帶間隙線路避雷器雷電沖擊絕緣配合特性極性效應(yīng)研究

鄒建章，郭志鋒，李陽林，張 宇，胡 京，李 帆

（1.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌330096；2.國網(wǎng)江西省電力公司，南昌330077）

帶間隙線路避雷器雷電沖擊絕緣配合特性極性效應(yīng)研究

鄒建章1，郭志鋒2，李陽林1，張 宇1，胡 京1，李 帆1

（1.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌330096；2.國網(wǎng)江西省電力公司，南昌330077）

部分現(xiàn)行線路避雷器標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了正極性雷電沖擊50%放電電壓的上限值，但是在線路避雷器試驗及檢測過程中，發(fā)現(xiàn)負(fù)極性雷電沖擊電壓下線路避雷器與絕緣子串的絕緣配合裕度明顯低于正極性，按正極性雷電沖擊放電電壓進(jìn)行配置的線路避雷器，在遭遇負(fù)極性雷電時，可能出現(xiàn)保護(hù)裕度不足的問題。為驗證這一現(xiàn)象，基于110 kV線路避雷器和絕緣子串開展了大量的研究性試驗，并在此基礎(chǔ)上建立了放電過程仿真模型，得出線路避雷器的負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓和伏秒特性曲線均明顯高于正極性，這種極性效應(yīng)主要由線路避雷器串聯(lián)間隙引起。

帶間隙線路避雷器；雷電沖擊；絕緣配合；極性效應(yīng)

0 引言

線路避雷器是目前最為成熟可靠的輸電線路防雷措施，理論上，其防雷保護(hù)可靠性在99%以上[1-3]。隨著國網(wǎng)公司輸電線路差異化防雷改造工作的不斷推進(jìn)和深化，線路避雷器的使用量逐年大幅增加，以江西電網(wǎng)為例，截止目前已安裝110 kV及以上電壓等級線路避雷器9 203只。

總體來看，線路避雷器的使用取得了明顯的效果，安裝了線路避雷器的線路桿段雷擊跳閘率大幅下降。但與此同時，江西電網(wǎng)仍出現(xiàn)了6起110 kV及以上電壓等級線路避雷器保護(hù)失效事件，使得電網(wǎng)運行單位對線路避雷器的防雷保護(hù)效果產(chǎn)生了疑慮。對失效線路避雷器開展雷電沖擊50%放電電壓試驗，其正極性雷電沖擊50%放電電壓均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓配合系數(shù)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，線路避雷器與絕緣子串在負(fù)極性雷電沖擊電壓下的絕緣配合裕度要明顯低于正極性。

部分現(xiàn)行線路避雷器標(biāo)準(zhǔn)僅對其正極性雷電沖擊50%放電電壓上限值作出了規(guī)定[4-5]，避雷器設(shè)計和試驗也僅以正極性雷電沖擊放電電壓作為依據(jù)。而最新的線路避雷器國標(biāo)《交流1kV以上架空輸電和配電線路用帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器》（GB/T 32520—2016）對此作出了調(diào)整，對避雷器雷電沖擊50%放電電壓上限值取消了正極性的要求，默認(rèn)正、負(fù)極性均需考慮并滿足要求。

為驗證線路避雷器正、負(fù)極性雷電沖擊絕緣配合裕度存在明顯偏差是否為普遍規(guī)律，在試驗室開展了大量的研究性試驗，并在此基礎(chǔ)上對線路避雷器和絕緣子串放電過程進(jìn)行仿真，從理論上分析這種現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因。

1 絕緣配合試驗研究

為保證試驗結(jié)果的代表性，以目前典型的110 kV線路避雷器和絕緣子串作為試驗試品，通過測量分析其正、負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓配合系數(shù)和伏秒特性配合裕度，對線路避雷器雷電沖擊絕緣配合極性效應(yīng)進(jìn)行研究[6]。

1.1 試驗試品選擇

選用目前110 kV線路最為常用的YH10CX4-102/296型線路避雷器，其本體基本電氣參數(shù)見表1。串聯(lián)間隙距離采用430 mm、480 mm、530 mm 3種，可涵蓋目前所有的110 kV線路避雷器，均壓環(huán)采用典型尺寸?30 mm×?310 mm。

表1 線路避雷器基本電氣參數(shù)Table 1 Basic electric parameters of line MOA

絕緣子（串）的雷電沖擊50%放電電壓僅與其干弧距離有關(guān)，而與其材質(zhì)無關(guān)[7]，以瓷絕緣子為代表開展驗證試驗，其基本參數(shù)見表2，絕緣子片數(shù)采用7片、8片、9片 3種。

表2 絕緣子樣品基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the sample insulator

1.2 雷電沖擊50%放電電壓配合系數(shù)

根據(jù)GB/T 16927.1—1997規(guī)定，采用升降法測量線路避雷器和絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓，結(jié)果見表3。

表3 絕緣子串和避雷器雷電沖擊50%放電電壓Table 3 50%discharge voltage of lightning impulse of insulator string and MOA

由表3可見，絕緣子串的正、負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓基本相當(dāng)，而線路避雷器的負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓明顯高于正極性。

表4為正、負(fù)極性雷電沖擊下線路避雷器與絕緣子串的配合系數(shù)。

表4 不同片數(shù)絕緣子串和不同間隙避雷器的U50%配合系數(shù)Table 4 Coordination coefficient between different insulator string and different gap distance MOA

由表4可見，線路避雷器和絕緣子串在負(fù)極性雷電沖擊電壓下的配合系數(shù)明顯低于正極性，且對于7片絕緣子，當(dāng)間隙距離為480 mm、530 mm時，絕緣子串與避雷器的配合裕度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（＞1.2）[8]。

1.3 伏秒特性配合裕度

由于雷電沖擊電壓持續(xù)時間很短，間隙的擊穿存在放電時延現(xiàn)象，放電電壓與該電壓的作用時間有很大的關(guān)系，僅靠50%放電電壓來表征設(shè)備的擊穿特性并不全面[9]。為了進(jìn)一步校核避雷器與絕緣子串的絕緣配合裕度，開展了伏秒特性曲線測量試驗。正、負(fù)極性雷電壓下，線路避雷器與絕緣子串的伏秒特性曲線分別見圖1和圖2。

圖1 正極性下避雷器與絕緣子串的伏秒特性曲線Fig.1 Positive voltage-time characteristic curve of MOA and insulator string

圖2 負(fù)極性下避雷器與絕緣子串的伏秒特性曲線Fig.2 Negative voltage-time characteristic curve of MOA and insulator string

根據(jù)DL/T 815—2012《交流輸電線路用復(fù)合外套金屬氧化物避雷器》要求，線路避雷器雷電沖擊伏秒特性曲線應(yīng)比被保護(hù)絕緣子串的雷電沖擊伏秒特性曲線至少低15%。

對伏秒特性曲線進(jìn)行擬合，并計算不同片數(shù)的絕緣子串和不同間隙距離的避雷器之間的配合裕度C=（U絕緣子串-U避雷器）/U避雷器×100%。結(jié)果見圖3至圖5。

圖3 7片絕緣子和不同間隙避雷器的伏秒特性曲線配合裕度Fig.3 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 7 pieces insulator and different gap distance MOA

由圖3至圖5可見，線路避雷器與絕緣子串在負(fù)極性雷電沖擊電壓下的配合裕度要明顯低于正極性，其主要原因是絕緣子串的正、負(fù)極性雷電沖擊伏秒特性曲線基本重合，而線路避雷器的負(fù)極性伏秒特性曲線明顯高于正極性伏秒特性曲線。

為進(jìn)一步分析線路避雷器正、負(fù)極性雷電沖擊伏秒特性曲線存在偏差的原因，分別繪制了間隙距離為430 mm線路避雷器整體和間隙的伏秒特性曲線，結(jié)果見圖6。

圖4 8片絕緣子和不同間隙避雷器的伏秒特性曲線配合裕度Fig.4 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 8 pieces insulator and different gap distance MOA

圖5 9片絕緣子和不同間隙避雷器的伏秒特性曲線配合裕度Fig.5 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 9 pieces insulator and different gap distance MOA

圖6 避雷器整體和串聯(lián)間隙的伏秒特性曲線Fig.6 Voltage-time characteristic curve of MOA and the series gap

由圖6可見，在正、負(fù)極性雷電沖擊電壓作用下，線路避雷器整體和串聯(lián)間隙的伏秒特性曲線均存在明顯偏差，且在相同極性雷電沖擊下二者伏秒特性曲線基本平行，避雷器整體的伏秒特性主要表現(xiàn)為串聯(lián)間隙的伏秒特性。

1.4 試驗結(jié)果分析

綜合線路避雷器和絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓及伏秒特性曲線試驗結(jié)果，負(fù)極性雷電沖擊下線路避雷器與絕緣子串的50%放電電壓配合系數(shù)和伏秒特性配合裕度均明顯低于正極性，從試驗結(jié)果看，這種差異主要是由線路避雷器串聯(lián)間隙引起的。

2 仿真模型建立

基于上述試驗分析，線路避雷器的串聯(lián)間隙導(dǎo)致了其整體正、負(fù)極性雷電沖擊放電特性出現(xiàn)明顯差異，故重點對串聯(lián)間隙進(jìn)行建模仿真，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因。

對模型進(jìn)行簡化，忽略復(fù)合絕緣子本體對兩端均壓環(huán)之間電場和電位分布的影響[9]，利用流體-化學(xué)模型來對簡化模型進(jìn)行建模，結(jié)合仿真軟件COMSOL Multiphysics中的等離子體模塊開展仿真計算[10-11]。

流體-化學(xué)混合模型是一種改進(jìn)的空氣放電混合模型，一部分采用動力學(xué)模型處理問題，另一部分則采用流體動力學(xué)模型，分別利用動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及流體動力學(xué)模型的魯棒性和高效的計算能力處理空氣放電過程，該模型既考慮了空氣放電的流體特性，又能對放電過程中帶電粒子之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行真實反映[12-13]。目前，流體-化學(xué)混合模型已經(jīng)成功模擬了大氣壓下的電暈放電、流注放電[14]，并研究了微觀粒子在放電過程中的運動特性[15]，且仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)取得了很好的一致性。

將避雷器間隙結(jié)構(gòu)簡化為二維板-板間隙，簡化之后的結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，電極半徑R=80 mm，間隙間距L=480 mm。同樣，為了對比研究極性對絕緣子串雷電沖擊放電特性的影響，對絕緣子串進(jìn)行建模，將絕緣子串簡化為棒-棒間隙，間隙距離為L=480 mm?？紤]無窮遠(yuǎn)邊界，將間隙置于一直徑為1 000 mm的圓形空氣環(huán)境中。

圖7 間隙結(jié)構(gòu)簡化圖及對應(yīng)的網(wǎng)格剖分圖Fig.7 Simplified gap structure and it's meshing map

仿真電路圖見圖8，圖中LG為沖擊電壓發(fā)生器，產(chǎn)生1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，電壓幅值為300 kV，L為間隙距離，設(shè)為480 mm。

圖8 間隙仿真放電電路示意圖Fig.8 Circuit simulation schematic of the gap discharge

對放電過程中不同時間節(jié)點的粒子濃度分布以及帶電粒子對電場的影響進(jìn)行對比分析，據(jù)此分析在不同極性雷電沖擊電壓下空間中帶電粒子的分布情況及空間電場畸變量，以此說明極性對雷電沖擊放電電壓產(chǎn)生影響的根本原因。

3 仿真結(jié)果分析

為了便于進(jìn)行直觀的分析比較，以中軸線為橫軸，以帶電粒子密度為縱軸，對正、負(fù)極性雷電沖擊電壓下板-板間隙及棒-棒間隙中軸線上的電子密度及正離子密度分布進(jìn)行計算，結(jié)果見圖9至圖12。

圖9 正極性雷電壓作用下板-板間隙不同時間帶電粒子沿中軸線分布曲線Fig.9 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between plate-plate gap under positive lightning voltage

由圖9至圖12可知，棒-棒間隙帶電粒子在正、負(fù)極性雷電沖擊電壓下電子及正離子沿中軸線的分布規(guī)律和板-板間隙基本一致，但板-板間隙的帶電粒子密度整體上明顯大于棒-棒間隙的帶電粒子密度，二者存在數(shù)量級的差距。

為進(jìn)一步研究帶電粒子濃度對電場的影響，對間隙的空間電場進(jìn)行計算，得到在不同極性下和不同時間，兩種間隙結(jié)構(gòu)的空間電場強度沿中軸線的分布，見圖13和圖14。圖中，橫軸為中軸線刻度（m），縱軸為電場強度（V/m）。

圖10 正極性雷電壓作用下棒-棒間隙不同時間帶電粒子沿中軸線分布曲線Fig.10 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between rod-rod gap under positive lightning voltage

圖11 負(fù)極性雷電壓作用下板-板間隙不同時間帶電粒子沿中軸線分布曲線Fig.11 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between plate-plate gap under negative lightning voltage

圖12 負(fù)極性雷電壓作用下棒-棒間隙不同時間帶電粒子沿中軸線分布曲線Fig.12 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between rod-rod gap under negative lightning voltage

圖13 不同極性下板-板間隙不同時間空間電場沿中軸線分布曲線Fig.13 Electric field distribution curve between plate-plate gap at different times under different polarity

圖14 不同極性下棒-棒間隙不同時間空間電場沿中軸線分布Fig.14 Electric field distribution curve between rod-rod gap at different times under different polarity

t=0.6 μs時，在正負(fù)極性雷電壓作用下，間隙的電場強度相近，隨著放電的發(fā)展，在t=1.2 μs時，由于空間電荷作用，正極性下的電場強度大于負(fù)極性。相對于板-板間隙，在不同極性下棒-棒間隙的電場分布差別很小，極性對棒-棒間隙的電場影響較小。

基于以上仿真結(jié)果，正、負(fù)極性雷電沖擊下間隙放電發(fā)展示意圖見圖15和圖16。在正極性雷電壓作用下，初始等離子體中的正電荷在外電場E1的作用下向接地極緩慢移動，空間正電荷的電場E2與外部電場方向相同，從而加強了頭部等離子體附近的電場強度E=E1+E2，促進(jìn)了放電過程的發(fā)展；在負(fù)極性雷電壓作用下，初始等離子體中的電子在外電場E1作用下快速向接地極移動，而正電荷相對于電子移動較慢，從而使得電子與正電荷在空間上相互分離，電子在靠近接地極一側(cè)，正電荷在雷電壓極一側(cè)，空間電荷產(chǎn)生的電場E2與空間電場E1相反，削弱了空間電場E=E1-E2，抑制了間隙的擊穿。

由于板-板間隙放電過程中產(chǎn)生的帶電粒子密度遠(yuǎn)大于棒-棒間隙，空間電荷電場對外電場的加強和削弱作用也較棒-棒間隙強很多，從而造成線路避雷器正、負(fù)極性雷電沖擊放電特性差異明顯，而絕緣子串正、負(fù)極性雷電沖擊放電特性差異較小這種現(xiàn)象。

圖15 正極性雷電壓作用下間隙放電發(fā)展示意圖Fig.15 Schematic diagram of discharge development of the gap under positive lightning voltage

圖16 負(fù)極性雷電壓作用下間隙放電發(fā)展示意圖Fig.16 Schematic diagram of discharge development of the gap under negative lightning voltage

4 結(jié)論

通過上述試驗驗證和理論仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1）在正、負(fù)極性雷電沖擊電壓下，線路避雷器和絕緣子串絕緣配合裕度存在明顯差異，負(fù)極性雷電沖擊絕緣配合裕度明顯低于正極性。

2）從雷電沖擊50%放電電壓和伏秒特性角度分析，絕緣子串的正、負(fù)極性雷電沖擊放電特性基本無差異；而線路避雷器的負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓和伏秒特性曲線均明顯高于正極性，這種極性效應(yīng)主要由線路避雷器串聯(lián)間隙引起，這也是導(dǎo)致線路避雷器和絕緣子串正、負(fù)極性雷電沖擊電壓絕緣配合裕度出現(xiàn)明顯差異的根本原因。

3）放電發(fā)展過程中產(chǎn)生的帶電粒子及其分布特征會影響放電過程的發(fā)展，進(jìn)而引起擊穿電壓的變化，空間電荷的濃度越大，對電場的影響越大。由于板-板間隙放電產(chǎn)生的帶電粒子濃度遠(yuǎn)大于棒-棒間隙，所以雷電沖擊電壓的極性對于板-板間隙擊穿電壓影響較大，而對棒-棒間隙擊穿電壓影響較小。

4）部分現(xiàn)行線路避雷器標(biāo)準(zhǔn)中僅通過正極性雷電沖擊50%放電電壓來保證其放電特性是不夠的，負(fù)極性雷電沖擊50%放電電壓也是必須考慮的問題，GB/T 32520—2016對此進(jìn)行了修正，能夠有效提高線路避雷器防雷保護(hù)的可靠性。

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Study on Polar Effect of the Lightning Impulse Insulation Coordinating Characteristic of Transmission Line MOA with External Series Gap

ZOU Jianzhang1，GUO Zhifeng2，LI Yanglin1，ZHANG Yu1，HU Jing1，LI Fan1
（1.State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang 330096，China；2.State Grid Jiangxi Electric Power Company，Nanchang 330077，China）

Some current standards of the transmission line MOA only specify the upper limit of the 50%positive lightning impulse discharge voltage，but during the test and detection，the margin of insula?tion coordination between MOA and insulator under the negative lightning impulse is lower than under the positive lightning impulse.It may not adequate if configuring the MOA only using the positive light?ning impulse.To verify this phenomenon，based on 110 kV line lightning arrester and insulator string，a large amount of research tests are carried out，and the simulation model of the discharge process is estab?lished。The results show that the 50%negative lightning impulse discharge voltage and volt second char?acteristic curve are obviously higher than the positive polarity.This polarity effect is mainly caused by the series gap of the lightning arrester.

transmission line MOA with external series gap；lightning impulse；insulation coordina?tion；polar effect

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.021

2017-05-11

鄒建章（1985—），男，工程師，主要從事輸電線路及過電壓絕緣配合技術(shù)工作。