防弧金具在高海拔10 kV绝缘导线的应用

冯彦钊,龚石林,张明

(1.云南电网公司,昆明 650011;2.华中科技大学电气工程学院,武汉 430074)

防弧金具在高海拔10 kV绝缘导线的应用

冯彦钊1,龚石林1,张明2

(1.云南电网公司,昆明 650011;2.华中科技大学电气工程学院,武汉 430074)

提出了用韦伯概率分布模型处理多次放电数据的方法,按照绝缘子串耐受且防弧金具间隙击穿的概率达到99.85%的标准来设计间隙距离,该方法准确、易操作。通过试验,得到了昆明高海拔地区 (海拔2 000 m)10 kV架空绝缘导线P15针式绝缘子加装防弧金具的间隙距离。

防弧金具;架空绝缘导线绝缘配合;韦伯分布;高海拔地区

1 前言

架空绝缘导线对解决线树矛盾、降低瞬时故障概率作用十分明显,但雷击断线问题却非常突出。如果不采用针对性的措施,对于绝缘导线来说,基本上雷击必断[1-2],因而,研究防止绝缘导线雷击断线的措施对保证配电网的安全运行具有至关重要的意义。

防止10 kV架空绝缘导线雷击断线最直接有效的措施是加装穿刺型防弧金具[3]。防弧金具可以起到良好的防止绝缘导线雷击断线的作用,具有运行安全,可靠性高、运行过程中免检修维护的特点。不仅如此,通过间隙之间的泄流,防护金具还可以对线路绝缘子起到保护作用,此时相当于并联保护间隙。因而,防弧金具在10 kV架空绝缘导线中得到了广泛应用。

绝缘导线线芯与绝缘子接地端的绝缘与防弧金具高低压电极之间的空气气隙的雷电冲击伏秒特性应取得良好的配合,才能使防弧金具的作用得到充分发挥,这要求防弧金具在实际使用中必须合理确定高低压电极之间的气隙距离。在我国大部分地区,海拔差异不大,防弧金具的间隙距离已得到试验和运行经验的充分验证。但在云南等高海拔地区,由于气压的作用,绝缘子的闪络电压和空气间隙的击穿电压相对于标准海拔地区均会发生改变[4-5],而且变化的幅度不同[6-8],使得防弧金具的间隙距离需要重新调整。

以下介绍用韦伯概率分布模型对多次雷电冲击击穿电压进行处理,根据基于韦伯分布的闪络概率来确定绝缘配合的方法,在海拔2 000 m对10 kV架空绝缘导线用防弧金具的高低压电极之间的气隙与绝缘子之间的绝缘配合进行了试验研究,从而得到了适用于高海拔地区10 kV架空绝缘导线用防护金具的气隙长度。

2 防弧金具间隙与绝缘子绝缘配合

绝缘导线安装防弧金具示意图如图1所示。该装置一由高压电极、低压电极和绝缘罩三部分构成,防弧金具的高压电极用穿刺刀片透过绝缘导线绝缘层,与线芯导体接触;绝缘罩罩于穿侧工具之外;低压电极连接于绝缘子接地端。

在雷电过电压的作用下,通过与导体紧密接触的穿刺刀片,将雷电过电压引至高压电极外部的金属电极上,使雷电过电压沿着高、低压电极之间的间隙击穿。此后,工频续流电弧将沿着高压电极的金属电极表面移动燃烧,而不会再像架空绝缘导线那样总是固定在某一点烧灼,使温升不集中于一点,从而保证绝缘导线在雷击过程中不发生断线。

图1 防弧金具的安装示意图

仅通过试验得出绝缘子和防弧金具间隙的50%雷电冲击放电电压,仍不足以确定绝缘配合,还需测量得出绝缘子串和保护间隙的伏秒特性曲线[8]。但绘制伏秒特性曲线十分复杂,是一项艰巨的工作。文献 [8-9]都提出了根据间隙击穿电压数据的概率分布特征,来确定绝缘子和间隙之间的绝缘配合的方法,这种方法具有简单且实用的特点。

国标GB/T16927.1-1997对于破坏性放电试验,推荐采用正态分布、Weibull分布和二重指数分布来进行数据分析[10]。但对工程用电介质的击穿场强,一般遵从Weibull分布[11]。对于击穿和闪络实验中数据分布规律的研究,文献 [12-16]分别验证了各种环境中电介质多次闪络和击穿的试验数据在小样本情况下用Weibull分布的拟合要好于正态分布,对其服从Weibull概率分布的规律的进行了系统的总结。因而,本文提出绝缘子和防护金具间隙的多次放电电压数据按照Weibull概率分布的方法进行处理,按照绝缘子串耐受且防弧金具间隙击穿的概率达到99.85%的标准来设计绝缘配合[8],得出防弧金具间隙的间隙距离。

由韦伯概率分布处理结果,得到绝缘子连接绝缘导线后0.1%击穿概率的雷电冲击放电电压Ui0.1%;加防弧金具后,各个间隙距离下,金具间隙99.9%闪络概率的雷电冲击放电电压。根据Ui0.1%＞Ug99.9%的绝缘配合原则选择最佳的保护间隙距离。

3 试验方法及结果分析

10 kV架空绝缘导线常用的绝缘子类型有P15、P20等针式绝缘子,本文对常用的P15针式绝缘子在高海拔条件下防弧金具间隙与绝缘子的绝缘配合进行了试验。试验地点：云南省昆明市电科院高压实验室,海拔约 2 000 m,气压80 kPa。

3.1 试验装置

绝缘导线、P15针式绝缘子及其防弧金具的雷电冲击试验整体试验装置分别如图2、图3所示。图2测量绝缘导线线芯至针式绝缘子接地端之间的雷电冲击放电电压;图3测量加装防弧金具后防护金具和绝缘子之间的绝缘配合效果。

图2 绝缘子连接绝缘导线的击穿试验装置

图3 防弧金具与绝缘子的绝缘配合试验装置

图2、图3中,冲击电压发生器可以提供波前时间T1和半波峰值时间T2分别为1.2 μs和50 μs(误差分别在30%和20%以内)峰值范围为30 kV～400 kV的雷电冲击波,试验中施加负极性雷电冲击波。分压器为BHT400 kV弱阻尼电容式分压器,变比为420,TektronixTDS3012C型示波器接于分压器的低压侧,设置自动触发用于捕捉波形。配套的LIANAPAC冲击波形分析软件可以对捕捉到的波形进行分析,得出视在峰值Upk、波前时间和半波峰值时间等参数。试验的空载波形和典型的闪络波形如图4所示。

图4 试验波形记录

3.2 试验方法

为了能够准确、方便地用Weibull概率分布的方法对绝缘子 (串)及其并联保护间隙的雷电冲击放电电压数据进行处理,设计了如下试验方法：

分别按图2和图3所示试验装置,在各个设定的防弧金具的间隙距离下 (或对绝缘子连接绝缘导线),试验电压由低往高施加,测量其击穿电压Ui。即开始施加一个较低的电压,如果没有发生击穿,则增加5 kV电压继续进行,直到发生击穿为止,记录雷电冲击击穿电压 Ui。按此步骤,在每种类型的间隙下,重复进行20次,得到一组试验数据。

对所得数据按照韦伯概率分布的方法进行处理,根据Ui0.01%＞Ug99.9%的绝缘配合原则选择最佳的保护间隙距离。

需要着重指出的是,按图2装置进行试验时,所测量的雷电冲击放电电压为击穿绝缘导线绝缘层后再使绝缘子闪络的总放电电压Ui。一旦绝缘导线的绝缘层击穿后,后续试验中Ui的值会出现一定程度的下降。因而,为了获得稳定的Ui值,按图2装置进行试验时,连续测量25次放电电压,取第6至第25次的值作为Ui的放电电压值。

3.3 试验结果及分析

间隙的放电电压一般要小于绝缘子连接绝缘导线后放电电压的90%。经试验测量,选择了防弧金具的3个间隙距离d,分别为11 cm、9.5 cm和8.5 cm,按2.2节的试验方法,对P15针式绝缘子连接绝缘导线后的20次雷电冲击放电电压Ui和防弧金具的3个间距下间隙的20次雷电冲击放电电压Ug进行测量,结果如图5所示。

图5 昆明地区P15针式绝缘子连接绝缘导线及防护金具间隙的20次雷电冲击放电电压

用Matlab软件对20次雷电冲击放电电压按照韦伯概率分布的方法进行处理,可计算出对应概率的雷电冲击放电电压,如表1所示。

表1 P15针式绝缘子连接绝缘导线及防护金具服从韦伯分布的击穿电压值

根据Ui0.01%＞Ug99.9%的绝缘配合原则,分析表1中的数据,可得出各间隙是否符合绝缘配合要求的结果,如表2所示。

表2 昆明地区防弧金具间隙保护情况表

由表2可见：

1)仅满足间隙的50%雷电冲击放电电压小于绝缘子连接绝缘导线后总绝缘的50%雷电冲击放电电压,仍不足以证明满足绝缘配合的要求,通过Weibull概率分布的方法可简单、有效的找出满足绝缘配合要求的间隙距离。

2)地处高海拔的昆明地区,P15针式绝缘子加装防弧金具的最佳绝缘配合间距为9.5 cm。

3)根据文献 [3]中报道的数据,长沙地区(标准海拔地区)P15针式绝缘子加装防弧金具的绝缘距离应为16～17 cm,相对于高海拔地区的数据有较大的变动,说明高海拔地区使用10 kV架空绝缘导线用防弧金具的间隙绝缘配合距离需要重新试验,才能在使用中有效防止雷击断线。

4 结束语

1)防弧金具在高海拔地区10 kV架空绝缘导线中应用的关键是要重新确定防弧金具与绝缘子连接绝缘导线后的绝缘配合。采用韦伯概率分布模型处理多次击穿的数据,按照绝缘子串耐受且防弧金具间隙击穿的概率达到99.85%的标准来设计绝缘配合的方法具有准确、易操作的特点。

2)根据试验,得到了昆明高海拔地区 (海拔2 000 m)10 kV架空绝缘导线P15针式绝缘子加装防弧金具的间隙距离为9.5 cm,为防雷金具在高海拔地区的应用提供了方法和试验基础。

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Application of Arc-protection for 10 kV Overhead Insulation Lines at High Altitude Area

FENG Yanzhao1,GONG Shilin1,ZHANG Ming2
(1.Yunnan Electric Power Company,Kunming 650011; 2.College of Electrical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430072)

The method of processing several discharge voltages'data using Weibull probability plot model is presented,According to the standand that probability of insulator string tolerance and arc-protection hardware gap breakdown achieve 99.85%to design the gap distance.The method has the characteristics of accuracy and easy to operate.By test results,the best gap distance of arcprotection hardware used for 10 kV overhead insulation lines and P15 pin insulators is 9.5 cm.The result provides methods and experiment basis for the application of arc-protection hardware at high altitude areas.

arc-protection hardware;overhead insulation lines;insulation co-ordination;Weibull plot;high altitude areas

TM85

A

1006-7345(2014)01-0001-04

2013-11-06

冯彦钊 (1968),男,高级工程师,云南电网公司,长期从事电网相关技术研究,fengyanzhao@im.yn.csg。

龚石林 (1979),男,高级工程师,长期从事电网相关技术研究。

张明 (1980),男,副教授,硕士生导师,研究方向为高电压技术、功率电子变换技术等。