国内外并联间隙外绝缘研究现状调研报告.docx

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国内外并联间隙外绝缘研究现状调研报告

国内外并联间隙外绝缘研究现状

一、并联间隙的研究背景

高压架空输电线路的雷击跳闸故障是影响世界各国电网安全供电的一个难题。

当今雷害事故在线路全部跳闸事故中仍占很大的比重，特别是在南方地区。

广东电网线路防雷运行数据表明，2008年110kV及以上线路雷击跳闸650次、占线路总跳闸数的62.3%[1]。

在日本，50%以上的电力系统事故由雷击引起；美国、俄罗斯等12国的275kV~500kV输电线路连续3年的运行资料表明，雷害事故占总事故的60%[2]。

因此，输电线路的防雷工作至关重要。

由于线路雷击跳闸率是我国考核电网安全运行的重要指标，目前我国所采用的架空线路防雷保护措施主要是基于“堵塞”型防雷保护的思想，即尽可能地提高线路的耐雷水平，减少雷击跳闸率。

常见的防雷措施包括架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线、安装线路避雷器等[3]。

这些方式在电源点少、电网网架较薄弱的情况下是合适的，但“堵塞”型雷击闪络意味着需要巨额投资，且技术上难以实施[4]。

并联间隙防雷，是和传统的防雷保护方式不同的一种“疏导型”的防雷保护方式。

“疏导型”防雷保护是指是允许线路有一定的雷击跳闸率，采用间隙装置与绝缘子串并联，接闪雷电，疏导工频电弧，虽有雷击闪络，但无永久性故障，重合闸能够成功动作，从而有效地防止绝缘子损坏，避免雷击事故发生，达到“不少送电”这一最终目的[5]。

二、并联间隙的工作原理

并联间隙的工作原理为：

在绝缘子串旁边并联1对金属电极（又称招弧角/引弧角），构成保护间隙，间隙距离大于绝缘子串的串长，如图1所示。

正常运行时，并联间隙具有均匀工频电场的作用。

架空线路遭受雷击时，在绝缘子串上产生较高的雷电冲击过电压，由于并联间隙的雷电放电电压低于绝缘子串的放电电压，间隙先放电；接续的工频电弧在电动力和热应力作用下，离开绝缘子串在间隙电极之间燃烧并向外发展，保护绝缘子串免于损坏；由于是瞬时性故障，空气绝缘可自恢复，保障了重合闸的可靠性。

图1并联间隙装置示意图

在架空输电线路上采用并联间隙防雷方式的优点有：

1）提高系统重合闸成功率，防止出现系统大事故；

2）降低线路的雷击事故率；

3）保护绝缘子不受损坏；

4）可以做到不巡线，大大减轻劳动强度，提高电力系统经济效益。

另一方面，目前，高压架空线路上由于绝缘子的工频闪络如污闪、湿闪、冰闪等造成的事故也很多，给电力系统带来的损害也很严重。

由于工频闪络对绝缘子的损伤也很严重，因此，安装并联间隙的另一个优点是当绝缘子发生闪络时，能够有效地将绝缘子表面的工频电弧拉到远处燃烧，有效地保护绝缘子[6~7]。

绝缘子并联间隙装置的缺点是在绝缘子串大量安装了并联防雷保护间隙后不可避免地会降低线路在雷电过电压下的绝缘水平，耐雷水平也会降低，线路耐雷水平的降低往往会导致雷击跳闸率的升高。

三、国内外架空线路并联间隙的研究

日本早在二十世纪六十年代根据电气事业联合会电力用规格A－302对招弧角实现了标准化，据JEC－207－1979《架空送电用架空金具》所列，计有32种型式，280余个规格，可适用于66－154kV各级电压架空线路的导线悬垂绝缘组合串和耐张绝缘组合串[19]。

图2给出了日本154kV架空线路悬垂绝缘子串的招弧角结构。

图2日本154kV架空线路悬垂绝缘子串的招弧角

德国对此保护装置称为引弧保护装置，他们对保护装置的要求比较高，他们认为保护装置不仅要在雷电过电压时对线路起到保护作用，还要防止绝缘子受到污秽后，在不利气象条件下闪络的危险。

德国的这种引弧保护装置，要求能在雷击闪络装置燃弧后，立即将起弧点上的电弧转移，并很快的把它引到最终燃烧点上，在此点一直燃烧到短路电流被切断为止。

因此，电弧的转移速度就是一个非常关键的问题，因为电弧转移阶段线路绝缘的损坏与电流及时间有关。

短路电流决定于系统的固有条件，而时间就要靠引弧装置来控制了。

也就是电弧的转移速度越快，则电弧自转移点至最终燃烧的过程对绝缘体的损坏概率就越小。

为此，他们进行了一系列的试验研究，例如，起弧点与绝缘体之间的距离；引弧装置中的电弧磁力、气流阻力、风荷载作用的压缩力等；引弧装置的机械应力、热应力、承载能力、材料的耐高温性、安装方向、结构型式及防电晕性能等[4]。

俄国的绝缘保护装置是一种均压屏蔽保护环，他们只在避雷线上安装招弧角。

该国对均压屏蔽装置的研究卓有成效，曾在1150kV的线路的中相V形绝缘串上不用传统的均压屏蔽环，而是推荐在杆塔处的分裂导线中，沿分裂导线圆周均布两根同导线等径的线段，以平衡导线的表面场强，达到均压屏蔽的效果。

此外，还进行了在分裂导线中心放置纵向内屏蔽棒的研究。

该国还曾研究过悬垂绝缘组合串使用同柱均压屏蔽环的效果，和750kV线路用椭圆相的可能性。

同时，亦对耐张绝缘组合串的保护装置进行了多项研究[4]。

国内研究成果：

中国电力科学研究院对有别于传统“堵塞型”防雷思想的并联间隙“疏导型”防雷方式进行了大量试验研究，并联间隙防雷是对传统防雷保护方式的有效补充。

我国对并联间隙防雷方式的研究近年来才开展起来。

中国电力科学研究院对35kV、110kV和220kV架空输电线路并联间隙防雷装置进行了研制和试验研究，并联间隙结构图如图3所示；华中科技大学对特高塔绝缘子串用招弧角（并联间隙防雷装置）进行了试验研究；文献[12]也对并联间隙防雷的思想进行了论述。

由于我国架空输电线路绝缘等级比较低，安装的并联间隙不能象日本等国家那样将绝缘子短接80%左右，只是间隙的长度与绝缘子串的长度基本接近。

试验表明这样很难保证放电都在并联间隙之间发生，会有一部分雷击放电出现在绝缘子表面，这时必须优化设计并联间隙的形状和尺寸，确保绝缘子表面出现的工频续流引起的电弧能够快速滑动到并联间隙而不损坏绝缘子。

因此，如何在我国现有的绝缘配合规程下，合理设计适合我国国情的架空输电线路并联间隙防雷装置，是目前我国防雷保护领域里一个有待深入研究的课题，不宜直接照搬国外已有的输电线路并联间隙的研究和应用经验，文献[13]也对我国需要进行并联间隙装置研究的背景和必要性进行了论述。

图3110kV、220kV并联间隙装置结构图

我国目前对于并联间隙的研究主要集中在以下两个方面：

一是确定保护间隙和绝缘子串之间的绝缘配合。

只有合适的间隙距离才能保证间隙既可以在雷击时能够对绝缘子串进行可靠的保护，又不把线路的绝缘水平降低到不可接受的程度。

二是建立并联间隙短路电弧运动仿真模型，设计间隙电极的形状，改善装置导弧性能，使工频电弧在电动力和热应力作用下，快速离开绝缘子串，在间隙电极之间燃烧并向外吹散。

同时使得安装间隙后的绝缘子串上分配的电压分布合理，不会引起线路绝缘的电场分布扭曲，减小绝缘子串和金具电晕放电的可能性。

导弧性能是我国并联间隙装置结构设计的关键目标。

1）间隙和绝缘子串之间的绝缘配合研究现状

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。

为了优化设计间隙形状、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，华中科技大学林福昌等人开展了在绝缘子串两端并联不同尺寸的间隙装置后雷电波闪络的路径，以及雷电冲击闪络电压随不同间隙距离变化的规律的研究[14]。

试验结果表明：

在雷电冲击放电试验中，所有被试的并联间隙都可形成雷电放电通道；不同电极形状的间隙在雷击放电电压和放电路径方面无明显差别，间隙距离与放电电压值之间具有较好的线性关系。

文[15]研制了适用于我国110kV、220kV架空输电线路的并联间隙防雷保护装置，优化了装置的设计，给出了电极设计尺寸的系列表格，以便工程技术人员可根据绝缘子片数以及线路跳闸率来选择并联间隙的尺寸。

其设计的110kV和220kV并联间隙装置如图4所示。

图中，L0为绝缘子串的长度，L为间隙的最短距离，dc为接地侧电极的外端部至绝缘子串中心线的距离，dp为导线侧电极的外端部至绝缘子串中心线的距离，hc为接地侧电极短接绝缘子串的高度，hp为导线侧电极短接绝缘子串的高度。

上电极为针形，端部上翘；110kV的下电极端部为球形，220kV的下电极在总长度约1/3处开始分叉。

对应110、220kV两个电压等级不同片数的绝缘子串，上电极共有12种不同的尺寸，下电极共有9种不同的尺寸；上、下电极可构成近百种组合。

图4110kV和220kV架空线路并联间隙

2）并联间隙导弧性能研究现状

按照电弧的长短，电弧可以分为长间隙电弧和短路间隙电弧。

一般认为，若阴极和阳极彼此相隔很远，则两电极的热过程并不互相影响，而且弧柱中发生的过程起主要作用，这类电弧称之为长间隙电弧；当两电极间距离极短时，就强烈地出现两电极间的相互热作用，并且在两电极附近区域的热过程起主要的作用，这类电弧属于短间隙电弧。

长间隙电弧在电力系统中很常见，而架空输电线路上的短路电弧、潜供电弧

和开关电弧一直是国内外研究人员研究的热点和难点。

其中，开关电弧的研究更

多些，理论更为完善。

架空输电线路上的短路故障电弧一直是威胁电力系统安全运行的重要因素。

一直以来，国内外学者主要集中研究短路故障电弧产生的原因，即空气击穿和绝缘子串闪络，短路故障电弧外部阻抗特性，及其利用外部阻抗特性研究短路电弧对电网造成的影响。

除了开关电弧和短路故障电弧，由于系统发生单相瞬时短路故障被断路器切除后产生的潜供电弧也是国内外电力研究中得到关注对象。

中国电力科学研究院曹荣江等人从二十世纪六十年代就开始潜供电弧试验，其研究结果一直为我国电力系统设计所使用。

近年来，各种计算方法和模型被提出用来分析潜供电弧的参数及熄灭时间等，国外学者也进行了类似的研究。

这些对潜供电弧的研究侧重点在于其熄灭和重燃特性，包括潜供电弧的电压、电流、熄灭时间等。

而对并联间隙导弧性能的研究目前主要是从两个方面着手：

一是通过工频大电流燃弧试验，研究并联间隙装置的转移疏导电弧特性，验证雷电引起的间隙闪络和后续的工频电弧的弧根是否迅速转移到或固定在间隙装置的高压放电球和低压引弧棒上，使绝缘子串免于烧损；二是通过建立电弧运动仿真模型，通过仿真研究并联间隙上的工频电弧的运动特性。

文[16]用单相绝缘子串并联间隙试验模拟相间短路出现的大电流燃弧现象，用三相绝缘子串试验研究并联间隙实际运行中的保护效果。

结果表明：

并联间隙有良好的引弧效果，并联间隙能够保护绝缘子串和导线免于烧损。

即使雷电冲击闪络发生在绝缘子串表面，并联间隙也有良好的引弧作用，能将电弧迅速从绝缘子串转移到并联间隙电极之间并向外发展，保护绝缘子串免于灼烧。

国网电科院武汉高压研究所和清华大学比较了各国并联间隙装置的特点，根据架空线路并联间隙装置的保护功能，指出导弧性能是我国并联间隙装置结构设计的关键目标。

通过从磁场力和电弧运动两个方面分别分析两种典型不同结构的并联间隙装置的导弧性能，得出了上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的导弧性能，是一个相对较好的结构的结论。

四、并联间隙的装置结构设计

图5列出了几种典型的间隙装置结构，各种间隙环具有相同的尺寸。

下面应用电弧运动理论对这几种间隙装置的电弧运动性能及机械强度进行分析。

图5（a）所示的间隙装置环机械强度高，抵抗横穿风力能力强，但电动力学上有缺陷，不存在明显的最终燃烧点，在任何情况下起弧点都是双向移动的，移动速度较低，等离子流朝磁中性点移动时沿环周边不稳定地燃烧。

图5（b）所示的间隙装置环刚度较小。

起弧点转移以后电弧总是单向移动，故移动速度较快。

在环开口端部起弧点会前后交替跳跃（摇摆），同时等离子流在其喷射方向也是不稳定的。

图5（c）所示的间隙装置环机械强度相对较低，电弧单向移动，其主要缺点是起弧点可能从最终燃烧点跳跃到对面的电极边上去，并开始重复的运动过程。

因此电弧在环上会发生旋转类似于兜圈子。

图5（d）和（e）所示的间隙装置环机械强度与图5（b）所示的环几乎一样。

其起弧点移动是单向的，在任何情况下起弧点总会沿着间隙装置环快速转移到辅助支撑的放电球上，并在此形成最终燃弧点，将等离子流稳定地从放电球上射出。

绝缘子串低压端的间隙装置必须与绝缘子串高压端的间隙装置的构造一致，最终燃烧点的方向也应一致。

根据1989年IEC/TC22对18个国家的高压和超高压架空输电线绝缘子串保护装置的采用情况所做的调查表明[15]：

大多数高压和超高压交流架空线装有保护装置，特别是欧洲和日本，不论电压高低，全部线路都安装保护装置。

各国由于电力系统内的保护措施不同，对架空线路并联间隙装置的叫法也不相同。

日本一般称招弧角，德国则称引弧保护装置。

另外，根据架空线路电压等级的不同及所选用的绝缘子类型的不同，并联间隙装置也有不同的功能和形式，对于悬垂串，在220kV及以下架空线路一般以引弧为主，兼有改善绝缘子串电压分布的作用，因此，多表现棒形电极的形式；而330kV及以上架空线路，主要为了改善绝缘子串电压分布和屏蔽电晕，并兼有引弧的功能，因此，多表现为均压屏蔽环的形式。

对于复合绝缘子，由于电压分布更加不均匀，因此，在110kV及以上架空线路都采用均压屏蔽环。

并联间隙装置结构设计目标从架空线路并联间隙装置的保护思想来看，其功能有以下三个：

（1）接闪雷电：

当线路遭遇雷电冲击时，多数先在间隙处闪络，从而避免绝缘子发生沿串闪络；

（2）转移疏导工频电弧：

使雷击时少数发生在沿绝缘子串的闪络以及绝缘子串工频闪络产生的电弧，尽快沿着并联间隙电极向着远离绝缘子串的方向转移，直至将电弧疏导至电极端部稳定燃烧，从而有效保护绝缘子串；（3）均匀工频电场：

在一定程度上均匀了绝缘子串两端附近的工频电场，改善了绝缘子串的电压分布。

因此，并联间隙装置的结构设计也有与其功能相对应的三个目标，即遭遇雷击时尽可能多地使间隙先闪络、尽快地疏导工频电弧远离绝缘子和尽量地均匀工频电场。

一般来说，对于220kV及以下电压等级来说，最关心的是前两个目标。

对于并联间隙装置结构设计目标一来说，主要通过改变间隙长度与绝缘子串长的比值，利用雷电冲击放电实验确定其伏秒特

性曲线，从而使间隙与绝缘子串保持良好的绝缘配合来实现。

对于并联间隙装置结构设计目标二来说，主要涉及并联间隙装置的结构、电极的形状以及装置的安装方式[13]。

在保证间隙长度与绝缘子串满足一定的绝缘配合时，如何优化设计并联间隙装置的结构以使其导弧性能达到最优，是结构设计的关键。

五、总结

本课程论文主要是对国内外并联间隙外绝缘研究现状进行调研，调研发现我国主要对绝缘子串并联间隙装置与绝缘子的伏秒特性配合问题和导弧性能进行研究，在开展绝缘子串及并联间隙的雷电冲击伏秒特性试验工作，还需要考虑污秽、海拔、不同间隙结构等因素对绝缘子伏秒特性的影响，为绝缘子串并联间隙的研究工作提供支持。

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