自然条件下绝缘子覆冰有怎样的发展规律，重庆电科院专家发表成果

覆冰可极大程度降低绝缘子绝缘性能，严重威胁输电线路的稳定运行。开展绝缘子覆冰特性研究并建立绝缘子覆冰增长数值计算模型是解决绝缘子覆冰闪络问题的基础。为研究自然条件下绝缘子覆冰增长的发展规律和其影响因素，国网重庆市电力公司电力科学研究院、重庆交通大学机电与车辆工程学院、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）的研究人员高晋、郭思华 等，在2021年第14期《电工技术学报》上撰文，从环境参数出发分析绝缘子表面水滴碰撞、冻结、水膜流动等过程，对比不同覆冰类型增长过程的差异性，并基于流体力学和热力学基本理论建立绝缘子三维覆冰数值计算模型。

在此基础上，以绝缘子LXY120为例，对不同环境条件下绝缘子覆冰类型及增长特性进行仿真计算，并在雪峰山对两种不同类型的绝缘子进行了自然覆冰试验，将测量得到的绝缘子覆冰质量、最大覆冰厚度和仿真结果进行了对比，结果表明，不同环境条件下，绝缘子表面覆冰类型、发展过程、覆冰面积、速率等均有差异。此外，绝缘子伞裙结构会影响覆冰增长。复合绝缘子FXBW220因为伞裙直径更小、厚度更薄，且具有多伞裙结构，其覆冰增长速率大于普通玻璃绝缘子LXY300。自然条件下，覆冰可很快连通复合绝缘子伞裙间隙。

覆冰对于电网输电线路而言是一种严重的灾害。导线覆冰会加重导线及杆塔机械负荷，导致倒杆、倒塔事故。绝缘子覆冰则主要会降低绝缘子绝缘特性，引起局部放电或闪络跳闸事故。

为解决绝缘子覆冰闪络问题，国内外的大量学者针对其影响因素展开了相关的研究工作。1970年M. Kawai对覆冰绝缘子串进行了交流闪络试验，试验结果发现：绝缘子串覆冰总是不均匀出现的，当绝缘子表面最大厚度达到25.4mm后，绝缘子串在工作电压就可以闪络，每片绝缘子的最低冰闪电压只有10kV。

除覆冰程度外，绝缘子冰闪电压还受到其他因素的影响，包括污秽程度和覆冰电导率，绝缘子表面的污秽会在覆冰后通过融冰水进入冰层，形成大量导电离子，使得冰闪电压进一步降低。覆冰水电导率越大，绝缘子耐受电压越低。在进一步的研究中，国内外的研究者尝试将绝缘子覆冰闪络的影响因素进行参数化，由此建立绝缘子覆冰闪络模型，从而实现对覆冰电弧的模拟和闪络电压的预测。

M. Farzaneh研究发现，冰层剩余电阻R在覆冰闪络模型的建立中不可或缺，该参数的准确计算可有效反映覆冰程度、覆冰水电导率及水膜状态对覆冰闪络的影响。一些研究人员从最严重时的绝缘子覆冰形态出发，以半圆筒形态等效计算了冰层剩余电阻。但这种巧妙的等效方式并不适用于所有覆冰类型，如何准确地获得绝缘子覆冰冰形和覆冰量成为问题的关键。

为探究绝缘子覆冰增长特性，张志劲等对绝缘子开展了人工覆冰试验，其研究发现，环境参数决定绝缘子覆冰增长特性，在供水量充足条件下，风速越大、温度越低、绝缘子覆冰速率越快；此外，还分析了绝缘子覆冰外流场特性，并初步建立绝缘子雾凇覆冰计算模型，但该模型也仅限于在二维范围内对绝缘子覆冰厚度进行计算，不能获得绝缘子覆冰形态和整体覆冰程度。

绝缘子覆冰增长过程和导线类似，L. Makkonen将导线覆冰过程总结为三个方面：过冷却水滴在导线表面的碰撞过程；碰撞的过冷却水滴在导线表面被捕获的过程；被捕获的过冷却水滴在导线表面的冻结过程。相对于导线，绝缘子结构更为复杂，不同环境条件下水滴在绝缘子表面各个位置的碰撞特性和冻结特性不同，覆冰增长速率也有差异，导致绝缘子复杂的覆冰外形。

为获得绝缘子覆冰增长特性及其影响因素，国网重庆市电力公司电力科学研究院的研究人员分析了绝缘子不同覆冰类型形成机理和发展过程的差异性，基于流体力学和热力学基本理论建立了绝缘子三维覆冰数值计算模型，对不同环境条件下的绝缘子覆冰增长进行了迭代仿真计算，并在湖南雪峰山对不同结构的绝缘子进行了自然覆冰试验，对比验证了覆冰模型的准确性。

他们最后得出结论如下：

1）绝缘子不同类型覆冰增长过程不同，干增长覆冰时，水滴在碰撞到绝缘子表面后立即冻结；湿增长覆冰时，水滴不能完全冻结而形成水膜，覆冰模拟时需考虑水膜流动特性及水量的再分配过程。

2）在不考虑冰棱生长的条件下，本研究基于水滴碰撞、冻结和水膜流动等过程建立了绝缘子覆冰三维数值计算模型，实现了对绝缘子表面水滴局部碰撞系数、冻结系数、水膜流动状态的仿真模拟。

3）环境参数是决定绝缘子覆冰速率和形态的主要原因。仿真结果显示，风速越大，空气中水滴中值体积直径越大，绝缘子表面水滴碰撞、冻结的覆盖面积越大，覆冰增长速率越快。温度越低，绝缘子伞裙边缘和钢帽处的覆冰厚度越大，但是覆冰范围会越小。

4）自然条件下，覆冰总是在绝缘子迎风侧累积形成扇形尖锐的覆冰结构。相对于玻璃绝缘子LXY300，复合绝缘子因伞裙直径更小、厚度更薄、水滴碰撞系数更大、覆冰增长速率更快，伞裙间隙更容易被覆冰连通。

以上研究成果发表在2021年第14期《电工技术学报》，论文标题为“绝缘子表面三维覆冰特性的影响因素”，作者为高晋、郭思华 等。