类型b

这篇综述文章由Masoud Farzaneh撰写，他是NSERC/Hydro-Québec/UQAC工业大气结冰研究主席（NSERC/Hydro-Québec/UQAC Industrial Chair on Atmospheric Icing）的成员，该机构位于加拿大魁北克省希库蒂米大学（University of Québec in Chicoutimi）。文章发表于2000年的《皇家学会哲学学报A辑》（Philosophical Transactions of the Royal Society A），主题围绕高电压导线和绝缘子在大气结冰条件下的电气现象。

学术背景与研究目的

大气结冰对电力系统的影响是寒冷地区一个严重的问题。1998年1月，魁北克和安大略发生的结冰事件导致了严重的社会经济后果，超过一百万用户断电长达3至30天，修复网络的成本接近十亿加元。因此，研究高压导线和绝缘子在结冰条件下的电气性能具有重要意义。本文旨在回顾和总结迄今为止在这一领域所完成的研究工作，特别是希库蒂米大学的相关研究。重点讨论了高电压对冰结构的影响、绝缘子表面的电弧放电机制以及如何提高绝缘子的耐压能力。

主要观点及其支持证据

1. 高电压对冰积累的影响

Farzaneh等人通过实验室实验发现，高电压显著影响导线上的冰积累。具体而言，在没有电场的情况下，形成的冰为硬霜，表面有小突起；而在电场作用下，这些突起会长成类似树木的形状，且正负极性对冰树的形态有不同影响。例如，正电场下冰树和侧枝更多且更细，而负电场下冰羽毛的主干更细。此外，随着电场强度增加，冰的重量和密度先增后减，特别是在负电场强度高于15 kV/cm时，冰的积累几乎可以忽略不计。

支持证据包括Farzaneh & Laflorte (1994)、Teisseyre & Farzaneh (1990)等人的实验数据。他们使用软铝制圆柱体作为导线模型，在冷室中进行实验，结果表明电场强度和极性对冰的物理外观、数量和密度均有显著影响。

2. 绝缘子表面电弧放电机制

结冰条件下，绝缘子表面的高导电水膜和空气间隙中的高电应力区域是引发闪络的主要因素。Farzaneh等人通过高速摄像机记录了冰表面上的放电过程，发现在干燥清洁的冰表面，首次可见放电活动出现在阳极前方，随后阴极前也出现放电区。而在有水膜的情况下，放电活动迅速引发闪络。这说明水膜的存在和高表面导电性对闪络电弧的发展起着重要作用。

支持证据包括Farzaneh et al. (1999b)、Zhang & Farzaneh (2000)等人的研究。他们使用三角形冰样本和金属半球形电极，详细分析了直流和交流电弧的传播速度、根部半径及其与泄漏电流的关系。

3. 影响绝缘子闪络电压的因素

多种因素会影响结冰条件下绝缘子的闪络电压，包括绝缘子参数（如干弧距离、泄漏距离、直径、轮廓和配置）、结冰参数（如冰的类型、数量、形状和分布）以及电压类型和极性。Farzaneh等人通过实验和数学模型分析了这些因素的具体影响。例如，湿生冰比干生冰更危险，冰厚度在2.5厘米以下时，闪络电压随冰厚度增加而降低，之后趋于稳定。此外，冻结水的导电性越高，闪络电压越低。

支持证据包括Farzaneh & Kiernicki (1997b)、Wu et al. (1996)等人的实验数据。他们通过测量不同类型的冰和不同导电性的水对绝缘子闪络电压的影响，得出了上述结论。

论文的意义与价值

本文全面回顾了高电压导线和绝缘子在大气结冰条件下的电气现象，揭示了电场对冰积累的影响机制，以及绝缘子表面电弧放电的形成和发展过程。这些研究成果不仅丰富了大气结冰领域的科学知识，还为电力系统的防冰设计提供了重要参考。通过建立标准测试方法和设计准则，可以有效提高电力设备在结冰条件下的可靠性和安全性。此外，本文提出的数学模型为预测和评估绝缘子的闪络性能提供了有力工具，有助于未来进一步优化绝缘子的设计和应用。

亮点与创新点

本文的亮点在于系统地总结了高电压对冰积累的影响机制，特别是电场强度和极性对冰形态、数量和密度的具体影响。同时，通过高速摄像技术详细记录了冰表面上的放电过程，揭示了水膜和空气间隙在闪络电弧发展中的关键作用。此外，本文还提出了首个能够预测工业绝缘子在结冰条件下临界闪络电压的数学模型，为实际应用提供了重要支持。