10kv配电线路防雷实验室试验与分析.doc

机电与车辆工程学院毕业论文 题 目：10KV配电线路防雷实验室试验与分析 专 业：电气工程及其自动化 班 级：09级电气2班 姓 名：王照军 学 号：1609090228 指导教师：王少夫 日 期：2013年05月20日 27 / 3410KV配电线路实验室试验与分析 题 目：10KV配电线路防雷实验室试验与分析 专 业：电气工程及其自动化 班 级：09级电气2班 姓 名：王照军 学 号：1609090228 指导教师：王少夫 日 期：2013年05月20日 安徽科技学院学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果山本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沦文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允论文被查阅和借阅。木人授权安徽科技学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在 年解密后适用本授权书o 2、不保密。 (请在以上相应方框内打“”)作者签名: 日期： 年 月 日导师签名: 日期： 年 月 日目录摘要I第一章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状水平综述11.2.1 安装避雷器11.2.2 降低杆塔的接地电阻11.2.3 装设自动重合闸装置11.2.4 架设避雷线11.2.5 使用消弧线圈2第二章 雷电机理32.1 雷电形成32.2 雷电的波形及参数32.3 直击雷与感应雷42.4 雷电的危害42.4.1 雷电热效应的破坏作用42.4.2 雷电冲击的破坏作用52.4.3 雷电流电动力的破坏作用52.4.4 雷电的静电感应作用52.4.5 雷电的静电感应作用52.4.6 地电位变化52.4.7 雷电反击和引入高电位5第三章 实验室试验与分析63.1 前言63.2 绝缘子冲击放电试验63.2.1 雷击绝缘子闪络原理63.2.2 针式绝缘子的冲击放电试验73.2.3 复合棒形绝缘子的冲击放电试验93.2.4 瓷横担绝缘子的冲击放电试验103.3 架空导线绝缘击穿试验133.3.1 绝缘导线雷击断线机理133.3.2 雷电过电压分析133.3.3 冲击放电试验143.4 绝缘子并联间隙击穿试验163.4.1 绝缘子并联间隙防雷简介163.4.2 绝缘子并联间隙防雷保护的原理163.4.3 绝缘子并联间隙试验16第四章 10kV 配电线路防雷问题分析204.1 感应雷过电压对 10kV 配电线路的影响204.2 绝缘水平与 10kV 配电网耐雷水平的关系21第五章 10kV配电线路防雷保护措施研究235.1 更换线路绝缘子235.2 提高线路局部绝缘水平235.3安装避雷器进行保护235.4采用间隙与避雷器配合对10kV配电线路进行保护23结论25参考文献 27致谢28ABSTRACT29摘要10KV配电线路作为中低压架空线路一般没有特殊的保护措施，常常作为电力系统更贴近用户的一级。由于中低压配电线路缺少防雷措施，比较容易因雷击产生线路烧断、跳闸停电等电力事故。有关数据表明，10KV配电线路频繁的雷害事故严重危害了配电网的供电可靠性和电网安全，直接影响人民群众的生产和生活，对国民经济的增长带来巨大的反作用。从国家综合利益和人民健康生活方面来讲，研究10KV配电线路的防雷保护措施具有相当重要的工程实际意义。文章主要分析了绝缘子闪络损伤原理、架空绝缘导线雷击断线原理和并联间隙防雷机理，进行绝缘子冲击放电试验、架空绝缘导线击穿试验和绝缘子并联间隙试验等实验室试验，并进行试验室数据分析，旨在根据相关分析找出影响不同绝缘子、绝缘导线、间隙等防雷的主要因素，进而针对这些主要因素提出防雷措施。 通过实验发现，绝缘子使用U50%放电电压高的绝缘子有利于提高线路的绝缘水平，增强配电线路的耐雷水平；绝缘子的积污在雷雨情况下，将会造成线路的绝缘水平的下降；绝缘子击穿电压与绝缘长度大致符合线性关系，绝缘长度一般取177mm为最佳；在相同湿度下，干燥绝缘子的击穿电压U50%要比潮湿绝缘子击穿电压U50%高得多；在绝缘子湿度达到一定程度后，湿度本身已不是绝缘击穿的主要因素。绝缘导线的击穿均发生在距离绝缘子轴线200mm以内，因此，只要在这个范围内加强绝缘导线的防雷措施，尤其是接点处的绝缘，基本可以预防雷击断线。并联间隙与导线的种类无关，即不论是裸导线还是绝缘导线，在绝缘子型号不变的情况下，间隙的距离也不会改变，及绝缘子并联间隙的距离与绝缘子的冲击放电电压有关。关键字：10KV配电线路；绝缘子；绝缘导线；并联间隙；防雷措施第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 配电线路直接面向广大电力用户，其供电的安全性和可靠性事关重大。10kV 配电网络结构复杂、绝缘水平低，不管直击雷还是感应雷，均能造成雷害事故。有关数据统计，在635kV电网中，雷击跳闸率居高，且经常有柱上开关、避雷器、变压器、套管等设备在雷电活动中损坏，在雷电活动强烈时，有的配电站所有10kV线路全部跳光。经过电网改造之后，在雷电活动密集的地区，雷害事故依旧时有发生，极大地影响了电网的供电可靠性和运行安全性。 所以，本文的目的是对配电线路保护现状进行认真分析和研究，找出雷害事故的主要原因，改进和完善防雷措施。1.2 国内外研究现状水平综述 随着地区经济的发展，人们对电能的依赖越来越强，对供电可靠性的要求越来越高。配电网绝缘水平低，雷害事故时有发生，随着科学技术的发展，研究更安全、更环保、更廉价的防雷技术和防雷材料成为迫正在眉睫的问题。10KV配网中主要有两种接地方式，即中性点非有效接地系统（中性点经消弧线圈接地也属于这一种）和中性点经小电阻接地系统。目前，针对于10KV配电线路的防雷技术有：安装避雷器、降低杆塔的接地电阻、装设自动重合闸装置、架设避雷线、使用消弧线圈等。1.2.1 安装避雷器 根据以往经验，线路避雷器在线路防雷过程中有很好的效果，特别是在10KV配电线路的绝缘薄弱的地方，最好安装避雷器。随着配电线路绝缘水平的不断提高，从性价比方面考虑，在线路上不在等间距大量安装避雷器。但是在一些特殊部位必须安装加以保护。（1）安装在有配变的的地方，兼做变压器保护；（2）为防止开路反射，若柱上断路器没安装避雷器，在电源侧曾壮一组避雷器；（3）在转角杆角度小于100度的杆处加装一组避雷器；（4）在大跨越档档距大于500M的两侧杆塔上各装设一组避雷器；（5）10KV线路交叉档两侧加装一组避雷器，防止不同电压等级线路出现交叉跨越事故。11.2.2 降低杆塔的接地电阻 在配电线路中，降低杆塔的接地电阻的方法有：（1）采用用于降阻的水平接地体方法。不过接地体易腐蚀，降低使用年限；（2）利用降阻剂进行降阻 。在水平接地体的周围世家搞笑膨润土降阻防腐剂，不仅效果明显，而且性能稳定、不易腐蚀。21.2.3 装设自动重合闸装置线路遭受雷击后，存在雷电闪络，产生工频电弧使相间短路，断路器跳闸。在电弧熄灭后，应该立即恢复供电。为此，在多雷区的10KV配电线路中尽量安装重合闸装置，提高供电可靠性。1.2.4 架设避雷线架设避雷线可有效地防止直击雷；对于感应雷，由于避雷线的屏蔽效果，可以抑制骑在相导线中产生的过电压。如果导线高度为10M,导线间距为0.7M,设雷击点距离导线50M,雷电流幅值为500KV,装设一根架空地线,平均高度为11M,则感应雷过电压最大值可降低为300KV。可见假设避雷线对降低感应雷过电压有很大的作用。但由于配电线路本身绝缘水平低，雷击避雷线后容易造成反击闪络。31.2.5 使用消弧线圈雷电活动频繁且接地电阻不易降低的地区，建议10KV配电网中性点经消弧线圈接地。雷击闪络基本上是单相闪络发展为相间闪络,采用消弧线圈,能消除多数雷击单相闪络接地故障,不会发展为持续工频电弧。当雷击引起两相或三相闪络故障时,第一闪络不会造成跳闸,先闪络的导线等于一根避雷线,增加了分流和耦合作用,使未闪络相上的电压下降,因而提高了线路的耐雷水平。正确调整消弧线圈的运行参数,可明显减小相间闪络发展为工频电弧的概率。采用消弧线圈接地后,雷击跳闸率可降低1/3。41.3 本课题主要研究内容本论文主要从10KV配电线路中的绝缘子、架空绝缘导线、并联间隙等角度出发，分析了绝缘子、架空绝缘导线、并联间隙的雷电击穿原理、计算方法，并利用计算机仿真，分析影响线路防雷水平的主要因素，给出了相应的防雷措施。本论文共分五章，各章的研究内容为：第一章介绍了进行10kv配电线路防雷研究的目的和意义，并综述了国内外配电线路防雷的研究现状，明确本文研究对象，提出本文研究内容。第二章介绍了雷电形成原理、波形和参数、雷害分类以及雷电危害。第三章介绍了绝缘子、架空绝缘导线、变联间隙的雷击原理 、计算方法以及实验室试验和计算机仿真，并对实验数据进行分析，得出实验结论。第四章介绍感应雷过电压的建模与计算，并说明绝缘水平在配电线路防雷措施中的必要性。第五章介绍了根据实验结论提出相应的防雷措施。第二章 雷电机理2.1 雷电形成著名雷云放电原理是“长间隙放电”理论，该理论认为雷云对地放电的过程可以分为四个阶段：云中放电、对地先导、定向闪击和回闪。具体过程为：雷云形成前，首先是云内放电和云间放电频繁，云中放电造成云中电荷的重新分布和电场畸变，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30KV/cm的，就会由云团向地开始先导放电。先导放电是步进的，发展的平均速度为105106m/s，各脉冲间隔约3090s，每阶段推进约50m，跳跃着逐步向下延伸，当先驱放电距地50m左右，可诱发先导，一般迎面先导来自地面上最突出的部分（尖端放电最易发生处），对地先导和迎面先导会合后，就形成了从云到地的强烈电离通道。从步进放电转为定向闪击。定向闪击沿最短路径进行，紧接回闪，这时出现巨大电流，开始雷电主放电阶段，即雷击，此时雷云与大地之间聚集了大量电荷，由先驱放电所形成的狭小电离通道进行猛烈的电荷中和，释放巨大能量，出现闪光和雷鸣。主放电时间极短，约50100s，逆着先导通道发展，电流可达数十K千安，是全部雷电流的最主要部分。主放电到达云端结束后，残余电荷经过主放电通道释放，产生短暂余光。因为云中电阻很大，余光电流只有数百安，持续时间0.030.15秒。【5】2.2 雷电的波形及参数 雷电波形及参数是研究雷电的重要数据，由其确定雷电冲击的幅值和大小，以确定防雷措施。图2-1 标准雷电流波形图 图2-1可以这样描述一个雷电波，幅值为Im，波头为T1，波长为T2的电流波。记为T1/T2s 。雷电流随时间以接近指数规律变化，它可以表示为I(t) =(- )u(t) (2-1)式（2-1）中：u(t)是时间阶跃函数,I(t)是雷电流瞬时值。 图2-2 标准雷电压波形图 雷电压计算公式与雷电流类似：u(t) ，不同之处为, 图中A点在0.3倍Vm处，且T1 =1.67T也可以这样描述一个雷电波，幅值为，波头为T1， 波长为T2的电压波， 记为T1/T2s 。2.3 直击雷与感应雷 在雷电防护领域，我们一般将雷电直接击中建筑物，传输线路、计算机设备并经设备入地的雷击现象称为直击雷。这种雷击形成的放电电流高达数百千安（我国工程计算中采用平均60KA的数值），电压则达百万伏以上，它的破坏作用极大，但发生的机率不太大。 真正对电力设备造成危害的是感应雷，感应雷产生与两种机制有关，一种是雷云静电场对地面物的“静电感应”作用。另一种是闪电引发的强大“电磁感应”作用。无论是“静电感应”或是“电磁感应”，都能在地面线路上感应出过电压、过电流，经传输通道进入计算机等电子设备，感应雷通常产生1万伏左右的瞬变过电压，过电压峰值一般在1000A左右，这对耐压程度才数百伏甚至数十伏的电子设备的破坏作用很大。由于感应雷发生的机率很高，使得电子时代雷击事故频繁发生。 一个30KA的雷击所产生的感应电压： Vj=2.2(Ln1000/a1/2)di/dt10-6(kv/m) （2-2）式（2-2）中：a雷电流引线与被感应体间的平均距离;di/dt+30/2.6=11.5kA/ms与雷电流引线平行的导体上感应电压Vj值列表如下:a(m) 10 100 200 300 400 500Vj(Kv/m) 9.5 4.2 2.5 1.6 0.9 0.2由此表见，一个30KA的中等雷击，其引下线内数百米范围，都是感应雷的破坏对象。2.4 雷电的危害2.4.1 雷电热效应的破坏作用 闪电表面上看只闪一次，实际上是一系列闪光，在闪光发生的瞬间，雷电流在极短的时间内，以连续的、尖峰脉冲形式通过强大电流。尤其是直击雷，它的放电电流平均达2.5万到4.5万安培间，大雷暴时最高达20万安培。 如果雷电击在树木或建筑物件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热能，由于雷电流很大，通过的时间又极短（50100ms），根本来不及散发，以致物体内部的水份大量变成蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏。与雷电通道直接接触的金属因高温而熔化的可能性很大，因为通道的温度可高大600010000，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，会引起火灾。2.4.2 雷电冲击的破坏作用 闪电时，由于空气受热急剧膨胀，产生一种叫“激波波前”的冲击波。又由于庞大体积的雷云迅速放电而突然收缩，电应力突然解除，会产生一种次声波。这两种冲击波都会引起附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。就仿佛炸弹在附近爆炸一样。2.4.3 雷电流电动力的破坏作用 如果雷击的瞬间两根平行架设的导线的电流I1 和I2 都等于100KA。两导线的间距为50cm，计算结果表明，这两根导线每米要受到408kg的电动力。408kg/m的力完全有可能将导线折断。折成锐角的导体间也受电动力作用。2.4.4 雷电的静电感应作用 当空间有带电的雷云时，雷云下的架空导线等处会由于静电感应的作用而带上相反的电荷。当闪电发生后，由于架空导线与大地间的电阻较大，导线上积累的大量电荷不能与大地的异种电荷迅速中和，这就形成了局部地区的感应高电压。这类高电压在高压架空线上可达300400KV，一般低压架空线路可达100KV，电信线路可达4060KV，建筑物也会产生相当高的危险高压。这种过电压对接地不良的电气系统有很大的破坏作用，它可以在其路径上的任何金属间隙中产生电弧打火，如果电弧打火发生于易燃场所中（如汽油库、瓦斯厂、火药库等场所），会引起火灾和爆炸，如果电弧打火发生在电路板上，则电路板将被破坏。2.4.5 雷电的静电感应作用 由于雷电流有极大的峰值和陡度，可能在附近空间形成强大的瞬变电磁场，一个5m5m的开口金属管，在雷电流峰值为100KA时，距离雷击点200m也可以感应到1000V左右的高压。零点几毫米的气体间隙就可能被击破，发生有害火花，损坏电气系统中的电气元件。2.4.6 地电位变化如果工作场所中各类地极是分开设置的，那么当雷击时，会引起某个雷击点附近地极电位的剧增，形成这个地极与其他地极间的电位差U，进而引起不同地极系统之间的电位不平衡，产生有害过电压，压差达到一定的数值时，由地极向上形成反击电流，会击穿或损坏电子设备。2.4.7 雷电反击和引入高电位 闪电时，接闪装置（包括接闪器、接地引下线和接地体）在接闪瞬间与大地间存在很高的电压，这种高压能引起与大地相连的其它金属物品的闪击，这就是雷电反击。雷电反击会使室内人或物受到雷电直接伤害。雷电引入高电位是指雷电流沿输电线，通信电缆，接收天线等通道窜入室内，发生闪击而造成雷击事故。第三章 实验室试验与分析3.1 前言近三年配电线路雷害数据如下：1) 2009年发生14起10kV导线断线雷害事故,配电变压器烧毁20台。如: 4月29日凌晨5时110kV东风站10kV北江一干#8杆和10kV北江二干#8杆(同杆架设) A、B相导线雷击断线,造成新城区部分用户停电达8小时,损失电量16万kWh;2) 2010年发生10起雷击10kV导线断线事故,配电变压器烧毁13台。如: 5月18日19时110kV凤城站10kV山口电站干#9至#10杆A、B、C三相导线雷击断线,停电达15小时,损失电量11万kWh;3) 2011年发生6起雷击10kV导线断线事故,配电变压器烧毁4台。如6月9日13时25分110kV七星岗站10kV南步干#12至#13杆A、B相导线雷击断线,停电5小时,损失电量9万kWh。雷害原因：（1）10kV配电网防雷安全技术措施严重不足,很大部分配电线路设备没有按设计要求装设相应的防雷装置。（2）有些避雷器与主地网(地极)共用,且防雷接地极截面或过小或残旧或锈蚀严重，甚至有些配变站的通讯线路还采用架空引入。63.2 绝缘子冲击放电试验3.2.1 雷击绝缘子闪络原理电力系统最大的危害之一是短路。雷电击中配电线路后，会产生巨大的短路电流，从而造成绝缘子的损伤。而配电线路的主要组成部分之间主要靠空气和绝缘子来绝缘，按照相关规定，不同电压等级绝缘的线路间距和绝缘子数量（绝缘子串）不同，污秽闪络实验数据表明，闪络电压和等值盐密度之间的关系如下：Uw=M-B (3-1) 式(1)中：Uw为污秽绝缘子闪络电压；为等值盐密度；常数M和b由绝缘子的盘径、爬电距离及形状因素确定。 绝缘子闪络损伤是指以导电液（溶液或溶胶）介质为损伤元素，通过雾化分散使其附着于变电站、发电厂的高压绝缘设备（绝缘子、套管、支柱等），利用导电液体材料缩短其爬电距离，进而产生颜面放电和闪络现象。7表3-1 几种绝缘子U50%、绝缘子连接绝缘导线击穿电压Ub、不同雷电流幅值下的雷击跳闸率和建弧率1绝缘子型号U50%/KVUb/KV雷击跳闸率/次（100 kma）-1建弧率/%60KA80KA100KA120KA针式绝缘子（P=15）1752890.230.4270.5450.61777.57复合悬式棒形绝缘子（FXBW4-10/70）2343270.0040.0650.1090.13336.31瓷横担绝缘子(S-10/2.5）2503500.0280.0520.06622.22图3-1 针式绝缘子 图3-2 瓷横担绝缘子 图3-3 复合悬式棒形绝缘子3.2.2 针式绝缘子的冲击放电试验 利用实验室试验，测量针式绝缘子P10、P15、P20、X45四类型号的冲击放电电压，确定四类绝缘子的击穿电压。试验波形如图：图3-4 1200KV雷电冲击波形实验数据记录如下：表3-2 针式绝缘子（P=10）U50%击穿电压电压等级（KV）峰值绝缘是否击穿10107.5kv击穿10149.29kv击穿10132.75kv击穿10124.85kv未击穿10115.88kv未击穿表3-3 针式绝缘子（P=15）U50%击穿电压电压等级（KV）峰值绝缘是否击穿10156.64kv击穿10155.12kv击穿10170.62kv击穿10159.79kv击穿10156.83kv未击穿表3-4 针式绝缘子（P=20）U50%击穿电压电压等级（KV）峰值绝缘是否击穿10197.78kv击穿10195.81kv击穿10192.36kv击穿10188.12kv未击穿10180.39kv未击穿表3-5 针式绝缘子（X=45）U50%击穿电压电压等级（KV）峰值绝缘是否击穿10224.86kv击穿10220.34kv击穿10209.26kv未击穿10204.96kv未击穿10201.26kv未击穿 上左：P10实验数据图 上右：P15实验数据图下左：P20实验数据图 下右：X45实验数据图图3-5 针式绝缘子冲击放电试验根据上述试验数据可以分析出：（1） 根据试验可以得出P10绝缘子的U50%击穿电压为135,65kv，P15绝缘子的U50%击穿电压为160.44kv，P20绝缘子的U50%击穿电压为192.36kv，X45绝缘子的U50%击穿电压为233.10kv。（2） P15绝缘子的U50%击穿电压比P10高17.8%，P20绝缘子的U50%击穿电压比P15高21.0%，X45绝缘子的U50%击穿电压比P20高15.4%。由此可见，使用U50%击穿电压高的绝缘子可以提高配电线路的绝缘水平，提高线路的防雷电压。（3） 当绝缘子上敷上水膜后，绝缘子的U50%击穿电压有所降低，P10绝缘子的U50%击穿电压为121.38kv，P15绝缘子的U50%击穿电压为146.82kv，P20绝缘子的U50%击穿电压为178.24kv,X45绝缘子的U50%击穿电压为206.98kv。（4） 在绝缘子上敷上水膜后，P10绝缘子的U50%击穿电压降低了9.3%，P15绝缘子的U50%击穿电压降低了7.1%，P20绝缘子的U50%击穿电压降低了7.9%，X45绝缘子的U50%击穿电压降低了6.5%。有上述数据可见，绝缘子的积污在雷雨情况下，将会造成线路的绝缘水平的下降，因此，做好日常的绝缘子清污与维护工作是非常重要的。83.2.3 复合棒形绝缘子的冲击放电试验 合成绝缘子是一种新型的绝缘子，该绝缘子由高强度玻璃纤维心、外套硅橡胶制成的伞裙、两端固定连接金具所组成。这种绝缘子不仅具有重量轻、机械强度高等优点，而且具有较好的耐污性能。试品为一种常规和不同加长长度的伞盘结构的棒形合成绝缘子，按GB775.2-87布置。用冲击电压产生雷电冲击波；升降法确定U50%放电电压，冲击电压加压次数大于5次。试验数据和气象条件用计算机修正；应用Matlab软件将数据绘成XY散点图并作趋势线。实验数据记录如下：表3-6 合成绝缘子的U50%雷电冲击放电电压电压等级（KV）绝缘长度（mm）U50%放电电压（KV）1016078.510165851017092.810175951018099.8510185105.6 图3-6 绝缘子冲击电压与绝缘长度的关系从表3-6的实验结果可以看出，复合绝缘子的雷电冲击U50%放电电压与绝缘长度基本上为线性关系。通过计算机拟合曲线，可以得到：U50%=1000L-8O （3-2）式（3-2）中：U50%雷电冲击50%放电电压,KV；L合成绝缘子的绝缘长度，MM根据上述实验数据可以得出：（1） 复合棒形绝缘子的击穿电压与绝缘长度大致符合线性关系，绝缘长度越大，所承受的击穿电压越大。（2） 在绝缘长度等于175-180mm左右，试验曲线与拟合曲线大致一致，因此，在复合棒形绝缘子的绝缘长度中，应该取177mm左右为最佳。3.2.4 瓷横担绝缘子的冲击放电试验 瓷横担绝缘子由铁帽、钢化玻璃件和钢脚组成，并用水泥胶合剂胶合为一体其特点是头部尺寸小，重量轻，强度高和爬电距离大。 以10kv瓷横担绝缘子为对象，按国标要求的盐雾法进行5组不同湿度（10NaCl溶液、40NaCl溶液、80NaCl溶液）对绝缘子冲击电压影响的试验，并与绝缘子干闪试验相比较，得到50%起始闪络电压和相应曲线。 实验数据记录如下： 表3-7 干燥绝缘子的U50%冲击放电试验电压等 级（KV）峰值（KV）绝缘是否击穿10140.10未击穿10146.33未击穿10152.55未击穿10158.21未击穿10163.48未击穿10165.01未击穿10167.98击穿10170.00击穿10176.44击穿10180.56击穿表3-8 10NaCl溶液绝缘子的U50%冲击放电试验电压等级（KV）峰值(KV)绝缘是否击穿10150.42未击穿10158.37未击穿10160.21击穿10163.83击穿10169.70击穿表3-9 40NaCl溶液绝缘子的U50%冲击放电试验电压等级（KV）峰值（KV）绝缘是否击穿10146.23未击穿10152.751未击穿10158.31击穿10160.68击穿10165.51击穿表3-10 80NaCl溶液绝缘子的U50%冲击放电试验电压等级（KV）峰值（KV）绝缘是否击穿10148.99未击穿10154.08未击穿10156.79击穿10158.67击穿10160.44击穿图3-7 绝缘子在不同湿度下的U50%冲击电压对比注：根据有关实验表明9，绝缘子纯水的绝缘击穿电压与干燥绝缘击穿电压几乎一致。因此，图中0即可近似的表示干闪电压。实验结果表明:（1） 随着湿度程度的增加，绝缘子表面绝缘击穿电压U50%成明显下降趋势；（2） 在相同湿度下，干燥绝缘子的击穿电压U50%要比潮湿绝缘子击穿电压U50%高得多；（3） 在盐水浓度达到一定数值后，绝缘子击穿电压下降渐趋平缓。说明在绝缘子湿度达到一定程度后，湿度本身已不是绝缘击穿的主要因素。（4） 湿度影响的机理：当有水燕气存在时, 空气间隙抗电强度的增加, 可能有两方面的原因, 即电子的依附及光子的吸收。这两个原因导致游离速度降低。放电电压随湿度而增加, 可能是其中一个原因或两个原因同时造成的。绝缘子放电电压的降低, 可能是由于绝缘子表面凝结水膜, 这种水膜的阻抗相对于绝缘子电容的阻抗, 在冲击电压下要比在50Hz工频电压下高。因此, 交流电压比起冲击电压水膜有更大的影响。湿度室应预先加热, 以避免凝结水膜。这样的解释只能应用到大小不同的绝缘子, 而不能应用到棒间隙。103.3 架空导线绝缘击穿试验3.3.1 绝缘导线雷击断线机理 直击雷或感应雷击中裸导线引起绝缘子闪络时,接续的短路电流电弧在电磁力的作用下沿着导线表面向落雷点两侧迅速滑动, 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, 不会烧伤导线; 绝缘导线不同, 雷击引起绝缘子闪络并穿透导线绝缘层时, 被穿透的绝缘层为针孔状, 产生的数千安短路电流电弧受周围绝缘层的阻隔,弧根便在击穿点燃烧, 在很短的时间内导线被烧断。由其在耐张杆和尽头杆导线的破口处, 电弧电流更容易形成相间金属性短路, 造成断线。3.3.2 雷电过电压分析 研究表明，引起10kV架空配电线路闪络或故障的主要因素是感应雷过电压，配电线路受直击雷雷击断线的概率很小，仅仅占雷害事故的20%，感应雷导致的故障比例则为80%。因此，对架空配电线路感应雷过电压的研究具有重大意义，下面主要分析感应雷过电压形成原理。 当雷击线路附近时，架空线路的三相导线上产生过电压。因为主放电是一个发展过程，所以导线上感应电荷是逐渐释放的。根据DL/T 6201997 雷电感应过电压为Ug=25 I*h/d （3-3）式（3-3）中，d为雷击地面点到导线正下方间的水平距离，m；I 为雷电流幅值，kA；h为导线平均悬挂高度，m。由式（3-3）可知，Ug与I和h成正比， 与d 成反比。另外，在年平均雷暴日20 的地区，测得的雷电流幅值概率为 lgPl=-I/88 （3-4）式（3-4）中，Pl 为雷电流超过I（kA）的概率。10 kV 架空线路平均悬挂高度为815 m，计算取d=10 m，年平均雷暴日取40，表11给出了离绝缘线路较近的不同雷电流下感应过电压的计算结果。表3-11 10 kV 线路不同远距离处感应过电压kV（距离m）电流（KA）1020304050607080901006538.576.9115.4153.8192.3230.8169.2307.7346.1384.67035.771.4107.1142.9178.6214.3250285.7321.4357.18031.362.593.8125156.3187.5218.8150281.3312.5/%77.059.345.635.127.020.816.012.39.57.3 由表3-11可看出，内陆大部分地区I100kA 的概率为7.3%，因为雷击配电线附近时，接地阻抗高，所以I一般不会超过100kA， 因此决定防雷措施时更注重I 100kA 的雷电流对线路的影响。当雷击点距离线路为55 m，雷电流幅值是100kA 时，10 kV 线路的感应过电压则会高达344.65kV，大多数配电网绝缘子的U50%都比之小。绝缘子在感应过电压的作用下很容易发生闪络，加上建弧率较高，绝缘导线很容易烧伤甚至断线。3.3.3 冲击放电试验图3-8 雷电冲击放电试验电路图Cg发生器电容；CL负荷电容；Ct试品等值电容；Lt试品等值电感；Rsi串联电阻(波前电阻)；Rse外部串联电阻(或波前电阻)；Rp并联电阻(波尾电阻)；Zc截断电路中的附加阻抗；Z1分压器高压臂阻抗；Z2分压器低压臂阻抗 试验主要采用冲击电压发生器产生峰值为1200KV的冲击电压波形，能够产生1.2/50us的标准雷电波形，采用沈阳/JKLYJ50高低压架空绝缘导线，试验按以下2种情况进行：在距离绝缘子150mm处安装引弧电极；在距离绝缘子200mm处安装引弧电极。其中引弧电极的安装方法如图所示。图3-9 引弧电极的安装试验中，分别对两种情况各进行50次冲击放电试验，并记录绝缘击穿次数。表3-12 引弧电极距离绝缘子轴线150mm处试验结果击穿电压（KV）放电时间（US）击穿次数265.56.7750280.02.3448306.51.8050324.61.5549378.31.2145403.20.7850表3-13 引弧电极距离绝缘子轴线200mm处试验结果击穿电压（KV）放电时间（US）击穿次数305.600323.400378.11.30406.81.661499.51.082550.00.491图3-10 表3-12与表3-13的对比实验结果表明：（1） 引弧电极距离绝缘子150mm时，绝缘导线基本全被击穿，击穿率在90%以上；（2） 引弧电极距离绝缘子200mm时，绝缘导线基本未被击穿，击穿率在4%以下；（3） 由此可见，在雷击过电压作用下，绝缘导线的击穿均发生在距离绝缘子轴线200mm以内，因此，只要在这个范围内加强绝缘导线的防雷措施，尤其是接点处的绝缘，基本可以预防雷击断线。3.4 绝缘子并联间隙击穿试验3.4.1 绝缘子并联间隙防雷简介 随着近年来我国电网的快速发展，大量SF6开关、微机化继电保护和重合闸装置的普遍使用，传统的防雷保护措施已显吃力，进一步研究经济实用的新型防雷保护措施很有必要。11 并联间隙防雷，是和传统的防雷方式不同的一种“疏导型”的防雷措施。此方式允许线路有一定的雷击跳闸率，采用间隙装置与绝缘子串并联，接闪雷电，疏导工频电弧，虽有雷击闪络，但无永久性故障，重合闸能够成功动作，从而有效的防治绝缘子的损坏。123.4.2 绝缘子并联间隙防雷保护的原理 在绝缘子串两端并联一对金属电极（又称招弧角或引弧角），构成保护间隙，通常其长度小于绝缘子串长度。当线路遭受雷击时，绝缘子串上产生很高的雷电过电压，由于保护间隙长度小于绝缘子串长度，所以保护间隙首先放电。产生的工频短路电流在电磁力和热浮力的作用下，向绝缘子串两端运动，最后稳定在保护间隙进行燃烧，直至跳闸熄灭。13图3-11 并联间隙装置示意图3.4.3 绝缘子并联间隙试验 实验采用冲击电压发生器产生峰值为1200KV冲击电压波形，能够产生1.2/50us的标准电压波形。实验材料包括针式绝缘子、复合悬式棒形绝缘子、瓷横担绝缘子，KLYJ50高低压架空绝缘导线、钢绞线、导线若干，角钢两片。图3-12 并联间隙绝缘子加绝缘导线后的间隙击穿试验试验数据记录如下：表3-14 绝缘子并联间隙距离实验数据绝缘子类型峰值（KV）间隙距离（CM）针式绝缘子P10100.2816105.7717114.5818120.6319125.3620129.7821P15123.6820129.7721136.0022141.9923148.4224155.5525P20152.5425158.6626164.7027169.8828175.9229183.0430X45176.5529182.3330188.7731195.0432200.1132207.5534复合悬式棒形绝缘子（FXBW4-10/70）155.5638160.3939165.4440172.7741180.5942190.3343瓷横担绝缘子（S-10/2.5）148.7930159.8731165.2132170.4433176.5534184.7735图3-13 三种绝缘子的并联间隙距离试验数据比较图根据实验数据得出下列分析结果：（1） 根据表3-14数据计算出并联间隙后的冲击放电电压，P10绝缘子为114.58KV至120.63KV，P15绝缘子为136.00KV至141.99KV,P20绝缘子为164.70KV至169.88KV,X45绝缘子为188.77KV至195.04KV,复合悬式棒形绝缘子为160.39KV至165.44KV,瓷横担绝缘子并联间隙后的冲击放电电压为159.87KV至165.21KV。（2） 通过试验后确定了绝缘子并联间隙的距离为：P10绝缘子距离为1819CM,P15绝缘子距离为2223CM,P20绝缘子距离为2728CM。X45绝缘子距离为3132CM，复合棒形绝缘子距离为39CM40CM,瓷横担绝缘子距离为3132CM。（3） 根据图11可以看出在相同的冲击电压作用下，复合棒形绝缘子的并联间隙最大，瓷横担绝缘子次之，针式绝缘子最小。由此观之，在外部大气环境基本相同的条件下，复合绝缘子防雷能力略显优势。（4） 有关实验显示，并联间隙与导线的种类无关，即不论是裸导线还是绝缘导线，在绝缘子型号不变的情况下，间隙的距离也不会改变，及绝缘子并联间隙的距离与绝缘子的冲击放电电压有关。14 第四章 10kV 配电线路防雷问题分析4.1 感应雷过电压对 10kV 配电线路的影响引起配电线路雷电故障的主要因素分为直击雷和感应雷。因为配电网整体水平低，网架结构复杂，且防雷措施相对缺乏，因此，配电线路遭受直击雷时，由于产生的过电压幅值巨大，雷电流更高达数十上百千安，根本无法防护，但是配电线路中发生直击雷事故所占比例很小。相较来说，感应雷过电压导致的事故比例超过90%。所以防雷重点应该放在感应雷过电压上。感应雷电压大小与雷云对地放电时电流的大小、雷击点与线路间的相对位置、遭受感应雷击线路的长度、设备接地电阻等因素有关系。直击雷虽然具有电压高、电流大、破坏力巨大的特点，但其发生几率却大大小于感应雷，是由于直击雷只有在雷云对地进行闪击时才会造成灾害，感应雷不管是雷云对地面闪击，还是雷云之间闪击，都可能发生并且造成灾害15。从影响范围来讲，直击雷的形成在较小的范围内只能发生一至两次，而感应雷却可以在较大的范围内持续发生。由于静电是架空线路雷电感应过电压防护的主要影响因素,因此在雷电感应过电压计算中,应该主要计算静电感应电压16。在计算中假设:先导通道中均匀分布电荷,其线电荷密度为x，且由先导电荷形成空间电场;先导通道中的电荷在主放电过程中全部瞬时中和,主放电通道垂直向上,不考虑其他分支。图4-1 架空线感应雷过电压计算模型如图4-1所示，设雷击点O到架空绝缘线正下方C点的水平距离为S,导线离地高度为h ,dC上任意一点 A 的电场强度垂直分量为E ,由静电场中电荷与电场强度的关系可得： (4-1)式(4-1)中:H 为雷云的高度;h 为迎面先导的高度;y 为 A 点对地的高度; y 为下行先导段对地的距离; y 为 y 的镜像;为空气介电的常数。当雷击地面时,假设没有迎面先导产生,即 h=0,又因为 H S,H ,则式(4-1)可以简化为： (4-2)架空线上雷电静电感应过电压的最大幅值Um为 （4-3）式（4-3）中，由，则（4-3）可计算为 (4-4)式(4-4)中，假设主放电的速度为v,则雷电流幅值I=,于是 (4-5) K= （4-6）以上雷电静电感应过电压最大幅值完全基于理想化的假设,实际配电线路上雷电静电感应过电压还要进行一些详细的修正,假如其修正系数为K1,那么 (4-7)在其他国家的防雷分析研究中,一般设K=38.9,并结合配电线路的具体情况,取K1=0609进行大致修正17-18。在中国一般取K=25来直接计算雷电静电感应过电压。依据式(4-7),对于平均架空导线高度为10m的配电网络来说,若雷击点距离防雷线路为50m,雷电流的幅值取100kA,在没有任何保护措施的情况下,感应雷电过电压的最大幅值约为500kV19。考虑到配电网线路的整体绝缘水平较低,在这么高的感应过电压下,极易发生架空线绝缘击穿、闪络、