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.doc

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、185mm2、150mm2、120mm2、90mm2、70mm2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 。表1 10 kV架空绝缘线路三相短路电流沿线水平 (kA)导线截面（mm2）离开变电所的沿线距离（m）5010020040060080010001500200024018.9217.9816.3313.7711.9010.409.307.306.018518.8617.8616.1213.4411.5010.038.896.915.6515018.8317.8016.0213.2811.309.828.686.705.4512018.8117.7415.913.011.09.508.306.345.119018.7417.5915.5412.3910.488.627.455.534.397018.6917.4615.2012.4010.208.607.404.993.925018.6217.3014.9011.308.907.306.204.473.48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%()P20220310P15175200PS15145206FZB183256(2) 线路的雷击闪络概率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，hd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/km2（=0.007Td次/km2）。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 。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： 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%()kVImax=80kAImax=100kAImax=120kAImax=300kAP202790.00209170.00305620.00362770.0044514P151800.00793360.00942850.01031440.0115911PS151850.00742760.00888220.00974410.0109862FZB2300.00411840.00528830.00598160.0069807 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%(+)kVImax=80kAImax=100kAImax=120kAImax=300kAP201980.00626410.00762320.00842850.0095891P151570.01079730.01251130.01352690.0149906PS151300.01578980.01785970.01908630.020854FZB1650.00968840.01131930.01228570.0136784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=80kAImax=100kAImax=120kAImax=300kAP200.00584690.00716650.00794840.0090754P150.01051090.0122030.01320560.0146506PS150.01495360.0169620.01815210.0198672FZB0.00913140.01071620.01165530.013008710 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=80kAImax=100kAImax=120kAImax=300kAP203420.622790.762516.222203.77P151902.781638.941514.511365.13PS151337.471179.111101.801006.68FZB2190.241866.331715.961537.44(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。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、绝缘配合及电磁环境；孙昭英（1945-），女，教授级