Tab.1 Test insulator technical parameters
绝缘子型号材质H/mmD/mmL/mmA/cm2 LXP3-160玻璃1552804002 098
摘要 绝缘子覆冰严重影响输电线路的安全运行，研究覆冰绝缘子放电发展路径有助于完善绝缘子覆冰放电理论。鉴于现有研究缺乏对盘型悬式绝缘子自然覆冰放电路径的系统分析，该文在现场进行绝缘子覆冰直流闪络试验，得到盘型悬式绝缘子雨凇覆冰和混合凇覆冰直流放电过程及放电路径的特点。研究结果表明：盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时，电弧总体从两端向中部发展；而混合凇覆冰放电过程中会出现多次电弧变暗或“熄弧”现象，且闪络路径分散性较大，电弧总是分段存在的，电弧的位置和数量具有随机性。此外，覆冰形态和自然风对盘型悬式绝缘子闪络放电路径有很大的影响，对于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱长度越长，电弧越易桥接；电弧会在风力的作用下产生漂移和变形而集中在覆冰绝缘子的背风面。
关键词：盘型悬式绝缘子 自然覆冰 直流放电 发展路径特点
绝缘子覆冰严重影响输电线路的安全运行[1-2]。为了探究覆冰绝缘子闪络机理，国内外学者对各类型覆冰绝缘子闪络过程进行了一系列的研究。研究结果表明：覆冰绝缘子闪络时电弧可分为冰面电弧和空气间隙电弧[3]两类。覆冰绝缘子闪络时首先在高压端空气间隙处产生局部电弧，该电弧随着冰棱融化和脱落而延伸，随着电压的升高，局部电弧开始沿冰层表面发展，当电弧长度达到临界长度时，局部电弧发展成完全闪络[4]。此外，一些学者还研究了覆冰绝缘子闪络路径的影响因素，提出伞形结构和冰棱的融化、脱落可以改变覆冰绝缘子的闪络路径，进而影响其闪络电压[5-8]；热浮力可以影响电弧发展速度，从而影响电弧的伏安特性[9]；在低气压下，电弧飘弧更为严重[10]。
然而，覆冰绝缘子受表面状态和空间电荷的影响，导致其闪络过程具有随机性和复杂性[11-13]，国内外鲜有对覆冰绝缘子闪络放电路径的研究，且缺少绝缘子自然覆冰的闪络路径的研究。再者，目前存在的研究大多是针对复合绝缘子和支柱绝缘子的覆冰闪络进行的[14-16]，而对盘型悬式绝缘子覆冰闪络的研究较少。但盘型悬式绝缘子在输电线路中应用广泛，其构造与复合绝缘子和支柱绝缘子大有不同，这将势必导致其放电路径会与复合绝缘子和支柱绝缘子有所区别。
因此，本文针对现有覆冰绝缘子闪络路径分析的缺陷和不足，在雪峰山自然覆冰试验基地搭建了覆冰绝缘子闪络路径观测平台，并进行了不同类型绝缘子覆冰闪络试验。拍摄记录了覆冰绝缘子闪络时电弧发展路径；分析比较了不同类型覆冰绝缘子放电发展路径的差异；总结归纳了覆冰盘型悬式绝缘子放电发展路径特点；并根据大量试验观察，分析了覆冰盘型悬式绝缘子放电发展路径的影响因素，为研究覆冰绝缘子冰闪机理和建立绝缘子闪络模型提供了理论基础。
本文主要试验对象为玻璃绝缘子LXP3-160，其试品的技术参数见表1，结构示意图如图1所示。表中，H为绝缘子结构高度，D为盘径，L为爬电距离，A为表面积。
表1 试验绝缘子技术参数
Tab.1 Test insulator technical parameters
绝缘子型号材质H/mmD/mmL/mmA/cm2 LXP3-160玻璃1552804002 098
图1 LXP3-160型绝缘子结构示意图
Fig.1 Structure schematic diagram of LXP3-160
本文覆冰绝缘子闪络试验在雪峰山自然覆冰试验基地完成，如图2所示。该基地海拔1 400m，具有典型的微地形、微气象特征，年降水量1 800mm，最大风速超过35m/s，覆冰持续时间最长50天，最大雨凇覆冰厚度500mm，是研究电网覆冰的理想场所。
图2 雪峰山自然覆冰试验基地
Fig.2 Xuefeng Mountain natural icing station
采用±800kV/300mA直流试验电源，电容分压器分压比为2 000
1，满足IEC标准对覆冰试验电源的要求[17]。其试验设备原理如图3所示。图3中，T1为调压器，T2为试验变压器，R0为限流电阻，E为电阻分压器，r为采样电阻，C为整流硅堆，F为试品，G为放电管。
本文旨在观测覆冰绝缘子闪络时放电发展路径，然而，在自然环境中，覆冰绝缘子放电路径因受冰棱和环境因素等多方面影响而具有随机性和不确定性。为了能够全面观测不同类型覆冰绝缘子的放电路径，在雪峰山自然覆冰试验基地搭建了覆冰绝缘子放电路径观测平台，如图4所示。该平台由两面角度相差120°的镜子（0.4m×0.8m）组成，摄像机放置在两面镜子中心处的正对面，通过调整摄像机和镜面的距离就可以全方位拍摄覆冰绝缘子的放电路径。摄像设备采用Nikon DIGITAL CAMERA D5500，视频拍摄帧数为50帧/s，有效像素为2 416万像素。
图3 试验设备原理
Fig.3 Schematic diagram of test equipment
图4 覆冰绝缘子放电路径观测平台
Fig.4 Discharge path observation platform for ice-covered insulators
本文采用固体层法进行盘型悬式绝缘子自然覆冰试验，具体操作流程可参考文献[7]。与文献[7]有所不同的是，本文是在雪峰山自然覆冰试验基地进行试验，为了防止绝缘子表面污秽流失，当外界环境温度低于-1℃后再悬挂绝缘子。为了使试验结果更可靠，本文在自然环境的多次冰期中进行多次试验，一共进行约10次试验，每次试验设置4组试品。在覆冰过程和试验过程中，对环境温度、湿度、风速和压强进行实时监测，图5为本文试验中某天的雨凇覆冰气象参数变化情况。本文中，雨凇覆冰闪络试验时的温度、压强、相对湿度和风速分别为-5.3℃、87.2kPa、72.13%和0.99m/s；混合凇覆冰闪络试验时的温度、压强、相对湿度和风速分别为-9.1℃、86.8kPa、100%和1.24m/s。
图5 雨凇覆冰过程环境气象参数变化
Fig.5 Variation of meteorological parameters in glaze covering process
自然覆冰完成后，按照图4调整摄像机和镜子的位置，使覆冰绝缘子和镜子中的虚像能够同时反射到摄像机的镜头中，这样就可以完整记录覆冰绝缘子放电路径。观测平台布置完成后，采用“U”形曲线法对试品绝缘子进行加压[7]，在加压的同时打开摄像机，开始记录放电过程。
图6给出了盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时，电弧从产生、发展到完全闪络的代表性过程。图7为盘型悬式绝缘子混合凇覆冰放电发展过程，图中，0s代表刚观察到有局部电弧的时间。
由图6可以看出，盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时，电弧从两端向中部发展。由于覆冰导致的绝缘子电场分布不均匀，在加压过程中先在电场最强的高压端下表面产生微弱的蓝紫色电晕放电，伴随着滋滋的电晕噪声。随着电压的升高，电晕噪声越来越大，在高压端下表面产生红黄色的局部电弧（见图6b）。随后，低压端钢帽处也开始出现红黄色或白色的局部电弧（见图6c），此时，可听到电弧燃烧的声音，并看到冰棱开始融化。经过0.04s后，高压端第二片绝缘子、低压端第二片绝缘子和绝缘子中部也相继出现局部电弧（见图6d和图6e）。最后电弧快速贯穿整串绝缘子，完成最终闪络，闪络后可看到由于电弧热效应引起空气膨胀。
图6 盘型悬式绝缘子雨凇覆冰放电发展过程
Fig.6 Discharge development process of disc type suspension ice-covered insulators
图7 盘型悬式绝缘子混合凇覆冰放电发展过程
Fig.7 Discharge process of suspension insulators covered with glaze
图7a为盘型悬式绝缘子自然覆冰混合凇形态。自然覆冰混合凇呈“鳞”状，没有明显的冰棱，混合凇沿着迎风侧方向生长，导致迎风侧覆冰比背风侧厚，迎风侧冰厚可达12mm，背风侧冰厚为5mm。相对于雨凇覆冰，盘型悬式绝缘子混合凇覆冰放电过程较为复杂。如图7b～图7g所示，盘型悬式绝缘子在加压过程中首先在高压端绝缘子下表面形成蓝紫色电晕放电，随着电压的升高，依次在低压端绝缘子、中部绝缘子下表面产生电晕，但这些电晕活动并不稳定，在图7b～图7g这段时间内，电晕放电忽强忽弱，亮度忽明忽暗。之后，蓝紫色电晕逐步形成了白色局部电弧，如图7h所示，此时，由于混合凇的粘结力比较弱，会出现冰层脱落的现象，如图7h圆圈标记所示。随着电压的升高，局部电弧并没有快速发展成完全闪络，而是经历了几次明-暗交替的过程，如图7h～图7m所示，其中，图7h、图7j和图7l中电弧亮度亮；而图7i、图7k和图7m中，电弧亮度暗，这是由于局部电弧形成后，电源提供的能量一部分用于局部电弧的维持，其余部分用于融化冰层，混合凇冰层较易融化，融化后使局部电弧长度增加，导致维持局部电弧需要的能量增大，若电源未能提供足够的能量，就会出现电弧变暗或“熄弧”现象[18]。而当电源能量能够同时维持局部电弧发展和泄漏电流融冰时，局部电弧又变得明亮且向前发展，当达到临界闪络条件时[19]，就会迅速连通，最终形成完全闪络，并伴有冰屑脱落。
覆冰盘型绝缘子闪络路径因其具有随机性和复杂性，使得针对覆冰盘型绝缘子放电路径的研究较少。本文采用1.3节中的试验方法，在雪峰山自然覆冰试验基地进行盘型悬式绝缘子覆冰闪络试验，图8为不同类型绝缘子串覆冰闪络路径比较。通过对大量的覆冰绝缘子闪络试验结果进行分析，可以得到覆冰盘型悬式绝缘子放电路径有以下几个特点：
图8 不同类型覆冰绝缘子串闪络路径比较
Fig.8 Comparison of flashover paths for different types of ice-covered insulator strings
（1）图8中，各类绝缘子伞裙之间有冰棱，但冰棱未桥接。由图8可知，覆冰盘型悬式绝缘子闪络完成时，整条闪络通道由多段电弧组成，而复合绝缘子和支柱绝缘子覆冰闪络完成时，只有一条完整的电弧贯穿整串绝缘子，且电弧一般都是沿着冰棱发展。这是由盘型悬式绝缘子串与复合、支柱绝缘子结构的差异导致的，盘型悬式绝缘子串由多片玻璃绝缘子组成，每片玻璃绝缘子包含金属材质的钢脚和钢帽，而当盘型悬式绝缘子处在运行环境中时，钢脚、钢帽在整个电场环境中相当于悬浮导 体[20]，在钢脚、钢帽处极易产生电晕放电。因此，当覆冰盘型悬式绝缘子串发生闪络时，电弧弧足极有可能会落到钢脚、钢帽上，从而使整条闪络路径呈现电弧分段的现象。而复合绝缘子和支柱绝缘子只有高压端和低压端有金属结构，使其整个闪络通道只有一条电弧贯穿。同一串覆冰绝缘子三次闪络的放电路径如图9所示，大量试验观察表明，盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络完成时电弧分段的数量和位置都是随机的，如图9b中覆冰绝缘子放电路径由5段电弧组成，每段电弧跨越的绝缘子片数自上而下分别为1、1、2、2、1，而图9c中覆冰绝缘子放电路径则由3段电弧组成，每段电弧跨越的绝缘子片数自上而下分别为1、1、5。这些都与风速、冰棱长度和冰层与冰棱表面状态有关。
图9 同一串覆冰绝缘子三次闪络的放电路径
Fig.9 Triple flashover discharge paths of the same ice-covered insulator string
（2）同一串覆冰盘型悬式绝缘子放电路径分散性很大。对同一绝缘子串进行多次加压，每次加压得到的覆冰绝缘子放电路径都有所不同。图9中，同一覆冰绝缘子三次闪络过程各不相同，电弧的位置、电弧分段数量及总的电弧长度都有所差别。这是由于覆冰绝缘子经过每一次加压之后，由于电弧的灼烧和泄露电流焦耳热的作用，使得冰棱长度和冰层、冰棱表面状态均发生变化，从而导致每次加压的电弧发展路径发生改变。根据闪络电压预测模型[21]知，闪络路径的变化会影响剩余冰层电阻，从而影响闪络电压，因此，可推测闪络路径的变化也有可能是融冰期覆冰绝缘子闪络电压降低的影响因素之一。
（3）与盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络相比，盘型悬式绝缘子混合凇覆冰闪络时，电弧并没有沿冰层外表面发展，而是沿冰层内部发展。虽然无法清晰看到电弧轮廓，但混合凇覆冰闪络时，电弧都是沿覆冰较少的背风面发展的，这是由于绝缘子背风面的冰比迎风面的冰更易融化[14]，即当电压较低时，其产生的泄漏电流足以融化背风面的冰，形成一层导电水膜，从而增大泄漏电流，使局部电弧更易发展。此外，盘型悬式绝缘子混合凇覆冰直流闪络时，会出现电弧忽明忽暗的现象，这已在2.1节中进行了详细地分析。
综上所述，盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时放电路径与复合绝缘子和支柱绝缘子有所不同，且由于自然环境因素或覆冰的影响导致放电路径千变万化。为进一步探究盘型悬式绝缘子覆冰闪络机理，有必要对盘型悬式绝缘子覆冰闪络放电路径进行影响因素分析。
在实际覆冰过程中，由于外界气候条件的影响，绝缘子自然覆冰的形态多种多样，就绝缘子覆冰类型而言，大致分为雨凇、雾凇和混合凇三类，而这三类覆冰类型的放电路径却大不相同。第2.2节已经分析了盘型悬式绝缘子雨凇覆冰和混合凇覆冰闪络路径的差异，由于在进行自然覆冰过程中未出现雾凇的情况，故本文暂不分析盘型悬式绝缘子雾凇闪络的情况。
此外，同一种类型的绝缘子覆冰，以雨凇为例，由于其冰棱长度、覆冰程度的不同，也会对闪络时放电路径产生影响。不同覆冰程度覆冰绝缘子闪络路径如图10所示，根据在雪峰山试验基地进行的大量试验观察得到，对于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱长度越长，放电过程中，电弧越易桥接，电弧越易沿绝缘子干弧距离发展。
对绝缘子自然覆冰放电路径的研究，不可忽略的一个重要因素就是自然风。自然覆冰与人工覆冰不同，自然覆冰的气候条件不可控，温度、相对湿度和风速等都是实时变化的，这就会导致其对绝缘子覆冰闪络放电路径产生影响，其中，对闪络放电路径影响最大的就是自然风，自然风对覆冰绝缘子闪络路径的影响如图11所示。
图10 不同覆冰程度覆冰绝缘子闪络路径
Fig.10 Flashover paths of ice-covered insulator with different icing degree
图11 自然风对覆冰绝缘子闪络路径的影响
Fig.11 Influence of natural wind on flashover path of ice-covered insulator
图11为自然风速为3～5m/s时覆冰绝缘子闪络路径，而图10中的绝缘子闪络过程中的风速范围为0～1m/s，根据图10和图11的比较可知，自然风对绝缘子闪络路径有很大的影响。当无风或风速较小（0～1m/s）时，电弧一般贴着绝缘子和冰棱表面发展，电弧长度近似等于绝缘子的干弧距离，如图10b所示。而当风速较大时（3～5m/s），电弧会在风力的作用下产生漂移和变形，电弧长度明显增加，沿风向飘弧严重，导致电弧路径大都集中在覆冰绝缘子的背风面，如图11所示。由于自然风的风速和方向都不可控，所以本文只针对自然风对放电路径的影响进行定性的分析，对于风速对闪络路径的影响机理还需在人工气候室进行进一步试验研究。
当然，除了覆冰形态和自然风之外，覆冰绝缘子表面状态和电场分布也会对闪络路径造成影响，表面状态对闪络路径的影响主要也是通过改变电场分布造成的，而电场对闪络路径的影响已在文献[22]中进行了详细的描述，本文不再赘述。
本文在雪峰山自然覆冰试验基地进行了盘型悬式绝缘子覆冰直流闪络试验，观测了盘型悬式覆冰绝缘子闪络路径，总结了盘型悬式覆冰绝缘子闪络路径的特点，分析了盘型悬式绝缘子覆冰放电发展路径的影响因素，为研究覆冰绝缘子冰闪机理和建立绝缘子闪络模型提供了理论基础，得到的主要结论如下：
1）盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时，电弧总体从两端向中部发展，而混合凇覆冰放电过程较雨凇覆冰更为复杂。盘型悬式绝缘子混合凇覆冰直流放电过程中由于冰层融化和脱落，电源未能及时提供足够的能量，会出现多次电弧变暗或“熄弧”现象。
2）覆冰绝缘子闪络路径分散性较大，同一覆冰绝缘子串多次闪络，每次闪络路径均不相同；与复合绝缘子和支柱绝缘子相比，盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时，并不是一整条电弧贯穿高压端和低压端，而是分段存在，电弧的位置和数量都是随机的；盘型悬式绝缘子混合凇覆冰闪络时，电弧在冰层内部，且沿覆冰较少的背风面发展。
3）大量试验结果表明，覆冰形态和风速对覆冰绝缘子放电路径有很大的影响。对于雨凇覆冰，覆冰程度越重，冰棱长度越长，电弧越易桥接。当风速足够大时，电弧会在风力的作用下产生漂移和变形，电弧路径大都集中在覆冰绝缘子的背风面。
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Analysis on the DC Discharge Path of Ice-Covered Disc Type Suspension Insulators under Natural Conditions
Abstract Ice-covered insulator flashover seriously affects the safe operation of transmission lines. Studying the discharge path is helpful to improve the discharge theory of ice-covered insulators. However, existing researches lack a systematic analysis on the discharge path. For this reason, this paper carried out DC flashover tests of ice-covered disc type suspension insulators under natural conditions. The whole discharge process and the discharge characteristics were obtained. The results show that the arc generally develops from both ends to the middle during the glaze flashover process, while arc darkening or extinguishing may occur many times for mixed-phase ice. The flashover paths have great dispersion. The arc exists in segments with a random arc length and arc location. Moreover, the ice pattern and wind have a great influence on the discharge path. For glaze icing, the heavier the icing degree, the longer the icicle length is, and the easier the arc is bridged. The arc will drift and deform under the action of wind force, leading to the arc gathering on the leeward side.
keywords：Disc type suspension insulator, natural icing, DC discharge, characteristics of discharge path
中图分类号：TM85
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200017
国家电网公司项目（52182017000X）和国家自然科学基金项目（51637002）资助。
收稿日期 2020-01-07
改稿日期 2020-03-06
舒立春 男，1964年生，博士，教授，研究方向为高电压与绝缘技术、输电线路覆冰与防护。E-mail: lcshu@cqu.edu.cn
刘延庆 男，1990年生，博士研究生，研究方向为覆冰绝缘子直流闪络模型。E-mail: liuyanqing@cqu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）