞裙间时,随着冰棱长度的增长,对沿面电位和电场分布的畸变程度越严重。当融冰过程中形成水膜时,覆冰复合绝缘子的沿面电场和电位分布进一步畸变,此时更容易发生局部放电。