第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
近半个世纪以来，我国工业发展迅速，在近 20 年内尤为显著，由此可知，电力系统在我国各个领域尤为重要，它关系着人民的生活质量，是企业前进和发展的动力，更是国民经济增长的大动脉，是社会安定和谐的关键基础。但是，全球气候日益恶劣，各类气候灾害频繁发生，暴雨暴雪雷电等极端气候使得发电站、输电设备、配电设施等遭到严重的损坏，影响了正常的国民生活和社会次序。在电力系统所遭受的气象灾难中，冰灾对电力设备的影响最为严重，冰灾可以使绝缘设备发生闪络，也可以造成倒塔断线等巨大灾难，甚至使电网瘫痪[1]。冰灾的破坏程度越强，其应对措施就越复杂，造成的损坏也就越大。世界上已发生几次大规模冰灾事故：1921 年的瑞典冰灾、1972 年的美国哥伦比亚州冰灾、1998 年的美国东北部和加拿大东南部冰灾、1999 年的法国冰灾、2005 年的瑞典南部冰灾，同年德国冰灾。其中在美国和加拿大发生的冰灾，是近年来发生最为严重的冰灾，冰灾对两个国家都造成了巨大的经济损失。加拿大的安大略省和魁北克省份的受灾情况最严重。线路覆冰严重，承受重量超过线路设计预期值，大量输电线路、铁塔等倒塌，大范围供电中断。魁北克水力发电公司有 3000km 的输电线路受到冰灾影响，总共约有 3 万多座杆塔倒塔，4 千台变压器需要修复。魁北克水力发电公司和 Ontario Hydro 电力系统的维修费用为十亿加元。美国在此次冰灾事故中也受到严重的影响，大约有 13000 座电线杆倒塌、20 条输电线路断线，总共 6000 多台设备损坏，需要电力部门及时更换，在持续和大范围的断电情况下，美国损失高达 1750 万美元。此次冰灾中有 500 多万加拿和美国人都遭到了严重影响，同时，给不少居民带来生活用电困扰，对企业经济造成了很重的影响，直至年底，其修复工作才基本完成[2-4]。
我国地域辽阔，气候多变，随着国内工业不断发展，电网的覆盖区域越来越广，并且由于我国资源分布不均，需要实行西电东送工程，电能输送距离更长远，电压等级也越来越高，电力线路不可避免的需要经过一些地形复杂的高原与山区地带，这些地域往往气温极低、气候十分寒冷[5]。当线路遭受雷击和覆冰时，电网的安全稳定运行存在极大的威胁，在春夏多雷季节，线路极易发生跳闸事故，而在严寒的秋冬季节，线路常伴有覆冰现象，时常引起绝缘子闪络和高压倒塔断线事故，给经济带来巨大损失。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地线绝缘子并联间隙研究现状
雷电冲击使架空线路发生闪络现象一直是影响国内外电网安全稳定运行的一个重要问题。在我国南方地区因雷电导致的线路跳闸事故所占比重较大。根据南网线路防雷数据记录表明，2008 年广东电网受雷电冲击而发生闪络有 600 多次，占电路总共受到雷击次数的 2/3，而在相距不远的日本，由于雷击输电线路而引起的闪络大约为 1/2，相对广东电网来说较少，美国等西方国家的雷害事故占总电力系统事故的 60%[9-11]。雷击故障产生的局部停电不但给我国电力部门造成了严重的经济损失，还严重影响了广大居民的正常生活和工农业生产。因此，为了实现电网安全稳定运行，对架空输电线路进行防雷研究具有重要意义。
雷击跳闸率是我国电力系统安全正常运行的重要指标之一，目前，我国架空地线所采用的防雷措施是基于“堵塞”型防雷原理，即通过增大线路的防雷水平来减小雷击跳闸率[12]。具体的方法包括：线路上安装避雷器和避雷线、降低接地电阻、提高设备绝缘性能、加装耦合地线等，其中架设避雷线和避雷针是最常用的防雷方法，这些方法的共同点是适于使用在电源数较少、电网结构薄弱的环节，其缺点就是技术相对不高，无法达到较高的保护线路和设备的效果，从雷击统计数据可知，堵塞型防雷保护起到了很大的作用，能避免大部分线路受雷击损坏，但架空不可否认的是部分输电线路仍然受到雷击而损失严重，部分地区比率较高，雷击闪络对绝缘子地损坏相当严重。线路采用避雷器防雷能达到较好的防雷效果，但是由于其成本花费太高，所以不适于大范围使用。随着近年来电网技术地迅猛发展，电网框架结构越来越合理，这必然要求微机智能化继电保护装置和自动重合闸装置以及 SF6 开关大量生产并应用于线路中，但是堵塞型防雷保护由此而显得十分单一，为进一步研究实用性强、污染率低的新型线路防雷保护措施显得很有必要。不同于传统的防雷保护的是，并联间隙是“疏导型”的保护装置，它可以允许架空输电线路中存在一定的雷击跳闸率，但是通过采用并联间隙装置后，装置与绝缘子串两端并联，当线路遭受雷击时，此装置能疏导工频电弧，即将电弧通过并联间隙装置引入大地从而保护设备不受雷击损坏，即使在雷击时，绝缘子仍能继续工作，雷击过后，只要并联间隙装置能够重新运作，则不会存在永久性故障。
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第二章 间隙距离与闪络电压的仿真分析
2.1 并联间隙装置作用机理及防雷优点
并联间隙装置的作用机理是：绝缘子串的上端和下端分别连接一个金属电极，两个电极构成保护间隙，如图 2-1 所示。并联间隙因伏秒特性低于绝缘子串的伏秒特性，所以当线路遭到雷击时，并联间隙先于绝缘子放电，产生远离绝缘子串方向运动的工频短路电弧，最后稳定在并联间隙端部并产生明亮的火光直至跳闸，由此并联间隙保护绝缘子不被击穿，有效的保护绝缘子串不被灼烧。选取合适的并联间隙装置距离是有效保护绝缘子不受雷击的关键问题[38]。
并联间隙装置对架空线路防雷的优点主要包括以下三个方面：
1）减少线路绝缘子雷击事故。当线路遭受雷击过电压时，并联间隙先于绝缘子放电，避免绝缘子串击穿，有效避免绝缘子受雷击破坏；
2）减少绝缘子冰闪事故，保护绝缘子串不被击穿。由于绝缘子污闪、湿闪、冰闪等造成高压架空线路事故频繁发生，电力设备经常遭到破坏。因此，当闪络发生时，并联间隙能够有效地使工频电弧远离绝缘子，有效地保护绝缘子不被击穿；
3）改善重合闸的成功率，防止系统出现更大的危害和事故，保证系统安全稳定运行。在绝缘子串上安装并联防雷保护间隙后，线路的雷击过电压水平下降、耐雷水平降低，雷击跳闸率因此升高，系统的经济效益也得到了有效保障。
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2.2 架空地线直流融冰的间隙保护距离要求
对地线进行融冰时，地线承受直流融冰电压，为保证实验过程中线路融冰有效进行，对覆冰地线绝缘子提出以下电气性能要求[39]：
1）加在架空地线上的直流融冰电压不能超过覆冰绝缘子本身的闪络电压。主要是针对地线绝缘子本身的类型、高度、伞群结构等，为确保地线直流融冰电压小于绝缘子闪络电压，需要考虑绝缘子和导线的覆冰状况以及地线绝缘子直流融冰的闪络特性。
2）地线绝缘子并联间隙距离要足够大，使得架空地线直流融冰电压小于覆冰地线绝缘子间隙闪络电压。但为了实现并联间隙装置保护地线绝缘子不发生闪络，地线绝缘子并联间隙距离不能过大。地线绝缘子的闪络与并联间隙距离有很大关系，在电力网络的稳定运行中，需要调整或选取合适的绝缘子保护间隙距离以实现直流融冰电压低于地线绝缘子直流闪络电压。
除此以外，间隙保护距离要求还应满足以下条件：
（1）并联间隙地线绝缘子工频放电电压应低于工频击穿电压和工频闪络电压；
（2）并联间隙地线绝缘子雷电冲击放电电压应小于雷电耐受电压、雷电冲击电压、雷电冲击放电电压；
（3）地线直流融冰时，并联间隙地线绝缘子覆冰耐受电压应低于融冰可达到的最高融冰电压，以避免间隙表面击穿。
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第三章 覆冰水电导率与闪络电压的有限元仿真分析 .....................26
3.1 概述 .......................................................26
3.2 覆冰水电导率与闪络电压的二维仿真分析 .......................27
第四章 地线绝缘子覆冰闪络实验 .....................................36
4.1 概述 .......................................................36
4.1.1 线路覆冰的成因 ........................................36
第五章 总结与展望 .................................................49
5.1 总结 .......................................................49
5.2 展望 .......................................................49
第四章 地线绝缘子覆冰闪络实验
4.1 概述
线路覆冰形式主要有雨凇、雾凇、积雪、混合结冰等四种情况。混合结冰是由雨凇和积雪共同作用下形成的，其结构坚硬、粘性很强，受环境温度、湿度、风速、风向等方面的因素影响较大，冰块形成速度较快。在湖南地区，线路覆冰危害最严重的当属混合冻结。通常将线路视为圆柱体而忽略输电线路的弧垂，雨水附着在线路表面，在风的作用下，迎风面会立即出现混合冻结并形成覆冰，在冰块重力的作用下线路会沿着输电线路垂直方向发生旋转，旋转后导线没有覆冰的一面开始重复上述覆冰。实验研究表明，在温度低于 0℃，湿度大于 85%，风速为 1m/s-10m/s 的条件下输电线路才会发生覆冰现象[52-55]。
4.1.1 线路覆冰的成因
线路的覆冰情况主要受气象条件、线路大小以及所处的高度、周围电场等因素影响。气象条件主要是指自然条件下的温度、风速、湿度等方面的影响。当自然条件下温度在 0℃左右时，空气中的液体半径为 5-20um，这时形成的覆冰称为雨凇覆冰；若在自然条件下温度在-5℃左右时，空气中的液体半径为 2-16um，这时形成的覆冰称为混合覆冰；当自然条件下的温度为 -10℃左右时，空气中的液体半径为 1-10um，这形成的覆冰称为雾凇。通过以上分析可知，南方地区冬季气候湿冷，线路更容易覆冰。当风向与线路夹角在 40°-150°时，输电线路会发生比较严重的覆冰现象。此外，输电线路的高度也与线路覆冰程度有着紧密的关系。经试验研究发现：所处海拔越高的线路，由于其空气湿度越大、温度越低、风速也相对较大，所以导线上附着的水珠越多，冰层厚度越大。
线路覆冰除了与上述因素有关之外，还与输电线路的刚度、直径、电场、电流有关。在迎风面线路表面的水滴由于风力的原因而出现冰冻情况，冰冻之后线路的受力分布不均匀，在不均匀情况下线路会发生转动，即迎风面和背风面发生变化。若线路的刚度越大则越难扭曲，背风面的覆冰就越难形成。若线路直径越大，覆冰面积越大，覆冰过程中所需的风力越大，温度更低。在高电压线路的周围会产生一定的电场，其作用是吸引导线周围的水珠，当线路上的水珠越多，覆冰的厚度会相应增加，线路覆冰不仅受电场的影响，还受电流的影响，电流越大，线路产生的热量越多，覆冰越难形成，所以保持一定的电流大小能有效的防止覆冰的形成，达到保护线路的目的[56]。
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第五章 总结与展望
5.1 总结
本论文针对地线直流融冰的需要，提出了地线绝缘子并联间隙的研究方案，不考虑绝缘子表面冰凌形状以及绝缘子与杆塔之间的相互作用，建立二维和三维的真型绝缘子仿真模型，计算模型场强和电压分布，通过地线绝缘子覆冰闪络实验对仿真结果进行验证，为地线融冰改造工作提供理论依据和技术指导。得出如下结论：
1）建立并联间隙地线绝缘子有限元仿真模型，依据空气间隙击穿的理论条件，通过调节电压值来确定覆冰闪络电压大小，冰层主要分为湿冰和干冰两种物理状态，当间隙增大时，模型闪络电压相应增大，当覆冰水电导率增大时，闪络电压减小；
2）排除外界自然条件的影响，在小型人工气候室内模拟冬季室外温度、风速和降雨量等，开展绝缘子覆冰闪络实验，通过实验所记录的几组并联间隙实验数据可知，实验与仿真结果一致，闪络电压随间隙距离的增大而增大，随电导率的增大而减小，但相同间隙或相同电导率下，干冰闪络电压高于湿冰闪络电压。
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参考文献（略）
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参考文献（略）