一种500kV防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法与流程

本发明属于防冰雪复合绝缘子技术领域，尤其是一种500kv防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法。

背景技术：

随着我国电力工业的迅猛发展，系统装机容量和输电线路电压等级都在不断提高，高压、特高压电网的建设和运行，对电力系统运行的安全性和可靠性要求也越来越高。我国是输电线路覆冰较为严重的国家之一，大面积冰灾事故在我国屡有发生，华中的湖北、湖南、河南、江西等省及三峡地区，西南的云南、贵州、四川，华北的河北、山西、内蒙及京津唐地区，西北的青海，东北的辽宁等省(区)都发生过输电线路覆冰事故。

近年针对华北电网部分冰雪闪络地区的输电线路进行了防冰雪改造试验，电力部门采用具有加大伞裙的复合防冰雪绝缘子，并且保持悬垂串为双串设计，以改善线路防冰雪闪络、防风偏、掉串能力。但是，双串设计如ii型、v型和倒v型等悬挂方式对现有外绝缘性能的影响尚无综合考虑，特别是与防冰雪复合绝缘子串在实际运行过程中密切相关的机械强度、耐污闪能力和防雷击性能，尚未开展系统的研究工作。

因此，开展输电线路防冰雪复合绝缘子双串悬挂条件下的性能研究，对双串悬挂方式的机械特性、防污闪、防雷击等方面进行理论计算与仿真分析，以便为后续试验与技改措施中提供依据是目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种500kv防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法，可有效地对双串悬挂方式的机械特性、防污闪、防雷击等方面进行分析并为后续试验与技改措施中提供依据。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种500kv防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法，包括以下步骤：

步骤1、制作用于防冰雪闪络试验的加大伞间距的500kv复合绝缘子试品；

步骤2、将加大伞间距的500kv复合绝缘子试品悬挂于人工模拟气候实验室通过均匀升压法进行冰雪闪络试验；

步骤3、对500kv复合绝缘子冰雪闪络试验结果进行分析闪络电压最高的加大伞间距方案。

所述步骤1的具体处理方法包括以下步骤：

⑴制作出可调节加大伞间距的可拼接复合绝缘子单元；

⑵使用可调节加大伞间距的可拼接复合绝缘子单元拼装成三种类型的加大伞间距的500kv复合绝缘子试品。

所述可调节加大伞间距的可拼接复合绝缘子单元包括低压端球窝单元、可拼接复合绝缘子加大伞单元、可拼接复合绝缘子普通伞单元和可拼接复合绝缘子高压端球头单元；所述低压端球窝单元由低压端金属球窝、低压端绝缘件构成，低压端金属球窝设置在低压端绝缘件的一端；所述可拼接复合绝缘子加大伞单元包括复合绝缘材料加大伞、复合绝缘材料小伞、玻璃纤维芯棒螺栓和玻璃纤维芯棒螺母，复合绝缘材料加大伞与复合绝缘材料小伞安装在一起，玻璃纤维芯棒螺栓设置在复合绝缘材料加大伞的外端，玻璃纤维芯棒螺母设置在复合绝缘材料小伞的外端；所述可拼接复合绝缘子普通伞单元包括连接在一起的复合绝缘材料大伞、复合绝缘材料小伞；所述可拼接复合绝缘子高压端球头单元包括高压绝缘件和高压端金属球头，所述高压端绝缘件设置在高压端金属球头的一端。

所述低压端绝缘件包覆复合外绝缘材料，其内部为玻璃纤维芯棒；所述高压端绝缘件包覆复合外绝缘材料，其内部为玻璃纤维芯棒。

所述复合绝缘材料加大伞的直径为300mm，复合绝缘材料小伞的直径为135mm；复合绝缘材料大伞的直径为170mm；所述复合绝缘子普通伞单元的复合绝缘材料小伞的直径为135mm。

所述步骤⑵通过标准化螺栓螺母实现加大伞数量、间距、布置方式的组合制备出如下三种试品：500-i型复合绝缘子试品、500-ii型复合绝缘子试品、500-iii型复合绝缘子试品，其中，500-i型复合绝缘子试品为常规一大一小配置，共45个普通伞单元；所述500-ii型复合绝缘子试品包括六个加大伞，每个加大伞配7个普通伞构成8个单元，共45个单元；所述500-iii型复合绝缘子试品包括七个加大伞，每个加大伞配6个普通伞构成7个单元，共45个单元。

所述步骤2的具体实现方法为：

首先将制备出的具有相同的结构高度、不同的加大伞间距的三种500kv复合绝缘子试品水平排列悬挂布置，并将所有低压端通过球头球窝连接到同一母线并有效接地，所有高压端通过金属连接到同一母线并同时升高施加交流电压；

然后将被测复合绝缘子悬挂于人工模拟气候实验室中，由人工模拟气候实验室实现气温控制、湿度控制、降水量控制；

通过均匀升压法，得到不同加大伞间距的500kv复合绝缘子试品的闪络电压及其变化曲线。

所述步骤3以覆冰桥接程度作为评估抗覆冰性能的特征量，该桥接程度与间隙长度的关系满足下式：

式中，η-桥接程度；l-相邻大伞或超大伞的间距；d-冰棱间隙距离，上述相邻大伞或超大伞的间距以及冰棱间隙距离均通过采集图像方法并进行计算得到。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过制作用于防冰雪闪络试验的加大伞间距的500kv复合绝缘子试品并进行500kv复合绝缘子不同加大伞间距开展覆冰雪闪络试验，根据试验结果对其间距进行优化，得出试验结果对比，作为一套体系完整的试验流程，可指导不同地区不同程度500kv复合绝缘子加大伞间距优化的试验，具有全面准确性、易于实现等特点。

附图说明

图1是本发明的可拼接复合绝缘子单元结构图；

图2是500-i型、500-ii型、500-iii型三种试验样本结构图；

图3是500kv复合绝缘子水平布置图；

图4是500kv复合绝缘子试验装置图；

图5是500-i型、500-ii型、500-iii型三种试验样本实物图；

图6是500-i型复合绝缘子覆冰闪络过程图；

图7是500-i型试品的冰棱桥接程度图；

图8是试验过程中500-i型复合绝缘子的沿串放电现象图；

图9是500-ii型试品的覆冰形貌及其覆冰闪络过程图；

图10是500-ii型洁净试品冰棱桥接程度图；

图11是500-ii型染污试品冰棱桥接程度图；

图12是500-iii型试品的覆冰形貌及其覆冰闪络过程；

图13是500-iii型洁净试品冰棱桥接程度图；

图14是500-iii型染污试品冰棱桥接程度提；

图15是三种试品的覆冰闪络电压和桥接程度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种500kv防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法，包括以下步骤：

步骤1、制作用于防冰雪闪络试验的加大伞间距的500kv复合绝缘子试品。

在本步骤中，为了制作多种类型的500kv复合绝缘子试品，首先制作出可调节加大伞间距的可拼接复合绝缘子单元：

为了进行500kv防冰雪复合绝缘子加大伞间距优化试验方法，制作如图1所示的可拼接复合绝缘子单元。该可拼接复合绝缘子单元包括低压端球窝单元、可拼接复合绝缘子加大伞单元、可拼接复合绝缘子普通伞单元和可拼接复合绝缘子高压端球头单元。其中，低压端球窝单元由低压端金属球窝1、低压端绝缘件2，低压端金属球窝1设置在低压端绝缘件2的一端，该低压端绝缘件2包覆复合外绝缘材料，其内部为玻璃纤维芯棒；低压端球窝单元的低压端绝缘横截面3如图1所示。所述可拼接复合绝缘子加大伞单元包括直径为300mm的复合绝缘材料加大伞4、直径为135mm的复合绝缘材料小伞6、玻璃纤维芯棒螺栓5和玻璃纤维芯棒螺母7，复合绝缘材料加大伞4、直径为135mm的复合绝缘材料小伞6安装在一起，玻璃纤维芯棒螺栓5设置在复合绝缘材料加大伞4的外端，玻璃纤维芯棒螺母7设置在复合绝缘材料小伞6的外端。所述可拼接复合绝缘子普通伞单元包括直径为170mm的复合绝缘材料大伞8、直径为135mm的复合绝缘材料小伞9。所述可拼接复合绝缘子高压端球头单元包括高压绝缘件10和高压端金属球头11，该高压端绝缘件10包覆复合外绝缘材料，内部为玻璃纤维芯棒，所述高压端绝缘件10设置在高压端金属球头11的一端。

本优化试验方法可对所有类型加大伞设计的复合绝缘子进行优化试验。每个可拼接复合绝缘子单元结构高度90mm，500kv复合绝缘子结构高度4500mm，通过可拼接式的标准化螺栓螺母实现加大伞数量、间距、布置方式的组合制备出如下三种试品：500-i型、500-ii型、500-iii型，如图2示。500-i型复合绝缘子试品为常规一大一小配置，共45个普通伞单元。500-ii型复合绝缘子试品含有六个加大伞，每个加大伞配7个普通伞构成8个单元，共45个单元。500-iii型复合绝缘子试品含有七个加大伞，每个加大伞配6个普通伞构成7个单元，共45个单元。图5给出了三种试品的实物。

本步骤制备出的可调节加大伞间距的可拼接复合绝缘子用于防冰雪闪络试验，其外绝缘部分模拟复合绝缘材料一致；而绝缘子受力仅为自重且无实际工况的导线载荷，故采用螺栓螺母式可拼接绝缘子完全满足试验要求。

步骤2、将加大伞间距的500kv复合绝缘子试品悬挂于人工模拟气候实验室进行冰雪闪络试验。

在本步骤中，首先将制备出的具有相同的结构高度、不同的加大伞间距的500kv复合绝缘子试品水平排列悬挂布置，并将所有低压端通过球头球窝连接到同一母线并有效接地，所有高压端通过金属连接到同一母线并同时升高施加交流电压，如图3所示。由于交流高电压施加系统非本发明内容，故仅作符号表示。

然后将被测复合绝缘子悬挂于人工模拟气候实验室中，如图4所示。该图中，1为人工模拟气候实验室，2为气候要素控制系统，3为人工降雪装置。由于人工模拟气候实验室实现气温控制、湿度控制、降水量控制等要素，非本发明内容，故仅作符号表示。

通过均匀升压法，得到不同间距加大伞的闪络电压及其变化曲线。

步骤3、对500kv复合绝缘子冰雪闪络试验结果进行分析闪络电压最高的加大伞间距方案。

本本步骤中，分别对三种类型的复合绝缘子试品的对比试验结果得出闪络电压最高的加大伞间距方案。

1、对于500-i型复合绝缘子

500-i型为常规一大一小配置，复合绝缘子在覆冰过程中，冰棱的空间分布不均匀，在高低压端的强场区冰棱通常较短，大都为未桥接状态，且数量较少。而在试品的中间弱场区部分，会形成大量的桥接冰柱。由于在覆冰过程中，空间降雨量分布存在时空差异，试品中间部位低场强区的某些大伞会首先出现桥接。当这部分区域被桥接后，中间部分的电场会向未桥接的大伞移动，在中间段的弱场区形成某些局部的强场区，使试品中间部分也会出现未桥接的冰棱形貌。

图6为升压闪络时的电弧发展过程。500-i型试品在升压闪络过程中，局部电弧首先从强场区域诱发，开始出现明显的爬电现象。其起始位置为试品两端。当电弧发展至一定长度后，试品中部的未桥接冰棱开始承受较大电压，形成局部电弧。在电弧形成的起始阶段，桥接冰柱表面未观察到明显的电弧和局部放电现象。这说明未桥接冰棱是诱发电弧放电乃至覆冰闪络的主要因素。当沿串的未桥接冰棱被电弧跨接后，弧根能量将冰柱融化，形成的二次未桥接冰棱会诱发新的电弧，从而使原电弧能进一步向前发展，直至闪络，如图8所示。

2、对于500-ii型复合绝缘子

500-ii型试品含有六个超大伞。超大伞可有效保护其相邻大伞，会降低沿串的冰棱桥接程度，有利于提高冰闪电压值。图9所示为500-ii型试品的覆冰形貌及其覆冰闪络过程。500-ii型复合绝缘子的低压端强场区集中在超大伞上，而削弱相邻大伞的场强，因此低压端大伞边缘会出现大量的桥接冰柱。高压端的覆冰形态与500-i型无明显差异，多为短冰棱。试品中部的弱场强区，会出现冰棱冰柱共存的覆冰形貌，这是因为某些大伞桥接后会造成相邻伞裙出现局部高场强区，从而形成未桥接形态。

插花试品500-ii型的覆冰闪络过程与500-i型有所不同。500-i型试品的起始电弧在高低压两端同时出现，之后在中间弱场区的未桥接冰棱间隙中出现局部电弧，最后在冰柱中发展，形成贯穿通道。而500-ii型试品低压端超大伞与下方被保护大伞之间的空气间隙会抑制电弧的形成，因此，起始电弧只会出现在高压端强场区，之后，在每个超大伞下的未桥接冰棱处会形成多个局部电弧。超大伞一方面增加了限制电弧发展的空气间隙个数，另一方面也起到了阻隔电弧的作用。在这种结构下，电弧的形成和发展被限制在每一个超大伞单元结构之内，这是与500-i型的闪络存在差异的主要原因。

3、500-iii型复合绝缘子

500-iii型含有七个超大伞，试品的覆冰及闪络过程与500-ii型试品的变化趋势相近。图12所示为500-iii型试品的覆冰形貌及其覆冰闪络过程。试品洁净时，稳态覆冰条件下大伞的桥接程度约为66％，超大伞的桥接程度约为48.3％；而对于染污试品，其在稳态覆冰条件下大伞的桥接程度约为52.5％，超大伞的桥接程度约为36.2％。染污试品的桥接程度普遍低于洁净试品。

本发明在试验过程中，冰棱长度易于通过图像进行计算，因此在试验过程中将以覆冰桥接程度作为评估抗覆冰性能的特征量，桥接程度与间隙长度的关系满足式(1)：

式中，η-桥接程度(％)；l-相邻大伞或超大伞的间距(cm)；d-冰棱间隙距离(cm)。

图7给出了500-i型试品的冰棱桥接程度，其中横坐标为覆冰时间，纵坐标表示冰棱的桥接程度。其中两种曲线和曲线分别表示500-i型染污试品和洁净试品的桥接程度变化。图中矩形框和圆形框分别表示在该时刻下试品沿串整体的桥接程度，其分布偏差表示在该值下95％置信区间的每一个冰棱的桥接程度分布。图10及图11分别给出了500-ii型洁净试品冰棱桥接程度和500-ii型染污试品冰棱桥接程度，图13和图14分别给出了500-iii三种试品的洁净试品冰棱桥接程度和500-ii型染污试品冰棱桥接程度，从图中可以看出试品的桥接程度。

500kv试品的覆冰过程中，大伞桥接程度值均大于超大伞，因此对于500kv复合绝缘子试品，大伞桥接程度是反映覆冰性能的特征量。图15所示为三种试品在不同表面状态下的覆冰闪络电压值和桥接程度图。洁净条件下，500-i型、500-ii型和500-iii型试品的桥接程度和闪络电压分别为78％/369kv、59％/400kv、66％/421kv；染污条件下，三种试品的桥接程度和闪络电压分别为76％/350kv、67％/374kv、53％/397kv。

试验表明，插花配置有利于提高覆冰闪络电压，染污试品闪络电压较洁净试品要低(15-20)kv，试验表明500-iii型结构具有相对高的闪络电压值。与500-ii型试品相比，500-iii型结构的桥接程度更高，理论上其闪络电压会有所下降，但超大伞阻隔电弧的效果弥补了其在桥接程度上的不足。然而，超大伞数量进一步增加，会导致超大伞的桥接程度大于大伞桥接程度，出现超大伞配置失效，在低电压等级的试品试验中将会观察到这一现象。因此，建议500kv复合绝缘子超大伞配置不超过7个。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。