35 kV配电线路绝缘子串与多断点灭弧防雷间隙雷电冲击绝缘配合研究

孟伟航，王巨丰，黄上师，李籽剑

(广西大学 电气工程学院， 南宁 530004)

0 引 言

配电线路“堵塞型”防雷手段，能有效提高线路绝缘水平，保护线路免受雷击造成的损害，但成本较高，维护复杂[1]。因此，日本、俄罗斯等防雷发达国家最先开始研究“疏导型”防雷手段[2-5]。国内对“疏导型”防雷也有大量研究，目前国内“疏导型”防雷手段主要是在绝缘子两侧安装并联间隙，并联间隙是以牺牲跳闸率为手段来换取绝缘子的安全，保证线路在雷击后不会发生永久性损坏[6-10]，避免因绝缘子损坏而影响电力系统安全运行[11]。据统计，80%以上的停电事故是由配电系统引起的[12]。并联间隙虽能保护绝缘子，但没有熄弧功能，熄弧完全依靠断路器，增大断路器负担，影响供电可靠性，同时工频续流使并联间隙电极烧蚀严重，在长期运行过程中存在安全隐患[13-15]。

因此，国内外开始研究“自能式”灭弧防雷间隙，例如俄罗斯的“多灭弧室绝缘避雷器”与国内某大学团队发明的多断点灭弧防雷间隙(以下简称灭弧间隙)。灭弧间隙与“多灭弧室绝缘避雷器”不同：根据文献[5]，“多灭弧室绝缘避雷器”在工频电弧过零点时将电弧熄灭，属于“工频电弧诱导型”防雷间隙；而灭弧间隙能够在冲击电弧建弧阶段将电弧熄灭[16-18]，属于“冲击电弧诱导型”防雷间隙。“冲击电弧诱导型”防雷间隙能够有效克服“工频电弧诱导型”防雷间隙存在的灭弧能量触发及积累的滞后效应，提高了灭弧的有效性和可靠性。

文献[16-20]对灭弧间隙的灭弧功能进行了详细的阐述，但目前暂无灭弧间隙与绝缘子绝缘配合的研究，在线路上仅靠经验安装，文章对该灭弧间隙在35 kV配电线路运行中的绝缘配合以及防雷性能进行了探究，通过比较雷电冲击50%放电电压以及伏秒特性曲线，确定灭弧间隙的有效保护范围，为实际工程提供灭弧间隙安装依据。

1 雷电冲击伏秒特性实验装置、试品及方法

1.1 实验装置

本实验在广西大学高压实验室进行，该实验室拥有1 500 kV冲击电压发生器，该设备利用Marx多级回路能产生标准雷电冲击波形和标准操作冲击波形以及其他特殊的冲击电压波。使用该设备产生的1.2/50 ms标准雷电冲击波整定偏差 ≤±1%，不稳定度 ≤±1%，输出冲击电压稳定性大于99%。产生的波形参数在IEC 60060.1和GB/T 16927.1 标准误差范围内[21]。实验设备主体图1所示。

图1 1 500 kV冲击电压发生器Fig.1 1 500 kV impulse voltage generator

1.2 实验试品

该实验采用两种不同类型的35 kV绝缘子：(1) FXW4复合绝缘子(绝缘部分长度为450 mm)；(2) 3片LXP-70玻璃绝缘子(绝缘部分长度为450 mm)。实验条件保证绝缘子干燥、无污秽。

多断点灭弧防雷装置，其外形见图2。灭弧间隙的内间隙是灭弧装置的内部压缩管道，如图3所示，其作用是增大建弧难度同时能够快速熄灭冲击电弧和工频电弧。

图2 多断点灭弧防雷装置Fig.2 Multiple-break arc-extinguishing lightning protection device

图3 多断点灭弧防雷装置内部结构Fig.3 Internal structure of multiple-break arc-extinguishing lightning protection device

灭弧间隙能够在雷击后改变雷电冲击电弧的发展路径，使其远离绝缘子。在灭弧装置内部的单元压缩管道内，电弧被极度压缩，相邻管道之间形成急剧弯折的冲击电弧。冲击电弧能量在单元压缩管道内部迅速集中，使冲击电弧所受的径向压力迅速转化为轴向压力，并沿纵向喷射出外部空间，同时相邻管道之间的冲击电弧由于电弧的急剧弯折和气流对吹，在拐点处形成了电弧的能量脆弱点。因此，在整体的灭弧结构中，雷电冲击电弧变成了有多个断点的分段冲击电弧。通过冲击电弧与工频电弧的耦合与解耦关系，后续产生的工频电弧在建弧初期就将产生分段的弧柱能量，在此情况下叠加灭弧装置内部自膨胀产生的纵吹气流，工频电弧在建弧初期就受到深度抑制，极大提高了灭弧的有利条件。

实验多断点灭弧防雷装置安装方法见图4(复合绝缘子和玻璃绝缘子安装方法相同)，两个灭弧装置之间的空气间隙作为灭弧间隙的外间隙，其作用主要是隔离工作电压。

图4 安装灭弧装置的绝缘子串Fig.4 Insulator string with the arc-extinguishing gap

实验使用的并联间隙采用两个棒型电极，两个棒型电极分别安装在绝缘子的高低压侧，由棒型电极构成的并联间隙距离可调。

1.3 雷电冲击特性放电实验方法

文献[22]指出，负极性云地闪击占总闪击次数的95%左右，防雷保护和绝缘配合的整定取负极性雷电冲击波进行分析。灭弧装置在污秽和雷雨天气下，对灭弧效果无影响，试验期间，为保证实验条件不变，每半个小时测一次空气温度。

雷电冲击50%放电电压U50的测量根据国内标准GB/T 16927.1-1997《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》的实验方法，采用升降法对被试品的U50进行测量：每组试品进行30次有效实验，试品被击穿次数大概占总次数的50%，每次实验根据前一组的实验结果来增加或减少一个ΔU，充电电压的升降图见图5。

图5 灭弧间隙充电电压的升降图Fig.5 Charge voltage variation diagram of the arc-extinguishing gap

U50的计算公式如下：

(1)

式中NX为次数；UX为该次充电电压。

伏秒特性曲线的绘制：在U50附近逐渐升高冲击电压，每组试品至少改变电压峰值5次，每个峰值电压所测得的试验次数不少于20次，记录闪络时间，以横坐标为时间，纵坐标为电压绘制伏秒特性曲线[23-24]。

2 绝缘子串、灭弧间隙与并联间隙的冲击特性

测量的U50包括：

(1)35 kV FXW4复合绝缘子独立测试，以及与四种不同长度灭弧间隙(均指外间隙)并联测试；

(2)3片LXP-70玻璃绝缘子独立测试，以及与三种不同长度的灭弧间隙(均指外间隙)并联测试；

(3)复合绝缘子两种不同长度的并联间隙和玻璃绝缘子两种不同长度的并联间隙。

雷电冲击特性实验结果：

测量结果如表1～表3所示，偏差均小于3%，满足工程应用标准。

表1 35 kV FXW4复合绝缘子及其四种不同长度的灭弧间隙的U50Tab.1 U50 of the 35 kV FXW4 composite insulator and its four different length arc-extinguishing gaps

表2 3片LXP-70玻璃绝缘子及其三种不同长度的灭弧间隙的U50Tab.2 U50 of the three LXP-70 glass insulators and its three different length arc-extinguishing gaps

表3 两种绝缘子及两种不同长度的并联间隙的U50Tab.3 U50 of two insulators and two different length parallel gaps

35 kV FXW4复合绝缘子与3片LXP-70玻璃绝缘子绝缘部分的长度相同，通过表1、表2可以看出FXW4复合绝缘子的冲击放电电压要明显高于3片LXP-70玻璃绝缘子；相同间隙距离下，复合绝缘子灭弧间隙和并联间隙的U50要大于玻璃绝缘子的灭弧间隙和并联间隙。

由表1、表2可以推断出灭弧间隙的间隙距离D与U50之间存在的线性关系，如图6所示。复合绝缘子：U50=82.14+D； 玻璃绝缘子：U50=71.19+0.97D。根据上式，可推测出复合绝缘子灭弧间隙距离大概在340 mm时闪络路径开始发生变化，玻璃绝缘子灭弧间隙距离大概在290 mm时闪络路径开始发生变化，通过实验验证，与上述推测相符。复合绝缘子340 mm、玻璃绝缘子290 mm灭弧间隙闪络情况见表4。

表4 保护失效时闪络情况Fig.4 Flashover when protection fails

图6 灭弧间隙距离与U50之间的关系Fig.6 Relationship between arc-extinguishing gap distance and U50

3片LXP-70玻璃绝缘子280 mm灭弧间隙的U50略低于3片LXP-70玻璃绝缘子的U50，虽然电弧闪络路径仍然在灭弧间隙之间，但根据标准DL/T 1293-2013可知，保护已失效，当间隙增大到290 mm时，电弧的闪络路径由灭弧间隙转移到绝缘子本体。

当保护失效时，闪络路径也开始变化，表4中保护失效的情况为绝缘子本体闪络，绝缘子本体闪络包括：电弧由绝缘子一端和异侧端的灭弧装置石墨电极间形成贯穿两极的电弧；电弧直接在绝缘子两端形成贯穿两极的电弧。这两种不同的闪络路径在绝缘子保护失效时具有随机性。

表3测得了两种绝缘子330 mm和380 mm间隙长度的并联间隙的U50。由于灭弧间隙的内间隙总长度约为100 mm，故将230 mm， 280 mm长度的灭弧间隙与330 mm， 380 mm的并联间隙相比较。通过对比表1和表2，可知间隙相同时，由于建弧难度的增大，灭弧间隙的U50要明显高于并联间隙。

3 绝缘子串、灭弧间隙与并联间隙的伏秒特性实验结果及分析

利用雷电冲击电压对复合绝缘子及其灭弧间隙，玻璃绝缘子及其灭弧间隙进行实验并且绘制伏秒特性曲线，如图7、图8所示。复合、玻璃绝缘子的伏秒特性曲线均高于实验灭弧间隙的伏秒特性曲线，绝缘子及灭弧间隙的伏秒特性曲线随着其间隙距离的减少而变陡，相同电压下，灭弧间隙的距离越小，放电时间越短，由伏秒特性曲线可以看出，只要灭弧间隙距离合适，灭弧间隙能有效保护绝缘子。

图7 复合绝缘子及其三种不同长度的灭弧间隙的伏秒特性曲线Fig.7 Voltage-time characteristic curves of composite insulators and their arc-extinguishing gaps of three different lengths

图8 玻璃绝缘子及其三种不同长度的灭弧间隙的伏秒特性曲线Fig.8 Voltage-time characteristic curves of glass insulators and their arc-extinguishing gaps of three different lengths

根据空间放电理论，由于放电时延的影响，截断时间T和雷电冲击电压峰值U成反比，和击穿通道的距离D成正比。在电压接近U50时，自由电子引起电子崩的时间分散性较大，形成贯穿两级的放电通道的时间较长，当电压逐渐升高时，其分散性降低。相同电压下，间隙距离越大，两极之间形成的场强越小，贯穿两极的闪络电弧越难形成，冲击截断时间越长。

由图8看出，玻璃绝缘子的280 mm灭弧间隙的伏秒特性曲线稍低于玻璃绝缘子的伏秒特性曲线，但两组实验数据在U50处出现了重合，根据电力标准DL/T 1293-2013可知，该距离的灭弧间隙已经不能保护绝缘子。

图9通过对比复合和玻璃绝缘子相同灭弧间隙距离的伏秒特性曲线，可以看出，相同间隙距离的灭弧间隙，玻璃绝缘子灭弧间隙低于复合绝缘子灭弧间隙的伏秒特性曲线。

图9 复合、玻璃绝缘子的180 mm、 230 mm灭弧间隙的伏秒特性曲线Fig.9 Voltage-time characteristic curves of 180 mm and 230 mm arc-extinguishing gap of composite and glass insulators

由表3和图10，图11可知，无论复合绝缘子还是玻璃绝缘子，在灭弧间隙和并联间隙的间隙长度相等时，灭弧间隙的U50和伏秒特性曲线总是高于并联间隙，击穿相同间隙距离的灭弧间隙和并联间隙，灭弧间隙所需要的冲击电压更高，相同间隙距离下灭弧间隙的绝缘水平高于并联间隙。

图10 复合绝缘子的230 mm、 280 mm灭弧间隙以及330 mm、 380 mm并联间隙的伏秒特性曲线Fig.10 Voltage-time characteristic curves of 230 mm, 280 mm arc-extinguishing gape and 330 mm, 380 mm parallel gap of composite insulators

图11 玻璃绝缘子的230 mm、 280 mm灭弧间隙以及330 mm、 380 mm并联间隙的伏秒特性曲线Fig.11 Voltage-time characteristic curves of 230 mm, 280 mm arc-extinguishing gap and 330 mm, 380 mm parallel gap of glass insulators

综上所述，灭弧间隙的雷电冲击的伏秒特性曲线和间隙距离与绝缘子型号有关，对灭弧间隙的雷电冲击绝缘配合的整定要根据不同类型的绝缘子分别进行整定。

4 绝缘子串与灭弧间隙的雷电冲击绝缘配合

灭弧间隙和并联间隙的绝缘配合就是在雷击过电压的情况下，使灭弧间隙始终优先于绝缘子放电，从而起到保护绝缘子的作用。

绝缘子闪络电压和灭弧间隙击穿电压之间的概率一般认为服从高斯分布[25]，如下所示：

(2)

根据国际标准IEC 60099-8Ed 1.0：2011可知，灭弧间隙的保护性能可通过下式判定：

Um50+Xs

(3)

式中Um50为灭弧间隙在标准雷电冲击下的50%放电电压；Uj50是绝缘子在标准雷电冲击下的50%闪络电压；s为标准偏差，取3%；X为标准偏差的倍数，IEC建议取2.5。

根据雷电冲击特性试验得到Um50和Uj50可由表1、表2查阅得到，由式(3)可得灭弧间隙的保护情况，如表5所示。

表5 不同灭弧间隙对绝缘子的保护情况Tab.5 Protection of insulators with different arc-extinguishing distance

判断绝缘配合是否有效，还应对照伏秒特性曲线[26]，通过式(3)可以保证灭弧间隙优先于绝缘子放电，同时结合绝缘子和灭弧间隙的伏秒特性曲线，在冲击电压较高时两条曲线无交点，则可证明该距离的灭弧间隙能有效保护绝缘子。

由图7可以看出，复合绝缘子的伏秒特性曲线在U50附近高于三种不同距离灭弧间隙的伏秒特性曲线，并且在电压较高时，也与三种灭弧间隙无交点。由图8可以看出，玻璃绝缘子280 mm灭弧间隙在U50附近已经与玻璃绝缘子的伏秒特性曲线有交点，280 mm灭弧间隙不能有效保护玻璃绝缘子，此结论与表5计算结果一致。当灭弧间隙距离减小到230 mm时，由图7、图8可以看出，自U50处电压逐渐升高，灭弧间隙的伏秒特性曲线逐渐向绝缘子的伏秒特性曲线靠拢，但灭弧间隙的曲线始终在绝缘子的曲线之下(玻璃绝缘子的280 mm灭弧间隙除外，其与玻璃绝缘子的伏秒特性曲线已基本重合)，灭弧间隙始终能够先于绝缘子放电，有效保护绝缘子。

根据工频耐压试验以及实际工程经验，灭弧间隙的最小距离应不小于180 mm。在标准雷电冲击电压下，不同距离的灭弧间隙对绝缘子的保护情况如表5所示，令Um50+Xs=Um100，Uj50-Xs=Uj0。通过计算，FXW4复合绝缘子280 mm灭弧间隙的Um100=388.73 kV，Uj0=391.15 kV，此时，Um100略小于Uj0，结合式(3)的判据， 280 mm的灭弧间隙处于保护FXW4复合绝缘子的最大间隙。LXP-70玻璃绝缘子230 mm灭弧间隙Um100=315.23 kV，Uj0=325.93 kV，230 mm可作为三片LXP-70玻璃绝缘子的最大保护灭弧间隙距离。在上述距离范围内，灭弧间隙可有效保护绝缘子。

5 结束语

针对35 kV配电线路，对两种不同型号绝缘子、灭弧间隙以及并联间隙的雷电冲击特性以及伏秒特性进行了实验，得到的结论如下：

(1)通过对绝缘子和灭弧间隙进行雷电冲击特性和伏秒特性实验，绝缘子的U50和伏秒特性曲线要高于灭弧间隙，合适距离下灭弧间隙能在雷击后有效保护绝缘子；

(2)玻璃绝缘子及其并联间隙和灭弧间隙的U50以及伏秒特性曲线要低于复合绝缘子；相同间隙距离的情况下，灭弧间隙的U50和伏秒特性曲线要高于并联间隙，灭弧间隙的绝缘水平要高于并联间隙；

(3)基于灭弧间隙的U50和伏秒特性，结合绝缘配合的原则，给出了不同型号绝缘子的灭弧间隙的有效间隙距离。FXW4复合绝缘子灭弧间隙距离建议不超过280 mm，三片LXP-70玻璃绝缘子的灭弧间隙距离建议不超过230 mm，且两种绝缘子灭弧间隙最小距离不小于180 mm。文中研究的灭弧间隙的有效保护距离能够为电网设计安装该灭弧间隙提供依据。