复合绝缘子直流电场下的水滴运动及覆冰特性（水滴碰撞3D）

输电线路绝缘子覆冰威胁着电力系统运行稳定，而绝缘子覆冰形态及速率是预测其闪络发展的关键参数。为准确模拟绝缘子覆冰，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）的研究人员韩兴波、蒋兴良、黄亚飞、任晓东、陈宇，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，从水滴运动及捕获角度探究了直流电场对绝缘子覆冰的影响。

研究人员以复合绝缘子为样品，基于流体力学及电磁场原理建立水滴运动数学模型，计算了水滴在绝缘子表面因为电场力作用发生的轨迹偏移率，以此为基础，计算了有、无电场下绝缘子伞裙边缘及芯棒处的水滴局部碰撞系数1分布，结果显示：小风速小水滴半径下，电场作用下的水滴轨迹偏移最大，且对绝缘子芯棒处的1值提高百分比超过15%。

研究人员在人工气候室内对复合绝缘子进行了带电和不带电覆冰试验。结果表明：小水滴半径下的干增长覆冰时，电场对覆冰速率的提高百分比达30%，同时可造成更加粗糙的覆冰表面，但对于大水滴半径下的湿增长覆冰速率影响较小，主要造成弯曲生长的冰棱形态。

覆冰在我国电网输电线路安全运行过程中一直是一个严峻的问题，其不仅可以造成输电线路、杆塔的机械过载、倒塌，同时也可造成输电线路绝缘子串的覆冰闪络。针对覆冰对电网输电线路安全的影响机理，国内外学者做了大量研究。

导线覆冰造成的影响主要集中在机械特性上，因而研究导线覆冰机理，建立覆冰模型，预测其覆冰增长一直是关注重点。其中，以基于水滴碰撞、捕获、冻结的三参数模型运用最为广泛。模型指出，导线覆冰增长速率决定于过冷却水滴在导线表面的碰撞、捕获、冻结效率，并分别建立起了计算该3个参数的物理模型，计算涉及气液二流场、热力学方程等。

为完善该模型，相关研究指出，输电导线表面电场强度及电晕放电会对覆冰形态、速率产生影响，必须在计算模型中予以考虑。而有的研究则从水滴在导线表面的碰撞系数出发，仿真计算了电场作用对该参数造成的影响，结果表明，电场会增大导线表面水滴碰撞范围及碰撞系数值。

绝缘子覆冰的主要危害在于覆冰闪络带来的线路跳闸，以往的研究大都集中在覆冰对绝缘子闪络电压的降低特性。而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，从空气中水滴运动角度出发，探究水滴在遭遇绝缘子至碰撞到绝缘子表面形成覆冰过程中，其受到绝缘子表面直流电场的影响规律。

图1 复合绝缘表面不同位置的水滴碰撞

图2 大型多功能人工气候室及其控制系统

图3 不带电和带电条件下表面湿覆冰形态

基于流体力学及电磁场原理，建立了水滴运动数学模型，综合考虑气流、电场力的作用，对运动水滴进行了受力分析及数值计算。以复合绝缘子为样品，对比分析了其表面不同位置水滴受到电场力变化及产生的轨迹偏移程度，并得出以下结论：

1）覆冰过程中，随气流进入复合绝缘子伞裙半径区域内的带电水滴会受到快速增长的电场力作用，其导致水滴轨迹偏移，并趋向于碰撞到绝缘子表面电场强度较大的位置，增大了绝缘子表面不同位置水滴捕获量的不均衡及覆冰的不均匀性。
2）复合绝缘子不同位置碰撞水滴受到电场的影响程度不同。在同一伞裙处，伞裙表面及伞裙边缘的水滴轨迹偏离率接近，并明显大于碰撞到芯棒处的水滴。不同伞裙间，越靠近高压端的伞裙处水滴轨迹偏移程度越大。
3）复合绝缘子伞裙边缘、芯棒的水滴碰撞系数值从驻点向两端减小，其中带电条件下的碰撞系数值大于不带电条件，小风速小水滴半径下，电场可提高碰撞系数超过15%，该值随水滴半径的增大而减小。
4）相对不带电，带电干增长覆冰条件下，复合绝缘子覆冰表面更加粗糙，覆冰增长方向多样，小风速小水滴半径下的覆冰速率提高百分比超过30%。湿增长覆冰条件下，电场对复合绝缘子覆冰速率影响较小，但易造成弯曲生长的冰棱。