不同覆雪形态对悬式绝缘子直流负极性闪络特性的影响
（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）的研究人员蒋兴良、郭思华、胡建林、胡玉耀、杨洪椿，在2018年第2期《电工技术学报》上撰文指出，在覆冰雪环境下，输电线路绝缘子绝缘特性下降是导致电网事故的重要原因之一。
目前国内外学者对绝缘子覆冰开展了大量的研究，但对绝缘子覆雪的研究相对缺乏，而绝缘子覆雪对输电线路绝缘安全的影响不可忽视，因此开展对绝缘子覆雪特性的研究十分必要。
绝缘子覆雪形态一般分为均匀与不均匀两种，该文在多功能人工气候室内模拟自然覆雪环境，比较悬式污秽玻璃绝缘子与瓷绝缘子两种积雪形态对其直流负极性闪络特性和闪络过程的影响。
结果表明：在覆雪程度相同时，不均匀覆雪比均匀覆雪对绝缘子直流闪络影响更大，且随着绝缘子表面的污秽度增加，积雪形态对绝缘子的影响逐渐减小，在重度污秽情况下，覆雪形态对绝缘子闪络的影响趋近于无；绝缘子覆雪闪络过程前期类似污秽闪络，后期类似覆冰闪络，不均匀覆雪绝缘子闪络路径沿着背风面雪层发展。
我国地域广阔，地形地貌复杂，部分远距离、大容量超、特高压输电线路不可避免地穿过覆冰雪或重污秽地区，同时受微地形、微气象的影响，我国是输电线路覆冰雪较为严重的国家之一[1]。
国内外研究结果表明，输电线路在高海拔、污秽、覆冰雪等综合条件的作用下，其电气特性将发生显著变化，导致外绝缘强度下降，从而引发绝缘子闪络事故，严重时可导致输电线路停电，影响人们正常的生产生活。
国内外报导了大量由冰雪灾害导致的输电线路事故。1966～1967年，瑞典一条400kV线路由于积雪导致接地故障；1988年4月18日加拿大魁北克东部735kV变电站发生绝缘子积雪闪络；2004年和2005年，日本两度发生由于积雪导致的绝缘子闪络事故[2-7]。绝缘子覆雪前的秋冬季节雨量较少，导致绝缘子表面积污严重，冰雪过后天气转晴，绝缘子表面覆雪开始融化，在融化过程中形成的液态水膜会湿润绝缘子表面污秽，导致闪络电压降低，影响其绝缘性能。
国内外针对绝缘子覆冰展开了大量的研究，取得了丰硕的成果[8]，但对绝缘子覆雪形成机理及覆雪后的电气特性研究较少。目前国内外对覆雪绝缘子的闪络特性研究主要集中积雪层体积密度及电导率、液态水含量、融雪水电导率以及积雪量对绝缘子闪络电压的影响[9-16]，没有考虑在秋冬季绝缘子积污严重，覆雪绝缘子表面存在污秽的情况。
而绝缘子表面积污将改变绝缘子与积雪层接触面的电导率，同时有可能使得绝缘子上原有污秽扩散到积雪层表面，影响覆雪绝缘子闪络特性。同时由于气候地形的影响，绝缘子的覆雪类型也会出现均匀与不均匀两种情况，而两种覆雪形态对绝缘子绝缘性能的影响缺乏研究。
为探究不同积雪形态对悬式污秽绝缘子闪络的影响，本文以3片串瓷绝缘子（XP70型）和玻璃绝缘子（LXY70型）为试品，比较分析了不同类型的污秽绝缘子在不同积雪形态下的直流闪络特性的差异，并对瓷绝缘子（XZP160型）覆冰与覆雪环境的闪络电压进行对比，分析两者差异的原因。
1 试验装置、试品及试验方法
1.1 试验装置
试验在直径7.8m、高11.6m的多功能人工气候室内完成，如图1所示。多功能人工气候室主要由制冷系统、喷淋系统、风速调节系统和抽真空系统等组成。制冷系统可将室内的温度最低降到45℃；喷淋系统的喷头按国际电工委员会（IEC）推荐制作，分两排，每排由7个标准喷头组成，水滴大小直径可控；风速调节系统的调节范围为1～12m/s；人工气候室的相对湿度可以控制在10%～100%。
图1 多功能人工气候室
试验接线原理图如图2所示。绝缘子覆雪在大型多功能人工气候室内进行，试品的直流试验电压采用的直流试验电压由额定输出电压为±600kV，额定输出电流为500mA的晶闸管控制的直流试验电源提供。
图2 试验接线原理图
1.2 试品
本文以3片串玻璃绝缘子（LXY70型）、瓷绝缘子（XP70型）和瓷绝缘子（XZP160型）为试品。三种试品的外观图如图3所示，其主要技术参数见表1。表1中，D、H、L和A分别为伞群盘径、结构高度、爬电距离和表面积。
图3 试品绝缘子结构示意图
表1 试品绝缘子参数
1.3 试验方法
本文针对均匀覆雪与不均匀覆雪两种积雪形态，对染污的瓷绝缘子（XP70型、XZP160型）和玻璃绝缘子（LXY70型）进行覆雪闪络试验。试验步骤如下：
1）清洗试品并进行染污。试品的染污方式采用固体涂层法，其中惰性物质采用高岭土模拟，导电物质采用工业纯氯化钠（NaCl）模拟，灰盐比为4∶1，绝缘子上下表面积污比按1∶1，采用定量涂刷法将污秽均匀涂刷在绝缘子表面，将试品放置在试品架上晾干。
2）将阴干24h后的试品置于气候室预定位置，并用防水遮布将其罩住。开启净水系统和水冷系统，将覆雪水（人造雪所使用的水）电导率降到80S/cm左右，温度降到5℃。
3）开启气候室的喷淋系统和降温系统，降温系统的温度设定为12℃，水滴直径范围为10～20m。数分钟后，室内温度将稳定在9～13℃之间，湿度维持在89%～95%之间，撤掉遮布，绝缘子开始覆雪，覆雪时间为2h，覆雪过程为模拟干雪的自然降落。
4）均匀覆雪部分，采用定时旋转绝缘子，每隔20min旋转整串绝缘子，每次旋转的角度均为120°。
5）覆雪完成后，先将喷淋系统和降温系统关闭，对覆雪情况进行测量、拍摄。测量不均匀覆雪绝缘子上雪厚时记录其迎风面和背风面雪厚最大值，均匀覆雪绝缘子则记录其平均值，并测量积雪密度。
6）由于在实际运行中闪络事故一般为融雪初期，因此为模拟融雪初期，试验前先将气候室大门打开部分，使气候室升温至2℃左右，再开始加压试验，所加电压为直流负极性电压，采用均匀升压法进行试验，闪络电压取最低值。
2 试验结果与分析
2.1 覆雪情况
国内外研究绝缘子覆雪闪络的试验方法有自然覆雪试验与人工覆自然雪试验两种。直接使用人造雪进行覆雪闪络的研究较少。在文献[4]中，Hiroya Homma等使用造雪装置将制造的雪通过吹雪机模拟自然覆雪情况对绝缘子进行覆雪试验。
本文在多功能人工气候室同时进行造雪和覆雪，即将绝缘子放置在气候室中，控制气候室的温度湿度以及风速等条件，模拟自然覆雪环境，通过调节喷淋系统喷头流速和气压，改变水滴大小直径，使得空气中的水滴大小能满足在其下降过程中能完全冻结形成雪晶。
图4为放大率为250倍的显微镜观察的人造雪的雪晶颗粒形态，经测量，其颗粒直径小于1mm，接近自然雪的颗粒直径。自然干雪的密度为0.05～0.1g/cm3，软雾凇的密度为0.3～0.6/cm3[17]，人造雪的积雪密度为0.1～0.2g/cm3，可见人造雪的密度略大于自然雪，小于软雾凇，应为介于软雾凇和雪之间的一种形态。因此本文认为人造雪模拟自然覆雪试验可行。
图4 人造雪的雪晶颗粒
由于气候室设定的风速风向一定，因此本文的绝缘子不均匀覆雪部分为直接将绝缘子悬挂在人工气候室的支架上，其风速固定为1.2m/s左右，此时模拟悬式绝缘子位于迎风坡或者垭口型等风向固定的地形下形成的不均匀覆雪形态。
本文的均匀覆雪部分模拟悬式绝缘子位于平原或盆地等地势平缓地区，其风向不定或者无风环境下的均匀覆雪形态。瓷绝缘子（XP70型）和玻璃绝缘子（LXY70型）的积雪平均厚度见表2。
表2 覆雪绝缘子平均雪厚
2.2 覆雪形态对染污绝缘子闪络电压的影响
在多功能人工气候室，分别在4个不同污秽度下完成了对瓷绝缘子和玻璃绝缘子的覆雪闪络试验，试验结果如图5所示，其中XP70N、XP70Y分别表示瓷绝缘子（XP70型）不均匀覆雪与均匀覆雪情况，LXY70N、LXY70Y分别表示玻璃绝缘子（LXY70型）不均匀覆雪与均匀覆雪情况。图5中，SDD为绝缘子表面污秽的盐密度。
由图5可知，在覆雪条件下，随着污秽度的增加，绝缘子单位爬距的覆雪闪络电压呈幂函数下降趋势。可见，对于同种绝缘子，均匀覆雪的闪络电压比不均匀覆雪的闪络电压高，且随着盐密增大，两者之间的差距越来越小，最后趋近于一致。
在污秽较轻的情况下，覆雪形态对绝缘子闪络电压影响较大，均匀覆雪时的闪络电压高于不均匀覆雪的闪络电压，而当覆雪前污秽度较高时，覆雪形态对闪络电压的影响大大减小。
图5 瓷绝缘子（XP70型）和玻璃绝缘子（LXY70型）的均匀覆雪与不均匀覆雪直流负极性闪络试验结果
由文献[16]可知，覆冰绝缘子和污秽绝缘子的闪络电压随等值附盐密度的变化趋势与图5所示的趋势基本一致。通过曲线拟合得到的参数值见表3，其中R2为相对指数。
表3 瓷和玻璃绝缘子覆雪直流污闪试验拟合结果
从表3可以看出，覆雪形态对AS的影响很小，可忽略，而对于SDD的指数部分的影响较大，均匀覆雪的n值比不均匀覆雪的n值大很多，从曲线上看，均匀覆雪的曲线下降得更快。
分别对比瓷和玻璃绝缘子在两种不同覆雪形态下的n值，发现瓷绝缘子不均匀覆雪比均匀覆雪的n值小11.0%，而玻璃的不均匀覆雪比均匀覆雪的n值小21.1%，即不同覆雪形态对玻璃绝缘子的影响大于其对瓷绝缘子的影响。
2.3 污秽绝缘子均匀覆雪闪络过程
为研究均匀覆雪对污秽绝缘子闪络过程的影响，本文在闪络试验过程中，拍摄了绝缘子闪络的全过程，图6a～图6j展示了SSD为0.05mg/cm2的瓷绝缘子（XP70）在均匀覆雪时的闪络过程。
图6 污秽绝缘子均匀覆雪闪络过程
从图6b可以看出，覆雪绝缘子先在高压端下表面出现蓝紫色电晕放电，而后电弧燃烧加剧，如图6c所示。图6d和图6e显示，高压端电弧熄灭后，高压端绝缘子和第二片绝缘子均出现电弧，且在升压过程中不断出现燃弧和熄弧现象，随后均发展为局部放电。
随着电压进一步升高，绝缘子低压端和高压端上表面也开始出现电弧，如图6f所示。而后如图6g所示，发生熄弧，之后电弧开始连通，进而发生全面闪络，电弧连通到发生闪络的时间间隔仅为0.04s，如图6h和图6g所示。
从图6i可以看到，全面闪络时，有高压端绝缘子表面的雪晶颗粒被电弧击飞。在图6j也可以看到，闪络后由于电弧热效应引起的空气膨胀，第二片绝缘子上表面也有积雪被击飞。
文献[1]提到水平放置的覆雪绝缘子闪络过程与污闪过程类似，是由于覆雪绝缘子部分区域积雪融化掉落形成干带，从而发展为局部放电，进而发生全面闪络。但是在图6中可以看到，从加压到局部闪络开始甚至到全面闪络开始前，并没有发现绝缘子表面的积雪掉落的情况，因此本文将提出一种新的解释。
本文认为，垂直放置的悬式绝缘子的闪络过程应为覆冰闪络与污秽闪络过程的结合。初始加压过程中，由于泄漏电流的热效应，使得雪层融化，使绝缘子表面污秽湿润，增大其表面电导率，促进泄漏电流进一步增大。此时，由于绝缘子下表面几乎没有积雪，使得绝缘子下表面先形成干带，当加压到一定限值后便形成局部放电。
随着外施电压的升高，泄漏电流增大，不仅能维持绝缘子下表面的电弧燃烧，而且能为绝缘子上表面的积雪融化提供能量，此阶段与污闪中干带形成局部电弧的过程类似[18]。而后，由于电弧燃烧使得绝缘子上表面积雪快速融化，其表面形成导电水膜，进一步加压使得导电水膜中泄漏电流激增，突变形成电弧放电，进而形成稳定燃烧的间歇性白弧。
当绝缘子串各片间均出现稳定白弧，隔断白弧迅速连通，完成全面闪络，这部分类似覆冰闪络中的在冰层与绝缘子之间形成闪络的过程。
2.4 污秽绝缘子不均匀覆雪闪络过程分析
为研究不均匀覆雪对污秽绝缘子闪络过程的影响，本文在均匀升压的过程中，拍摄了绝缘子闪络的全过程，图7展示了SSD为0.05mg/cm2的瓷绝缘子（XP70）在不均匀覆雪时的闪络过程。
图7中，绝缘子串左侧为背风面，右侧为迎风面，第1次全面闪络后，随即发生第2次闪络，两次全面闪络时间间隔为0.62s。
由图7a～图7c可见，绝缘子不均匀覆雪时与均匀覆雪一样，高压端绝缘子下表面先起弧，而后发展到三片绝缘子下表面均有电弧产生，随后全部熄弧。从图7d和图7e可见，三片绝缘子下表面电弧熄弧重燃后，第二片绝缘子上表面背风面出现电弧，后又熄弧。随着继续加压，低压端绝缘子上表面出现明显且较长的电弧，随即发生全面闪络，如图7f和图7g所示。
全面闪络发生后，绝缘子串立即熄弧，而由于试验电源为直流电源，全面闪络时间较短，释放的电荷量太小，以至于绝缘子串两端的残压仍然较高，因此在降压过程中，绝缘子串再次出现全部下表面起弧，如图7h和图7i所示。而后，如图7j、图7k和图7r所示，低压端绝缘子和第二片绝缘子上表面背风面起弧，然后高压端上表面背风面也产生电弧，随即发生全面闪络。
图7 污秽绝缘子不均匀覆雪闪络过程
对比图6和图7可知，不均匀覆雪与均匀覆雪闪络过程基本一致，但不均匀覆雪绝缘子的闪络路径沿着背风面发展，即雪薄处，而均匀覆雪绝缘子的闪络路径并没有此规律。此现象可解释为：由于较厚的雪层存在保温作用[19]，即维持雪层本身的温度的能力，因此在绝缘子雪薄处的雪更容易融化，从而湿润绝缘子表面的污秽，甚至形成导电水膜，泄漏电流增大，更容易形成电弧放电，从而形成白弧，进而发展为闪络。
同时，该现象也可以用来解释在污秽度较低时，不均匀覆雪时的绝缘子闪络电压低于均匀覆雪时的试验结果；而在污秽度较高时，两者闪络电压趋于一致。由于不均匀覆雪时背风面的雪厚比均匀覆雪时的雪厚要薄，而且，在较低污秽度情况下，绝缘子需要较多水分溶解其表面污秽，才能使其泄漏电流增大，使下表面形成干带，进而形成局部电弧。
因此，在较低污秽度下，不均匀覆雪时，绝缘子背风面的雪层较均匀覆雪时而言更易融化，即当电压较低时，其产生的泄漏电流足以融化部分雪，湿润绝缘子表面的污秽，减小绝缘子表面电导率，从而增大泄漏电流，加速绝缘子表面雪层融化，继续升压将使绝缘子下表面形成干带，出现电弧，发展为局部放电。
同时需要更小的泄漏电流使其雪层持续融化形成稳定的导电水膜，进而形成上表面的电弧放电，也更易于发展为全面闪络。而在污秽度较高的情况下，绝缘子只需要极少量的水溶解部分污秽便可使绝缘子表面电导率增大，泄漏电流增大到可形成干带，因此，重污时，均匀覆雪与不均匀覆雪两种覆雪形态对绝缘子闪络电压的影响不大。
2.5 污秽绝缘子覆雪闪络与覆冰闪络对比
由文献[20]可得单片XZP160绝缘子直流负极性的覆冰闪络电压，其与单片XZP160绝缘子直流负极性覆雪闪络电压对比见表4。
表4 单片XZP160绝缘子直流负极性覆冰与覆雪闪络电压对比
由表4可见，覆冰绝缘子的闪络电压低于覆雪绝缘子的闪络电压，且两者数值相差较大。差异的原因可以归结为以下几点：
①对于覆冰绝缘子，由于冰凌的存在，其对绝缘子表面电场的畸变作用远远大于覆雪绝缘子，并且由于冰凌的存在，泄漏距离得不到充分利用[21]；
②文献[20]中覆冰水的电导率远高于覆雪水的电导率；
③根据文献[22]的试验结果，与绝缘子覆雪相比，覆冰过程中存在明显的晶析效应，在融冰期绝缘子表面形成更高的电导率水膜，使得冰闪电压较雪闪电压低；
④由于雪层为多孔结构，且有亲水性，因此雪在融化初期，融雪水易被雪层吸收，而冰不存在这种现象，这使得覆雪绝缘子表面水分不足以溶解足够的污秽，且不易形成高电导率水膜。
3 结论
本文在多功能人工气候室进行污秽绝缘子人工覆雪闪络试验，分别对均匀和不均匀两种覆雪形态下绝缘子的直流闪络特性进行了研究，得到的主要结论如下：
1）在多功能人工气候室使用标准喷头在环境温度为12℃的条件下喷出经过过滤去离子等处理的微小水滴，能形成颗粒直径小于1mm，接近自然雪的冰晶颗粒，且其密度为0.1～0.2g/cm3，介于自然雪和软雾凇之间，可用于模拟自然覆雪闪络试验。
2）对于瓷绝缘子（XP70型）和玻璃绝缘子（LXY70型），无论是均匀覆雪还是不均匀覆雪，其直流闪络电压变化趋势与覆冰闪络和污秽闪络类似，均随SDD的增大呈幂函数下降。且对于同一污秽度下的同类型绝缘子，不均匀覆雪的直流闪络电压低于均匀覆雪直流闪络电压，同时随着污秽度增大，两者的差距逐渐减小，最后趋近于一致。
3）覆雪绝缘子直流闪络过程前期类似污秽闪络过程，主要在绝缘子下表面形成局部闪络；后期类似覆冰闪络过程，主要在绝缘子上表面导电水膜上形成稳定白弧，最后发展为全面闪络。不均匀覆雪闪络电压低于均匀覆雪闪络电压的原因为不均匀覆雪绝缘子背风面雪层较薄，易融化，从而溶解绝缘子表面污秽，降低绝缘子表面电导率，增大泄漏电流。
4）污秽绝缘子覆雪直流闪络电压高于其覆冰直流闪络电压，原因是覆冰试验中冰凌对绝缘子电场的畸变影响较大，覆冰水电导率较高，冰的晶析效应大于雪的晶析效应，以及雪的亲水性多孔结构的影响。