李亚伟，张星海，贾志东，孙 磊，周 朋

（1.国网四川省电力公司 电力科学研究院，成都610072； 2.清华大学深圳研究生院，深圳518055）

线路绝缘子覆冰中盐分分布规律研究

李亚伟1，张星海1，贾志东2，孙 磊2，周 朋2

（1.国网四川省电力公司 电力科学研究院，成都610072； 2.清华大学深圳研究生院，深圳518055）

绝缘子覆冰后电气性能大幅下降，在融冰期，由冰内盐分分布不均造成的冰面高电导率水膜显著提高闪络概率。以玻璃绝缘子为研究对象，通过覆冰试验，测量了不同覆冰条件下，融冰水电导率随融冰时间的变化趋势，根据测量结果选择合理的拟合方程，研究了绝缘子覆冰内的盐分迁移特性，定义了冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数β对冰层盐分分布进行定量表征。研究结果表明，沿覆冰融化方向，雨凇覆冰内的含盐量按指数规律下降。冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数β受温度、降水强度、风速、电压等覆冰环境因素的影响，不同因素的影响规律有所不同。本文研究成果可作为计算绝缘子覆冰闪络概率的参考。

盐分迁移；融冰水；电导率；覆冰；绝缘子

0 引言

随着我国电网建设的开展，超特高压输电线路难免会经过众多气象条件复杂区域，极易受到覆冰等各类自然灾害的威胁[1-4]。覆冰可对输电线路、铁塔等造成机械损伤，并大幅降低线路绝缘子电气性能，引起倒塔、断线和绝缘子闪络等。目前国内外针对线路绝缘子覆冰问题，进行了覆冰机理[5-8]、闪络特性[9-13]、防冰措施[14-17]等方面的大量研究，并取得了丰富的成果。现有研究表明，盐分在冰层内的迁移过程和分布规律，是决定绝缘子串闪络特性的重要因素。

覆冰在绝缘子表面形成时，由于溶质再分配过程，覆冰水中的盐分会由即将冻结的冰层向尚未冻结的水层转移，导致覆冰表层含盐量远高于内部含盐量，这一过程即为盐分迁移。

对于雨凇覆冰，盐分迁移使得覆冰绝缘子在融冰期冰面出现高电导率水膜，由于水膜电导率远高于空气，因此前者的出现导致冰棱与伞裙之间的空气间隙承担了绝缘子串大部分电压降落，全串电场畸变加剧，闪络概率大幅增加[18-21]。

为了研究盐分在冰层内的分布规律，文献[18]以冰冻小球为研究对象，测量了融冰水电导率沿小球径向的分布，指出了融冰水与覆冰水电导率的差异性，但其研究变量较为单一，未充分考虑环境因素变化造成的盐分分布差异。文献[19]通过测量绝缘子覆冰融冰水电导率变化曲线，验证了覆冰表层含盐量高于内部含盐量，并指出在不同覆冰条件下，融冰水电导率变化趋势具有普遍性，文献[20]通过KMnO4溶液冷凝试验，研究了盐分迁移的显微结构，以及覆冰增长速率和绝缘子染污程度对冰层盐分分布的影响，文献[19-20]的研究均以定性为主，并未提出可以有效表征绝缘子冰层盐分分布的方法或参数。文献[22]通过绝缘子覆冰试验指出，冰棱中盐分含量远高于冰壳，但其将研究对象分为冰棱尖端、根部和冰壳3部分，忽略了盐分在冰层内部的分布差异。

笔者通过改变环境参数，进行玻璃绝缘子覆冰试验，并10 mL为取样单位，按照融冰顺序，连续取样并测量融冰水电导率，得到了冰内盐分分布的基本规律，并提出了用于表征冰层盐分分布的表层含盐系数α和冰内盐分分布系数β，定量分析了覆冰环境因素对以上两个参数的影响规律，研究成果可为计算覆冰绝缘子闪络概率提供重要依据。

1 试验装置与方法

1.1 试品介绍

试验所用绝缘子结构参数见表1，试品布置方式为4片串悬垂结构。

为排除表面染污对绝缘子冰层内盐分分布的影响，试验均用洁净绝缘子。

1.2 试验装置

试验在清华大学深圳研究生院能源电工试验室覆冰气候室内进行。气候室内部温度最低可达-20℃，通过一侧的空气雾化喷头对绝缘子进行覆冰水喷淋，降水量和覆冰水粒径可由供水量、风速进行调节。气候室内部装有温度和重量传感器，可实时监测覆冰环境温度和绝缘子覆冰重量。

表1 试验绝缘子结构参数Table 1 Structural parameters of test insulators

覆冰电压加载和信号采集系统示意图见图1。试验所用电源为5 kVA/0.1 A，绝缘子泄漏电流通过测量系统显示和记录在PC端。

图1 覆冰电压加载和信号采集系统示意图Fig.1 The schematic diagram of icing chamber

1.3 试验方法

由于绝缘子覆冰融化是从表层开始，后逐渐向内层进行，且有研究表明，含盐量与融冰水电导率呈正比[23-25]，故而后者随时间的变化曲线即可反映冰层内的盐分由外向内的分布情况。因此笔者以融冰水电导率表征盐分在冰层中的含量。

覆冰试验开始前需要对覆冰水进行预冷却，保持其温度在0℃到1℃之间。

试验前在气候室悬挂4片玻璃绝缘子，并开始降温，达到预定温度后开启供水系统，通过喷头对绝缘子进行喷淋覆冰，同时施加合适的电压。试验中保持绝缘子所处环境条件和外加电压稳定，覆冰持续时间为1 h。覆冰结束后降压（如需进行带电测量，则在测量结束后降压），停供水，并进行融冰水电导率测量。

测量融冰水电导率的方法如下。覆冰试验结束后打开气候室门，进行自然升温融冰，并收集融冰水，每收集10 mL融冰水时测量并记录电导率，后重新收集并重复以上过程。

为研究温度、降水强度、风速和电压等因素对绝缘子覆冰盐分迁移规律的影响，按照单一变量原则，设计了如下4组试验。

1）覆冰环境温度依次为－3、－4、－5、－6 ℃，并保持降水强度7.3 mm/h，风速2.2 m/s，电压为0。

2）降水强度依次为 7.3、6.4、5.5、4.6 mm/h，并保持温度－4℃，风速2.2 m/s，电压为0。

3）覆冰环境风速依次为 2.6、2.9、3.4、4.4、5.3、6.2 m/s，并保持温度－4℃，降水强度4.6 mm/h，电压为0。

4）绝缘子外加电压依次为 0、4、8、12、16、20 kV，保持温度－4℃，风速2.9 m/s，降水强度4.6 mm/h。

为防止伞裙被桥接后冰棱端部盐分迁移对冰壳含盐量产生影响，试验中冰棱均未桥接伞裙。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

试验得到典型覆冰形态见图2，从形态来看，可判定为雨凇，不同试验条件下其密度测量结果在0.5 g/cm3～0.85 g/cm3之间。

图2 绝缘子表面雨凇覆冰形态Fig.2 The appearance of glaze ice on insulators

试验结束后对融冰水电导率进行测量。图3给出了温度对融冰水电导率的影响；降水强度和风速对融冰水电导率的影响见图4和图5；图6为融冰水电导率随电压的变化情况。图中σ/σ0为融冰水电导率（σ）与覆冰水电导率（σ0）之比。

图3 不同温度下融冰水电导率测量结果Fig.3 Measurement results of conductivity of melting ice water under different temperatures

图3—图6的测量结果表明，不同因素对融冰水电导率的影响有所不同，但其随温度、降水强度、风速和电压的变化趋势基本相同，均先快速下降后保持平稳。这表明可以用统一的方程对不同条件下的测量数据进行拟合，根据拟合结果对冰内盐分迁移规律进行分析，可以有效提取特征信息，避免对繁杂的测量数据的直接讨论。

图4 不同降水强度下融冰水电导率测量结果Fig.4 Measurement results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

图5 不同风速下融冰水电导率测量结果Fig.5 Measurement of conductivity of melting ice water under different wind speeds

图6 不同电压下融冰水电导率测量结果Fig.6 Measurement of conductivity of melting ice water under different voltages

根据图3—图6，本文选用拟合方程为

式中：y（n）为融冰水电导率（σ）与覆冰水电导率（σ0）之比；n为测量次序，代表融冰量。并定义α为冰面含盐系数，α越大，表示冰面含盐量越高；定义β为冰内盐分分布系数，β越大，表示沿着覆冰融化方向，冰内含盐量下降越快。

2.2 温度对盐分分布影响

不同温度下，融冰水电导率拟合结果见图7。

试验用覆冰水电导率及拟合曲线R2值见表2。

表2中R2值均大于0.95，说明方程（1）能够基本概括试验条件下冰层盐分分布规律。

冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数β随温度变化见图8（a）和图8（b）。

图7 不同温度下融冰水电导率拟合结果Fig.7 Fitting results of conductivity of melting ice water under different temperatures

表2 不同温度下拟合结果Table 2 Fitting results under different temperatures

图8 不同温度下冰层盐分分布规律Fig.8 The law of ice salt distribution under different temperatures

图8（a）表明，α值随温度升高而减小，这与试验中发现的温度较高时冰棱尖端出现滴水现象保持了一致，说明较高温度下液滴冻结缓慢，流失相对较多，其冲刷作用使冰面盐分有一定流失，导致α值有所下降。

图8（b）表明，β值随温度上升出现小幅上升。这说明温度升高，覆冰水冻结时间延长时，其中的盐分得以更加充分地迁移，加剧了覆冰表面和内部含盐量的差异。

2.3 降水强度对覆冰盐分分布的影响

降水强度的影响主要体现在覆冰形态上，其减小削弱了冰壳增长和冰棱伸长。降水强度过低时，将严重抑制冰棱生长。

试验结果表明，绝缘子表面冰棱数量随降水强度降低而逐渐减少，当后者降至4.6 mm/h时，绝缘子表面覆冰透明且无冰棱。

不同降水强度下融冰水电导率测量结果和拟合结果见图9，对应的覆冰水电导率以及拟合曲线R2值见表3。

图9 不同降水强度下融冰水电导率拟合结果Fig.9 Fitting results of conductivity of melting ice water under different rainfall intensities

表3 不同降水强度下拟合结果Table 3 Fitting results under different rainfall intensities

表3的拟合结果中，不同降水强度下的拟合曲线R2值不小于0.96，说明方程（1）能够基本概括试验条件下冰层盐分分布规律。

降水强度变化时冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数 β 见图10（a）和图10（b）。

图10 不同降水强度下冰层盐分分布规律Fig.10 The law of ice salt distribution under different rainfall intensities

图10表明，α值和β值与覆冰是否形成冰棱紧密相关，当降水强度降低且喷头雾化效果提高至一定程度，导致绝缘子边缘不出现冰棱时，冰壳的α值和β值将大幅上升，原本聚集于冰棱的盐分此时大多分布于冰壳外表面，提升了冰面含盐量和冰层内外盐分差异。而在有冰棱形成时，α值和β值未随降水强度而出现大幅变化。

这说明，尽管冰棱减少降低了伞裙桥接风险，但是由于其提高了冰壳表面含盐量，仍可能在融冰初始阶段促使闪络发生。

2.4 风速对覆冰盐分分布的影响

其他条件不变时，风速增加有利于喷嘴雾化效果提升，减小覆冰液滴直径。这样一方面提高了液滴接触到冰面后的冻结速度，减缓了盐分迁移过程，另一方面也抑制了液滴的流动性，使得冰棱生长较为困难，冰层表面可能积累更多盐分。

试验发现，风速增加时，绝缘子边缘冰棱数量有所增加，当达到6.2 m/s时，表面覆冰类型由雨凇转变为混合凇，说明该环境下干增长过程非常显著。混合凇覆冰形态见图11，其密度测量结果为0.48 g/cm3。

不同风速下融冰水电导率测量结果和拟合结果见图12，对应的覆冰水电导率以及拟合曲线R2值见表4。

图11 绝缘子表面混合凇覆冰Fig.11 Mixed-phase ice on the surface of insulator

图12 不同风速下融冰水电导率拟合结果Fig.12 Fitting results of conductivity of melting ice water under different wind speeds

表4 不同风速下拟合结果Table 4 Fitting results under different wind speeds

表4中不同风速下的拟合曲线R2最小值接近0.97，表明方程（1）能够基本概括试验条件下冰层盐分分布规律。

不同风速下冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数 β 见图13（a）和图13（b）。

图13表明，风速增加在提高冰层表面含盐量的同时，也降低了内部相邻冰层间的盐分差异。液滴流动性变差之后，盐分通过液滴滑落而流失的比例逐渐减少，同时冰棱生长变慢，导致冰壳含盐量增加显著。而在冰壳内部，不同层之间的含盐量差异随风速增加有降低趋势，这表明液滴冻结速度加快，冻结前盐分迁移能力下降，冰壳由外向内含盐量下降趋势变缓。

2.5 电压对覆冰盐分分布的影响

电压引起的热效应可延长液滴冻结时间，提高其流动性，使得盐分迁移相对较为充分。

图13 不同风速下冰层盐分分布规律Fig.13 The law of ice salt distribution under different wind speeds

不同电压融冰水电导率测量和拟合结果见图14。

图14 不同电压下融冰水电导率拟合结果Fig.14 Fitting results of conductivity of melting ice water under different voltages

覆冰水电导率以及拟合曲线R2值如表5所示。表5中，拟合曲线R2不小于0.90，部分可达0.99以上，表明方程（1）能够基本概括试验条件下冰层盐分分布规律。

表5 不同电压下拟合结果Table 5 Fitting results under different voltages

不同电压下，冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数 β 见图15（a）和图15（b）。

图15 不同电压下冰层盐分分布规律Fig.15 The law of ice salt distribution under different voltages

图15表明，电压升高时，其冰面含盐系数α与冰内盐分分布系数β均保持了先升高后降低的趋势。这说明在一定范围内，电压升高产生的热效应延长了水滴冻结时间，使盐分向冰层表面的迁移更为容易，迁移量也较大，因此无论是冰面含盐量还是冰层内外含盐量的悬殊程度，都随着电压增加有所提升。

当电压继续增加时，电流的热效应更加显著，此时冰面液滴不仅冻结难度增加，而且有可能直接滑落，其冲刷作用反而导致了一定程度的冰表盐分流失，引起α值与β值的下降。

3 结论

以4片悬垂串玻璃绝缘子为研究对象，通过覆冰试验研究了绝缘子不同类型覆冰内的盐分分布特性，定义了冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数β，对绝缘子覆冰盐分分布进行了定量分析，主要结论如下：

1）沿着覆冰融化方向，雨凇覆冰内，盐分按指数规律下降，其下降规律可通过特征量冰面含盐系数α和冰内盐分分布系数β来表征；

2）冰面含盐系数α随温度上升而缓慢下降，随降水强度增加呈下降趋势，且下降速度逐渐减小，随风速增加呈线性上升，在电压升高时，α先上升后逐渐下降；

3）冰内盐分分布系数β在覆冰环境温度提升时逐渐上升，而随降水强度或风速的增加，其总体先快速下降，后保持平稳，电压持续升高时，β先升高后减小。

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Research on Law of Salt Distribution of Ice-Covered Transmission Line Insulators

LI Yawei1， ZHANG Xinghai1， JIA Zhidong2， SUN Lei2， ZHOU Peng2
（1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China;2.Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

Electrical performance of transmission lines fall sharply after icing.In the period of melting， high conductivity water film on the surface of ice， caused by uneven distribution of salt in ice，significantly increased the probability of flashover.Ice tests are carried out under different conditions with glass insulators， as research objects in the article， to measure the trend of melting ice water conductivity with time.According to measurement results，reasonable fitting equation is chosen to study salt migration characteristics of ice on insulators.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are defined for quantitative characterization.It is shown that， along the direction of melting，the salt content of glaze decline according to the law of index.The ice surface salt coefficient α and the salt distribution coefficient in ice β are affected by icing environment factors such as temperature， rainfall intensity， wind speed and voltage.The influence laws of different factors are different.The research results of the article can provide reference for flashover probability calculation of ice-covered insulators.

salt migration;melting ice water;conductivity;icing;insulators

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.023

2016-10-20

李亚伟 （1980—） 男，博士，高级工程师，研究方向为交直流绝缘子污秽、覆冰闪络机理及其防治措施，复合外绝缘老化机理。

中国博士后科学基金面上资助 (编号：2014M562506XB)；国家电网公司科技项目 (编号：GY71-13-034)；国家自然科学基金 (编号：51177081)。