（电气工程专业论文）10kv架空绝缘导线防雷击断线装置——穿刺型防雷金具研究.pdf

浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t f i r s t l y , t h et h e o r i e sa n ds o i n em a i np r o t e c t i o nm e t h o d so fl i g h t n i n g c a u s e d b r e a k i n go fc o v e r e dc o n d u c t o r si n10 i ( vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d t h e n t h em a i nd e s i g n i n g s t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yo fl i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ea l e p u tf o r w a r d h i g hc u r r e n th e a ts t a b i l i z a t i o nt e s t ，l i g h t n i n ga t t a c kh i g hv o l t a g et e s ta n d m a i n f r e q u e n c y a r c b u r n i n g t e s ta r et e s t sw h i c hc o n c e r n st h r e et e c h n i c a l c h a r a c t e r i s i t i c so fl i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r e t h et h r e et e s t sa r ep e r f o r m e da n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fl i g h t n i n g - c a u s e db r e a k i n go f c o v e r e dc o n d u c t o r si nlo k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h el i g h t e n i n g p r o t e c t i o n h a r d w a r en e e d sn om a i n t e n a n c e l i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ei ss i m i l a rt oa r cp r o t e c t i o nh a r d w a r ei ns u c h a s p e c t sa se c o n o m y , d e p e n d a b i l i t y , i n , a l l , i o nd e n s i t yr e q u i r e m e n t ，s u r g ep r o t e c t i o n ， g r o u n d i n g ，d a m a g et oc o n d u c t o r sa n dp r o t e c t i o no fl i g h t n i n g - c a u s e db r e a k i n go f c o n d u c t o r s h o w e v e r , l i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ei sb e t t e rt h a na r cp r o t e c t i o n h a r d w a r ei ns u c ha s p e c t sa sh e a tr e s i s t i n g ，r e p e a tu s i n g ，s t a b i l i z a t i o no fd i s c h a r g e v o l t a g e ，m a i n t e n a n c ea n di n s t a l l a t i o n t h e r e f o r e ，l i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ei s p r i o rt oa r cp r o t e c t i o nh a r d w a r e l i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ei ss i m i l a rt os u r g ep r o t e c t i o nd e v i c ei ns u c h a s p e c t sa se c o n o m y , i n s t a l l a t i o na n di n s t a l l a t i o nd e n s i t yr e q u i r e m e n t t h ef o r m e ri s b e t t e rt h a nt h el a t t e ri nm a i n t e n a n c ea n dg r o u n d i n gr e q u i r e m e n t s ，w h i l et h el a t t e ri s b e r e rt h a nt h ef o r m e ri ns u c ha s p e c t sa sd e p e n d a b i l i t y , s u r g ep r o t e c t i o n ，p r o t e c t i o no f l i g h t n i n g c a u s e db r e a k i n go fc o n d u c t o r sa n dd a m a g et oc o n d u c t o r s t h e r e f o r e ，t h e t w ok i n d so fp r o t e c t i o nh a r d w a r eh a v et h e i ro w nb e n e f i t sa n dc a nb ea p p l i e di n d i f f e r e n ts i t u a t i o n s g e n e r a l l y w h e r eu r b a np o l e sc a n n o tb ec o n n e c t e dt og r o u n da n dw h e r ei ti s h a r dt or e p a i ra n dm a i n t a i nt h ec o n d u c t o r s ，l i g h t e n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r ei sp r i o rt o b ea p p l i e d s u r g ep r o t e c t i o nd e v i c ei su s e dw h e r et h ec o n n e c t i n go fc o n d u c t o r si n r u r a lp l a c e si sb r o a da n dg r o u n d i n gi se a s y i ti sa l s oa p p l i e di nt h ep o l e si nt h eo p e n e n do fc i r c u i t s 2 浙江大学硕j 学位论文 t h e p u n c t u r i n gl i g h t n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r e ，w h i c hi si n v e n t e di nt h ep r o j e c t h a sa l r e a d yb e e np u ti n t ot e s tu s ei nn i n g b oj i a n g b e ie l e c t r i cp o w e rb u r e a u i ti s e x p e c t i n gt h et e s to ft h el i g h t e n i n gs e a s o no ft h i sy e a ra n dw i l lb es p r e a da n da p p l i e d i na l a r g e ra r e a k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，i n s u l a t e dc o n d u c t o r , l i g h t n i n g c a u s e db r e a k i n go f c o n d u c t o r s ，p u n c t u r i n gl i g h t n i n gp r o t e c t i o nh a r d w a r e ，r e s e a r c h 3 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 架空绝缘导线解决了配电网裸导线所解决不了的走廊和安全问题，同时与电 缆相比，它具有投资省、建设快的优点，但其雷击断线问题却十分突出。日本在 7 0 年代初经研究得出结论：绝缘导线遭受雷击很容易造成断线。实际上，近年 来国内外绝缘线路发生雷击断线和绝缘子击穿事故的统计数量呈不断上升趋势， 并随着绝缘导线线路长度增加而急剧上升，已成为严重威胁配电网线路安全运行 的主要问题。据统计，国外关于运行中的绝缘线路发生雷击和绝缘子击穿事故数 量占其事故总数量的7 4 9 ，由于雷击断线所造成的直接经济损失每年高达数亿 美元；国内绝缘线路雷击断线事故情况不容乐观，据不完全统计，截止二0 0 0 年底，国内一些城市如上海、北京、武汉、厦门、鄂州等地共发生绝缘线路雷击 断线事故约3 9 5 起，并造成多起人身伤亡和巨额财产经济损失。尤其是随着近年 来我国大规模城乡电网改造，全国越来越多的城市配电网络大量采用架空绝缘导 线线路。在这种情况下，如何妥善解决雷击断线问题，以确保架空绝缘配电网的 安全运行已经成为浙江省、乃至全国配电网系统中迫切需要解决的重要问题。 绝缘导线的雷击断线特性与裸导线的情况相比有明显不同。在直击雷或感应 雷过电压作用于裸导线引起绝缘子闪络时，接续的工频短路电流电弧在电动力的 作用下沿着导线滑动，不会严重烧伤导线。而绝缘导线则不同，雷电过电压引起 绝缘子闪络并击穿导线绝缘层时，被击穿的绝缘层呈一针孔状，接续的工频短路 电流电弧受周围绝缘的阻隔，弧根只能在针孔处燃烧，这样在极短的时间内导线 就会被整齐地烧断。 而对于裸导线，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面不断滑移，不 会集中在某一点烧灼，因此不会严重烧伤导线。这样，通常在工频续流烧断导线 或损坏绝缘子之前就会引起断路器动作，切断电弧。因此，裸导线的断线故障率 明显低于架空绝缘电缆。 根据上述架空绝缘导线线路雷击断线机理分析可以看出，及时切断雷电流引 起的工频续流是防止架空绝缘导线线路雷击断线事故的根本方法。 根据上述绝缘导线雷击断线的机理，总体上来讲，相应的防范措施主要有“疏 浙江大学硕士学位论文 导和“堵塞”两种方式。所谓“疏导”就是将绝缘子附近的绝缘导线局部裸线 化，使工频电弧弧根转移或固定在特制金具上燃烧，从而保护导线免于烧伤。例 如，芬兰在绝缘子与导线联结处剥离绝缘层采用闪络保护型线夹；瑞典和美国将 绝缘子两侧的绝缘导线剥离一段绝缘层并加装防弧线夹：日本将绝缘子处的导线 绝缘层剥离，采用放电箝位绝缘子。“疏导”的方式操作简单、投资少，但局部 裸露，存在密封和绝缘缺陷；另外，线夹装置经常会存在抗震性能较差的问题， 在线路风吹舞动时，常发生故障。所谓“堵塞”就是阻止雷击闪络后工频续流起 弧，例如日本大量采用过电压保护器，即带串联环型外间隙金属氧化物避雷器。 另外也正在研究绝缘子两侧局部采取加强导线绝缘、延长雷击闪络路径、降低工 频电弧建弧率等方法。“堵塞”方式防护效果好，但施工复杂、投资大。 经济发达国家采用架空绝缘导线输配电的时间较长，积累了大量运行经验。 为了降低日益高涨的雷击断线事故率，先后采用了不少预防措施和方法。在采用 以下各种方法防止架空绝缘导线断线时，可以对架空绝缘导线防雷击断线产生作 用，但也会出现一些问题： ( 1 ) 架空避雷线： 在空旷地区，同杆架设架空避雷线以对付配电架空绝缘线路感应过电压，这 是一种投资较大的传统方法。但是，由于配电线路设计的绝缘水平较低，雷击架 空避雷线后非常容易造成反击闪络，仍然会引发工频续流熔断绝缘导线。故该方 法国外目前较少采用。 ( 2 ) 氧化锌避雷器： 近年来，人们利用氧化锌避雷器非线性电阻特性和快速阻断工频续流的特 性，广泛应用于线路以限制雷电过电压。日本、美国、加拿大等国家投入巨资对 线路进行改造，在每基电杆上安装三只( 相) 氧化锌避雷器后，雷击断线率由原 来的9 3 3 降低到2 7 ，基本没有再发生雷击断线事故。 采用该方法由于避雷器阀片上长期承受额定工作电压，阀片比较容易老化， 在配电网架空绝缘导线上进行大规模的安装后，容易引发线路故障( 避雷器阀片 老化损坏后) ，影响线路运行可靠性，故目前这种方法用的也并不多，一般线路 避雷器均要求带串联间隙。 ( 3 ) 钳位绝缘子： 2 浙江大学硕j 二学位论文 日本东京电力公司采用放电钳位绝缘子以防止绝缘导线雷击断线。即在绝缘 导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹，并设置孳| 弧放电闻隙。当雷 电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路跳闸以熄灭工频 续流，双面避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。 根据同一原理，芬兰n o k i a 公司研发的被覆线配电系统( s a x 系统) ，采用 悬垂线夹和其它装置作为阗络保护器，悬垂线夹承受工频电弧。但该装置抗震性 能较差，线路风吹舞动时，常发生故障。 ( 莲 增长闲络路径： 通过增长闪络路径，降低工频建弧率，是防止架空绝缘线路雷击断线事故的 另一思路。俄罗斯国家电力公司蓄先提出长闲络闻隙保护方式。在横摆上安装一 u 形绝缘闪络路径，使u 形头部与绝缘导线之间的冲击放电电压比绝缘子放电电 压低。当雷电过电压时，该间隙先予绝缘子击穿闵络，并沿绝缘闵络路径发展。 设计该绝缘路径足够长，就可以阻止工频续流建弧，切断工频续流。但在实践中， 使用安装比较麻烦，无法大规模推广应用。 ( 5 ) 提高线路绝缘水平： 将配电线路中的瓷绝缘子更换成为硅橡胶绝缘横担，全线提高线路绝缘东 平，雷电引发的工频续流因爬距大而无法建弧。 为了减低线路造价，可采用架空绝缘导线麓强局部绝缘静方式，即在绝缘导 线固定处加厚绝缘，也是一种尝试的办法，但这种方法在具体实施中比较困难。 ( 6 线路过电聪保护器： 一些多雷害国家如日本、澳大利驻、美国和欧洲等，近年来在架空绝缘线 路上大量推广应用线路过电压保护器，实际上就是带外闻隙避雷器。该装嚣利用 外间隙，形成对氧化锌限流元件的外放电间隙，当线路出现雷电过电压时，外间 隙首先放电，雷电流经氧化锌限流元件释放，丽工频续流则被氧化锌限流元件截 断，从而防止架空绝缘线路雷击断线事故的发生。 该保护装置的主要缺点是在投入运行后，维护、检修工作量较大。 ( 7 ) 防弧金具 串雷电力科学研究院又与上海市电力公司市南供电公司合作研制出一种穿 刺型防弧金具( 简称防弧金具) ，该防弧金具由高压电极、低压电极和绝缘罩三 3 浙江大学硕士学位论义 部分构成，其中高压电极与绝缘导线穿刺连接，且配戴了绝缘罩。由于防弧金具 的离压电极与绝缘导线穿刺接触，弓l 出高电位，安装时无须剥离绝缘导线绝缘层。 试验和实际应用表明，该保护装置可以防止l o k v 架空绝缘导线雷击断线，疏导工 频电弧弧摄，起到了保护绝缘导线免予雷击断线的作用，在国内也得到了较多的 应用。 僵该装置主要存在安装困难，放电电压不够稳定的主要缺点。 综上所述，上述几种方式虽然能够有效地防止雷击断线，但还存在以下一些 | 萎题：爱前的防雷击断线装置，有些在使用前，绝缘导线需剥离较长的长度，裸 露部分较大，这会对导线的密封和绝缘有一定的影响，并会严重影响导线的机械 强度和使用寿命；有些安装比较复杂，不便予在实际中使用。使用避雷器和过电 压保护器，虽然防护效果好，但主要存在运行维护困难等问题。在上述几种架空 绝缘导线防断线装置中，匿前匿内用鲶最多盼主要有线路过电压僳护器和防弧金 具这两种。 鉴于上述一些防断线装置存在的褥题，在本文串，作者提出了一种新的架空 绝缘导线防断线装置直接安装于架空绝缘导线绝缘子上部的新型穿刺型防 雷金具，完成了防雷金具的设计，并遒过了国家权威检验撬构试验，已经开始投 入试运行。 4 浙江人学硕 j 学位论文 第二章过电压保护器 2 1 过电压保护器结构 架空绝缘线路过电压保护器由限流元件6 和串联不锈钢引流环9 ，并与架空 绝缘导线1 之间构成的间隙4 组成，其结构如图2 1 所示。 侧视 俯视 图2 - - 1 架空绝缘导线过电压保护器的构成图 图中：卜架空绝缘导线；2 一绑扎线；3 一绝缘子安装固定部件；4 一绝缘子；5 一 限流元件的上电极；6 一氧化锌阀片；7 一硅橡胶绝缘外套；8 一限流元件的下电极； 9 一不锈钢引流环：1 0 - 安装支架。 浙江人学硕士学位论义 它实际上是一只带串联间隙的避雷器，由于有串联间隙的隔离作用，这种 结构具有以下足个优点： 线路正常运行时，避雷器不承受持续工频工作电压的作用，处于“休息 状态避雷器电阻阀片的荷电率可以取得商一些，雷电冲击残压可以随之降低； 避雷器只有在一定幅值的雷电过电压作用下串联间隙动作后，避雷器本体 考处于工作状态，嚣此其外绝缘水平( 缝缘外套艇电距离) 可以低于无闻隙避雷 器。 在正常设计的线路上，有是够豹耐受操作过电压的能力，阅隙大小可选择 避免操作过电压作用的动作，这样可以大大减轻避雷器动作负载试验的压力。再 考虑到电阻片数减少，有可能使避雷器舱结构紧凑化，并降低造价。 因串联间隙的隔离作用，即使避雷器电阻片劣化，也不至于影响线路的正 常运行。 由此可见，采用带串联间隙的避雷器，可以明显提高系统的运行可靠性。因 此，在线路防雷中一般更倾向于采用带串联闻隙的避雷器。另外，由于乡 串联闻 隙具有明显的断开点，其可靠性比内串联间隙更高。故在实际使用中更多地采用 外串联阕隙。 2 2 保护原理 线路型带串联间隙避雷器与线路绝缘子并联，当雷击塔杆或避雷线时，雷电 流引起的高电位使线路避雷器的串联闻隙动作，降低了塔臂和导线之闻的电位 差，保证绝缘子不再闪络，从而避免线路跳闸停电。在串联间隙动作后，避雷器 本体的残篷不仅被限制到远低于绝缘子干闪电趱，丽且在雷电压过后的系统工频 电压下，能自己熄灭工频续流，保证正常供电。 2 3 串联间隙5 0 雷电放电电压和避雷器本体u 。“的确定 串联间隙的主要目的就是使避雷器本体与系统电压隔离。间隙距离的确定， 需要满足三个条件。 雷电冲击下间隙可靠动作，保证被保护绝缘子串兔于雷击闪络。为满足这 要求，希望把间隙距离选择小一些，使串联间隙和绝缘子串在雷电冲击下有较 6 浙江人学硕l ：学位论文 大的配合裕度。 能够耐受暂时过电压和操作过电压。为满足这一要求，串联间隙距离应足 够大，保证线路型避雷器在暂时过电压和操作过电压下不动作，避雷器本体在异 常情况下出现故障时，间隙仍能可靠隔离。 雷击使间隙动作后，在系统工频恢复电压下，间隙应在l 2 个工频周期内 可靠的熄灭工频续流。 线路型避雷器整体u 5 0 放电电压是由串联间隙的u 5 0 放电电压和避雷器 本体的直流u l m a 电压共同决定的。从提高避雷器本体可靠性。减少线路避雷 器吸收能量，特别是从减小续流、有利串联间隙灭弧的观点来讲，希望避雷器本 体的u l m a 电压取得高些。在本文中避雷器本体的直流u l m a 电压取规程规定 的2 5 k v ，以进一步保证避雷器运行的可靠性。 2 4 过电压保护器的安装密度 日本九州电力公司近几年的研究表明，虽然配电线路安装的过电压保护器每 年都在增加，但配电线路雷电事故不但没有降低，反而有增加的趋势。分析表明， 这主要是由于没有在全线所有杆塔安装过电压保护器引起的，一般是隔一基杆塔 安装一组过电压保护器。而雷电事故主要出现在没有安装过电压保护器的杆塔 处。 日本的研究者认为，如果要完全消除配电线路的雷电事故，必须每基杆塔的 每相都要安装过电压保护器。日本研究者所指的配电线路雷电事故包含了直击雷 事故和雷电感应过电压事故。m c d e r m o t t 等也认为应在每柱每相上安装过电压保 护器，才能得到好的保护效果。 7 浙江大学硕士学位论义 9 邑 了 图2 2 过电压保护器的安装密度与线路感应过电压的关系曲线 图2 2 所示为过电压保护器的安装密度与线路感应过电压u 1 的关系曲线。 计算结果表明，过电压保护器的密度增加，感应过电压降低。但从对线路构成整 个较完整的良好保护的角度出发，还是以每一个间隔档距均安装一组线路过电压 保护器的方式更好。 2 5 过电压保护器的保护效果 日本九卅l 的平均雷电日为3 0 天，是日本雷电事故最严重的地区。日本九州 电力公司从1 9 8 5 年开始在配电线安装避雷器，到1 9 9 4 年已有8 7 的线路安装了 避雷器，断线事故与1 9 8 5 年相比减少了5 0 。安装避雷器后，配电线路断线事 故的8 0 发生在没有装避雷器的中间杆塔。可见采用避雷器防止绝缘导线的配电 线断线事故的效果是相当明显的。 2 6 架空线路雷电过电压保护器的保护性能 通过分析发现，过电压保护器的保护性能主要有以下一些结论： 1 当避雷器之间的间距达两个档距是雷电感应过电压开始飞升的转折点。因 此，从可靠保护雷电感应过电压的角度出发，避雷器之间的间距最多以一 个档距为宜。 8 浙江大学硕i ：学位论文 2 在隔一基装一组过电压保护器的情况下，一般可以使l o k v 线路防护感应雷 击过电压的水平得到明显改善，而对于防护直接雷的能力改善并不明显。 但考虑l o k v 线路绝大部分遭受的是感应雷，遭受直接雷击的可能性不是很 大，这样，即使采取隔一基装一组过电压保护器，这种保护方案也是接受 的。与原来没有安装过电压保护器的情况相比，采取隔一基装一组过电压 保护器还是可以明显减少线路的雷击跳闸和雷击断线的出现几率。当然， 要完全消除l o k v 架空绝缘导线的雷击跳闸和雷击断线，应该采取每基杆塔 均安装过电压保护器的方式。 3 在隔一基装一组过电压保护器的情况下，此时因感应雷引起没有安装过电 压保护器的相邻杆塔绝缘子发生闪络的概率一般不超过原来全线没有安 装过电压保护器情况时的二分之一。实际上，在这种情况下，根据过电压 保护器的冲击放电电压和残压和相邻杆塔绝缘子的冲击闪络电压的不同 配合情况，因感应雷引起没有安装过电压保护器的相邻杆塔绝缘子发生闪 络的概率至少可以减少5 0 以上。过电压保护器的冲击放电电压和残压越 低，相邻杆塔绝缘子的冲击闪络电压越高，则减少由感应雷引起相邻杆塔 闪络的效果越好。 4 当采取每一基杆塔均安装过电压保护器的保护方式时，线路开路末端杆塔 的绝缘子会产生全电压反射，使该杆塔很容易发生绝缘子闪络，是线路绝 缘上需要重点加以保护的地方。建议在线路开路末端杆塔处应该装过电压 保护器。 5 计算表明，在每基杆塔均装有过电压保护器的情况下，杆塔接地电阻的大 小变化基本上不会对其保护性能产生影响，杆塔接地电阻在1 一- , 1 0 0q 范围 内过电压保护器均能很好地起到保护作用。 9 浙江大学询j f | t 学位论义 第三章防弧金具研究 2 0 0 2 2 0 0 3 年中国电力辩学研究院又与上海市电力公司市南供电公司合作 研制出一种穿刺型防弧金具( 简称防弧金具) ，该防弧金具由高压电极、低压电 极和绝缘罩三部分构成，其中高压电极与绝缘导线穿刺连接，且鬣戴了绝缘罩， 具有局部绝缘的特点。 对防弧金具的技术性能要求： ( 1 ) 热稳定试验；主要是检验高压电极与绝缘导线接触是否紧密，热稳定 试验电流的有效值可以为2 0 k a 和1 0 0 k a ，持续时闻为l s 。 ( 2 ) 雷电冲击放电电压试验：防弧金具应能将雷电冲击放电路径定位在高、 低压电极构成的间隙上。 ( 3 ) t 频短路电流电弧试验：防弧金具应通过耐受工频电流电弧的烧灼试 验。具体为：大电流电弧试验的短路电流有效值为1 2 ，5 k a ，时间为o 。3 s ，试验 次数为5 次；小电流电弧试验的短路电流有效值为1 2 k h ，时间为1 o s ，试验 次数为5 次。 3 。2 防弧金具的结构 该防弧金具由高压电极、低压电极和绝缘罩三部分构成，如图3 1 所示， 其体如下： ( 1 ) 高压电极带穿刺结构，它可以与绝缘导线穿刺接触，从高压电极引出 嘉电位； ( 2 ) 低压电极直接安装于处于地电位的绝缘子底部； ( 3 ) 离、低悉电极构成g 差、g 2 两个闻隙。其中：6 1 戈雷电放电闻熬，g 2 1 0 为【颖电弧燃烧l u j 隙。在雷电冲击过电j 1 、的作用f ，【间隙首先放电，然后霄 电冲击放电后工频电弧弧根在电磁力的作闱下由g l 迅速移动至g 2 问隙上燃烧， 从而可以保护绝缘导线免于烧伤断线。 ( 4 ) 绝缘罩起绝缘作用，罩住高压电极。 ” 黟。冬 3 3 热稳定试验 图3l 防瓶金具的构成 热稳定试验的目的是检验防弧会具高压电极与绝缘导线穿刺接触的通流能 力是否满足要求。热稳定通流能力试验结果如表31 所示。 表3 1 防弧金具高压电极热稳定试验结果 导线截面 热稳定电流持续时i 白j 【接触电阻( u q ) ( 姗2 )( k a ) ( s h 蕊丽1 丽 1 8 52 0409 7 77 4 1 12 1 2 01 5609 8 7 l 3 7 2 3 9 7 0l o209 9 11 1 52 3 6 试验前后的接触电阻变化不大。 34 雷电冲击放电试验 试验条件：试骑绝缘导线的截面为1 8 5 m m 2 、绝缘层厚度为25 m m ，防弧金扎 g 1 间隙的距离为】45 c m ，采用p s l5 绝缘子。 ( 1 ) 没有安装防雷金具时 没有安装防雷会具时绝缘子的标准雷电冲击放电电、波形如图3 - - 3 所示。 浙江大学硕上学位论文 临界击穿电压约为2 6 0 k v ( 采用负极性，考虑实际中绝大多数雷击为负极性) 。 ( a ) 未击穿 ( b ) 击穿 图3 2 没有安装防雷金具时绝缘子的标准雷电冲击临界放电电压 1 2 浙江大学硕t 学位论文 ( 2 ) 安装防弧金具时 安装防弧金具时( 放电间隙距离为1 4 5 c m ) 的放电在防弧金具上，此时的标 准雷电冲击放电电压波形如图3 3 和3 4 所示，在5 9 u s 的平坦波头作用下的雷 电冲击放电电压波形如图3 5 所示( 波形全部采用负极性，考虑实际中绝大多数 雷击为负极性) 对于单侧负荷的防弧金具( 单角) ，安装防弧金具时的标准雷电冲击临界放 电电压1 6 7 k v 左右，对于环型负荷的防弧金具( 双角) ，安装防弧金具时的标准雷 电冲击临界放电电压1 8 9 k v 左右，均较原来的绝缘子在标准雷电冲击电压作用下 的临界击穿电压2 6 0 k v 大幅下降。而对于5 9 u s 的平坦波头冲击波，其防弧金具的 击穿电压仅为1 2 0 k v 左右。 ( a ) 未击穿 ( b ) 击穿 图3 3 安装防弧金具时的标准雷电冲击临界放电电压 ( 单侧负荷的防弧金具，单角) 1 4 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 未击穿 ( b ) 击穿 图3 4 安装防弧金具时的标准雷电冲击临界放电电压 ( 环型负荷的防弧金具，双角) 浙江大学硕上学位论文 ( a ) 未击穿 ( b ) 击穿 图3 5 安装防弧金具时在5 9 u s 平坦波头作用下的雷电冲击临界放电电压 ( 单侧负荷的防弧金具，单角) 1 6 3 5 工频电弧试验 对防弧金具分别进行的5 次工频太电流( 1 25 k a 。03 s ) 电弧试验及5 扶工 频小电流( 12 k a ，io s ) 电弧试验后，高爪电极和绝缘导线的情况如凹3 6 所示。 可见，在大电流电弧作用下，防弧金具高压电极的端部烧蚀非常，t 亚，电极宵近 一半被烧毁但导线基本还完好；而在小电流电弧作用f ，防弧金具高压i 乜极的 端部有轻微烧损，导线完好。 显然，大电流电弧试验的破坏性远远超过小电流电弧试验。 j b 5 淑i 坼i 、f l i 谶一毫贩 ：文# j ：1 ：i 托眦 警 h l5 tl “j 、| ：# i j 矗 文转j ； n 铺甜 图3 6 工频电孤试验后高压电极和绝缘导线情况 综l 所述，试验表明。电科院研制的防止】o k v 架空绝缘导线雷击断线用穿刺 型防弧会具能满足热稳定、雷电冲击和工频电弧燃烧的三方面的要求，可以起到 了保护架空绝缘导线免于雷击断线的作用。 该保护装置有不需要接地的优点，救可以考虑在城区难蚍实施杆塔接地的 地方使用，但它也存在安装比较复杂、他用不方便、放电电压很难拧制等主要缺 点。 浙江人学硕i j 学位论文 第四章防雷金具研究 4 1穿刺型防雷金具及其构成 该装置是一种防止架空绝缘导线雷击断线的穿刺型保护装置，它可以和架空 绝缘导线、绝缘子、绝缘罩一起构成一个防止架空绝缘导线雷击断线的整体。穿 刺型保护装置主要包括：底盘( 1 ) 、上壳体( 2 ) 、上盖( 3 ) 、螺杆( 4 ) 、大螺杆 ( 5 ) 、力矩螺母( 6 ) 、上压块( 7 ) 、穿刺刀片( 8 ) 、内六角螺栓( 9 ) 和铜螺母( 1 0 ) 等十个部分，如图4 - 1 所示。 ( a ) 正面视图( b ) 侧面视图 底盘( 1 ) 、上壳体( 2 ) 、上盖( 3 ) 、螺杆( 4 ) 、大螺杆( 5 ) 、 力矩螺母( 6 ) 、上压块( 7 ) 、穿刺刀片( 8 ) 、内六角螺栓( 9 ) 和铜螺母( 1 0 ) 图4 1穿刺型防雷金具结构图 架空绝缘导线安装于结构图正面视图中穿刺刀片下面的圆圈内，随着力矩螺 母( 6 ) 不停地往下转动，穿刺刀片逐步切入绝缘导线，当导线与穿刺刀片到达紧 密接触时，力矩螺母( 6 ) 自动拧断，它恰好保证导线与穿刺刀片之间的良好接触 和导通。由于穿刺刀片直接穿透绝缘导线的绝缘层，与内部的导体紧密电接触， 它将电直接引至由上壳体( 2 ) ，再通过上壳体( 2 ) 和螺栓与下面底盘( 1 ) 的直 接接触，将高压电引至底盘上，从而使底盘( 1 ) 成为裸露的高电电极。再将底 盘( 1 ) ( 也即高压电极) 直接放在绝缘子上部，底盘高压电极与绝缘子的低压金 属电极( 接导线横担) 构成一对高低压电极，过电压将直接作用于其上面。另外， 由于整个装置裸露带电，其外面还要套一个硅橡胶绝缘套，以保证正常运行时的 浙江人学硕1 ：学位论文 绝缘要求。 穿刺型保护装置设计要点在于： ( 1 ) 该保护装置直接安装在绝缘子上端； ( 2 ) 该保护装置上部金属电极中有一个带穿刺的电极，它可以穿透绝缘导 线的绝缘层，实现与内部的导体紧密电接触； ( 3 ) 该保护装置的工作原理：在雷电过电压的作用下，该保护装置直接通 过与导体紧密接触的穿刺刀片，将雷电过电压引至该保护装置的外部金属电极， 使雷电过电压直接加在该保护装置的外部金属电极和绝缘子底部金属电极之间， 从而造成雷电过电压沿着绝缘子表面击穿。此后，工频续流电弧将沿着该保护装 置的金属电极表面漂忽移动燃烧，而不会再像架空绝缘导线那样总是固定的某一 点烧灼。这样，实际上该保护装置就是在绝缘子处，将绝缘导线变成了类似的裸 露导线结构，它不易被烧坏，从而保护了架空绝缘导线在雷击过程中不会断线。 ( 4 ) 该保护装置的外部加装绝缘罩，以保证绝缘。 其优点是该保护装置具有防雷击断线、不剥离导线绝缘层、施工简单、附带 绝缘罩、运行安全，可靠性高、运行过程中免检修维护。 4 2 防雷金具的技术性能要求 对防雷金具的技术性能主要有如下三点要求： ( 1 ) 穿刺电极与绝缘导线接触紧密，应能通过热稳定试验。热稳定试验电 流的有效值分别为2 0 k a ，持续时间为l s 。 ( 2 ) 加装防雷金具后整个装置的雷电冲击闪烙电压不应低于相应绝缘子5 0 雷电冲击闪络电压标准值。例如，在l o k v 架空绝缘导线系统中最常采用的 p s - 1 5 型绝缘子，加装防弧金具后整个装置的雷电冲击闪烙电压不应低于p s 1 5 型绝缘子5 0 雷电冲击闪络电压标准值1 0 5 k v 。 ( 3 ) 防雷金具应通过工频短路电流试验和相应的电弧试验( 大、小电流) ， 试验后高、低压电极允许局部烧蚀，但绝缘导线无烧伤。大电流电弧试验的短路 电流有效值为1 2 5 k a ，时间为0 3 s ，试验次数为5 次；小电流电弧试验的短路 电流有效值为1 5 k a ，时间为1 0 s ，试验次数为5 次。 1 9 浙江人学顾i 学位论文 4 3 防弧金具的安装 底盘( 1 ) 、上盖( 3 ) 、螺杆( 4 ) 、大螺杆( 5 ) 、力矩螺母( 6 ) 、上压块( 7 ) 、 穿刺刀片( 8 ) 、内六角螺栓( 9 ) 和铜螺母( 1 0 ) 。 参照图4 1 ，将穿刺型防雷金具的具体安装和实施方式如下： ( 1 ) 拧松螺杆( 4 ) ，将上壳体( 2 ) 和底盘( 1 ) 拆开； ( 2 ) 将底盘( 1 ) 放在绝缘子上部头颈处； ( 3 ) 使用位于底盘内的紧固装置，旋紧紧固装置的两边螺母，将底盘( 1 ) 和绝缘子在头颈处实现良好的固定； ( 4 ) 抬起架空绝缘导线，将架空绝缘导线放入底盘的圆型凹槽内，然后将 上面整个壳体盖在底盘上，将防雷金具和导线形成一个整体： ( 5 ) 拧螺杆( 4 ) ，将上壳体( 2 ) 和底盘( 1 ) 拧紧；使上壳体( 2 ) 和底盘 ( 1 ) 之间实现良好紧密接触； ( 6 ) 用手预拧紧力矩螺母( 6 ) ，然后再用专用力矩扳手拧紧力矩螺母( 6 ) 直至力矩螺母上部六角断开，使穿刺刀片( 8 ) 与导线实现良好接触。 4 4 热稳定试验 该项试验的目的是检验防雷金具高压电极与绝缘导线穿刺接触的通流能力 是否满足要求。 整个试验在机械工业高压电器产品质量检测中心( 沈阳) 完成。试验线路如 图4 2 所示。 试验条件：电源频率：5 0 h z ，功率因数： 至i j 绝缘子接地端。 表4 4 ：正极性雷电冲击放电电压伏秒特性的试验数据 气象数据：温度= 1 2 。c ，湿度8 5 。 放电电 2 1 4 22 2 7 72 4 3 22 5 4 22 6 3 7 2 7 7 92 9 0 33 0 3 13 2 9 4 压( k v ) 截断时 3 83 0 62 3 62 0 91 8 8 1 6 71 4 81 3 01 0 3 间( u s ) 波形图( a ) 图( b ) 图( c )图( d )图( e )图( f )图( g )图( h )图( i ) 数据 放电电压和截断时间数据为1 0 次试验数据平均，放电路径全部在穿刺金具( 高压 注解 端) 到绝缘子接地端。 浙江大学硕士学位论文 雷电戡波 t i - i 12 截秒t c - 3 o 维秒i - 1 s 0 1 ，一2 4 4 2 千丧 备i i ：p s l5 球墨铸秩 i 一二i 二i 二， ，i ! 。 u _ l i ：一! 一 - 、一，。 。 、 浙江大幸 时基( c 日”：u 征秒，掺 雷电藏建 t i - i 1 3 截秒t o - 3 4 2 重秒r - i _ u p - 2 4 5 5 - f - 使 备b k ：p $ 1 5 球墨俦铁 1 。一一”j + j 。i j r ? j 1 。：一 a 一一 划_ 一_ ，| 一j ：叠2 浙江戈荦 时( c h l ：、1 截秒，格 雷电戎波 t i - i 12 截秒t c - 3 1 t 秒i _ l “0 p - 2 4 4 2 4 - 佚 备注：p s l5l 墨诗戡 ? - ，- ，- 一“ t 一 ? ；n二二 _ j ；， - ! l i ，v - 淅江太幸 对基( c i l l ) ：、l - 氟秒，格 雷电藏建 t i = i 1 0 m 秒t c - 3 3 6 鲁秒1 - 1 7 50 p - 2 4 3 s - ? - 侠 备注：p s l 5 球墨诗装 ”i 蠹i 三i 誊量：鼍二_ 二 辫一l 参誊? 1 1 ， 一一十 ?i + * 一 浙江失季：! 时基( c h l ，：、1 置秒，辂 雷电截波 t i - i 12 氍秒t g - 3 t 5 4 t 秒i - 1 1 1 5u p 2 4 4 4 - i 谯 备：t ：p s l 5 球墨铸铁 ：i i ：j 。j u = 浙江失擘 时鲞( c g l ：、1 往秒，幡 雷电藏囊 t i - 1 1 0 a t 秒t c - 3 5 5 疆秒r - 1 7 y 0 p - 2 4 1 1 千丧 套注：p s i $ 球墨错铁 ；：； _ ，一；。fp ，j + 飞j 曩一 “一_ 浙江大幸 ： 时鲞( 、c 1 ) ：t 截秒糁 雷电藏波 t i - i 1 0 截秒t c - 3 i s a t 书 - 1 7 iu p , , 2 4 3 3 千丧 备i i ：p s l5 球墨铸铁 一? t t ? - - v - 啦_ 薹薹_ 薹 | ：l 浙盈大哮 时基( c b l ) ：、1 蕾秒格 ( a ) 图4 6 负极性雷电冲击放电电压伏秒特性的试验波形 浙江入学顾f j 学位论义 雷电截波 t l 1 o s 截秒t o - 2 s i 纛秒e - 1 9 zi j p 2 5 0 千戎 备注：p s l s 珠墨铸铁 j y 。+ j ：一4 _，_ 曩：二! 睫孽i ： ；一 。 u ：，l 一 ：o * ”一- 。oo 一 瓣扛失零： 醉豢( 犍r i ) ：、l 。鬟秒，格 跨差f c r l ) ：、l 。重秒，掺 雷电藏渣 雷电戎最 t i - i e 5 援移t o - 2 。s 鞠e 秽 - l i lu p - 2 5 0 9 母蔹 t t - 1 。e g 纛移t c - 2 。3 5 纛移e - 1 9 5 lu p 2 $ 1 。o 干囊 参液：嚣1 5 臻墨锋饺备注： s l5 臻墨簧蓑 一- - 7 ：一 1 ： 一一 u _ 蠹) ，；1 ；一一； ， 新簿太孝：新墨走荦； 时秦( c h d ：、l l 擞秒，幡时基( c l l l ) ：、1 蕾秒，格 雷电藐建 雷电羲麓 t i - i 0 5 微秒t o - 2 4 7 t 秒 - 1 8 5 u p - 2 $ 1 9 千农 t i - i 0 7 截秒t c - 2 5 2 氍秽x - 1 9 5u p 2 $ 1 千戎 备滚：p s i 5 卑墨铸铁备注：p s l 5 球要铸瓮 j 一， ： ：“! ：二一：一： ! 。k l 董蔓- 曩二；匿一曩曩薯! u 。；+ 一。：；y ； ： = - 一p 一一j ：； ； ；：；i 争 o 。m 一； 二? ：；。+ 二；，o 新批赶洋：；：；：i i 浙江失肇：； 时基e l l l ) ：、1 微秒掺时基( 、c l ，：、1 霍秒，掺 雷电藏更雷电筏波 t i i 1 5 截秒t c - 3 9 9 蠢秽- l l lu p - 2 5 4 i 牛戎t i - ! 1o 微秒t c - 3 0 5 截秒1 - 1 9 ti j p - 2 5 0 千丧 备注：p s l 5 鼙薹锋装羹f f ：p s i $ 摩薹鸶