复合绝缘横担在10 kV配电架空线路防雷中的应用探讨

张 楠，郭 凯，张鹏程

（国网北京通州供电公司，北京 101100）

0 引言

由于配电架空线路具有数量多、线路长、范围广等特点，因此在10 kV配电线路中占比较大，成为配电网中的重要组成元素。在10 kV配电架空线路的不同故障类型中，线路过电压是主要故障原因，而雷击过电压又是导致线路过电压的最大诱因，在雷电频发区域或者地势较为平坦空旷地带影响更大。研究发现，采取适宜的雷电防护措施，提高配电架空线路的防雷水平，能使架空线路耐受大部分感应雷击作用，降低雷击事故发生的概率，确保已建10 kV架空配电线路运行更加可靠，从而提高其运营效益。

1 复合绝缘横担的防雷原理

1.1 复合绝缘横担结构

复合横担绝缘子是一种用于架空线路的圆柱形硅橡胶绝缘子，除与普通线路高压绝缘子相同的固定绝缘和地对地绝缘功能外，还可全部或部分替代铁横担或木横担。复合绝缘横担是由实心绝缘芯体、硅橡胶伞套和固定在绝缘芯体上的端部金具构成。复合横担绝缘子金属附件中有2个孔，一个用于安装固定螺栓，另一个用于靠近其根部的孔在复合横担绝缘子受到不平衡张力时可以沿固定螺栓旋转，以缓和两边不平衡的张力。复合横担绝缘子导线端，也有2种固定导线的方式，一种绑扎式，一种带有连接金具，用悬垂线夹连接。

1.2 复合绝缘横担防雷机理

10 kV配电架空绝缘线路因雷击发生对地击穿放电后，导线绝缘层上的放电击穿点呈一细小针孔，雷电流通过后，工频续流通过针孔通道，由于弧根被绝缘层击穿孔固定，电弧无法像裸导线上被短路电流产生的电动力排斥沿导线移动，所以绝缘导线比裸导线更容易断线[1]。通过对10 kV架空绝缘线路雷击断线原理分析，得出配电架空绝缘线路断线的根本原因是雷击闪络后的工频续流电弧。因此，提出堵塞式配电绝缘线路雷击断线防护方法。堵塞式配电绝缘线路防雷方法通过采取措施尽可能降低线路雷击闪络概率，或者采取措施阻止雷击闪络后工频续流起弧，达到防止绝缘导线烧伤断线的目的[2]。

配电绝缘线路安装绝缘横担为堵塞式防雷的一种措施，绝缘横担可以提高线路的绝缘水平，从而防止雷击闪络跳闸。

1.3 复合绝缘横担性能

1.3.1 防雷性能

相比于110 kV及以上架空输电线路，10 kV配电架空线路直击雷导致线路故障的可能性相对较低，故障主要原因为感应雷电导致的故障。10 kV配电架空线路高度一般不超过20 m，受相邻建筑物影响，线路上可感受的感应电压最大范围为300～400 kV，如果土壤电阻率为500Ω·m、雷暴日为40 d，当线路绝缘水平超过300 kV时，雷击闪络率的变化范围较低，若线路绝缘水平超过350 kV，雷击闪络率仅为0.023次/km（即每100 km 2.3次），若线路绝缘水平超过400 kV后，雷击闪络率仅为0.006次/km（即每100 km 0.6次）[3]。采用复合绝缘横担作为防雷手段，其耐受电压提高到350 kV时，10 kV配电架空线路的防雷水平将得到整体的提高。

1.3.2 机械性能

复合绝缘横担不仅具有绝缘功能，而且能够在线路的不同运行条件下承载荷载。为保证线路运行的可靠性，直线杆绝缘横担主要考虑竖向荷载和水平荷载[4]，相应的运行工况为风和冰冻工况；对于转角杆和终端杆，还应考虑线路的不均匀受力情况。

1.3.3 材料特性

绝缘横担芯体由环氧树脂和玻璃纤维等复合材料制成，其中玻璃纤维材料具有较高的机械强度、电绝缘性和热稳定性[5]，能够有效提高10 kV配电架空线路的绝缘水平。

2 电气性能试验

2.1 干工频电压试验

针对复合绝缘横担，取3支试样（编号No.1—No.3），依据GB/T 1408.1—2016《绝缘材料 电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》进行干工频闪络电压试验、30 min工频干耐受电压试验，另取1支试品（编号No.4）进行干工频闪络试验，其闪络电压值为基准值，陡波前冲击耐受电压试验后的试品，其干闪络电压应不低于基准值的90%，干耐受电压为基准值的80%。干耐受电压试验中，试品不应被击穿，试验后立即测量试品伞套的温度，其杆体温度相对于参考绝缘子之差小于10 K。

试验结果如表1和表2所示。由试验结论可知：干工频耐受电压试验后未产生击穿，且试验后其伞套温度和杆体温度相对于参考绝缘子之差小于10 K。

表1 干工频闪络电压试验结果

表2 干工频耐受电压试验结果

2.2 起痕和蚀损试验

针对复合绝缘横担，依据标准GB/T 6553—2014《严酷环境条件下使用的电气绝缘材料评定耐电痕化和蚀损的试验方法》制成芯棒、连接区、伞套、伞裙与产品相同的支柱复合绝缘子短样2支，爬电距离均为650 mm/kV，试样在雾室中一支垂直放置另一支水平放置，施加试验电压为18.7 kV。

试验装置由全塑雾箱、盐雾发生器和试验电源（50 kV/2 A工频试验变压器）组成。1 000 h盐雾试验结果如表3所示。试验结论为：经过1 000 h盐雾试验，复合绝缘横担垂直、水平试样的伞裙和伞套表面均无漏电起痕及蚀损伤痕。

表3 伞套起痕和蚀损试验结果

2.3 可燃性试验

本项试验按照GB/T 10707—2008《橡胶燃烧性能的测定》垂直燃烧法中规定的FV方法进行，取5条硅橡胶材料试样，试样规格尺寸为长125 mm、宽13 mm、厚3 mm。试样的垂直燃烧性能等级测量结果如表4所示。根据测量结果，评定为FV-0级。试验结论为：复合绝缘横担用硅橡胶材料燃烧性能FV-0级。

表4 硅橡胶材料垂直燃烧性能等级测量结果

2.4 干雷电冲击耐受电压试验

对复合绝缘横担进行正极性干雷电冲击耐受电压试验，结果如表5所示。试验结论为：复合绝缘横担干雷电冲击耐受电压≥350 kV。

表5 正极性干雷电冲击耐受电压试验结果

2.5 湿工频耐受电压试验

对交流系统用复合绝缘横担进行湿工频耐受电压试验，结果如表6所示。试验结论为：复合绝缘横担湿工频耐受电压≥160 kV。

表6 湿工频耐受电压试验结果

3 工程应用

3.1 北京10 kV试点一路线路应用

10 kV试点一路位于平原地区，该线路投运于2008年8月，线路运行受自然环境及气候条件影响较为显著。该地区年均雷暴日为53 d，属多雷区，线路每年平均发生2～3次雷击跳闸。雷击相对集中的杆塔具体记录情况如下：2018年4月22日试点一路28号杆；2018年8月31日试点一路8号杆，试点一路20号杆；2018年9月20日试点一路27号杆；2019年6月29日试点一路34号杆。2020年5月在配网10 kV试点一路应用复合绝缘横担，1号杆—50号杆加装复合绝缘横担42套，迄今未发生雷击跳闸记录。数据对比如表7所示。

表7 试点一路改造前后雷击跳闸数据对比表

3.2 北京10 kV试点二路线路应用

配网10 kV试点二路线路是通州地区雷击跳闸率较高的配电架空线路，雷击故障高发区段为5号杆—10号杆、12号杆—18号杆、20号杆—26号杆，2020年6月在配网10 kV试点二路应用复合绝缘横担，1号杆—40号杆加装复合绝缘横担35套，迄今未发生雷击跳闸记录。数据对比如表8所示。

表8 试点二路改造前后雷击跳闸数据对比表

4 结论

10 kV配电网具有分布广、设备多、绝缘水平低的特点，容易因过电压造成事故，尤其是雷击过电压所带来的影响更大。本文结合试验分析及工程应用验证，提出了一种基于复合绝缘横担的10 kV配电架空线路防雷应用方法。复合绝缘横担应用可有效提升10 kV配电架空线路的防雷水平，实际雷击故障率下降显著。目前，绝缘横担仅应用于10 kV配电架空线路直线杆，需进一步开展耐张杆复合绝缘横担技术的研究及应用。