1 引言
图1
目前国内外对电力系统绝缘子的覆冰特性研究较多，而对接触网腕臂绝缘子的研究相对较少。腕臂绝缘子的安装方式分为水平安装与倾斜安装，其中倾斜安装时腕臂绝缘子与水平地面的夹角约为20°~30°，这一特殊的安装方式与电力系统中V型绝缘子串的布置方式类似。众多学者对V型绝缘子串覆冰进行了研究。文献[5]对不同布置方式和气压下高海拔地区绝缘子串的直流冰闪特性进行了研究，发现V型串的直流覆冰闪络电压比相同长度的悬垂串要高，而水平布置的闪络电压又高于V型布置，气压对闪络电压的影响相反。文献[6]通过对不同布置方式的绝缘子串覆冰交流闪络特性进行研究，也得出相似的规律。因此，V型绝缘子串被广泛运用于高海拔覆冰地区的输电线路中，而对于具有相似安装方式的腕臂绝缘子，其覆冰性能研究相对较少，主要集中在污秽绝缘子表面污秽分布特性、覆雪绝缘子表面雪晶沉积特性等方面。文献[7]研究了风速、颗粒粒径及质量浓度对水平腕臂绝缘子表面沙尘沉积特性的影响。文献[8]分析了腕臂绝缘子布置方式和环境因素对其表面污秽分布的影响，发现布置方式与绝缘子表面颗粒的碰撞系数有一定关系。文献[9]通过仿真分析了腕臂绝缘子不同安装方式、风速风向对其表面雪晶沉积量的影响，发现随着风速的增大，平、斜腕臂绝缘子表面雪晶沉积量呈现出不同的变化趋势。文献[10]设计了一种复合腕臂瓷绝缘子，以预防在春冬季常发生的“雪闪”问题。文献[11]仿真分析了冰层厚度、冰棱长度、安装方式等对腕臂绝缘子空间电场分布特性的影响，并建议在重覆冰地区采用“一大两小”伞型来降低覆冰绝缘子发生冰闪的概率。
综上所述，虽然V型绝缘子串与腕臂绝缘子具有相似的安装方式，但是由于V型绝缘子串由盘型悬式绝缘子组成，绝缘子串间间距较大，并且钟罩型伞盘具有较厚的罩入深度[12⇓-14]，而接触网腕臂绝缘子为棒形绝缘子，其本身具有芯棒较粗、伞径较小、伞裙分布较为密集的特征，二者的结构具有较为明显的差异。而现有针对电力系统绝缘子串的覆冰研究，都只给出了不同布置方式下绝缘子串闪络电压的差异[5-6]，缺乏对覆冰过程及覆冰形貌的分析，对于冰棱桥接现象，也没有给出合理的结构优化方案。因此针对于目前我国高速铁路迅猛发展，高速铁路网涉及到高寒地区，有必要对接触网腕臂绝缘子的覆冰特性进行进一步分析，提出合理的结构优化方案，改善腕臂绝缘子在高寒地区的绝缘水平，保障高速铁路网的供电可靠性。
本文在文献[11]研究内容的基础上进一步对腕臂绝缘子的覆冰特性进行研究，首先在人工气候室内搭建了覆冰试验平台，通过覆冰耐压试验获取单支腕臂绝缘子在水平、倾斜安装方式下的覆冰形貌，进而分析冰棱桥接伞裙的原因以及冰棱桥接伞裙工况下的覆冰形貌变化过程、局部电弧出现的位置等，最后借助有限元仿真软件分析了局部场强畸变对覆冰腕臂绝缘子放电特性的影响，并且提出了一种异型伞裙的腕臂绝缘子，以此来抑制冰棱桥接，增大冰棱与伞裙间隙，降低冰棱对于绝缘子周围电场的畸变程度。研究内容可为寒冷地区防覆冰斜腕臂绝缘子的优化设计提供参考。
2 试品、试验装置与试验流程
2.1 试品
图2
2.2 试验装置
图3
接触网腕臂绝缘子独特的安装方式需要试验装置可以很好地调整绝缘子倾斜角度，为实现绝缘子的固定角度控制，团队设计搭建了如图4所示的试验装置，由门型支架、隔离绝缘子以及试品三部分组成。其中门型支架起支撑作用，支架上悬挂绝缘子与试品高压端相连，一方面起支撑连接作用，另一方面为防止在加压过程中，电流窜向门型支架，造成安全隐患，起电气隔离作用。通过调整低压端与地的距离或控制悬垂绝缘子之间的高度，实现腕臂绝缘子安装倾角的调节。
图4
图4为腕臂绝缘子的安装结构示意图，该示意图中省略了水平和斜臂之间的斜支撑金属杆，θ为平腕臂与斜腕臂之间的夹角，现场斜腕臂绝缘子安装夹角为20°~30°，由于倾角越大，冰棱越易桥接伞裙，所以本文试验中斜腕臂绝缘子的角度设定为30°。
由于腕臂绝缘子芯棒较粗，伞裙间距较之盘型悬式绝缘子较小，因此在覆冰过程中主要观察冰棱与伞裙的桥接现象；在耐压试验过程中，为较好地拍摄局部电弧的产生和发展，在试品前后方两米外架设两台相机，双机位拍摄耐压过程。
2.3 试验流程
本文试验主要包括覆冰试验和融冰试验。
(2) 融冰耐压试验：采用持续升压法将电压升至某一电压水平，记录恒压耐受期间的局部电弧位置及冰层形貌变化过程。
3 试验结果
3.1 绝缘子覆冰形貌
图5
(1) 斜腕臂绝缘子上表面附着厚度不均匀的透明薄冰层，在靠近地面的一侧观察到有较为完整且明显的冰层包裹着表面，离地面越远，表面冰层越薄，且逐渐分化为冰滴积聚，使得绝缘子表面冰层有着明显突起，绝缘子下表面无可见冰层，只有局部突起的冰滴存在。斜腕臂绝缘子的轴线与垂直方向呈一定角度，受安装角度和水滴下落等因素的影响，冰棱主要集中在伞裙下方，方向垂直向下。伞裙边缘都附着1~3根长短不同的冰棱，小伞上冰棱长度约20~60 mm，大伞上冰棱长度约30~110 mm，直径在4~7 mm。整体来看大伞裙上冰棱多、长度长，小伞裙边缘的冰棱较少、长度较短。
(2) 腕臂绝缘子斜安装时，冰棱垂直于地面，与伞裙边缘有明显的夹角，由于大小伞之间的伞间距较小、芯棒较粗，使得小伞裙上附着的冰棱易与下一个大伞伞面边缘或大伞伞裙边缘的冰棱桥接。
(3) 水平腕臂绝缘子伞裙表面上的冰层有突起，受重力影响，水平腕臂绝缘子伞裙边缘的冰棱生长方向和绝缘子轴线方向垂直，每个伞边缘的冰棱数量为3~4、小伞上冰棱长度为35~65 mm，大伞上冰棱长度为40~70 mm，冰棱根部直径为4~7 mm。与斜腕臂绝缘子伞裙边缘的冰棱分布相比，小伞裙上冰棱数量及长度明显减少。同覆冰前的伞裙间距相比，相邻大小伞伞裙边缘的冰棱端部间隙值没有明显的减小，伞裙之间也没有出现冰棱桥接现象。
3.2 覆冰形貌差异分析
由第3.1节可知，平、斜腕臂绝缘子伞裙表面的冰层分布不均匀，冰棱集中在伞裙下部边缘处，形成该覆冰外观的主要因素是液滴在同伞裙表面碰撞、粘附、滑落、冻结过程中受到向下的重力作用，而黏性力的作用又增加了液滴附着在伞裙表面的可能性，平、斜腕臂绝缘子表面液滴的流淌轨迹如图6所示。
图6
(2) 当绝缘子水平安装时，其伞面与水平地面的夹角为90°，液滴被绝缘子壁面阻挡并捕获，由于伞面与地面垂直，使其自身重力G1大于粘附力f1，液滴沿壁面下滑，在此过程中被冻结形成冰珠，大量的冰珠积聚扩展形成表面有突起的冰层，自由来流继续补充，冰层表面液膜溢流，形成附着在伞裙边缘的冰棱。
由以上分析可知，斜腕臂绝缘子易被冰棱桥接是由腕臂绝缘子自身结构以及安装方式决定的，而水平放置的腕臂绝缘子可以很好地避免冰棱桥接现象，究其原因是因为当腕臂绝缘子水平放置时，伞裙垂直于地面，由此形成的冰棱也垂直于地面，从而避免了冰棱桥接现象的发生。
3.3 恒压耐受期间的局部放电及冰棱形态变化
腕臂绝缘子正常工作电压为27.5 kV，当电压超过31 kV且持续一定时间时，牵引变电所的继电保护装置会动作。当绝缘子表面洁净，用自来水覆冰后的绝缘子在27.5 kV电压下的放电十分微弱，没有明显的电弧，大小伞间隙较小，偶尔出现零星的细微放电。文献[19]针对韶山型电力机车通过接触网关节式分相过电压开展波形录制试验，结果表明，升降弓期间在机车侧测得的过电压幅值高达80~100 kV。基于此将绝缘子耐受电压值设为90 kV，开展绝缘子恒压耐受试验，观察平、斜腕臂绝缘子局部放电的发展及耐受过程中冰棱形态的变化，试验中将耐压时长设为5 min。
3.3.1 斜腕臂绝缘子恒压耐受期间的放电过程
图7
图8
图9
如图9a所示，当小伞边缘的冰棱长度超过下一片大伞边缘时，有电弧出现在小伞冰棱尖端与大伞冰棱中部，且由于融冰水沿着冰棱以及表面冰层流动，受电场力的影响，悬挂在冰棱端部的水滴被拉长，使放电更为剧烈；如图9b~9c所示，随着放电逐渐加剧，电弧分别在小伞冰棱尖端与大伞冰棱中部以及小伞冰棱中部与大伞边缘冰层之间交替出现；如图9d~9f所示，电弧放电过程产生的热量融化了局部冰棱，小伞冰棱中部同大伞边缘之间的放电电弧产生的热量造成小伞冰棱从中部断裂，断裂后的残余冰棱尖端同大伞边缘冰层之间的放电依然存在，直至小伞冰棱从根部断裂。恒压耐受试验开始前，冰棱长度最大值约为50 mm，试验期间，小伞伞裙边缘的冰棱同相邻大伞之间的间隙被击穿，电弧热使得小伞冰棱断裂，断裂后的残余冰棱长度为20~30 mm。
3.3.2 水平腕臂绝缘子恒压耐受期间的放电过程
图10
恒压耐受期间，水平和斜腕臂绝缘子的冰棱和伞裙过渡区和冰棱端部容易出现电弧。冰棱端部放电电弧产生的热量会将冰棱端部融化，使得其端部出现悬挂的液滴，液滴同样会畸变附近空气域的电场，此处易出现电弧。斜腕臂绝缘子相邻伞裙边缘的冰棱间隙场强畸变程度高。因此，斜腕臂绝缘子小伞裙冰棱端部的液滴对放电电弧路径的影响程度更大。
尽管竖直向下的水平绝缘子伞裙边缘冰棱亦会畸变其附近的电场，由于相邻伞裙冰棱的间隙距离大，击穿电压高，因此在试验中并没有观测到水平绝缘子大小伞裙边缘冰柱间气隙被击穿的现象。因此，当伞裙表面的冰层未堆积到完全占满伞裙间的空间时，水平腕臂绝缘子伞裙边缘出现冰棱桥接相邻伞裙的概率较小。
3.3.3 平、斜腕臂绝缘子恒压耐受期间放电差异
图11
冰凌被桥接后的爬电距离减小值如式(1)所示
式中，L1值为78.5 mm，L2值为30.5 mm；ΔL为48 mm。
假设绝缘子中出现n组大小伞边缘被冰棱桥接，假定绝缘子的爬电距离为L，则出现冰棱桥接后的绝缘子沿面爬电距离为式(2)，对本文绝缘子而言，n的最大值为8，若8组大小伞均被桥接，则桥接前后的爬电距离及单位距离承担的电压值如表2所示。
表2 单位爬电距离承担的电压值
| 类型 | 爬电距离 L/mm | U=90 kV U/L/(V/mm) | U=27.5 kV U/L/(V/mm) |
|---|---|---|---|
| 表面洁净 | 1 600 | 56.25 | 17.19 |
| 8组伞裙边缘被桥接 | 1 216 | 74.01 | 22.62 |
| 变化百分比(%) | -24 | 31.58 | 31.59 |
由表2可知，当伞裙被冰棱桥接后，其爬电距离减少了24%，单位爬电距离增加了31.58%，这将导致腕臂绝缘子绝缘性能大幅下降，造成安全隐患。
4 冰棱对局部场强分布特性的影响
4.1 仿真模型
通过三维制图软件构建覆冰绝缘子三维模型并借助有限元仿真软件COMSOL进行电场仿真计算，以云图、曲线等手段对比研究对象在不同工况下的电位、电场强度分布。正常运行时，接触网腕臂绝缘子工作电压为工频27.5 kV，仿真中绝缘子高压侧电位置为其峰值电压38.89 kV，低压侧及外空气包置零电位，在构建覆冰模型时有如下假设。
(1) 忽略表面的冰粒及冰层的局部凸起，将绝缘子伞裙上下表面均以厚度为2 mm的冰层覆盖。
(2) 将冰棱近似为圆台，靠近伞裙边缘的冰棱直径大，端部做了光滑处理，仿真中冰棱长度最长为110 mm，直径取值为6 mm。仿真参数如表3所示。
表3 相对介电常数与电导率
| 材料 | 相对介电常数 | 电导率/(S/m) |
|---|---|---|
| 冰棱、冰层 | 75 | 1×10-10 |
| 外绝缘伞套 | 5 | 1×10−12 |
| 内绝缘芯棒 | 3 | 4×10−13 |
| 空气 | 1.01 | 5×10−15 |
| 水滴 | 81 | 3×10-2 |
| 金具 | 1×108 | 1.5×107 |
分别建立无覆冰、伞裙表面及边缘有冰棱的水平腕臂绝缘子和斜腕臂绝缘子三维模型，电场云图如图12所示。对洁净绝缘子而言，靠近高压侧的伞裙边缘电场强度值最高。对表面有覆冰的水平和斜腕臂绝缘子而言，冰棱都集中在靠近地面侧，冰棱端部附近空气域的电场强度被畸变，当小伞的冰棱长度超出相邻大伞边缘且大伞边缘也悬挂有冰棱时，两个冰棱之间的区域为高场强区。
图12
由图12可知，与洁净绝缘子相比，平、斜腕臂覆冰绝缘子上附着的冰棱不同程度地畸变了周围空气域的场强。水平腕臂绝缘子对周围空间电场的畸变主要发生在冰棱端部，而斜腕臂绝缘子除了冰棱端部畸变周围空气域电场外，小伞裙上分布着不同长度的冰棱，当冰棱生长到一定程度与大伞裙边缘越来越接近桥接时，使周围空间电场强度急剧增加，增大了闪络概率。因此，有必要分析场强畸变严重区域的电场分布特性。
4.2 冰棱长度对电场分布的影响
由第3.1节斜腕臂绝缘子的覆冰形貌可知，小伞伞裙上悬挂的冰棱会与相邻下一片大伞伞裙形成微小气隙，小伞冰棱会畸变该气隙的电场，使其击穿后产生局部放电，影响绝缘子的绝缘性能，而不同长度的冰棱会影响该气隙的场强、局部电弧的发展路径。为对比分析不同长度冰棱对该气隙场强分布的影响，选择如图13所示的三维截线，提取不同冰棱模型中的数值并进行分析。仿真模型中，冰棱的最大长度取50 mm，直径取6 mm，O为冰棱起点，A为三维截线起点，三维截线平行于冰棱且距离冰棱边缘0.9 mm，O、A两点之间的距离为6.02 mm，在不同长度的冰棱模型中，点A、点D在空间的坐标位置不变，C点为冰棱尖端，B点在线段AD上，将C点向右平移后得到，动点B、C的空间坐标随冰棱长度的变化而改变。冰棱长度为50 mm时，B、D两点之间的距离为6 mm。
图13
图14
可知，三维截线的场强峰值位置无明显差别，相邻大小伞边缘均有冰棱存在时，冰棱之间的气隙场强被严重畸变，因此截线AD场强的峰值均位于大伞伞裙边缘附近。越靠近高压侧，截线AD的场强峰值越大，2#和8#对应的截线AD的场强差值小于8#和16#对应的截线AD场强差值。
为分析相邻大小伞冰棱长度对截线AD场强分布特性的影响，以8#、9#伞为对象，按表4设置不同长度组合参数的冰棱，计算并提取截线AD场强值、绘制三维散点图，同时为绘制方便，将洁净绝缘子的坐标记作(0,0)，伞裙表面只有冰层时记作(1,1)，统计结果如图15、图16所示，图15的30，30代表的含义是小伞、大伞的冰棱长度均为30 mm。8#伞、9#伞边缘存在不同长度的冰凌时，其电位线如图16所示，除起点、终点外，截线AD中间的圆点代表的是场强峰值所在的位置，圆点旁边标识由字母和数字组成，其中字母a、b表示峰值出现的先后顺序，数字0表示洁净绝缘子，1表示绝缘子表面只有冰层，3~10表示冰棱长度组合参数。
图15
图16
(1) 当伞裙表面洁净，伞裙表面只有冰层时，截线AD的场强峰值位置出现在大伞伞裙边缘附近，截线AD在绝缘子表面洁净、只有冰层时的场强峰值分别为119 471 V/m、142 699 V/m。
(2) 当8#伞冰棱长度固定为20 mm，大伞冰棱分别取20 mm、30 mm和50 mm时，截线AD场强峰值位置均在小伞冰棱端部附近，峰值分别为207 798 V/m、206 246 V/m、203 854 V/m，此处易被击穿形成局部放电电弧，与图9e观察到的试验现象一致。
(3) 当小伞冰棱长度固定为30 mm，大伞冰棱分别为30 mm、50 mm时，峰值位置在小伞冰棱端部与大伞伞裙边缘形成的微气隙处，峰值分别为390 548 V/m、479 824 V/m，该气隙相较于绝缘子其他部位场强更高，更易先被击穿形成局部放电。
(4) 当小伞冰棱长度为50 mm，大伞冰棱为50 mm时，峰值位置在小伞冰棱中部与大伞伞裙边缘形成的第一个微气隙处以及小伞冰棱端部与大伞冰棱形成的第二个微气隙处，峰值分别为861 123 V/m、593 120 V/m，在交流电压的作用下，两个微气隙处的电位线更密集容易形成高场强区，第一个微气隙会先于绝缘子其他部位被击穿形成局部电弧，随着电压的持续，第二个高强场区被击穿发生局部放电，两个位置从而形成交替的局部放电电弧，与图9b~9d观察到的现象一致。
(5) 当大伞冰棱长度为0 mm，小伞冰棱长度分别为20 mm、30 mm，50 mm时，截线AD场强有两个峰值，第一个峰值高于第二个峰值，第一个峰值对应的数值和大伞冰棱长度不为零时对应的数值无明显差异。冰棱组合参数为(20,0)和(30,0)时，第一峰值在小伞冰棱端部附近，第二个峰值在大伞伞裙边缘附近，当冰棱组合为(50,0)时，第一峰值在大伞伞裙边缘和小伞冰棱之间的微气隙处，第二个峰值在小伞冰棱端部附近。
综上可知，随着小伞冰棱长度的增加，与大伞伞裙边缘、大伞冰棱间的气隙逐渐减小，气隙场强不断增大，冰棱对气隙场强的畸变增强。
以绝缘子洁净工况时的场强值为基准，研究绝缘子表面只有冰层及伞裙边缘悬挂不同长度的冰棱时对周围空气域的畸变程度。
电场畸变率如图17所示，可知电场畸变率随着8#、9#伞裙冰棱长度的增加而增加，最大可达621%。若冰棱长度继续增加，则畸变率随之增大，增加了绝缘子发生冰闪的概率。
图17
4.3 冰棱端部悬挂水滴对电场分布的影响
表5 电场畸变率
| 冰棱长度/mm | Emax/(V/m) | E'/(V/m) | 畸变率η(%) |
|---|---|---|---|
| 20 | 4 639 500 | 111 071 | 4 077.06 |
| 30 | 4 726 920 | 129 144 | 3 560.19 |
| 50 | 5 743 260 | 113 116 | 4 977.32 |
5 腕臂绝缘子结构优化
5.1 异型伞腕臂绝缘子
图18
图19
5.2 异型伞绝缘子电场仿真分析
图20
图21
图22
6 结论
(1) 斜腕臂绝缘子小伞上的冰棱与相邻伞裙呈一定夹角分布，该夹角与斜腕臂绝缘子安装角度相等，小伞上的冰棱易桥接到相邻伞裙。
(2) 恒压耐受试验中，斜腕臂绝缘子小伞上的冰凌与相邻大伞裙边缘或冰棱间容易形成微小气隙，该气隙处为强电场区，放电容易在该处发生，电弧会直接桥接小伞冰棱端部和大伞边缘，造成爬电距离急剧下降。
(3) 放电电弧产生的焦耳热使冰棱端部融化并形成悬挂的水滴，水滴会畸变其周围空间的电场，易诱发绝缘子出现闪络故障。斜腕臂绝缘子冰棱尖端悬挂水滴时对周围空间的畸变率最高可达4 977%。
(4) 优化后的异型伞裙绝缘子增大了冰棱与伞裙、冰棱与冰棱间的间隙，减小了冰棱对于空间电场的畸变程度，其电场畸变率降低了55.41%。因此异型伞绝缘子可有效降低覆冰地区绝缘子冰闪概率。
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