覆冰地区交流复合绝缘子伞形结构优化研究

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1、覆冰地区交流复合绝缘子伞形结构优化研究重庆大学博士学位论文学生姓名：汪诗经指导教师：舒立春教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年五月StudyonOptimizationDesignofShedConfigurationsofACCompositeInsulatorsUsedinIceRegionsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByShijingWa

2、ngSupervisedbyProf.LichunShuSpecialty:ElectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要复合绝缘子因其重量轻、强度高、耐污性能好、运行维护方便等优点而在高压输电系统中应用越来越广泛，但无论是模拟试验结果还是运行经验均表明，现有结构复合绝缘子的防冰闪性能并不优于瓷和玻璃绝缘子串。虽然国内外学者针对复合绝缘子的覆冰规律和冰闪特性开展了大量的研究，但由于对覆冰复合绝缘子放

3、电过程、放电路径和冰闪模型等缺乏系统的研究，目前尚未见有冰闪理论支撑的伞形优化设计方案。因此，从覆冰试验和冰闪理论相结合的角度对不同伞形覆冰复合绝缘子进行综合研究并提出具体的伞形优化设计准则，对提高覆冰地区复合绝缘子的电气性能、减少电网冰灾具有重要的学术意义和工程实用价值。论文首先对不同伞形复合绝缘子在带电与不带电覆冰、不同覆冰程度和不同均压环布置方式下的覆冰及闪络特性开展了系统地试验研究，然后仿真计算了覆冰复合绝缘子电弧出现前后的电位和电场分布，建立了复合绝缘子“多电弧-多冰带”冰闪数学模型，在此基础上得出了具有优良冰闪性能的复合绝缘子伞形参数规律，

4、并优化设计了适用于不同冰区的复合绝缘子伞形结构。论文的主要工作及取得的成果如下：①通过对五种220kV复合绝缘子的覆冰闪络试验，研究了均压环安装位置、均压环尺寸和结构对其覆冰和闪络特性的影响规律，分析了伞形结构和均压环对复合绝缘子冰闪电压的影响差异。结果表明，当高压端安装均压环时，覆冰程度对绝缘子冰闪电压的影响较为明显；而当不同均压环安装在高压端时，最低冰闪电压受覆冰水电导率的影响程度随环径的增大和抬高距的减小而逐渐减弱，与管径和结构的关系不明显；虽然均压环和伞形结构都会影响复合绝缘子的冰闪特性，但影响规律可相互独立，且总体而言，伞形结构的优化设计对冰

5、闪性能的改善效果更加明显。②在多功能人工气候室对12种220kV复合绝缘子开展了不同覆冰程度的带电和不带电覆冰及闪络试验研究，深入分析了各种伞形结构参数对覆冰特性及交流冰闪电压的影响规律。结果表明，伞径较大时，伞裙冰棱长度和直径、伞面冰厚和冰重均较大，而伞间距较大时，冰棱长度和伞面冰厚较大但冰棱直径却相对较小，综合来看，更大的k2(伞间距与伞伸出之比)有利于延缓冰棱的桥接和促进伞面冰层的生长；影响冰闪电压的覆冰厚度特征指数c随k1(伞伸出比)的减小和k3(爬距与间距之比)的增大而逐渐减小、随k2的增大呈先增加后减小的关系、与爬电系数(C.F.系数)的关

6、系不明显，同时超大伞裙的间插位置对c值也有一定的影响。③采用高速摄像机拍摄了不同伞形覆冰复合绝缘子闪络电弧发展过程及延I重庆大学博士学位论文伸路径，定性探讨了融冰水电导率和冰棱空气间隙电弧长度与闪络电压之间的关系。结果表明，不同覆冰复合绝缘子闪络时气隙电弧和冰面电弧比例的不同以及剩余冰层电阻之间的差异是导致其具有不同冰闪电压的主要因素；相对于冰表面水膜电导率的变化，空气间隙长度的改变对冰闪特性的影响更加显著。④利用COMSOL有限元软件，结合试验得到的覆冰规律，仿真计算了不同伞形结构覆冰复合绝缘子在电弧出现前后的电位和电场分布特性，包括均压环布置方式、

7、覆冰程度、伞形结构、空气间隙、水膜电导率、出现局部电弧等因素的影响，结合实际覆冰闪络现象，综合判断了闪络电弧的发展路径。⑤在考虑冰棱电阻和冰层电阻的区别以及空气间隙电弧和冰面电弧的差异基础上，结合闪络电弧延伸路径，建立了覆冰复合绝缘子“多电弧-多冰带”放电数学模型，定性分析了伞形结构参数和覆冰程度与冰闪电压的关系，计算了不同覆冰条件下复合绝缘子的临界闪络电压，研究表明模型计算结果与试验值吻合较好，误差基本不超过10%。⑥根据前述大量研究结果，提取了影响覆冰复合绝缘子冰闪电压的关键伞形特征参数—最大伞裙直径(D1)、第二大伞裙直径(D2)和最大伞间距(d

8、1)，得出了具有优良冰闪特性的伞形参数规律，据此优化设计了适用于轻、中和重冰区的复合绝缘子伞形