不同配置形式倒T型布置绝缘子串直流冰闪特性研究

（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆 400044）

摘要倒T型布置方式能有效提高绝缘子串在污秽覆冰条件下的闪络电压，降低跳闸事故率，但对其在直流电压下的冰闪特性却缺乏研究。该文在人工气候室内模拟自然覆冰环境，以LXP-70绝缘子为试验对象，以110kV电压等级绝缘子串长为基准，开展倒T型布置绝缘子串的直流冰闪试验，得到不同覆冰度和污秽度下不同配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪特性。试验结果表明，与普通悬式绝缘子串相比，倒T型布置的绝缘子串的直流冰闪电压提高了5.40%～12.54%；倒T型绝缘子串的直流冰闪电压与等值冰厚及覆冰水电导率均呈负幂函数关系；倒T型绝缘子串的配置方式对其直流冰闪电压有着显著的影响。此外，该文得出不同污冰参数（ISP）下不同配置形式倒T型绝缘子串直流冰闪电压相对于普通悬垂串的提高比例，并通过临界泄漏电流分析了倒T型布置可以提高绝缘子串直流冰闪电压的原因。该文结论为不同污秽、覆冰地区输电线路设计提供了参考。

0 引言

电网覆冰灾害防治一直是国内外长盛不衰的重大研究课题。由于电能远距离输送的需要，架空输电线路不可避免地穿越各种复杂重冰区，近年来，由于环境恶化以及极端天气的频繁出现，由架空输电线路绝缘子串冰闪等原因所引发的跳闸断电事故频发[1-5]。

长期以来，国内专家学者通过大量研究，解决了电网冰灾防治的一系列基础问题，建立起输电线路的覆冰增长模型，分析得到输电线路覆冰的致灾机理，提出许多输电线路冰灾防治的措施[6-8]。其中，针对覆冰绝缘子串，国内外的研究人员进行了大量的覆冰闪络试验，获得了一系列的覆冰闪络数据，这些试验数据为重冰区输电线路的设计提供了参考[9-12]。即便如此，由于输电线路覆冰事故的复杂性和随机性，由其引发的各类断电事故仍然无法杜绝。

针对输电线路导线覆冰，国内外研究人员提出热力除冰、机械除冰、自然脱冰等多种除冰方法，然而与之相对的是输电线路绝缘子串覆冰闪络事故防治方法的缺乏[13-14]。现有的防止绝缘子覆冰闪络事故的方法主要局限在绝缘子防冰涂料、增加绝缘子串长以及改变绝缘子串型等方面[6, 15]。但是各类防冰涂料只能在覆冰初期起到一定防冰效果，随着覆冰进行，覆冰涂料由于憎水性的存在增加了覆冰的粗糙度，反而后期会增加绝缘子的覆冰量。由于受到输电走廊宽度和塔窗尺寸的限制，单纯地依靠增加绝缘子片数来提高冰闪电压的方法也是不实际的。

通过改变绝缘子串型来增加绝缘子串在覆冰和污秽条件下的绝缘强度被证明是可行的，如倒T型绝缘子串布置方法是新型布置方式，能有效地提高绝缘子串的闪络电压，降低重冰区和重污秽地区架空输电线路的跳闸事故率[16-18]。王涵等通过人工污秽试验发现，倒T型布置的绝缘子串的污秽闪络电压相较于普通悬垂串提高了11.6%～22.3%，并且计算出倒T型绝缘子串在各个污区的串型等效系数，为绝缘子串在污秽地区的使用提供了参考[16]。任晓东等进一步研究了倒T型布置的绝缘子串的污秽闪络过程，通过仿真手段对倒T型布置的绝缘子串的电场分布进行了分析[17]。毕聪来等在人工气候室内进行7+2倒T型布置的绝缘子串的交流覆冰闪络试验，结果表明，倒T型布置方式可以显著地提高绝缘子串在覆冰条件下的交流闪络电压[18]。以上研究表明了倒T型绝缘子串在交流条件下具有较好的绝缘性能，但是其在覆冰条件下的直流闪络特性至今仍缺乏研究。

本文在人工气候室内模拟自然覆冰环境，进行倒T型绝缘子串的直流覆冰闪络试验，得到了多种配置形式下倒T型绝缘子串的直流覆冰闪络特性。同时借助污冰参数和临界泄漏电流分析了倒T型绝缘子串直流冰闪的过程。本文的研究结果为重冰区直流输电线路的防冰闪设计提供了参考。

1 试验装置和试品以及试验方法

1.1 试验装置

倒T型布置绝缘子串覆冰和直流闪络特性试验在重庆大学多功能人工气候实验室内进行。气候实验室直径7.8m，高11.8m，主要由制冷系统、喷淋系统、风速调节系统和气压调节系统等部分组成。温度调节范围为-45～70℃；风速调节范围为0～12m/s；湿度调节范围为10%～100%；过冷却水滴中值直径调节范围为20～500mm。气候室内部能够模拟低温及多种复杂覆冰环境。试验电源为±600kV倍压直流试验电源，在泄漏电流为0.5A时，其动态压降小于3%。直流试验时的闪络电压由配套的直流电阻分压器测量，分压比为100 000 width=6,height=11

1，精度为2%。泄漏电流采集装置的精度为2%。人工气候室及试验电源的内各项性能指标均满足IEEE国际覆冰与闪络试验标准[19-20]。人工气候室与高压直流试验电源如图1所示。

倒T型绝缘子串直流冰闪试验接线原理如图2所示。

1.2 试品与布置

本文选择LXP-70型玻璃绝缘子作为试品，其主要参数见表1。其中，D、H、L分别为单个绝缘子的伞裙直径、结构高度和爬电距离。

倒T型绝缘子串主要由两部分组成，除去连接金具以外分为悬垂部分和两侧对称的水平耐张部分。“n+m”倒T型绝缘子串表示悬垂部分的绝缘子片数为n，水平单侧耐张部分的绝缘子片数为m。参考110kV输电线路的常见绝缘子串长的选择，本研究选择9片绝缘子进行冰闪试验。以爬电距离相同为配置原则，除了普通悬垂串以外，本文选择四种配置形式的倒T型绝缘子串进行冰闪试验，分别为8+1倒T型绝缘子串、7+2倒T型绝缘子串、6+3倒T型绝缘子串、5+4倒T型绝缘子串，不同配置形式绝缘子串的布置如图3所示。

R—调压器 T—变压器 Z—倍压直流试验电源 R0—保护电阻 V—分压器 U—穿墙套管 N—人工气候室 I—绝缘子串 M—泄漏电流测量装置 C—计算机

1.3 试验方法

（1）绝缘子预处理

试验前，对试验绝缘子进行清洗，去除绝缘子表面油渍和污秽，清洗完后将绝缘子悬挂在试品架上自然晾干。

（2）污秽程度的表征

本次试验采用改变覆冰水电导率g20（校正到20℃）的方法来模拟绝缘子表面不同的污秽程度。采用NaCl和去离子水配置试验所需不同浓度的覆冰水。为了研究污秽程度对冰闪电压的影响，表征不同的污秽等级，试验中选取250mS/cm、500mS/cm、750mS/cm、1 000mS/cm四种覆冰水电导率值进行冰闪试验；其依次对应大气清洁地区、大气轻度污染地区、大气中度污染地区、大气重度污染地区[21]。

（3）覆冰程度的表征

本次试验采用检测旋转圆柱体上的等效覆冰厚度Deq来表征绝缘子的覆冰程度。圆柱体直径为28mm，长度600mm，旋转速度为1rad/min。为了研究覆冰程度对冰闪电压的影响，试验中选取5mm、10mm、15mm、20mm四种等效覆冰厚度进行击穿试验；其依次对应微覆冰地区、轻度覆冰地区、中度覆冰地区、重度覆冰地区情况[22]。

将倒T型绝缘子串安装在人工气候室内，打开制冷系统进行降温，待达到预定覆冰温度后，打开人工气候室的喷淋系统与风循环系统，开始覆冰。绝缘子串覆冰到达预定值后，关闭喷淋系统，停止覆冰。由于雨淞覆冰对电力系统的危害最大，绝缘子覆冰闪络电压最低，因此，试验中对绝缘子进行雨凇覆冰。具体覆冰试验参数见表2。绝缘子顶部安装DEG-50kg拉力传感器，测量精度为0.02%，实时测量绝缘子的覆冰重量。

由于覆冰绝缘子串的闪络多发于融冰期，因此，闪络试验中通过U型曲线法获得覆冰绝缘子串在融冰期的最低直流闪络电压Uf [19-20]。U型曲线法即在绝缘子融冰过程中进行一系列的反复击穿试验，相邻闪络试验之间的时间间隔为3～5min，直至绝缘子串上的覆冰完全融化。取该过程中最低的闪络电压值为绝缘子串的直流闪络电压Uf，即

2 倒T型绝缘子串直流冰闪特性

2.1 不同配置绝缘子串直流冰闪特性

不同配置形式的绝缘子串在不同污秽程度g20和覆冰程度Deq时的直流冰闪电压如图4所示。可以看出：①各种配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪电压随着污秽程度g20的增加而减小，同时也随着覆冰程度Deq的增加而减小。②对比图4a～图4e，倒T型绝缘子串的配置形式对直流冰闪电压有显著影响。随着倒T型绝缘子串水平部分的增加，绝缘子串的直流冰闪电压在逐渐增加。

2.2 覆冰程度对直流冰闪电压的影响

不同配置形式下，绝缘子串Uf和Deq的关系如图5所示。

分析图5中的结果，不同配置形式绝缘子串的直流冰闪电压与等效覆冰厚度之间满足负幂函数[4]关系

式中，A为与绝缘子类型、污秽程度以及配置形式有关的常数；a为表征等效覆冰厚度对直流冰闪电压影响的影响指数。图5中各组数据的拟合参数见表3。

从图5和表3中可以看出：

（1）各种配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪电压随着Deq的增加而减小，但是减小速度在逐渐下降。即在覆冰初期，倒T型绝缘子串的直流冰闪电压随着覆冰程度的增加迅速降低。而覆冰进入中后期，绝缘子串的直流冰闪电压随着覆冰程度的增加降低的速度变缓。这是因为绝缘子串的直流冰闪电压与绝缘子伞裙冰棱长度和桥接数量密切相关。覆冰初期冰棱的伸长和数量的增加将显著降低倒T型绝缘子串的直流冰闪电压，但是到了中后期，绝缘子伞裙已经被冰棱完全桥接，这时覆冰程度再增加对倒T型绝缘子串直流冰闪电压的影响就不如前期明显。

（2）参数A与绝缘子串的污秽程度g20密切相关，对不同配置的绝缘子串而言，A均随着g20的增加而单调减小。以5+4倒T型绝缘子串为例，g20从250mS/cm增加到500mS/cm、750mS/cm和1 000mS/cm，A由依次减小13.20%、19.37%和24.57%。

（3）绝缘子串的配置形式对参数a有显著的影响，从表中数据可以看出，倒T型布置绝缘子串的a值要大于普通悬垂串。9+0普通悬垂串、8+1倒T型绝缘子串、7+2倒T型绝缘子串、6+3倒T型绝缘子串、5+4倒T型绝缘子串a的平均值依次为0.219、0.197、0.191、0.203、0.211。可以推测，倒T型绝缘子串直流冰闪电压受覆冰程度的影响要小于普通悬垂串。

2.3 污秽程度对直流冰闪电压的影响

不同配置形式下，绝缘子串绝Uf和g20的关系如图6所示。

分析图6中的结果，不同配置形式绝缘子串的直流冰闪电压与覆冰水电导率之间也满足负幂函数[4]关系

式中，B为与绝缘子类型、覆冰程度以及配置形式有关的常数；b为表征覆冰水电导率对直流冰闪电压影响的影响指数。图6中各组数据的拟合参数见表4。

从图6和表4中可以看出：

（1）各种配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪电压随着g20的增加而减小，但是减小速度在逐渐下降。因为倒T型绝缘子串直流冰闪电压与冰层和冰层水膜中的导电离子浓度相关。当覆冰水电导率较小，闪络发展过程中的导电离子浓度不足，此时，覆冰水电导率的增加将显著地减小倒T型绝缘子串的直流冰闪电压。但是，当覆冰水电导率增加到一定的程度，导电离子浓度已经不再是影响闪络发展的关键约束，所以，随着覆冰水电导率的持续增加，其对倒T型绝缘子串的直流冰闪电压的影响在逐步减弱。

（2）参数B与绝缘子串的覆冰程度Deq密切相关，对不同配置的绝缘子串而言，B均随着Deq的增加而单调减小。以6+3倒T型绝缘子串为例，Deq从5mm增加到10mm、15mm和20mm，B依次减小16.22%、16.60%和21.37%。

（3）绝缘子串的配置形式对参数b同样有显著的影响，从表4中数据可以看出，倒T型布置绝缘子串的b值要大于普通悬垂串。9+0普通悬垂串、8+1倒T型绝缘子串、7+2倒T型绝缘子串、6+3倒T型绝缘子串、5+4倒T型绝缘子串b的平均值依次为0.258、0.223、0.236、0.232、0.232。可以推测，倒T型绝缘子串直流冰闪电压受污秽程度的影响要小于普通悬垂串。

3 分析与讨论

3.1 冰闪电压与污冰参数的关系

由以上试验结果可知，覆冰绝缘子串直流闪络电压随着覆冰程度的增加而降低，同时也随着污秽程度的增加而降低。倒T型绝缘子串在覆冰条件下的直流电气强度和这两个因素紧密相关。根据研究，通过覆冰闪络过程中的污冰参数ISP可以同时表征覆冰程度和污秽程度对绝缘子直流冰闪电压的影响[6]。ISP（mS·kg/cm）定义为覆冰水电导率与绝缘子串平均单片覆冰量w（kg）的乘积。即

分析图7中的结果，不同配置形式绝缘子串的直流冰闪电压与ISP之间也满足负幂函数[4]关系

式中，C为与绝缘子类型以及配置形式有关的常数；c为表征污秽和覆冰程度对绝缘子串直流冰闪电压影响的影响指数。图7中各组数据的拟合参数见表5。

从表5中可以看出，倒T型布置绝缘子串的c值要大于普通悬垂串。说明倒T型绝缘子串直流冰闪电压受污秽程度和覆冰程度的影响要小于普通悬垂串，这与之前的结论一致。

为了更好地比较不同配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪电压的差异，计算了不同污冰参数时相较于普通悬垂串的直流冰闪电压提高百分比见表6。可以看出，随着倒T型绝缘子串水平部分的增加，绝缘子串的直流冰闪电压在逐渐增加。同时随着污冰参数的增加，各种配置形式倒T型绝缘子串的直流冰闪电压提高百分比也在增加，说明其更适合重污秽和重覆冰地区使用。

3.2 倒T型绝缘子串直流闪络过程泄漏电流分析

为了分析不同倒T型布置绝缘子串冰闪电压之间差异的原因，对其在直流闪络过程中的泄漏电流进行分析。在本研究中，选取不同绝缘子串的临界泄漏电流Im作为特征参数进行分析[22]。倒T型绝缘子串的泄漏电流分布如图8所示，其中，I1、I2、I3分别通过为两个水平部分的泄漏电流以及通过垂直部分的泄漏电流。从图中可以看出，倒T型绝缘子串的水平部分起到了分流的作用。

为了分析倒T型绝缘子串在直流冰闪过程中的泄漏电流的变化情况，选取一组数据展开分析。图9为7+2绝缘子串在等效覆冰厚度为15mm、覆冰水电导率为500mS/cm时闪络前夕泄漏电流发展情况。可以看出，闪络发生以前，倒T型绝缘子串两侧水平部分都有泄漏电流通过，悬垂部分的泄漏电流为两侧水平部分泄漏电流的总和。闪络发生前，泄漏电流在极小的时间段内保持相对稳定，随即发生闪络，这时的电流Im即为覆冰闪络的临界闪络电流。从图中可以看，闪络只会发生在水平部分的一侧，闪络发生时悬垂部分与闪络水平闪络侧的电流迅速增大，而未闪络侧的泄漏电流也迅速减小，因为对未闪络侧而言，一旦闪络发生其相当于被短路。

图10给出了几组不同污秽和覆冰程度下临界闪络电流Im随着不同绝缘子配置形式的变化情况。可以看出，随着水平段的增加，绝缘子串的临界闪络电流在逐渐下降。这是因为冰棱由于重力作用是向下生长的，所以，倒T型绝缘子串水平部分不会被冰棱桥接，其绝缘子的爬电距离也将会得到充分的利用，相当于抑制了泄漏电流的发展，所以水平串长的增加将导致临界闪络电流的减小。临界闪络电流较小，局部电弧发展不充分，闪络过程受到抑制，进而导致了较高的闪络电压。临界闪络电流的变化规律很大程度上解释了倒T型绝缘子串的直流冰闪电压相较于普通悬垂串有一定程度的提高的原因，并且随着水平串长的增加提高会更加明显。

虽然对倒T型绝缘子串而言，增加水平部分串长将带来直流绝缘强度的提升，但是水平串长的增加将导致绝缘子片数的增加，进而导致输电线路建造和成本的增加。如7+2倒T型绝缘子串的绝缘子片数是11，而6+3倒T型绝缘子串绝缘子片数是12。其次，悬垂和水平串长比例的变化将导致绝缘子串最短绝缘距离的变化。因此，实际中需要分析具体工程设计和经济情况选择最优的倒T型绝缘子串配置方案。

4 结论

本文的主要结论如下：

1）倒T型布置方式可以显著提高绝缘子串的直流冰闪电压。覆冰闪络试验结果表明，与普通悬式绝缘子串相比，倒T型布置的绝缘子串的直流冰闪电压提高了5.40%～12.54%。

2）倒T型绝缘子串的具体配置方式对其直流冰闪电压有着显著的影响，随着水平串长的增加，其直流冰闪电压也将增加。但是其最优的配合方案需要根据具体工程设计和经济情况进行选择。

3）倒T型绝缘子串的直流冰闪电压与等值冰厚Deq、覆冰水电导率g20以及污冰参数ISP之间均呈负幂函数关系。

4）倒T型绝缘子串的直流闪络临界泄漏电流Im小于普通悬垂串，并且随着水平串长的增加而减小。

5）倒T型绝缘子串更适合重污秽和覆冰地区使用。本文结论为不同污秽、覆冰地区输电线路设计提供了参考。

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DC Flashover Characteristics of the Iced-Covered Inverted T-Type Insulator Strings with Different Configuration

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Abstract The inverted T-type configuration can increase the flashover voltage of insulator strings under icing and contamination conditions. However, there are few studies on its DC icing flashover characteristics. In this paper, DC icing flashover tests are performed in artificial climate chamber. The DC icing flashover characteristics of different inverted T-type insulator strings are obtained under different ice and contamination conditions. The results show that the DC icing flashover voltage of the inverted T-type insulator string is increased by 5.40%～12.54% compared with the ordinary suspension insulator string. Meanwhile, the DC icing flashover voltage has a negative power function relationship with the equivalent ice thickness and the electric conductivity of icing water. And the configuration of the inverted T-type insulator string has a great effect on the DC icing flashover voltage. In the end, the relationship between the DC icing flashover voltage and theice stress parameteris obtained. At the same time, the DC icing flashover voltage of the inverted T-type insulator string is analyzed by the critical leakage current. The conclusion of this paper provides a reference for the transmission line design in different icing and contamination areas.

keywords：Overhead transmission line, insulator strings, icing flashover, inverted T-type arrangement

黄亚飞男，1994年生，硕士研究生，研究方向为复杂大气环境下输电线路外绝缘及防护。E-mail: huangyafei@cqu.edu.cn（通信作者）

蒋兴良男，1961年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为输电线路覆冰灾害防护与高电压绝缘技术。E-mail: xljiang@cqu.edu.cn