论配电网设备绝缘电击穿与保护

苏秀芹 孙彪

摘要：主要论述35kV级县域配电网绝缘问题，着重点在大气过电压下的电击穿机理分析，特别强调了有机材料的耐压特性，在理论上对其进行了分析，而后由电击穿试验验证35kV这样相对低的配网电压下由于绝缘尺寸小，电场应为均匀场其累积效应在有机固体绝缘材料中并不存在，由此指出了在有机绝缘的寿命期内只要有完善的过电压保护，又假定如过流等热保护是可靠的，就确保了绝缘即无电击穿又无热击穿，那么就可大大放宽高压绝缘试验周期，可免去一些不必要的项目，在加强绝缘安全保护的同时就能简化减少试验项目的内容和要求，有利于解决大量配网设备运检项目多一线人员相对少的矛盾。

关键词：配电网安全;电击穿;累积效应;有机绝缘

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0186-02

电气设备的损坏多数是由绝缘引起的，其固体绝缘中有机材料具有良好的物理特性多被采用。但其击穿是不可逆的永久损坏过程，在现标准教材上已规定击穿类别为电击穿与热击穿两大类，在35kV的县域变电所内的电气设备绝缘的击穿，当首先考虑大气过电压下的电击穿，因过电压倍数相对于工频工作电压及内过电压的倍数要高得多，因此它的矛盾较输电网更为突出。在较多教科书中，认为由于固体绝缘累积效应的存在，对瞬时冲击过电压，50%击穿电压的不确定性及保护存在延时等不利的因素要求对电气设备应定期、加强设备监护及要求较短的设备试验周期，而事实是执行上確有困难。如10kV配电变压器在我市区内其公用变已达1100多台，县域城区内也有500多台，但从事配电运检人员定编少，每年工作重点也不会在配变上，因此每年要进行定期试验是完全不可能的。有经验的运检人员也认为规程的规定偏于严格，实践证明是不需要的。由此，假若对其负荷率β得到控制，变压器的温度会被限制在寿命期规定的值内，过电压保护是可靠的，并且可证明固体绝缘并无累加效应的存在，那么就完全可以认定一个密封的电气设备在绝缘寿命期内它的耐压是不会变的，由此推论认定可大大放宽电气设备的试验周期，甚至可考虑设备一直运行是寿命期终止，直接更换，期间再无需维护及试验，将较大地提高了供电可靠性，极大地减少了工作量，有效解决了上述矛盾，但这只是据统计猜测，尚需给出必要的论证，这就是本文以下的核心内容。

一、有机绝缘材料的电击穿

有机化合物由碳链构成的化合物称为碳氢化合物及其衍生物，其特点是有良好的物理机械特性——可弯折成任意形状而不改变绝缘特性，材料化学性能相对稳定且有良好的绝缘特性，但受热及获取能量时碳链易断裂，严重可析出碳的小颗料，此时将完全失去了其原有的化学特性及物理特性。

因各有机物为其碳链分子键能大体一致，故不同的有机材料的击穿物性基本一致，后续内容将只介绍纸板的击穿特性，其他对应类比。

1.有机材料的电击穿机理简要介绍

电击穿试验如图1所示。

当加一瞬时高压至两极板之间，其强大的场能将使有机材料成离子或电子极化击穿，但由于材料的分散性以及击穿时间相当短，击穿通道之小只形成唯一的一个狭小击穿通道，由于电绝缘材料同时也是热的不良导体，因此能量高度集中释放在此通道中，使其温度快速上升致使其碳化析出了碳的小颗粒，有机材料有了新的物质生成，不在具有原来的化学性质，这就是其不可逆特点，电击穿的永久破坏就形成了。

2.大气中闪电击穿通道对比介绍

如图2所示，对很薄的有机固体击穿是不可见的，有的在表面用放大镜可看到一黑点即击穿的入出口，而大气击穿是可见的，先分析大气击穿再对比有机固体中异同，进而得出本文的论点，雷电致大气击穿特点如下：负雷云作用，先导是向下发展的;击穿通道具有相当长的距离，图上对比大地树木应有数百米长;击穿过程并不是瞬时完成的，因流柱各分枝先导二次电子崩在主通道击穿放电，因场强降低后不可能继续发展，只是局部的;主通道释放了绝大部分能量，分枝先导二次电子崩流柱能量相对有限;分枝流柱都在中部形成，甚至于有平行地面的分枝流柱，这是场强的畸变产生的，显然它是一极不均匀场。

3.固体有机材料的对比分析

如上假若固体材料击穿与之相似，那么流注分枝的刷状放电部分将会在固体中留下印记，即原绝缘强度将受到削弱，这就是所谓的累积效应。在后面的击穿试验中没有发现被击穿的有机绝缘材料击穿通道外围的该材料的绝缘强度有所降低，以此证明其累积效应不存在。同样在固体中非贯穿性的放电也不存在，这是因为35kV这样低的电压绝缘材料厚度有限，与之比较其场应为均均场，其理论支持不是流柱而是为汤逊。又因等效两极板距离短，如若击穿则时间极短，能量只在唯一的击穿通道内释放。再则达到击穿电压临界点后则它必将击穿，因其击穿强度降低远大于电压下降的速率，这是由于系统分布电容的存在使其电压难以突变，如大气局部的放电是不可能存在的。这是对累积效应不存在的设想。

三、有机绝缘材料击穿特性分析

以绝缘纸板为例，因为该试验数据为全国各教课书采用，为便于分析与说明现用a、b、c、d四段折线将其等效之图3：

关于有机固体绝缘击穿特点，分析如下：考虑到其他有机材料键能相近性的d线最低热击穿电压当量比值为1B（B即倍数），1B是长期击穿电压也即工频击穿电压值。取x线左边即50微秒雷电波全长作为电击穿研究对象。b线10微秒到50微秒击穿电压不变为6B，它说明了雷电冲击下绝缘耐受能力最少6倍于工频电压幅值，雷电冲击下绝缘耐受能力在波尾最小。a线与所加电压及时间有关，属离子、电子极化击穿给出关键值仅为0.5微秒，对应击穿电压需要大于10B，1微秒是雷电波头等效值约为8B，可以看到由于时间的作用雷电波头绝缘耐压强度较波尾高30%多。c线段是热击穿分子极化60秒（1分钟耐压值）对应的是热击穿c段为2B，50微秒是雷电波主波长。

由上可知电压波时间越短，需要越大的击穿电压幅值，可以认为有机材料需要一个最低的击穿能量，这为选择什么样的主绝缘保护提供了依据。

四、过电压保护设备选择问题

1.选择管式避雷器优点分析

管式避雷器最大延时小于0.5微秒，一个例子是在电缆进线段的保护中，为确保避雷器动作第一备用管式避雷器保护距电缆进线70米，波往返距为140米，因波速每300米/微秒，故管式避雷器最大延时小于0.5微秒。当波的陡度很大时，延时0.5微秒击穿下降至零（略去后续波振荡部分），用0.5微秒的方波等效后则击穿电压为10倍的工频击穿电压，因此管式避雷器对主绝缘的保护很容易实现，且有较大的安全裕度。但管式截波对纵绝缘的破坏是致命的，保护纵绝缘要降幅降陡，波前陡度的降低就会延长作用时间，耐受电压倍数就降低又是一矛盾，但变压器类设备的保护是严禁采用管式避雷器，在变电所内为防此类破坏性截波发生，往往是管形避雷器击穿电压大于其他阀式、氧化锌避雷器的击穿电压，即管式避雷器在阀式、氧化锌避雷器的保护范围内，其在一定程度上抵消了它的优势，使用范围受限。

2.阀式、氧化锌避雷

这种击穿不会出现电压突变，阀式击穿瞬间有一个较小的截波，这一小的截波可略去它的影响，波尾变化平稳，因此避雷器动作后对绝缘击穿不在波头主要在波尾，它等效的是一个大于10微秒<50微秒的矩形波，则击穿电压为6倍工频电压，这在主绝缘保护可靠性上较之管式避雷器8～10倍出穿电压，仅为其60%左右要小得多，由于瞬时击穿电压，非常之高，所以阀式击穿的一个气隙击穿的尖波并不影响到整个击穿电压范围较大，这不如氧化锌避雷器，但经分析，它们都是可靠的，其可靠性分析如下，以35kV工频1分钟耐压不小于90kV，其工频耐压长期级为1分钟50%是图3即90kV×50%=45kV，即为45kV，查规范其35kV耐雷电冲击击穿电压为200kV，按图3中10微秒放电耐受电压约为6B计算等于6×45kV=270kV，其值大大高200kV。

UNM=K1K2Ue=3.2×1.2=135kV

50%UJM=K1K2K3Ue=188kV

K1——冲击最大内过电压水平，35kV为3.2p.u;K2——最大工频电压与额定电压比值，等于1.2;K3——与避雷器配合系数，约等于1.4;UNM——最大35kV内过电压允许值;50%UJM——标准雷电冲击避雷器动作参考值。

计算得35kV（中性点不接地）UNM=135 kV，其内过电压是最大不动作电压，避雷器要躲过时间较长的内过电压，其能量大于避雷器阀片的热容量引起爆炸。动作应小于50%UJM，即大气过电压是必须要动作的，给出了最大配合系数1.4。实际上绝缘耐受最小值是6B为270kV，当采用管式避雷器0.5微秒内作用时可达10B=10×45=450kV。可见那一种过压保护对雷电冲击过电压绝缘保护都是可靠的。问题是若存在有累加效应将降低其正常耐压值的情况下将不正确，因此必须證明累加效应不存在。

五、证明累加效应不存在实验数据分析

下面是由三级试验变压器给出的一整块1mm厚800×1800mm树脂版试验数据：

试验前取一整块1mm厚800×1800mm树脂版均分为三块1mm厚800×600mm树脂版。

试验数据一：击穿电压

板1 板2 板3

57kV 56.7kV 56.2kV

试验数据二：击穿后树脂版耐压

板1 板2 板3

2.65kV 2.71kV 2.69kV

试验数据三：将击穿后的树脂版击穿部分去除后，再加压进行试验，取其中六块，击穿电压

*板1-1 *板1-2 *板2-1 *板2-2 *板3-1 *板3-2

55.9kV 56.8kV 59.6kV 56.4kV 57.2kV 56.7kV

其中标注“*”为发生在试验一已施加场强区间。

试验一与试验三数据比较，差别很小可以看作为误差造成，两次数据一致。可以得出电击穿后没有累积效应或可以略去累积效应的影响。

原计划加10倍约500～600 kV完整冲击波后再进行试验数据三的测试，因我市公司条件所限没能试之，小有遗憾。

六、结论

根据以上分析及试验数据可以得出：电击穿不可逆，当击穿后的耐压将显著降低，在经受过高压但未击穿部分的耐压没有变化，故认为累积效应在35 kV有机固体的均匀场下、短击穿通道情况下并不存在。由此推论在实现了可靠的过电压保护后，有机绝缘材料工作在允许的温度范围之内，将是非常安全的。因此在配网中的电气设备针对有机固体绝缘试验周期延长是可以的，如配变高度密封下不做在经济性上是有利的。

（责任编辑：王祝萍）