适用于覆冰地区使用的复合绝缘子伞形结构研究

项目严格按照项目计划书要求展开工作，并达到了相应的目标。本项目在国内外首次提出在研究不同伞形结构复合绝缘子在不同条件下的覆冰规律和研究覆冰复合绝缘子的冰闪模型与放电路径的基础上，提取具有优良冰闪性能的伞形参数规律，针对不同冰区对复合绝缘子进行伞形结构优化的设计思路，在带电与不带电、不同覆冰程度、不同风速下研究不同伞形结构复合绝缘子的覆冰规律和冰闪特性。研究发现：电场、风速、染污方式和伞形结构均对复合绝缘子覆冰和冰闪特性有一定的影响，优化的伞形结构能提高复合绝缘子的电气性能；项目首次建立“多电弧-多冰带”冰闪模型；同时，依据试验结果、电场仿真和所建的冰闪模型，对不同冰区复合绝缘子伞形结构进行优化设计。研究结果对提高复合绝缘子在覆冰地区的电气性能，减少电网覆冰灾害具有重要的工程价值；项目提出的“多电弧-多冰带”冰闪模型也有助于完善覆冰绝缘子冰闪机理与模型，具有较为重要的理论意义。 2100433B

复合绝缘子重量轻、耐污性能好，目前已广泛应用于高压输电系统中；但在覆冰环境下，现有结构复合绝缘子伞裙易被冰凌桥接，电气性能下降显著。为了提高复合绝缘子在覆冰地区的电气性能，解决复合绝缘子在覆冰地区的适用性问题，有必要对其伞形结构进行优化研究。本项目选取大型多功能人工气候室与雪峰山自然覆冰试验站作为研究场所，分别在带电与不带电、不同覆冰程度、不同风速下研究不同伞形结构复合绝缘子的覆冰规律；通过仿真计算与试验验证研究覆冰复合绝缘子的电位电场分布规律；在此基础上，建立复合绝缘子多电弧-多冰带冰闪模型，寻求覆冰复合绝缘子的放电路径，确定其冰闪电压，并通过超高速摄像机拍摄的电弧发展过程与覆冰闪络试验，验证所建立的冰闪模型；进而在此基础上提取具有优良冰闪性能的复合绝缘子伞形参数规律，设计适用于不同冰区的优化伞形结构复合绝缘子，并在人工气候室、自然覆冰试验站及实际线路上验证其防冰闪效果。

线路覆冰雨凇覆冰

是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。

线路覆冰混合凇

当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。

线路覆冰软雾凇

轻雾凇是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。

线路覆冰白霜

白霜是空气中湿气与0℃以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白霜基本不对导线构成严重危害。

线路覆冰干雪

空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面。只有当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。

在寒冷海域海洋工程结构的设计中，控制荷载多为冰荷载，从而抗冰结构成为设计的主要方向之一，而能够导致冰排发生弯曲破坏的破冰锥形结构得到了广泛应用。国际冰工程界已针对冰排与锥形结构相互作用进程开展了一定规模的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如冰排的断裂长度、碎冰的堆积进程、冰荷载的准确估算方法、冰激锥形结构振动等。目前国际上最新的研究成果表明，冰排上是否有雪覆盖对上述问题具有重要的影响，但尚未有覆雪冰排与锥形结构相互作用进程研究开展的实例，进而覆雪情况对上问题具体的控制机理与影响水平还不得而知。本课题正是针对这一问题，通过现场取样测试、理论分析与物理模型试验相结合的方法，开展覆雪冰排与锥形结构相互作用进程的研究。本课题将研制出室内生成覆雪模型冰盖的试验技术，填补国际范围内冰工程模型试验在该技术上的空白，并最终通过系统研究，揭示覆雪情况对冰排与锥形结构相互作用进程的控制机理与影响水平。

在寒冷海域海洋工程结构的设计中，控制载荷多为冰荷载，从而抗冰结构成为设计的主要方向之一，而能够导致冰排发生弯曲破坏的破冰锥形结构得到了广泛应用。国际冰工程界已针对冰盖与锥形结构相互作用进程开展了一定规模的研究，但仍有较多关键性问题尚未得到揭示，如冰排的断裂长度、碎冰的堆积进程、冰荷载的准确估算方法、冰激锥形结构振动等。目前国际上最新的研究成果表明，冰盖上是否有雪覆盖对上述问题具有重要的影响，但尚未有覆雪冰盖与锥形结构相互作用进程研究开展的实例，进而覆雪情况对上问题具体的控制机理与影响水平还不得而知。本项目正是针对这一问题，通过调查研究、理论分析与物理模型试验相结合的方法，开展了覆雪冰盖与锥形结构相互作用进程研究。本项目首先基于现场取样测试结果，结合多年冰模型试验积累的模型冰生成与制备试验技术，成功地开发出覆雪模型冰盖的室内生成试验技术，并对覆雪冰排的物理力学性质进行系统的分析研究。在取得相关进展的基础上，对锥形结构前覆雪冰排破坏模式进行了理论分析，并根据分析结果制定了相应的试验方案。课题组在天津大学冰工程实验室内进行了包括多种雪厚、冰速、锥角以及锥体水线面直径在内的一系列模型试验，获得了大量宝贵的试验数据。项目以所有不同覆雪水平下锥体冰力时程曲线分析为基础，联系试验影像观测，结合已有的冰排破坏理论，归纳概括覆雪冰排断裂的模式及机理，构建了考虑冰排覆雪水平的锥体冰力幅值理论分析模型和冰激锥形结构振动动力分析模型。综合冰条件、覆雪水平、抗冰锥尺寸、碎冰块尺寸及分布演变规律等因素，最终构建覆雪冰排与锥形结构相互作用的数值模型。结合课题培养研究生8名。发表论文8篇，其中被SCI收录3篇，EI收录4篇。 2100433B