一种配网防冰防雷复合绝缘子绝缘段结构设计研究

（电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室，国网湖南省电力公司防灾减灾中心，长沙410129）

0 引言

中低压配网线路是电网中数量最多、累计长度最长，且与用户关联最为密切的线路。配网线路遭受雷击时，若不采取保护措施，易发生雷击跳闸事故，甚至造成绝缘子表面被电弧烧伤，导线断线现象[1-2]。随着配网改造和电能替代战略实施，配网的供电稳定性问题上升到新的高度。部分区域通过加装避雷器来提高防雷水平，但存在在架设难度大和建设成本高的缺点[3]。此外带间隙避雷器需要考虑与绝缘子的绝缘配合，一方面要躲过工频和操作过电压，保护避雷器，防止误动作；另一方面雷击电压要低于绝缘子，起到保护作用。而绝缘子和避雷器的50%雷电冲击伏秒特性存在较大分散性（超过20%）[4]，因此要实现绝缘配合需要对避雷器和绝缘子进行大量试验研究。

防雷金具由于其经济实用在多个地区得到应用，防雷金具可以有效防止雷击下绝缘子外绝缘破坏，同时电弧被迅速拉长，防止稳定电弧形成。但保护范围下，只有每根杆塔全装保护效果才能得到体现，且需确保杆塔的接地装置良好、接地电阻合格，实践中存在相间击穿、电弧熄灭难等缺点[5]。

覆冰是一种严重危害电网安全运行的自然现象。近几年冰灾事故不断出现，如2004年12月和2008年1月，湖北、湖南、江西、河南、重庆、贵州等地的电网设施出现严重覆冰现象[6-7]，输变电设备发生大量的冰闪跳闸。输电线路绝缘子被冰凌包裹后，爬电距离被短接，泄漏电流显著增加，直至表面反复出现闪络[8-9]，线路无法正常运行。

目前电网防雷与防冰能力都是单独考虑，没有将两者进行结合。且10 kV线路并没有进行防冰能力设计。本文在国网科技项目的支持下，结合防冰与防雷功能要求开展复合绝缘子结构研究，实现了绝缘子防雷和防冰闪功能的二合一。

1 配网防冰防雷复合绝缘子结构

一种防冰防雷复合绝缘子的结构图如图1所示。外部伞裙采用复合材料、大小伞裙设计，以增大结冰桥接所需时间，降低重冰地区由结冰导致的相地之间短路接地事故概率[8，10-11]。

绝缘子内部分两部分，下部分防雷段，上部为绝缘段。正常运行时，绝缘段承受电压，避免电阻片老化。当雷击造成配网线路电压升高，绝缘段放电球发生击穿，氧化锌电阻片由高阻状态迅速转为低阻，形成放电，线路过电压下降，此后非线性电阻片作用下绝缘恢复。而单相导线与地之间未形成稳定工频电弧导致跳闸事故。因此防冰防雷复合绝缘子可有效提高雷击和覆冰灾害下配网系统供电稳定性。

防冰防雷绝缘子的绝缘段设计需要考虑空气间隙与支撑件的配合问题，如图1。雷击下空气间隙要先于支撑件击穿，有效的保护绝缘段的内部绝缘。而正常工频下，空气间隙需要承受住正常的工频电压和操作冲击电压。防冰防雷绝缘子的空气间隙采用球球间隙，内部绝缘采用环氧块进绝缘，整体灌封材料为尼龙T66材料。防冰防雷绝缘子既是避雷器也是绝缘子，其电气特性实际为具有支撑件的带间隙避雷器，在此参考相应的避雷器标准DL 815—2012进行测试分析[12]。基于上述标准要求，搭建了试验平台，对防冰防雷绝缘子绝缘段设计进行了试验研究，为防冰防雷绝缘子的参数设计提供了设计依据。

图1 一种配网防冰防雷复合绝缘子结构Fig.1 The structure of the anti-icing and anti-thunder composite insulators of distribution network

2 试验平台

分别对球球间隙和支撑件进行雷电冲击和工频耐受测试。DL815-2012标准要求，10 kV配网带外间隙的避雷器的雷电冲击50%电压需要低于100kV，工频湿耐受数值不低于26 kV，支撑件的工频耐受数值要高于空气间隙10%。

雷击测试目的是保证雷击下，外部空气间隙先于内部绝缘击穿，由于外部空气间隙的绝缘可以实现“自愈”，放电后，空气间隙的绝缘可恢复，因此可有效的保护内部绝缘。工频湿耐受是考验绝缘子的耐受工频能力，防止防冰防雷绝缘子在正常工频电压下误动作。支撑件的工频耐受数值要高于空气间隙耐受10%，同样是为了保护内部绝缘。雷电冲击测试可以获取空气间隙之间的最大值，而工频湿耐受获得空气间隙的最小值，样品实际空气间隙距离可在之间取值。

基于以上的要求，在此搭建了冲击和工频试验平台，进行相关试验测试。

2.1 冲击试验平台

冲击试验平台如图2所示，试验电源为冲击电压发生器，冲击电压发生器额定电压为400 kV，总共两级。试验中通过充电机对主电容冲上设定电压，球间隙在达到设定电压后，自动触发放电，形成1.2/50 μs的正极性雷击放电电压。测试时温度23.5℃，湿度53%。

球球间隙50%雷电冲击电压采用升降法测试，试验有效次数为30次。支撑件在对应电压下进行15次正极性雷击放电试验，如果没有一次击穿，则视为通过试验，直到发生击穿，记录击穿电压。

图2 冲击电压试验回路Fig.2 Test circuit of impulse voltage

2.2 工频试验平台

工频试验平台如图3所示。工频输出装置额定电压100 kV，额定容量40 kVA。试验中电压稳步升高，直到发生击穿。进行湿耐受时，采用喷淋装置对试品进行喷淋，喷淋装置喷头部位需进行接地。试验回路如图4所示。湿耐受测试中，研究降雨强度对于空气间隙放电的影响，更为关心的是极短时间的降雨强度，降雨强度为1 min之内的降雨量，单位为mm/min。在湿耐受试验时，考虑较严重情况，降雨强度为3.8 mm/min（暴雨级别）[13]和雨水电导率在为500 μS/cm（自然界雨水电导率变化范围一般在 30～500 μS/cm 之间[14]）。按标准[15]对空气间隙中降雨强度和人工降雨的均匀程度进行测量和校准。

测试时高压大厅内部温度23.5℃，湿度53%。

图3 工频试验回路Fig.3 Test circuit of Power frequency voltage

图4 工频试验回路实物图Fig.4 Physical map of test circuit of Power frequency voltage

2.3 试品

试验试品为放电球和内部绝缘块试品。如图5所示，试品下方串联了无间隙氧化锌避雷器，避雷器参数按有间隙避雷器参数设置（直流1 mA参考电压为17 kV[12]），以模拟真实防冰防雷绝缘子电气参数。

图5 试验试品Fig.5 Test sample

放电球方面：试验分析了不同直径放电球的所对应的幅值为100 kV的正极性50%雷电击穿电压，并对不同直径放电球的工频湿耐受电压进行了测试。放电球焊接在直径为10 mm的不锈钢螺杆上，不同球直径分别为9.87 mm、15.82 mm、19.91 mm、23.77 mm、29.97 mm、39.98 mm，材质为不锈钢球，图6所示。

图6 放电球电极Fig.6 Discharge ball electrode

支撑件方面：尼龙材料对环氧块进行整体灌封形成支撑件，以模拟真实的内部环境。为了防止雷电冲击和工频耐受时，击穿沿着沿面进行，在灌封件表面加入了硅橡胶外套，提高了表面爬电距离，见图5（b）。分别试验分析了尺寸为ϕ50 mm×30 mm、ϕ50 mm×40 mm、ϕ50 mm×50 mm、ϕ50 mm×60 mm、ϕ50 mm×70 mm的圆柱形环氧块的雷电冲击电压，环氧块外部灌入了2cm厚的尼龙材料，每种样品选取了5个进行测试。

3 试验结果

试验波形如图7所示。正常放电电压为标准正极性雷电电压。击穿的电压特性可以发现，由于串联了避雷器，击穿后的波形出现了25 kV残压。

图7 正极性冲击电压试验波形Fig.7 The test waveform of positive-polarity impulse voltage

不同直径放电球和不同长度的支撑件的冲击测试结果如表1所示。表1表明随着球直径的增大，其100 kV正极性雷电冲击电压所对应的间隙距离显著下降；随着支撑件长度的增大，正极性雷电冲击放电电压上升。并且当支撑件为70 mm长度时，内部没有击穿，而是在164 kV出现了外部空气闪络。

对不同直径放电球进行了工频湿耐受测试。测试结果如表1所示。表1表明随着放电球直径的增大，相同26 kV湿耐受下，放电球之间的间隙距离并没有明显的变化趋势。出现了两头高，中间低的“U”型曲线，如图8所示。并且当放电球直径≥30 mm时，其空气间隙距离要高于100 kV正极性50%雷电冲击耐受对应的间隙距离。

表1 冲击和工频试验数据Table 1 Test data of impulse voltage andpower frequency testing

试验数据表明：随着球间隙的增大，击穿特性受到雨水的影响上升。

图8 放电球和支撑件试验结果Fig.8 The results of discharge ball and support elements

4 仿真分析

4.1 雷电冲击仿真

本文采用准静态场有限元法对模型进行仿真分析。建立了不同放电球下的仿真计算模型，仿真采用与试验中的相同的结构和尺寸。仿真软件为Ansys 16。各种介质的物理参数见表2。

表2 电介质物理参数Table 2 Physical parameters of dielectric

仿真计算中忽略了试验中高压导线和地线的影响。有限元法无法解决无限场域的计算，仿真中建立一个人工边界，使绝缘子到边界的距离远大于绝缘子本身的长度，并假定边界上的电位为零。仿真模型如图9所示。对不同放电球在不同间隙距离下的电场分布进行了仿真。

图9 不同直径球电极的仿真模型Fig.9 Simulation model of ball electrodes with different diameters

仿真为恒定的直流仿真，为了防止直流下空气直接击穿，仿真中施加电压为1 kV。放单球间隙距离与100 kV雷击50%冲击耐受试验获得的距离相同。仿真得到的最大电场强度在上放电球的下沿。仿真得到的最大场强与放电球间隙的关系如表3所示。

表3 不同直径球电极的仿真结果Table 3 Simulation results of ball electrodes with different diameters

对试验测试中相同击穿电压下对应的球间隙进行了仿真分析，结果表明：随着球直径的下降，其电场畸变强度增大。

根据流注理论[16-17]，在正极性直流电压下，流注起始于电极附近电离系数等于附着系数的位置。在电子崩向正极发展过程中，其头部电荷不断增加，当电子崩头部电荷总量大于临界电荷数时，流注起始，一般认为临界电荷数为108。正极性冲击电压作用下，流注的起始需要满足两方面的条件：一方面在冲击电压作用下，电极上施加电压或者电极头部电场要达到流注起始所需要的最小电压U0或场强E0；另一方面要保证棒电极头部出现有效自由电子。由于自由电子出现需要时间，而冲击电压相对于工频或直流的作用时间显著缩短，存在一定的放电时延现象。因此在冲击电压作用下，流注起始电压或起始场强高于直流和工频电压作用下流注的起始电压或起始场强[18]。

清华大学[19]对于不同直径的放电球的流注起始电压和起始场强进行了测试，测试研究表明：相同电压变化率下和相同间隙距离下，随着球直径的减少，流注的起始电场强度上升，流注的起始电压下降；并且随着球直径的下降，自由电子的形成时延下降。因此小直径的球在相同电压变化率和相同间隙距离下更容易形成击穿放电。同时曲率较小的放电球（直径小的放电球）形成流注需要的电场强度更大，仿真结果与文献中的测试结果相符。

因此相同50%击穿电压下（100 kV），随着放电球直径的下降，正极端放电球的电场强度上升（流注的起始电场强度上升）。仿真表明放电球直径从39.98 mm下降到9.87 mm，局部场强提高了1.66倍。

4.2 湿耐受仿真

对直径为39.98 mm的放电球在干燥和有水滴的环境下进行了仿真分析。图10（a）为测试过程中的放电球，图10（b）为无水滴时的电场仿真，图10（c）为有水滴时的电场仿真。放电球之间的距离为50mm。仿真结果如图10所示。水滴的直径为4 mm，水滴的电导率为500 μS/cm。水滴用一个圆球模拟。

图10 水滴对于放电球电场的影响Fig.10 The influence of water droplet on electric field of discharge ball

仿真结果表明：水滴存在的情况下，电场出现明显畸变，相对于没有水滴的电场，电场畸变强度提高了16倍。因此湿耐受中，放电间隙中水滴的存在是导致会导致空气击穿的距离明显提升。

试验中发现：直径大的球所吸附的水滴总面积大于直径小的球（图11），表面水滴在球面受重力作用流动，在放电球间隙之间形成水珠。水滴使得放电球之间的电场发生畸变，场强增大。而直径大的球所形成水滴的速度要明显大于直径小的球，因此直径大的球所受到降雨的影响要高于小直径放电球（如表1所示）。

相关文献对于不同间隙的空气放电进行了有关研究[20]，研究表明：一旦有降雨发生，闪络电压即明显降低，且间隙距离越小，该趋势越明显。本实验的测试结果与其相符。

图11 工频湿耐受下不同直径放电球上的水滴情况Fig.11 Water droplets on discharge ball of different diameter under power frequency wet withstand voltage

5 讨论

5.1 放电球试验

依据雷电冲击和工频湿耐受测试，考虑放电具有一定的分散性（雷电放电20%），放电球之间的距离需要保证雷击下能够击穿并且工频下不动作，因此间隙距离的最大值（100 kV雷电冲击）和最小值（26 kV工频湿耐受下）之间需要有足够的范围区间。依据试验结果，放电球直径需要≯25 mm。而放电球直径过小，相同电压下其局部场强较大（如图9），而实际生产中很难保证放电球表明的绝对光滑，如果放电球表明本身存在不均匀处，会导致局部场强进一步增大，可能导致局部空气击穿，出现电晕现象，影响防冰防雷绝缘子的稳定运行。

正常运行下，绝缘段承受工频电压。而外部放电球的空气间隙电气强度要低于支撑件的电气强度，保护绝缘段内部绝缘。因此外部放电球的空气间隙的距离直接关系到正常情况下绝缘段的工频耐受能力。在满足运行条件的情况下，需尽量提高绝缘段的工频耐受能力，因此选取球球间隙距离时会尽量接近可取范围的最大值。

本文的结构中采用的放电球直径为20 mm，放电间距为60 mm，串联避雷器条件下，实测其50%放电电压为92 kV，工频湿耐受电压为35 kV。纯放电球间隙下，工频耐受电压为50 kV，满足设计要求。依据试验获得数据，可以得到100 kV雷电正极性冲击下，不同放电球间隙的距离l与放电球直径d的关系，对试验数据进行拟合，如式（1）所示：

式（1）单位为mm，可以得到100 kV正极性雷电冲击下，不同放电球直径所对应的空气间隙的。见图12。

图12 放电球直径与空气间隙关系的拟合曲线Fig.12 The fitting curve of the relation between discharge ball diameter and air gap

5.2 支撑件试验

支撑件的测试表明：当电压超过164 kV时，其击穿会绕过外部伞套，形成空气击穿。击穿后的支撑件试品解剖图如图13所示。图13表明，雷电冲击下支撑件击穿是沿着环氧块与尼龙材料的接触面。图中可知，环氧块进行了开槽设计，增大了尼龙材料的接触面积，加大表面爬电距离，但依然沿着沿面击穿。

目前10 kV配网防冰防雷绝缘子采用尼龙灌封技术是在空气中进行的，尼龙与环氧之间存在一定的空气气泡。空气的介电常数相对于环氧和尼龙都小很多。电压作用下，空气气泡相对环氧和尼龙为弱点，各个弱点发生击穿并连接起来形成沿面放电，导致支撑件击穿。沿面击穿之后内部绝缘存在放电通道，为不能恢复的绝缘，因此需保证雷电下，内部不会出现击穿。

图13 支撑件试品解剖图Fig.13 Anatomic map of support element

支撑件的测试表明，要保证内部绝缘不会破坏，需要留足够的裕度。在此考虑裕度为放电球间隙冲击击穿强度的1.5倍，则支撑件的长度需≥60 mm。

实际生产中，环氧块与尼龙材料之间可能存在空气和污秽，会进一步降低支撑件的电气强度。放电球的空气间隙取为60 mm，结合图1的结构设计，笔者设计的防冰防雷绝缘子的绝缘块长度取70 mm，实测的雷电冲击电压＞150 kV，纯工频耐受电压为90 kV（满足高于外部空气间隙10%的标准要求），满足设计要求。依据试验数据，对数据进行拟合，可以得到不同长度支撑件所承受的雷电冲击电压u与支撑件长度s的关系，如式（2）

式（2）单位为mm，可以得到不同支撑件长度所对应的雷电击穿放电电压。见图14。

图14 支撑件长度与雷电冲击电压的关系的拟合曲线Fig.14 Fitting curve of the relationship between support length and lightning impulse voltage

6 结论

笔者设计一种防冰防雷绝缘子，通过试验和仿真对防冰防雷绝缘子绝缘段的参数设计进行了分析。获得了以下结论：

1）通过对串联避雷器的放电球间隙进行100 kV的正极性雷电冲击测试，得到了100 kV的50%雷电击穿电压对应的不同直径放电球的空气间隙距离，当放电球直径从9.87 mm变化到39.98 mm，间隙距离从80.32 mm下降到32.54 mm。并对试验结果进行了仿真分析和数值拟合，得到100 kV雷电正极性冲击下，不同放电球间隙的距离l与放电球直径d的数值关系。

2）通过对串联避雷器的放电球间隙进行26 kV的工频湿耐受测试，得到了不同放电球直径下所对应的26 kV湿耐受空气间隙距离。测试表明随着放电球的直径增大，击穿电压受雨水的影响越显著。

3）结合不同直径放电球的雷电冲击和工频湿耐受测试，可以得到放电球直径应该≥25 mm。本文的结构中采用的放电球直径为20 mm，空气间距为60 mm，实测其50%放电电压为92 kV，工频湿耐受电压为35 kV，满足标准要求。

4）对不同长度支撑件进行了正极性雷电冲击测试，测试结果表明随着支撑件长度的增大，击穿电压上升。当支撑件长度从25 mm上升到60 mm，击穿电压从67.19 kV上升到150.20 kV，并得到了不同支撑件长度所对应的雷电击穿放电电压的经验公式。

5）基于支撑件的雷电冲击测试，并考虑相应裕度，则支撑件的长度需≤60 mm。本文设计的防冰防雷绝缘子的绝缘块长度取70 mm，实测的雷电冲击电压＞150 kV，纯工频耐受电压为90 kV，满足标准要求。

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