110kV220kV架空输电线路复合绝缘子并联间隙防雷保护研究

第26卷第10期　电 网 技 术　Vol. 26 No. 10 2002年10月　Power System Technology Oct. 2002 文章编号：1000-3673（2002）10-0041-07

110kV、220kV架空输电线路复合绝缘子

并联间隙防雷保护研究

罗真海1，陈勉1，陈维江2，李国富2，宿志一2

（1．广东省广电集团公司，广州 510245；2．中国电力科学研究院，北京 100085）

STUDY ON SHUNT GAP LIGHTNING PROTECTION FOR 110 kV AND 220 kV

COMPOSITE INSULATORS

LUO Zhen-Hai1, CHEN Mian1, CHEN Wei-jiang2, LI Guo-fu2, SU Zhi-yi2（1．Guang-dian Power Grid Group Company Limited, Guangzhou 510245, Guangdong Province, China;

2．China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China）

ABSTRACT: Shunt gap devices have been developed for 110kV and 220 kV composite insulators. Their lightning protection mechanism is analyzed in this paper which possess the following three functions：providing a lightning flashover route, moving away of the power frequency arc from insulators and uniformizing the power frequency electric field. It shows that the fault rate of a transmission line caused by lightning will be greatly reduced despite of a little increase in tripout rate after installation of such devices. However, if lengthened composite insulators are adopted for the transmission line, its tripout rate is expected to be kept at same level.

KEY WORDS: lightning protection；composite insulators；shunt gaps；power frequency arc；electric field intensity；trip-out rate

摘要：研制了110kV、220kV复合绝缘子用的并联间隙装置并分析了其防雷机理及功能：定位雷击闪络；转移工频电弧和均匀工频电场。通过对工频电弧运动过程的分析、电场分布计算、雷电冲击试验和工频电弧试验，证明了安装该装置后线路的雷击跳闸虽有所增加，但雷击事故会大大降低。若采用加长型绝缘子，可使加装间隙装置后线路的雷击跳闸率不增加。

关键词：防雷；复合绝缘子；间隙；工频电弧；电场强度；跳闸率

中图分类号：TM 863 文献标识码：A

1 引言

架空送电线路防雷一直是电力工作者努力探讨的课题，经过几十年的不断努力取得了很大的成绩，已采取了一系列行之有效的防雷保护措施，如：架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线、安装线路型避雷器等。这些防雷保护措施的核心思想是尽可能地提高线路的耐雷水平、减少雷击跳闸率，本文将其称之为传统防雷保护方式。传统防雷保护方式是架空送电线路防雷的基础，我国早期电网电源点稀少、网架薄弱、开关设备性能差，采用这种方式对保证电网的安全运行、提高供电可靠性是非常合适的[1]。

传统防雷保护方式优点十分突出，但也有局限性，如：架设避雷线对减少雷电绕击导线的概率起着非常重要的作用，但在山区有时会出现因屏蔽而失效的现象；降低杆塔接地电阻对减少雷击反击跳闸率有决定性作用，但在山区和高土壤电阻率地区实施难度较大；加强绝缘可提高耐雷水平，但受杆塔尺寸限制；加装耦合地线能提高山区线路耐雷水平，但实施困难；安装线路型避雷器效果好，但投资巨大，只能用于线路雷电易击段、易击点或易击相。在目前仅采用传统防雷保护方式的情况下，我国电网的架空送电线路仍存在一定的雷击事故率，特别是在南方地区，由于雷击引起的电网故障仍占很大比例。广州电力局近年来的架空送电线路故障统计数据表明[2]，雷击故障次数约占线路总故障次数的70%。雷击故障往往造成线路绝缘破坏，引起局部停电，给电力部门造成直接经济损失的同时也给居民生活及工农业生产带来了不良影响。从雷电活动的频繁性及雷击故障的严重性来看，雷击故障

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仍然是影响电网安全运行的重要因素之一。

仅靠传统的防雷保护方式来解决架空送电线路的防雷问题，意味着巨额投资，是不现实的，本文提出的“并联间隙防雷”可以用低投入解决小概率雷击故障，是对传统防雷保护方式的有效补充。这一方式的核心思想是允许线路有一定的雷击跳闸率，通过采用间隙装置与绝缘子串并联，定位雷击闪络，疏导工频电弧，避免绝缘子损坏，这种方法虽有雷击闪络，但重合闸能够成功。也就是说“不怕雷击跳闸，只求无雷击事故”。我国电网发展到今天，电源支撑和网架结构越来越强，变电所大量采用SF6开关设备，开断能力增强、可频繁操作，为采用并联间隙防雷奠定了很好的基础，把传统方式防雷与并联间隙防雷两者有机地结合起来，以传统方式为基础，用间隙防雷作补充，因地制宜、合理配用，将使我国的送电线路防雷保护工作迈上一个新台阶。

复合绝缘子因其具有优异的防污性能、重量轻、近似免维护的特点，已在架空送电线路上获得了大面积的推广应用。以广州电力局为例，110kV 及以上送电线路中运行的复合绝缘子数量已占绝缘子总数的50%左右。作为架空送电线路“并联间隙防雷”课题的初步探讨，本文以110kV、220kV 线路采用的复合绝缘子为研究对象，通过计算分析和试验，研制出适合于110kV、220kV复合绝缘子用的并联间隙装置，防止雷击闪络后工频电弧烧伤复合绝缘子，提高线路的耐雷性能，并在正常状态下起均压作用。

2 并联间隙装置的设计

2.1 技术要求

并联间隙装置的设计应满足以下几点要求：

1）间隙装置应有雷击闪络定位点和电弧最终燃烧点，并合二为一；

2）调整间隙距离使雷电冲击在定位点闪络，但不应过分降低闪络电压，雷击闪络后工频电弧弧根应能固定在最终燃烧点；

3）绝缘子串工频闪络（如污闪）后，间隙装置应能把电弧的起弧点转移至最终燃烧点；

4）间隙装置应兼有均匀工频电场的功能，安装了间隙装置的复合绝缘子，其复合材料上的最大场强不应超过15kV/cm，间隙装置上的场强应小于35kV/cm，以避免发生电晕放电；

5）间隙装置的高、低压电极应经得起工频电弧的烧灼。

2.2初步设计

2.2.1雷电冲击放电特性分析

雷电冲击放电的路径一般总是趋向于最小直线距离，要想让间隙装置比复合绝缘子优先放电，且定点闪络，则应在间隙装置的高、低压电极上制作出定位点，定位点之间的距离应小于复合绝缘子的干弧距离，并留有适当裕度。定位点之间的距离越小，间隙装置的放电电压越低，与绝缘子本身的放电电压差值越大，保护性能越好。但线路的耐雷水平会越低，雷击跳闸率增加。应通过优化设计间隙形状、适当调整间隙距离来达到间隙装置既能可靠保护绝缘子又具备较高冲击放电电压水平的目的。

2.2.2 工频电弧特性分析

（1）工频电弧损坏绝缘子的原因

工频电弧损坏绝缘子的主要原因是电弧的热效应，由电弧爆炸声波辐射形成的机械力影响较小。试验研究结果表明，绝缘子伞裙的破坏并不是与电弧的引燃同时发生的，而是发生在电弧完全发展之后的一个不太长的时间内。从电弧形成到绝缘损坏有一段时间，在这段时间内，由于绝缘材料受到了电弧的热荷载，其温度由环境温度升高到了破坏温度。

图1为自由燃烧电弧的温度分布情况，由图可见最高温度出现在起弧点附近区域内，距离起弧点越远电弧通道中的温度下降越快。起弧点温度的高低原则上取决于电极形状、电极材料和电弧电流。

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图1 燃烧电弧的温度分布

Fig. 1 A temperature contour sketch of burning arc