（電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實驗室，國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，長沙410129）

0 引言

中低壓配網(wǎng)線路是電網(wǎng)中數(shù)量最多、累計長度最長，且與用戶關(guān)聯(lián)最為密切的線路。配網(wǎng)線路遭受雷擊時，若不采取保護(hù)措施，易發(fā)生雷擊跳閘事故，甚至造成絕緣子表面被電弧燒傷，導(dǎo)線斷線現(xiàn)象[1-2]。隨著配網(wǎng)改造和電能替代戰(zhàn)略實施，配網(wǎng)的供電穩(wěn)定性問題上升到新的高度。部分區(qū)域通過加裝避雷器來提高防雷水平，但存在在架設(shè)難度大和建設(shè)成本高的缺點(diǎn)[3]。此外帶間隙避雷器需要考慮與絕緣子的絕緣配合，一方面要躲過工頻和操作過電壓，保護(hù)避雷器，防止誤動作；另一方面雷擊電壓要低于絕緣子，起到保護(hù)作用。而絕緣子和避雷器的50%雷電沖擊伏秒特性存在較大分散性（超過20%）[4]，因此要實現(xiàn)絕緣配合需要對避雷器和絕緣子進(jìn)行大量試驗研究。

防雷金具由于其經(jīng)濟(jì)實用在多個地區(qū)得到應(yīng)用，防雷金具可以有效防止雷擊下絕緣子外絕緣破壞，同時電弧被迅速拉長，防止穩(wěn)定電弧形成。但保護(hù)范圍下，只有每根桿塔全裝保護(hù)效果才能得到體現(xiàn)，且需確保桿塔的接地裝置良好、接地電阻合格，實踐中存在相間擊穿、電弧熄滅難等缺點(diǎn)[5]。

覆冰是一種嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全運(yùn)行的自然現(xiàn)象。近幾年冰災(zāi)事故不斷出現(xiàn)，如2004年12月和2008年1月，湖北、湖南、江西、河南、重慶、貴州等地的電網(wǎng)設(shè)施出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰現(xiàn)象[6-7]，輸變電設(shè)備發(fā)生大量的冰閃跳閘。輸電線路絕緣子被冰凌包裹后，爬電距離被短接，泄漏電流顯著增加，直至表面反復(fù)出現(xiàn)閃絡(luò)[8-9]，線路無法正常運(yùn)行。

目前電網(wǎng)防雷與防冰能力都是單獨(dú)考慮，沒有將兩者進(jìn)行結(jié)合。且10 kV線路并沒有進(jìn)行防冰能力設(shè)計。本文在國網(wǎng)科技項目的支持下，結(jié)合防冰與防雷功能要求開展復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)研究，實現(xiàn)了絕緣子防雷和防冰閃功能的二合一。

1 配網(wǎng)防冰防雷復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)

一種防冰防雷復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。外部傘裙采用復(fù)合材料、大小傘裙設(shè)計，以增大結(jié)冰橋接所需時間，降低重冰地區(qū)由結(jié)冰導(dǎo)致的相地之間短路接地事故概率[8，10-11]。

絕緣子內(nèi)部分兩部分，下部分防雷段，上部為絕緣段。正常運(yùn)行時，絕緣段承受電壓，避免電阻片老化。當(dāng)雷擊造成配網(wǎng)線路電壓升高，絕緣段放電球發(fā)生擊穿，氧化鋅電阻片由高阻狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)為低阻，形成放電，線路過電壓下降，此后非線性電阻片作用下絕緣恢復(fù)。而單相導(dǎo)線與地之間未形成穩(wěn)定工頻電弧導(dǎo)致跳閘事故。因此防冰防雷復(fù)合絕緣子可有效提高雷擊和覆冰災(zāi)害下配網(wǎng)系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

防冰防雷絕緣子的絕緣段設(shè)計需要考慮空氣間隙與支撐件的配合問題，如圖1。雷擊下空氣間隙要先于支撐件擊穿，有效的保護(hù)絕緣段的內(nèi)部絕緣。而正常工頻下，空氣間隙需要承受住正常的工頻電壓和操作沖擊電壓。防冰防雷絕緣子的空氣間隙采用球球間隙，內(nèi)部絕緣采用環(huán)氧塊進(jìn)絕緣，整體灌封材料為尼龍T66材料。防冰防雷絕緣子既是避雷器也是絕緣子，其電氣特性實際為具有支撐件的帶間隙避雷器，在此參考相應(yīng)的避雷器標(biāo)準(zhǔn)DL 815—2012進(jìn)行測試分析[12]?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)要求，搭建了試驗平臺，對防冰防雷絕緣子絕緣段設(shè)計進(jìn)行了試驗研究，為防冰防雷絕緣子的參數(shù)設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。

圖1 一種配網(wǎng)防冰防雷復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the anti-icing and anti-thunder composite insulators of distribution network

2 試驗平臺

分別對球球間隙和支撐件進(jìn)行雷電沖擊和工頻耐受測試。DL815-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，10 kV配網(wǎng)帶外間隙的避雷器的雷電沖擊50%電壓需要低于100kV，工頻濕耐受數(shù)值不低于26 kV，支撐件的工頻耐受數(shù)值要高于空氣間隙10%。

雷擊測試目的是保證雷擊下，外部空氣間隙先于內(nèi)部絕緣擊穿，由于外部空氣間隙的絕緣可以實現(xiàn)“自愈”，放電后，空氣間隙的絕緣可恢復(fù)，因此可有效的保護(hù)內(nèi)部絕緣。工頻濕耐受是考驗絕緣子的耐受工頻能力，防止防冰防雷絕緣子在正常工頻電壓下誤動作。支撐件的工頻耐受數(shù)值要高于空氣間隙耐受10%，同樣是為了保護(hù)內(nèi)部絕緣。雷電沖擊測試可以獲取空氣間隙之間的最大值，而工頻濕耐受獲得空氣間隙的最小值，樣品實際空氣間隙距離可在之間取值。

基于以上的要求，在此搭建了沖擊和工頻試驗平臺，進(jìn)行相關(guān)試驗測試。

2.1 沖擊試驗平臺

沖擊試驗平臺如圖2所示，試驗電源為沖擊電壓發(fā)生器，沖擊電壓發(fā)生器額定電壓為400 kV，總共兩級。試驗中通過充電機(jī)對主電容沖上設(shè)定電壓，球間隙在達(dá)到設(shè)定電壓后，自動觸發(fā)放電，形成1.2/50 μs的正極性雷擊放電電壓。測試時溫度23.5℃，濕度53%。

球球間隙50%雷電沖擊電壓采用升降法測試，試驗有效次數(shù)為30次。支撐件在對應(yīng)電壓下進(jìn)行15次正極性雷擊放電試驗，如果沒有一次擊穿，則視為通過試驗，直到發(fā)生擊穿，記錄擊穿電壓。

圖2 沖擊電壓試驗回路Fig.2 Test circuit of impulse voltage

2.2 工頻試驗平臺

工頻試驗平臺如圖3所示。工頻輸出裝置額定電壓100 kV，額定容量40 kVA。試驗中電壓穩(wěn)步升高，直到發(fā)生擊穿。進(jìn)行濕耐受時，采用噴淋裝置對試品進(jìn)行噴淋，噴淋裝置噴頭部位需進(jìn)行接地。試驗回路如圖4所示。濕耐受測試中，研究降雨強(qiáng)度對于空氣間隙放電的影響，更為關(guān)心的是極短時間的降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度為1 min之內(nèi)的降雨量，單位為mm/min。在濕耐受試驗時，考慮較嚴(yán)重情況，降雨強(qiáng)度為3.8 mm/min（暴雨級別）[13]和雨水電導(dǎo)率在為500 μS/cm（自然界雨水電導(dǎo)率變化范圍一般在 30～500 μS/cm 之間[14]）。按標(biāo)準(zhǔn)[15]對空氣間隙中降雨強(qiáng)度和人工降雨的均勻程度進(jìn)行測量和校準(zhǔn)。

測試時高壓大廳內(nèi)部溫度23.5℃，濕度53%。

圖3 工頻試驗回路Fig.3 Test circuit of Power frequency voltage

圖4 工頻試驗回路實物圖Fig.4 Physical map of test circuit of Power frequency voltage

2.3 試品

試驗試品為放電球和內(nèi)部絕緣塊試品。如圖5所示，試品下方串聯(lián)了無間隙氧化鋅避雷器，避雷器參數(shù)按有間隙避雷器參數(shù)設(shè)置（直流1 mA參考電壓為17 kV[12]），以模擬真實防冰防雷絕緣子電氣參數(shù)。

圖5 試驗試品Fig.5 Test sample

放電球方面：試驗分析了不同直徑放電球的所對應(yīng)的幅值為100 kV的正極性50%雷電擊穿電壓，并對不同直徑放電球的工頻濕耐受電壓進(jìn)行了測試。放電球焊接在直徑為10 mm的不銹鋼螺桿上，不同球直徑分別為9.87 mm、15.82 mm、19.91 mm、23.77 mm、29.97 mm、39.98 mm，材質(zhì)為不銹鋼球，圖6所示。

圖6 放電球電極Fig.6 Discharge ball electrode

支撐件方面：尼龍材料對環(huán)氧塊進(jìn)行整體灌封形成支撐件，以模擬真實的內(nèi)部環(huán)境。為了防止雷電沖擊和工頻耐受時，擊穿沿著沿面進(jìn)行，在灌封件表面加入了硅橡膠外套，提高了表面爬電距離，見圖5（b）。分別試驗分析了尺寸為?50 mm×30 mm、?50 mm×40 mm、?50 mm×50 mm、?50 mm×60 mm、?50 mm×70 mm的圓柱形環(huán)氧塊的雷電沖擊電壓，環(huán)氧塊外部灌入了2cm厚的尼龍材料，每種樣品選取了5個進(jìn)行測試。

3 試驗結(jié)果

試驗波形如圖7所示。正常放電電壓為標(biāo)準(zhǔn)正極性雷電電壓。擊穿的電壓特性可以發(fā)現(xiàn)，由于串聯(lián)了避雷器，擊穿后的波形出現(xiàn)了25 kV殘壓。

圖7 正極性沖擊電壓試驗波形Fig.7 The test waveform of positive-polarity impulse voltage

不同直徑放電球和不同長度的支撐件的沖擊測試結(jié)果如表1所示。表1表明隨著球直徑的增大，其100 kV正極性雷電沖擊電壓所對應(yīng)的間隙距離顯著下降；隨著支撐件長度的增大，正極性雷電沖擊放電電壓上升。并且當(dāng)支撐件為70 mm長度時，內(nèi)部沒有擊穿，而是在164 kV出現(xiàn)了外部空氣閃絡(luò)。

對不同直徑放電球進(jìn)行了工頻濕耐受測試。測試結(jié)果如表1所示。表1表明隨著放電球直徑的增大，相同26 kV濕耐受下，放電球之間的間隙距離并沒有明顯的變化趨勢。出現(xiàn)了兩頭高，中間低的“U”型曲線，如圖8所示。并且當(dāng)放電球直徑≥30 mm時，其空氣間隙距離要高于100 kV正極性50%雷電沖擊耐受對應(yīng)的間隙距離。

表1 沖擊和工頻試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data of impulse voltage andpower frequency testing

試驗數(shù)據(jù)表明：隨著球間隙的增大，擊穿特性受到雨水的影響上升。

圖8 放電球和支撐件試驗結(jié)果Fig.8 The results of discharge ball and support elements

4 仿真分析

4.1 雷電沖擊仿真

本文采用準(zhǔn)靜態(tài)場有限元法對模型進(jìn)行仿真分析。建立了不同放電球下的仿真計算模型，仿真采用與試驗中的相同的結(jié)構(gòu)和尺寸。仿真軟件為Ansys 16。各種介質(zhì)的物理參數(shù)見表2。

表2 電介質(zhì)物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of dielectric

仿真計算中忽略了試驗中高壓導(dǎo)線和地線的影響。有限元法無法解決無限場域的計算，仿真中建立一個人工邊界，使絕緣子到邊界的距離遠(yuǎn)大于絕緣子本身的長度，并假定邊界上的電位為零。仿真模型如圖9所示。對不同放電球在不同間隙距離下的電場分布進(jìn)行了仿真。

圖9 不同直徑球電極的仿真模型Fig.9 Simulation model of ball electrodes with different diameters

仿真為恒定的直流仿真，為了防止直流下空氣直接擊穿，仿真中施加電壓為1 kV。放單球間隙距離與100 kV雷擊50%沖擊耐受試驗獲得的距離相同。仿真得到的最大電場強(qiáng)度在上放電球的下沿。仿真得到的最大場強(qiáng)與放電球間隙的關(guān)系如表3所示。

表3 不同直徑球電極的仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of ball electrodes with different diameters

對試驗測試中相同擊穿電壓下對應(yīng)的球間隙進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：隨著球直徑的下降，其電場畸變強(qiáng)度增大。

根據(jù)流注理論[16-17]，在正極性直流電壓下，流注起始于電極附近電離系數(shù)等于附著系數(shù)的位置。在電子崩向正極發(fā)展過程中，其頭部電荷不斷增加，當(dāng)電子崩頭部電荷總量大于臨界電荷數(shù)時，流注起始，一般認(rèn)為臨界電荷數(shù)為108。正極性沖擊電壓作用下，流注的起始需要滿足兩方面的條件：一方面在沖擊電壓作用下，電極上施加電壓或者電極頭部電場要達(dá)到流注起始所需要的最小電壓U0或場強(qiáng)E0；另一方面要保證棒電極頭部出現(xiàn)有效自由電子。由于自由電子出現(xiàn)需要時間，而沖擊電壓相對于工頻或直流的作用時間顯著縮短，存在一定的放電時延現(xiàn)象。因此在沖擊電壓作用下，流注起始電壓或起始場強(qiáng)高于直流和工頻電壓作用下流注的起始電壓或起始場強(qiáng)[18]。

清華大學(xué)[19]對于不同直徑的放電球的流注起始電壓和起始場強(qiáng)進(jìn)行了測試，測試研究表明：相同電壓變化率下和相同間隙距離下，隨著球直徑的減少，流注的起始電場強(qiáng)度上升，流注的起始電壓下降；并且隨著球直徑的下降，自由電子的形成時延下降。因此小直徑的球在相同電壓變化率和相同間隙距離下更容易形成擊穿放電。同時曲率較小的放電球（直徑小的放電球）形成流注需要的電場強(qiáng)度更大，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的測試結(jié)果相符。

因此相同50%擊穿電壓下（100 kV），隨著放電球直徑的下降，正極端放電球的電場強(qiáng)度上升（流注的起始電場強(qiáng)度上升）。仿真表明放電球直徑從39.98 mm下降到9.87 mm，局部場強(qiáng)提高了1.66倍。

4.2 濕耐受仿真

對直徑為39.98 mm的放電球在干燥和有水滴的環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析。圖10（a）為測試過程中的放電球，圖10（b）為無水滴時的電場仿真，圖10（c）為有水滴時的電場仿真。放電球之間的距離為50mm。仿真結(jié)果如圖10所示。水滴的直徑為4 mm，水滴的電導(dǎo)率為500 μS/cm。水滴用一個圓球模擬。

圖10 水滴對于放電球電場的影響Fig.10 The influence of water droplet on electric field of discharge ball

仿真結(jié)果表明：水滴存在的情況下，電場出現(xiàn)明顯畸變，相對于沒有水滴的電場，電場畸變強(qiáng)度提高了16倍。因此濕耐受中，放電間隙中水滴的存在是導(dǎo)致會導(dǎo)致空氣擊穿的距離明顯提升。

試驗中發(fā)現(xiàn)：直徑大的球所吸附的水滴總面積大于直徑小的球（圖11），表面水滴在球面受重力作用流動，在放電球間隙之間形成水珠。水滴使得放電球之間的電場發(fā)生畸變，場強(qiáng)增大。而直徑大的球所形成水滴的速度要明顯大于直徑小的球，因此直徑大的球所受到降雨的影響要高于小直徑放電球（如表1所示）。

相關(guān)文獻(xiàn)對于不同間隙的空氣放電進(jìn)行了有關(guān)研究[20]，研究表明：一旦有降雨發(fā)生，閃絡(luò)電壓即明顯降低，且間隙距離越小，該趨勢越明顯。本實驗的測試結(jié)果與其相符。

圖11 工頻濕耐受下不同直徑放電球上的水滴情況Fig.11 Water droplets on discharge ball of different diameter under power frequency wet withstand voltage

5 討論

5.1 放電球試驗

依據(jù)雷電沖擊和工頻濕耐受測試，考慮放電具有一定的分散性（雷電放電20%），放電球之間的距離需要保證雷擊下能夠擊穿并且工頻下不動作，因此間隙距離的最大值（100 kV雷電沖擊）和最小值（26 kV工頻濕耐受下）之間需要有足夠的范圍區(qū)間。依據(jù)試驗結(jié)果，放電球直徑需要≯25 mm。而放電球直徑過小，相同電壓下其局部場強(qiáng)較大（如圖9），而實際生產(chǎn)中很難保證放電球表明的絕對光滑，如果放電球表明本身存在不均勻處，會導(dǎo)致局部場強(qiáng)進(jìn)一步增大，可能導(dǎo)致局部空氣擊穿，出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，影響防冰防雷絕緣子的穩(wěn)定運(yùn)行。

正常運(yùn)行下，絕緣段承受工頻電壓。而外部放電球的空氣間隙電氣強(qiáng)度要低于支撐件的電氣強(qiáng)度，保護(hù)絕緣段內(nèi)部絕緣。因此外部放電球的空氣間隙的距離直接關(guān)系到正常情況下絕緣段的工頻耐受能力。在滿足運(yùn)行條件的情況下，需盡量提高絕緣段的工頻耐受能力，因此選取球球間隙距離時會盡量接近可取范圍的最大值。

本文的結(jié)構(gòu)中采用的放電球直徑為20 mm，放電間距為60 mm，串聯(lián)避雷器條件下，實測其50%放電電壓為92 kV，工頻濕耐受電壓為35 kV。純放電球間隙下，工頻耐受電壓為50 kV，滿足設(shè)計要求。依據(jù)試驗獲得數(shù)據(jù)，可以得到100 kV雷電正極性沖擊下，不同放電球間隙的距離l與放電球直徑d的關(guān)系，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如式（1）所示：

式（1）單位為mm，可以得到100 kV正極性雷電沖擊下，不同放電球直徑所對應(yīng)的空氣間隙的。見圖12。

圖12 放電球直徑與空氣間隙關(guān)系的擬合曲線Fig.12 The fitting curve of the relation between discharge ball diameter and air gap

5.2 支撐件試驗

支撐件的測試表明：當(dāng)電壓超過164 kV時，其擊穿會繞過外部傘套，形成空氣擊穿。擊穿后的支撐件試品解剖圖如圖13所示。圖13表明，雷電沖擊下支撐件擊穿是沿著環(huán)氧塊與尼龍材料的接觸面。圖中可知，環(huán)氧塊進(jìn)行了開槽設(shè)計，增大了尼龍材料的接觸面積，加大表面爬電距離，但依然沿著沿面擊穿。

目前10 kV配網(wǎng)防冰防雷絕緣子采用尼龍灌封技術(shù)是在空氣中進(jìn)行的，尼龍與環(huán)氧之間存在一定的空氣氣泡。空氣的介電常數(shù)相對于環(huán)氧和尼龍都小很多。電壓作用下，空氣氣泡相對環(huán)氧和尼龍為弱點(diǎn)，各個弱點(diǎn)發(fā)生擊穿并連接起來形成沿面放電，導(dǎo)致支撐件擊穿。沿面擊穿之后內(nèi)部絕緣存在放電通道，為不能恢復(fù)的絕緣，因此需保證雷電下，內(nèi)部不會出現(xiàn)擊穿。

圖13 支撐件試品解剖圖Fig.13 Anatomic map of support element

支撐件的測試表明，要保證內(nèi)部絕緣不會破壞，需要留足夠的裕度。在此考慮裕度為放電球間隙沖擊擊穿強(qiáng)度的1.5倍，則支撐件的長度需≥60 mm。

實際生產(chǎn)中，環(huán)氧塊與尼龍材料之間可能存在空氣和污穢，會進(jìn)一步降低支撐件的電氣強(qiáng)度。放電球的空氣間隙取為60 mm，結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)設(shè)計，筆者設(shè)計的防冰防雷絕緣子的絕緣塊長度取70 mm，實測的雷電沖擊電壓＞150 kV，純工頻耐受電壓為90 kV（滿足高于外部空氣間隙10%的標(biāo)準(zhǔn)要求），滿足設(shè)計要求。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到不同長度支撐件所承受的雷電沖擊電壓u與支撐件長度s的關(guān)系，如式（2）

式（2）單位為mm，可以得到不同支撐件長度所對應(yīng)的雷電擊穿放電電壓。見圖14。

圖14 支撐件長度與雷電沖擊電壓的關(guān)系的擬合曲線Fig.14 Fitting curve of the relationship between support length and lightning impulse voltage

6 結(jié)論

筆者設(shè)計一種防冰防雷絕緣子，通過試驗和仿真對防冰防雷絕緣子絕緣段的參數(shù)設(shè)計進(jìn)行了分析。獲得了以下結(jié)論：

1）通過對串聯(lián)避雷器的放電球間隙進(jìn)行100 kV的正極性雷電沖擊測試，得到了100 kV的50%雷電擊穿電壓對應(yīng)的不同直徑放電球的空氣間隙距離，當(dāng)放電球直徑從9.87 mm變化到39.98 mm，間隙距離從80.32 mm下降到32.54 mm。并對試驗結(jié)果進(jìn)行了仿真分析和數(shù)值擬合，得到100 kV雷電正極性沖擊下，不同放電球間隙的距離l與放電球直徑d的數(shù)值關(guān)系。

2）通過對串聯(lián)避雷器的放電球間隙進(jìn)行26 kV的工頻濕耐受測試，得到了不同放電球直徑下所對應(yīng)的26 kV濕耐受空氣間隙距離。測試表明隨著放電球的直徑增大，擊穿電壓受雨水的影響越顯著。

3）結(jié)合不同直徑放電球的雷電沖擊和工頻濕耐受測試，可以得到放電球直徑應(yīng)該≥25 mm。本文的結(jié)構(gòu)中采用的放電球直徑為20 mm，空氣間距為60 mm，實測其50%放電電壓為92 kV，工頻濕耐受電壓為35 kV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）對不同長度支撐件進(jìn)行了正極性雷電沖擊測試，測試結(jié)果表明隨著支撐件長度的增大，擊穿電壓上升。當(dāng)支撐件長度從25 mm上升到60 mm，擊穿電壓從67.19 kV上升到150.20 kV，并得到了不同支撐件長度所對應(yīng)的雷電擊穿放電電壓的經(jīng)驗公式。

5）基于支撐件的雷電沖擊測試，并考慮相應(yīng)裕度，則支撐件的長度需≤60 mm。本文設(shè)計的防冰防雷絕緣子的絕緣塊長度取70 mm，實測的雷電沖擊電壓＞150 kV，純工頻耐受電壓為90 kV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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