孟偉航，王巨豐，黃上師，李籽劍

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 南寧 530004)

0 引 言

配電線路“堵塞型”防雷手段，能有效提高線路絕緣水平，保護(hù)線路免受雷擊造成的損害，但成本較高，維護(hù)復(fù)雜[1]。因此，日本、俄羅斯等防雷發(fā)達(dá)國(guó)家最先開始研究“疏導(dǎo)型”防雷手段[2-5]。國(guó)內(nèi)對(duì)“疏導(dǎo)型”防雷也有大量研究，目前國(guó)內(nèi)“疏導(dǎo)型”防雷手段主要是在絕緣子兩側(cè)安裝并聯(lián)間隙，并聯(lián)間隙是以犧牲跳閘率為手段來換取絕緣子的安全，保證線路在雷擊后不會(huì)發(fā)生永久性損壞[6-10]，避免因絕緣子損壞而影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的停電事故是由配電系統(tǒng)引起的[12]。并聯(lián)間隙雖能保護(hù)絕緣子，但沒有熄弧功能，熄弧完全依靠斷路器，增大斷路器負(fù)擔(dān)，影響供電可靠性，同時(shí)工頻續(xù)流使并聯(lián)間隙電極燒蝕嚴(yán)重，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中存在安全隱患[13-15]。

因此，國(guó)內(nèi)外開始研究“自能式”滅弧防雷間隙，例如俄羅斯的“多滅弧室絕緣避雷器”與國(guó)內(nèi)某大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的多斷點(diǎn)滅弧防雷間隙(以下簡(jiǎn)稱滅弧間隙)。滅弧間隙與“多滅弧室絕緣避雷器”不同：根據(jù)文獻(xiàn)[5]，“多滅弧室絕緣避雷器”在工頻電弧過零點(diǎn)時(shí)將電弧熄滅，屬于“工頻電弧誘導(dǎo)型”防雷間隙；而滅弧間隙能夠在沖擊電弧建弧階段將電弧熄滅[16-18]，屬于“沖擊電弧誘導(dǎo)型”防雷間隙。“沖擊電弧誘導(dǎo)型”防雷間隙能夠有效克服“工頻電弧誘導(dǎo)型”防雷間隙存在的滅弧能量觸發(fā)及積累的滯后效應(yīng)，提高了滅弧的有效性和可靠性。

文獻(xiàn)[16-20]對(duì)滅弧間隙的滅弧功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，但目前暫無滅弧間隙與絕緣子絕緣配合的研究，在線路上僅靠經(jīng)驗(yàn)安裝，文章對(duì)該滅弧間隙在35 kV配電線路運(yùn)行中的絕緣配合以及防雷性能進(jìn)行了探究，通過比較雷電沖擊50%放電電壓以及伏秒特性曲線，確定滅弧間隙的有效保護(hù)范圍，為實(shí)際工程提供滅弧間隙安裝依據(jù)。

1 雷電沖擊伏秒特性實(shí)驗(yàn)裝置、試品及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在廣西大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室擁有1 500 kV沖擊電壓發(fā)生器，該設(shè)備利用Marx多級(jí)回路能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波形以及其他特殊的沖擊電壓波。使用該設(shè)備產(chǎn)生的1.2/50 ms標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波整定偏差 ≤±1%，不穩(wěn)定度 ≤±1%，輸出沖擊電壓穩(wěn)定性大于99%。產(chǎn)生的波形參數(shù)在IEC 60060.1和GB/T 16927.1 標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)[21]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主體圖1所示。

圖1 1 500 kV沖擊電壓發(fā)生器Fig.1 1 500 kV impulse voltage generator

1.2 實(shí)驗(yàn)試品

該實(shí)驗(yàn)采用兩種不同類型的35 kV絕緣子：(1) FXW4復(fù)合絕緣子(絕緣部分長(zhǎng)度為450 mm)；(2) 3片LXP-70玻璃絕緣子(絕緣部分長(zhǎng)度為450 mm)。實(shí)驗(yàn)條件保證絕緣子干燥、無污穢。

多斷點(diǎn)滅弧防雷裝置，其外形見圖2。滅弧間隙的內(nèi)間隙是滅弧裝置的內(nèi)部壓縮管道，如圖3所示，其作用是增大建弧難度同時(shí)能夠快速熄滅沖擊電弧和工頻電弧。

圖2 多斷點(diǎn)滅弧防雷裝置Fig.2 Multiple-break arc-extinguishing lightning protection device

圖3 多斷點(diǎn)滅弧防雷裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of multiple-break arc-extinguishing lightning protection device

滅弧間隙能夠在雷擊后改變雷電沖擊電弧的發(fā)展路徑，使其遠(yuǎn)離絕緣子。在滅弧裝置內(nèi)部的單元壓縮管道內(nèi)，電弧被極度壓縮，相鄰管道之間形成急劇彎折的沖擊電弧。沖擊電弧能量在單元壓縮管道內(nèi)部迅速集中，使沖擊電弧所受的徑向壓力迅速轉(zhuǎn)化為軸向壓力，并沿縱向噴射出外部空間，同時(shí)相鄰管道之間的沖擊電弧由于電弧的急劇彎折和氣流對(duì)吹，在拐點(diǎn)處形成了電弧的能量脆弱點(diǎn)。因此，在整體的滅弧結(jié)構(gòu)中，雷電沖擊電弧變成了有多個(gè)斷點(diǎn)的分段沖擊電弧。通過沖擊電弧與工頻電弧的耦合與解耦關(guān)系，后續(xù)產(chǎn)生的工頻電弧在建弧初期就將產(chǎn)生分段的弧柱能量，在此情況下疊加滅弧裝置內(nèi)部自膨脹產(chǎn)生的縱吹氣流，工頻電弧在建弧初期就受到深度抑制，極大提高了滅弧的有利條件。

實(shí)驗(yàn)多斷點(diǎn)滅弧防雷裝置安裝方法見圖4(復(fù)合絕緣子和玻璃絕緣子安裝方法相同)，兩個(gè)滅弧裝置之間的空氣間隙作為滅弧間隙的外間隙，其作用主要是隔離工作電壓。

圖4 安裝滅弧裝置的絕緣子串Fig.4 Insulator string with the arc-extinguishing gap

實(shí)驗(yàn)使用的并聯(lián)間隙采用兩個(gè)棒型電極，兩個(gè)棒型電極分別安裝在絕緣子的高低壓側(cè)，由棒型電極構(gòu)成的并聯(lián)間隙距離可調(diào)。

1.3 雷電沖擊特性放電實(shí)驗(yàn)方法

文獻(xiàn)[22]指出，負(fù)極性云地閃擊占總閃擊次數(shù)的95%左右，防雷保護(hù)和絕緣配合的整定取負(fù)極性雷電沖擊波進(jìn)行分析。滅弧裝置在污穢和雷雨天氣下，對(duì)滅弧效果無影響，試驗(yàn)期間，為保證實(shí)驗(yàn)條件不變，每半個(gè)小時(shí)測(cè)一次空氣溫度。

雷電沖擊50%放電電壓U50的測(cè)量根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》的實(shí)驗(yàn)方法，采用升降法對(duì)被試品的U50進(jìn)行測(cè)量：每組試品進(jìn)行30次有效實(shí)驗(yàn)，試品被擊穿次數(shù)大概占總次數(shù)的50%，每次實(shí)驗(yàn)根據(jù)前一組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來增加或減少一個(gè)ΔU，充電電壓的升降圖見圖5。

圖5 滅弧間隙充電電壓的升降圖Fig.5 Charge voltage variation diagram of the arc-extinguishing gap

U50的計(jì)算公式如下：

(1)

式中NX為次數(shù)；UX為該次充電電壓。

伏秒特性曲線的繪制：在U50附近逐漸升高沖擊電壓，每組試品至少改變電壓峰值5次，每個(gè)峰值電壓所測(cè)得的試驗(yàn)次數(shù)不少于20次，記錄閃絡(luò)時(shí)間，以橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓繪制伏秒特性曲線[23-24]。

2 絕緣子串、滅弧間隙與并聯(lián)間隙的沖擊特性

測(cè)量的U50包括：

(1)35 kV FXW4復(fù)合絕緣子獨(dú)立測(cè)試，以及與四種不同長(zhǎng)度滅弧間隙(均指外間隙)并聯(lián)測(cè)試；

(2)3片LXP-70玻璃絕緣子獨(dú)立測(cè)試，以及與三種不同長(zhǎng)度的滅弧間隙(均指外間隙)并聯(lián)測(cè)試；

(3)復(fù)合絕緣子兩種不同長(zhǎng)度的并聯(lián)間隙和玻璃絕緣子兩種不同長(zhǎng)度的并聯(lián)間隙。

雷電沖擊特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

測(cè)量結(jié)果如表1～表3所示，偏差均小于3%，滿足工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 35 kV FXW4復(fù)合絕緣子及其四種不同長(zhǎng)度的滅弧間隙的U50Tab.1 U50 of the 35 kV FXW4 composite insulator and its four different length arc-extinguishing gaps

表2 3片LXP-70玻璃絕緣子及其三種不同長(zhǎng)度的滅弧間隙的U50Tab.2 U50 of the three LXP-70 glass insulators and its three different length arc-extinguishing gaps

表3 兩種絕緣子及兩種不同長(zhǎng)度的并聯(lián)間隙的U50Tab.3 U50 of two insulators and two different length parallel gaps

35 kV FXW4復(fù)合絕緣子與3片LXP-70玻璃絕緣子絕緣部分的長(zhǎng)度相同，通過表1、表2可以看出FXW4復(fù)合絕緣子的沖擊放電電壓要明顯高于3片LXP-70玻璃絕緣子；相同間隙距離下，復(fù)合絕緣子滅弧間隙和并聯(lián)間隙的U50要大于玻璃絕緣子的滅弧間隙和并聯(lián)間隙。

由表1、表2可以推斷出滅弧間隙的間隙距離D與U50之間存在的線性關(guān)系，如圖6所示。復(fù)合絕緣子：U50=82.14+D； 玻璃絕緣子：U50=71.19+0.97D。根據(jù)上式，可推測(cè)出復(fù)合絕緣子滅弧間隙距離大概在340 mm時(shí)閃絡(luò)路徑開始發(fā)生變化，玻璃絕緣子滅弧間隙距離大概在290 mm時(shí)閃絡(luò)路徑開始發(fā)生變化，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與上述推測(cè)相符。復(fù)合絕緣子340 mm、玻璃絕緣子290 mm滅弧間隙閃絡(luò)情況見表4。

表4 保護(hù)失效時(shí)閃絡(luò)情況Fig.4 Flashover when protection fails

圖6 滅弧間隙距離與U50之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between arc-extinguishing gap distance and U50

3片LXP-70玻璃絕緣子280 mm滅弧間隙的U50略低于3片LXP-70玻璃絕緣子的U50，雖然電弧閃絡(luò)路徑仍然在滅弧間隙之間，但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1293-2013可知，保護(hù)已失效，當(dāng)間隙增大到290 mm時(shí)，電弧的閃絡(luò)路徑由滅弧間隙轉(zhuǎn)移到絕緣子本體。

當(dāng)保護(hù)失效時(shí)，閃絡(luò)路徑也開始變化，表4中保護(hù)失效的情況為絕緣子本體閃絡(luò)，絕緣子本體閃絡(luò)包括：電弧由絕緣子一端和異側(cè)端的滅弧裝置石墨電極間形成貫穿兩極的電??；電弧直接在絕緣子兩端形成貫穿兩極的電弧。這兩種不同的閃絡(luò)路徑在絕緣子保護(hù)失效時(shí)具有隨機(jī)性。

表3測(cè)得了兩種絕緣子330 mm和380 mm間隙長(zhǎng)度的并聯(lián)間隙的U50。由于滅弧間隙的內(nèi)間隙總長(zhǎng)度約為100 mm，故將230 mm， 280 mm長(zhǎng)度的滅弧間隙與330 mm， 380 mm的并聯(lián)間隙相比較。通過對(duì)比表1和表2，可知間隙相同時(shí)，由于建弧難度的增大，滅弧間隙的U50要明顯高于并聯(lián)間隙。

3 絕緣子串、滅弧間隙與并聯(lián)間隙的伏秒特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用雷電沖擊電壓對(duì)復(fù)合絕緣子及其滅弧間隙，玻璃絕緣子及其滅弧間隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且繪制伏秒特性曲線，如圖7、圖8所示。復(fù)合、玻璃絕緣子的伏秒特性曲線均高于實(shí)驗(yàn)滅弧間隙的伏秒特性曲線，絕緣子及滅弧間隙的伏秒特性曲線隨著其間隙距離的減少而變陡，相同電壓下，滅弧間隙的距離越小，放電時(shí)間越短，由伏秒特性曲線可以看出，只要滅弧間隙距離合適，滅弧間隙能有效保護(hù)絕緣子。

圖7 復(fù)合絕緣子及其三種不同長(zhǎng)度的滅弧間隙的伏秒特性曲線Fig.7 Voltage-time characteristic curves of composite insulators and their arc-extinguishing gaps of three different lengths

圖8 玻璃絕緣子及其三種不同長(zhǎng)度的滅弧間隙的伏秒特性曲線Fig.8 Voltage-time characteristic curves of glass insulators and their arc-extinguishing gaps of three different lengths

根據(jù)空間放電理論，由于放電時(shí)延的影響，截?cái)鄷r(shí)間T和雷電沖擊電壓峰值U成反比，和擊穿通道的距離D成正比。在電壓接近U50時(shí)，自由電子引起電子崩的時(shí)間分散性較大，形成貫穿兩級(jí)的放電通道的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)電壓逐漸升高時(shí)，其分散性降低。相同電壓下，間隙距離越大，兩極之間形成的場(chǎng)強(qiáng)越小，貫穿兩極的閃絡(luò)電弧越難形成，沖擊截?cái)鄷r(shí)間越長(zhǎng)。

由圖8看出，玻璃絕緣子的280 mm滅弧間隙的伏秒特性曲線稍低于玻璃絕緣子的伏秒特性曲線，但兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在U50處出現(xiàn)了重合，根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1293-2013可知，該距離的滅弧間隙已經(jīng)不能保護(hù)絕緣子。

圖9通過對(duì)比復(fù)合和玻璃絕緣子相同滅弧間隙距離的伏秒特性曲線，可以看出，相同間隙距離的滅弧間隙，玻璃絕緣子滅弧間隙低于復(fù)合絕緣子滅弧間隙的伏秒特性曲線。

圖9 復(fù)合、玻璃絕緣子的180 mm、 230 mm滅弧間隙的伏秒特性曲線Fig.9 Voltage-time characteristic curves of 180 mm and 230 mm arc-extinguishing gap of composite and glass insulators

由表3和圖10，圖11可知，無論復(fù)合絕緣子還是玻璃絕緣子，在滅弧間隙和并聯(lián)間隙的間隙長(zhǎng)度相等時(shí)，滅弧間隙的U50和伏秒特性曲線總是高于并聯(lián)間隙，擊穿相同間隙距離的滅弧間隙和并聯(lián)間隙，滅弧間隙所需要的沖擊電壓更高，相同間隙距離下滅弧間隙的絕緣水平高于并聯(lián)間隙。

圖10 復(fù)合絕緣子的230 mm、 280 mm滅弧間隙以及330 mm、 380 mm并聯(lián)間隙的伏秒特性曲線Fig.10 Voltage-time characteristic curves of 230 mm, 280 mm arc-extinguishing gape and 330 mm, 380 mm parallel gap of composite insulators

圖11 玻璃絕緣子的230 mm、 280 mm滅弧間隙以及330 mm、 380 mm并聯(lián)間隙的伏秒特性曲線Fig.11 Voltage-time characteristic curves of 230 mm, 280 mm arc-extinguishing gap and 330 mm, 380 mm parallel gap of glass insulators

綜上所述，滅弧間隙的雷電沖擊的伏秒特性曲線和間隙距離與絕緣子型號(hào)有關(guān)，對(duì)滅弧間隙的雷電沖擊絕緣配合的整定要根據(jù)不同類型的絕緣子分別進(jìn)行整定。

4 絕緣子串與滅弧間隙的雷電沖擊絕緣配合

滅弧間隙和并聯(lián)間隙的絕緣配合就是在雷擊過電壓的情況下，使滅弧間隙始終優(yōu)先于絕緣子放電，從而起到保護(hù)絕緣子的作用。

絕緣子閃絡(luò)電壓和滅弧間隙擊穿電壓之間的概率一般認(rèn)為服從高斯分布[25]，如下所示：

(2)

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60099-8Ed 1.0：2011可知，滅弧間隙的保護(hù)性能可通過下式判定：

Um50+Xs

(3)

式中Um50為滅弧間隙在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊下的50%放電電壓；Uj50是絕緣子在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊下的50%閃絡(luò)電壓；s為標(biāo)準(zhǔn)偏差，取3%；X為標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)，IEC建議取2.5。

根據(jù)雷電沖擊特性試驗(yàn)得到Um50和Uj50可由表1、表2查閱得到，由式(3)可得滅弧間隙的保護(hù)情況，如表5所示。

表5 不同滅弧間隙對(duì)絕緣子的保護(hù)情況Tab.5 Protection of insulators with different arc-extinguishing distance

判斷絕緣配合是否有效，還應(yīng)對(duì)照伏秒特性曲線[26]，通過式(3)可以保證滅弧間隙優(yōu)先于絕緣子放電，同時(shí)結(jié)合絕緣子和滅弧間隙的伏秒特性曲線，在沖擊電壓較高時(shí)兩條曲線無交點(diǎn)，則可證明該距離的滅弧間隙能有效保護(hù)絕緣子。

由圖7可以看出，復(fù)合絕緣子的伏秒特性曲線在U50附近高于三種不同距離滅弧間隙的伏秒特性曲線，并且在電壓較高時(shí)，也與三種滅弧間隙無交點(diǎn)。由圖8可以看出，玻璃絕緣子280 mm滅弧間隙在U50附近已經(jīng)與玻璃絕緣子的伏秒特性曲線有交點(diǎn)，280 mm滅弧間隙不能有效保護(hù)玻璃絕緣子，此結(jié)論與表5計(jì)算結(jié)果一致。當(dāng)滅弧間隙距離減小到230 mm時(shí)，由圖7、圖8可以看出，自U50處電壓逐漸升高，滅弧間隙的伏秒特性曲線逐漸向絕緣子的伏秒特性曲線靠攏，但滅弧間隙的曲線始終在絕緣子的曲線之下(玻璃絕緣子的280 mm滅弧間隙除外，其與玻璃絕緣子的伏秒特性曲線已基本重合)，滅弧間隙始終能夠先于絕緣子放電，有效保護(hù)絕緣子。

根據(jù)工頻耐壓試驗(yàn)以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，滅弧間隙的最小距離應(yīng)不小于180 mm。在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下，不同距離的滅弧間隙對(duì)絕緣子的保護(hù)情況如表5所示，令Um50+Xs=Um100，Uj50-Xs=Uj0。通過計(jì)算，F(xiàn)XW4復(fù)合絕緣子280 mm滅弧間隙的Um100=388.73 kV，Uj0=391.15 kV，此時(shí)，Um100略小于Uj0，結(jié)合式(3)的判據(jù)， 280 mm的滅弧間隙處于保護(hù)FXW4復(fù)合絕緣子的最大間隙。LXP-70玻璃絕緣子230 mm滅弧間隙Um100=315.23 kV，Uj0=325.93 kV，230 mm可作為三片LXP-70玻璃絕緣子的最大保護(hù)滅弧間隙距離。在上述距離范圍內(nèi)，滅弧間隙可有效保護(hù)絕緣子。

5 結(jié)束語

針對(duì)35 kV配電線路，對(duì)兩種不同型號(hào)絕緣子、滅弧間隙以及并聯(lián)間隙的雷電沖擊特性以及伏秒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)絕緣子和滅弧間隙進(jìn)行雷電沖擊特性和伏秒特性實(shí)驗(yàn)，絕緣子的U50和伏秒特性曲線要高于滅弧間隙，合適距離下滅弧間隙能在雷擊后有效保護(hù)絕緣子；

(2)玻璃絕緣子及其并聯(lián)間隙和滅弧間隙的U50以及伏秒特性曲線要低于復(fù)合絕緣子；相同間隙距離的情況下，滅弧間隙的U50和伏秒特性曲線要高于并聯(lián)間隙，滅弧間隙的絕緣水平要高于并聯(lián)間隙；

(3)基于滅弧間隙的U50和伏秒特性，結(jié)合絕緣配合的原則，給出了不同型號(hào)絕緣子的滅弧間隙的有效間隙距離。FXW4復(fù)合絕緣子滅弧間隙距離建議不超過280 mm，三片LXP-70玻璃絕緣子的滅弧間隙距離建議不超過230 mm，且兩種絕緣子滅弧間隙最小距離不小于180 mm。文中研究的滅弧間隙的有效保護(hù)距離能夠?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)計(jì)安裝該滅弧間隙提供依據(jù)。