多功能组合式防雷装置

国网上海市电力公司松江供电公司 方 菁 陈 宇 缪进荣 上海四量电子科技有限公司 贺润平 王哲斐 黄 伟

以计算机、互联网、大数据、云储存、机器人为核心的智能时代，正掀起输配电网的深刻变革。输配电线路的安全稳定运行为国民经济发展具有保障作用，全绝缘化、带电作业无疑是未来的布局和发展方向。当前，各电压等级的输电线路多采用传统的杆塔结构并配置金属横担加绝缘子串挂接导线运行。为了符合相应的绝缘强度和爬电比距的要求，金属横担必须搭配足够长度的绝缘子串，在恶劣的气象条件下，较长的绝缘子串容易使导线风舞从而造成相间短路等线路故障，严重威胁着线路的安全可靠运行。

电网输电线路建设年代久远，加之受城市开发与绿化建设，线路防护区周围建筑物和树木逐渐增多，给该电网线路维护造成了巨大的不便，使得线路维护已无法满足相关规范规定，必须采用新型材料对现有输电线路进行改进。根据对现场的仔细勘察和电网运行维护要求，决定采用高性能复合材料来对横担杆塔进行改造升级。

电力装备是中国制造2025中十大领域之一，我们正站在这样一个特别的历史拐点上，正值中国迎来一个创新驱动发展的良好契机，目前多功能组合式防雷装置在我国呈快速发展趋势，具有广泛的发展前景。然而，应用仍存在一些亟待解决的问题，主要表现在：第一，复合横担真型力学性能；第二，复合横担的污闪外绝缘性能；第三，复合横担高电压等级下均压特性；第四，复合横担内部填充材料的绝缘问题；第五，复合横担界面问题。

本项目产品研究以玻璃纤维为基材，浸以环氧树脂经模具热固引拔成型的多功能组合式防雷装置，本装置可广泛用于架空绝缘线路，提高了线路绝缘等级，增加了带电作业的安全性；简化了线路，从而减少了故障点，提高了供电可靠性并且美化线路。项目成果结合国网要求的带电作业、全绝缘化首先在上海实施应用，将逐步成为上海电网全绝缘化、带电作业示范性产品的组成部分，然后进一步推广应用，项目成果的推广应用对保障输配电线路的安全稳定运行具有重要意义。具有广泛的市场前景和推广应用价值，社会效益与经济效益显著。

1 研究内容

研究内容主要包括五个方面，复合横担的真型力学性能、污闪外绝缘性能、高电压等级下均压特性、内部填充材料的绝缘问题和界面问题。本文将从这五个方面着手来深度研究多功能组合式防雷装置。

复合横担真型力学性能，主要由材料和工艺决定，选用优质的玻璃纤维和环氧树脂，采用独特制备工艺热固引拔成型，避雷器连接螺栓拧入绝缘横担内部铜排上的螺孔，再拧入一个螺帽对铜排进行固定，保障整个系统的连接和稳定，保证承载力、刚度、挠度问题。

复合横担的污闪外绝缘性能，采用支柱式避雷器来解决污闪问题，高压引线从支柱式避雷器的铜排上端进入，从铜排的下端流出，用绝缘护罩把铜排和高压引线整体套住起到保护作用。

复合横担高电压等级下均压特性，目前我国现有750kV 及以上线路均采用全钢制结构的杆塔，在输电线路建设中钢材的需求量很大，消耗了大量的矿产资源，钢材的生产和加工也会对生态环境造成一定的污染和破坏。同时，钢材还存在质量重、易锈蚀、低温性能差等缺点，复合材料因其憎水性好、防污闪、重量轻、强度高等优点，运用三维有限元分析软件ANSYS，考虑到相间影响以及杆塔、大地、导线、均压环、屏蔽环、中间法兰等因素，对避雷器绝缘横担在不同设计方案下的电位、均压特性。

复合横担内部填充材料的绝缘，在绝缘横担内部填充上密度小、价格低廉的聚胺酯发泡泡沫，所述发泡聚氨酯泡沫层的弹性模量为8.41GPa，泊松比为0.36，在满足设计工况条件下降低了横担的结构重量，同时也能满足横担对刚度的要求。

复合横担界面问题，在绝缘横担长期运行的情况下，支柱式避雷器、玻璃纤维、树脂与内部的聚氨酯等界面不可避免的受到老化作用的影响，支柱式避雷器在正常运行时处在线路运行电压下加速了老化速率，形成孔隙、剥离、粘性不足等缺陷，导致局部场强过大从而造成发生界面击穿、局部放电的可能性增加。

新型绝缘横担具备绝缘、爬电距离长、机械强度高、抗紫外线、耐天候、憎水、阻燃、不粘自洁等一系列优异特性，尤其适合户外长期使用。包括耐候性树脂和玻璃纤维的复合材料。

绝缘横担有效解决了木横担和铁横担的防腐性能差、阻燃性能差、强度低、绝缘性差和使用寿命短等缺点。绝缘管内填充的塑料泡沫可防止管内进水而导致绝缘性能下降。外表面包覆聚酯材料的复合绝缘横担具有绝缘性好、经久耐用、免维护、安全可靠等优点。价格低廉、不易结水、减少被盗，广泛用于架空电杆。特别适用于沿海、化工等场所。

绝缘横担是以树脂为基体，无碱玻璃纤维为增强材料，经过拉挤工艺成型，并经二次加工而制成的一种新型电力器材。截面形状有矩型管横担、方型管横担、角型。

它具有以下特点：具有良好的介电性能、抗电蚀损性和抗漏电起痕绝缘性能，每毫米能耐电压4-10千伏；管状横担内有聚氨酯发泡填充，以增加横担的强度和防止雨水渗透；具有辅助防雷功能；无铁损和涡流损耗；轻质高强，拉挤工艺成型玻璃钢型材具有极高的玻璃纤维含量（60%以上），使其单向比强度和比刚度相当突出，玻璃钢的密度大约只有钢材的四分之一，重量轻，非常容易搬运，从而减少搬运费用；耐腐蚀性强，在沿海及盐碱化工地区使用玻璃钢横担，避免腐蚀能提高横担的使用年限，减少维护工作量。玻璃钢横担更换角铁横担，保持原瓷绝缘，能有效地提高线路组合绝缘水平，能提高闪络电压10-15%，大大地降低事故机率，提高供电可靠性；表面采用聚酯材料，具有很好的抗老化性；表面光滑，具有一定的自洁性。

2 理论依据

整套装置的技术核心就是支柱式避雷器部分，其余部件均起到电气连接导通作用，支柱式避雷器由内部芯体和外部的硅橡胶硫化组成，芯体内部的阀片采用市场上质量最好的TDK 厂家生产的，经过传统无纬带缠绕工艺制备成芯体，缠绕工艺虽然耗费了大量的人力物力，成本较高但是质量得到了保证，避雷器芯体的电气性能和力学性能优良。

无纬带采用经过硅烷表面处理的无碱玻璃纤维浸渍热固性树脂加工制成的半干状予浸胶带。用无纬带缠绕制品质量稳定可靠，树脂含量不受缠绕张力影响，由于无纬带横向没有应力在缠绕时需要横纵都分别进行缠绕，否则会影响力学性能，缠绕厚度要大于4mm 可以留有裕度以满足国标要求，缠绕完成后在外表面涂上胶水，经不同时间不同温度进行烘干处理，最后在硅橡胶硫化形成避雷器外套。

在支柱式避雷器芯体制备完成后会进行相关试验看是否满足相关标准要求。陡波冲击电流残压U5kA（峰值）≤57.5kV；雷电冲击电流残压U5kA（峰值）≤50kV；操作冲击电流残压U100A（峰值）≤42.5kV。应符合GB11032-2010的6.3条的规定。

残压测量的目的是为了获得各种规定的电流和波形下给定设计的最大残压。试验在避雷器比例单元（电阻片）上进行，避雷器在陡波、雷电、操作冲击电流下残压值分别不超过标准中规定。

本系列产品属金属氧化物避雷器。由于其核心元件采用氧化锌电阻片，与传统碳化硅避雷器相比，具有更优越的伏安特性，高通流能力，从而带来避雷器特征的根本变化。在正常工作电压下，流过避雷器的电流仅有微安级，处于绝缘状态；当遭受过电压时，由于氧化锌电阻片的优异非线性，流过避雷器的电流瞬间达数千安培，避雷器处于导通状态，释放过电压能量，由避雷器残压将过电压幅值限制在允许值内，从而有效地限制了过电压对输变电设备的损害。

表1 避雷器装置主要参数表

避雷器本体（SVU）外套和故障时SUV 的避雷器（EGLA）应能耐受表规定值的绝缘耐受电压而不闪络。

避雷器支撑件进行工频耐受电压试验，试验结果不发生击穿或闪络。

硅橡胶具有良好的绝缘特性，多功能组合式防雷装相地、相间爬电距离可较传统铁制横担增加2倍以上，提升防雷水平5倍以上；污秽、湿工频和雷击相间闪络电压提升1倍以上，可有效防止线路污秽、雷击、覆冰闪络的发生。

硅橡胶具有优良的介电性能，憎水性能，耐老化、耐腐蚀性能。特别适用于紫外线光照强，气候潮湿雨水频发，多雷电等恶劣气候条件的地区。相对于现有钢横担，无需进行防腐蚀维护工作，使用寿命至少可达25年。

多功能组合式防雷装置使用条件：环境温度不高于40℃，不低于-40℃；海拔高度不超过2000m；交流系统频率50Hz 或60Hz；长期施加在避雷器端子间工频电压不超过避雷器持续运行电压；最大风速不超过35m/s；地震烈度7度及以下地区。

3 避雷器绝缘横担组合装置的创新点

随着经济建设的持续发展，配电网改造面临的难题逐渐暴露出来。城市空间走廊狭小、供电安全可靠性不高、导线截面过小等日益成为城市扩大送电能力的制约因素。解决问题的方法之一就是实现配电线路的绝缘化。

多功能组合式防雷装置的应用对提高配电线路节点绝缘化有很大的促进作用，整个线路的绝缘化也得到了提高，整套装置在地面就进行了组装，在杆塔上方减少安装时间并可以实现快速带电作业，在遭遇雷击损坏后整套装置可以快速一起进行更换节省时间，整套装置的电气连接点都进行了螺接固定，在泄流过程中不会因为接触不好从而导致故障。

新型复合绝缘横担采用复合材料，耐腐蚀、耐老化性能优良，且具有自洁功能，可免于定期进行防腐维护。同时相对原有钢横担可大幅降低雷击跳闸停电事故时的检修成本。

传统钢横担架设的输电线路，在遭受雷电过电压后，容易发生断线、短路跳闸停电。故障发生后故障点排查困难，需逐断检测排查，检修成本较高。采用新型复合绝缘横担绝缘子后，断线短路故障点只能在输泄点出现，可通过信号监测迅速找到故障点，大大缩短检修工作量，降低检修成本。

4 成果转化和推广前景

近几年来，我国电力工业发展迅速，发电机装机容量逐年增加。避雷器及绝缘横担作为输变电设备不可缺少的组成部分，与电力工业的发展有密切的关系。我国现阶段的许多电力工程，例如城乡电网的建设和改造、西电东送工程、电气化铁路建设工程以及特高压产品市场的启动不仅为避雷器及绝缘横担行业的发展提供了广阔的市场空间，同时也对行业产品市场提出了新的要求，促进了多功能组合式防雷装置产品市场结构的调整以及新技术的研发。

高压多功能组合式防雷装置是电力系统各类电气设备（变压器、电容器、发电机、电动机、PT、CT、断路器、接触器等）绝缘配合的基础，由避雷器的保护性能确定电力系统所有电气设备的内外绝缘指标（短时工频耐压、雷电冲击耐压和操作冲击耐压等）。多功能组合式防雷装置核心工作元件采用以氧化锌为主的多元金属氧化物粉末烧制，具有优异非线性状一安特性，徒波响应快，通流容量大。有间隙产品采用自吹间隙，带均压照射结构，降低了放电的分散性，冲击系数小。复合绝缘外套的采用，顺应了电力产品小型化，免维护的发展趋势。高分子有机复合材料与传统的陶瓷和玻璃等无机材料相比，具有体积小、重量轻、耐污秽免清扫、防爆防震的优点。

线路的组合形式也由传统的铁担＋避雷器绝缘子，专变为复合横担＋复合支柱式避雷器的形式，两种复合构建的组合使用进一步提升了输电线路的安全性和稳定性，不仅架构的绝缘性能得到极大提升，线路的低点也较传统架构模式提高了3.0-4.5m，在增加安全性的同时节省了提高架杆高度的费用，复合横担的应用与传统架构相比，最为鲜明的特点是其对线路的约束作用增强了，在面对线路交叉跨越问题的载节电率更可高达到65%。

同类产品竞争优势，目前市场上的避雷器横担以铁镀锌为主，安装在杆塔上方比较笨重，暴露在空气中容易被腐蚀，绝缘化程度低容易形成放电通道造成接地故障，随着城市和乡村电网的改造相信绝缘横担避雷器组合装置应用会越来越多，带电作业、绝缘化的设计方向符合发展的需求，应用方便可以快速带电进行加装或者更换。

5 产品展示

本产品能在保护电力系统中各种电器设备免受过电压而损坏的同时，提高线路节点的绝缘化等级，安装拆卸可以快速带电完成，在城乡配网改造过程中有很大应用前景。

总之，在架空输电线路方面，多功能组合式防雷装置发挥着至关重要的作用，它的运用使架空输电线路不仅处于有序的运行之中，使安全事故的发生得以降低，还使电力企业的生产成本得以降低，经济利润最大化。从长远角度来说，它是架空输电线路方面步入新阶段的重要基石，也是电力企业走上长远发展之道的必经之路，最终走上可持续发展之路。

通过复合横担在输电线路中的实际应用效果来看，其支柱式避雷器抗冲击能力、抗弯曲性能、抗震防污等各种性能良好，能够大大增强输电线路的绝缘性能与防污效果，且无需人工清扫，安装简单方便，运行安全性与可靠性高，符合当前输电线路经济性、节能环保等建设要求。我国在大力发展智能电网的同时，应对符合横担进行推广应用，以进一步提升我国电力服务质量。