10kv架空绝缘线路用防弧金具、放电箝位绝缘子工频电弧试验条件

10kV 架空绝缘线路用防弧金具、放电箝位绝缘子工频电弧试验条件陈维江 1、孙昭英 1、王 晓刚 1、陈光华 2、潘波 3、陈伟明 3、綦海昌 4、尹彬 4(1.中国电力科学研究院，北京 100085； 2.北京市电力公司，北京 100023；3.上海市电力公司市南供电公司，上海 200002；4.山东电力集团公司淄博供电公司，淄博 530023)摘要 本文对 10 kV 架空绝缘线路的短路电流水平和短路故障切除时间及雷击闪络概率进行了计算、分析，确定了线路用防弧金具、放电箝位绝缘子的工频电弧试验条件，包括短路电流有效值、持续时间和短路次数及试品布置。关键词：架空绝缘线路 防弧金具 放电箝位绝缘子 工频电弧试验1 引言自 1998 年以来，在北京、上海、山东等地架空线路绝缘化进展较快的一些 10kV 配电网中，相继出现了每年多次的雷击断线事故，引起了广大配网工作者和研究人员的重视与关注。中国电力科学研究院分别与原北京供电公司、上海市电力公司市南供电公司和山东电力集团公司淄博供电公司合作，对架空绝缘线路的雷击断线机理和防范措施进行了深入地研究，开发出 10 kV 架空绝缘线路用剥线型 1、穿刺型系列防弧金具和放电箝位复合绝缘子，其中防弧金具已投入电网试运行。防弧金具和放电箝位绝缘子是通过自身构成保护间隙、承受工频电弧弧根烧蚀，以达到保护绝缘导线免于电弧烧伤断线的目的。因此，工频电弧试验是考核该类产品性能的关键性试验项目，合理确定试验时的短路电流有效值和持续时间、短路次数及试品布置等条件，对保证试验的有效性至关重要，对类似新产品的开发亦具有指导意义。2 工频短路电流有效值、持续时间变电所 10 kV 母线的短路电流水平较高，但沿着配电线路随着离开变电所距离的增加，受线路阻抗的限制，短路电流逐渐减小。假定变电所 10 kV 母线短路电流有效值为 20.0 kA，架空线路分别采用截面为 240mm2、185mm 2、150mm 2、120mm 2、90mm 2、70mm 2和 50mm2的绝缘导线，经计算获得各条线路的三相短路电流沿线水平，见表 1。变电所 10 kV 线路采用速断和过流定时限短路继电保护，速断保护的故障切除时间约0.1 S，过流保护的故障切除时间约 0.5 S 。2表 1 10 kV 架空绝缘线路三相短路电流沿线水平 (kA)离开变电所的沿线距离（m）导线截面（mm 2） 50 100 200 400 600 800 1000 1500 2000240 18.92 17.98 16.33 13.77 11.90 10.40 9.30 7.30 6.0185 18.86 17.86 16.12 13.44 11.50 10.03 8.89 6.91 5.65150 18.83 17.80 16.02 13.28 11.30 9.82 8.68 6.70 5.45120 18.81 17.74 15.9 13.0 11.0 9.50 8.30 6.34 5.1190 18.74 17.59 15.54 12.39 10.48 8.62 7.45 5.53 4.3970 18.69 17.46 15.20 12.40 10.20 8.60 7.40 4.99 3.9250 18.62 17.30 14.90 11.30 8.90 7.30 6.20 4.47 3.48由以上计算、分析结果可知，若将线路出口第一基电杆处的短路电流水平选为工频电弧试验的短路电流有效值，取 0.5 S 为持续时间，则条件是严苛的。考虑到将来建立 10 kV 线路进线保护段的设想（即为了减少变电所低压侧线路近区短路对变压器的冲击，在12km 的进线段上加强绝缘、加装带间隙避雷器，形成高可靠性进线段） ，可能在 1km 外的进线上使用防弧金具或放电箝位绝缘子，因此短路电流有效值选 10 kA 是适合的，另外兼顾到中国电科院大功率试验站的出力情况（短路电流持续时间小于 0.25 S） ，工频电弧试验的短路电流有效值取 12.5 kA，持续时间为 0.25 S，可以适应绝大部分配电网情况。3 工频短路试验次数防弧金具和放电箝位绝缘子耐受工频电弧烧灼的次数，决定其运行寿命和更换周期，应通过计算 10 kV 架空绝缘线路的雷击闪络概率加以确定。(1) 线路绝缘的 50% 雷电冲击放电电压水平目前 10 kV 架空绝缘线路普遍采用 P15、P20、PS15 绝缘子和 FZB 复合绝缘支柱，中国电力科学研究曾经对这四种绝缘子在架空绝缘导线情况下的 50% 雷电冲击放电电压水平进行过统计试验 2，结果见表 2。防弧金具与这些绝缘子配套使用时，其 50% 雷电冲击放电电压较相应绝缘子的放电电压降低约 10% 。放电箝位绝缘子 3的 50% 雷电冲击放电电压与 P15 绝缘子的水平接近。表 2 四种绝缘子的 50雷电冲击放电电压（kV）绝缘子型号 U50%(+) U50%()P20 220 310P15 175 200PS15 145 206FZB 183 256(2) 线路的雷击闪络概率3架空配电线路分布广、绝缘水平低，雷击感应过电压是引起线路绝缘闪络乃至绝缘导线断线的主要原因。计算线路雷击闪络概率应考虑两个因素：一是绝缘子闪络判据，二是感应过电压计算。从严考虑，前者可取防弧金具与绝缘子配套时的 50% 雷电冲击放电电压值，按表 2 中绝缘子放电电压值的 90%计算，后者可按公式（1）计算 4。式中：I雷电流幅值 kA，h d导线平均高度 m，S 雷击点距导线的距离，S 50m。将雷电流幅值和雷击位置作为两个相互独立的随机变量，雷电流幅值的概率分布用公式（2）表示 5，雷击位置沿导线平行和垂直两个方向为均匀分布。雷电日（ Td）取 40，地面落雷密度（）为 0.28 次/km 2（=0.007Td 次/km 2） 。因为随机变量仅有两个，且概率分布简单，所以选用区间组合统计方法进行雷击闪络概率计算。其原理为：在沿导线垂直方向从 50m 至最大距离 Smax 范围内分成若干沿导线方向 1.0 km 长度、垂直导线方向宽度为 ds 的小区间，雷均匀地击于这些区间，设某个区间距导线的距离为 S，将 Um 取值为防弧金具的 50雷电冲击放电电压值，根据公式（1）可求得雷击该区间且引起绝缘闪络的最小雷电流幅值 Imin 为：则该区间每年遭受雷击且引起防弧金具放电的次数为：式中， ，ds线路区间宽度 m 。的 概 率雷 电 流 幅 值 超 过 minmin)(IIP将雷击每个小区间且引起防弧金具放电的次数累积起来并乘以 2（线路两侧）可获得每公里线路每年的雷击闪络次数，计算公式如下： 5()IhdUmkVS ()8ILgP ()50%min2USIhd 310(/)inNsPIds次 年 (3)50%maxax23221150USSShdN sm4根据公式（4）和表 2 中的数据（乘 90%） ，当 Imax 分别取 80kA，100kA，120 kA 和300kA，10kV 线路平均高度 hd 取 10m 时，分别计算出每公里线路每年因正、负极性雷击引起闪络的概率，见表 3 和表 4。 ，表 3 正极性雷击闪络概率计算值（次/km.a）配套绝缘子 U50%()kV Imax=80kA Imax=100kA Imax=120kA Imax=300kAP20 279 0.0020917 0.0030562 0.0036277 0.0044514P15 180 0.0079336 0.0094285 0.0103144 0.0115911PS15 185 0.0074276 0.0088822 0.0097441 0.0109862FZB 230 0.0041184 0.0052883 0.0059816 0.0069807注：导线上的感应电压极性与雷电极性相反表 4 负极性雷击闪络概率计算值（次/km.a）配套绝缘子 U50%(+)kV Imax=80kA Imax=100kA Imax=120kA Imax=300kAP20 198 0.0062641 0.0076232 0.0084285 0.0095891P15 157 0.0107973 0.0125113 0.0135269 0.0149906PS15 130 0.0157898 0.0178597 0.0190863 0.020854FZB 165 0.0096884 0.0113193 0.0122857 0.0136784假定正极性雷击出现的概率为 10，负极性雷击出现的概率为 90，根据表 3 和表 4的结果可计算出每公里线路每年因雷击引起的闪络次数，见表 5。表 5 雷击闪络概率计算值（次/km.a）配套绝缘子 Imax=80kA Imax=100kA Imax=120kA Imax=300kAP20 0.0058469 0.0071665 0.0079484 0.0090754P15 0.0105109 0.012203 0.0132056 0.0146506PS15 0.0149536 0.016962 0.0181521 0.019867250%50%max 20242 max3115.611|45USUSs hhh dddsUn 5Im,axax0%hdSU式 中 ： 为 最 大 雷 击 电 流 幅 值 。5FZB 0.0091314 0.0107162 0.0116553 0.013008710 kV 架空线路的档距一般为 50m，因此 1km 架空线路平均有 20 基电杆。假设沿架空线路的雷击为均匀分布，根据表 5 的计算结果，可计算出雷击感应过电压引起单基电杆上防弧金具放电闪络 1 次的年限，见表 6。可见，单基电杆防弧金具因雷击感应过电压作用发生 1 次放电闪络的年限达千年之多，是相当高的。表 6 雷击感应过电压引起单基电杆上防弧金具放电闪络 1 次的年限（年）配套绝缘子 Imax=80kA Imax=100kA Imax=120kA Imax=300kAP20 3420.62 2790.76 2516.22 2203.77P15 1902.78 1638.94 1514.51 1365.13PS15 1337.47 1179.11 1101.80 1006.68FZB 2190.24 1866.33 1715.96 1537.44(3) 工频短路试验次数防弧金具或放电箝位绝缘子耐受工频电弧烧灼的次数就等于雷击放电闪络的次数。由以上计算、分析可知，单基电杆上防弧金具或放电箝位绝缘子在运行寿命期间（几十年）因雷击感应过电压引起放电闪络的概率是很低的，工频短路试验次数取 1 次即可。但考虑到全国范围内雷电活动有较大的地区差异和非均匀性，取工频短路试验次数为 5 次，将有很好的适应性。4 试品布置在工频电弧试验接线中，绝缘导线和试品应按实际情况布置，电杆采用一段 10kV 水泥电杆，高度大于 2.0 m，横担、立担和绝缘导线均为实际产品。试验时用熔丝将防弧金具或放电箝位绝缘子短接，以模拟雷击闪路径。5 结论工频电弧试验是考核防弧金具和放电箝位绝缘子类产品保护绝缘导线免于雷击断线效果的关键性试验项目。按照变电所进线第一基电杆处的短路电流水平和过流保护切除时间选择工频电弧试验的短路电流有效值和持续时间，是严苛的。若距变电所 1km 范围内的进线电杆上采用带间隙避雷器保护，其余用防弧金具或放电箝位绝缘子，则工频电弧试验的短路电流有效值可取 12.5 kA，持续时间为 0.25 S。6考虑到全国范围内雷电活动的地区差异性和非均匀性，工频电弧试验短路次数取 5 次是合适的。参考文献（1） 陈维江等，10kV 架空绝缘导线防雷击断线用防弧金具的试验研究，电网技术，2002（9）（2） 中国电力科学研究院，10 千伏架空绝缘导线雷击断线防护措施研究，1999（3） 中国电力科学研究院，山东电力集团公司淄博供电公司，防止 10kV 架空绝缘导线雷击断线用放电箝位柱式复合绝缘子研究技术报告，2003（4） 解广润，电力系统过电压，水利电力出版社，1985（5） 中华人民共和国电力行业标准.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T620-1997. 中国电力出版社， 1997作者简介：陈维江（1958-） ，男，副院长，教授级高工，博士生导师，主要研究方向为电力系统过电压保护、绝缘配合