一种配网防冰防雷复合绝缘子绝缘段结构设计研究
王博闻，方 针，陆佳政，吴 伟，蒋正龙，胡建平
【摘 要】将避雷器和绝缘子结合应用于配网线路中，开发出配网防冰防雷复合绝缘子。基于防冰防雷绝缘子的工作机理，对绝缘段的电气性能进行了试验分析。测试结果表明：100 kV正极性雷电冲击下，当放电球直径从9.87 mm上升到39.98 mm，不同直径放电球对应的空气间隙距离从80.32 mm下降到32.54 mm；26 kV工频湿耐受下，间隙击穿特性随着放电球直径的增大受雨水的影响显著上升。并运用有限元法搭建了防冰防雷绝缘子仿真模型，对放电球进行了电场仿真分析。基于仿真分析和试验结果，得到相同雷电冲击电压作用下放电球直径与空气间隙距离关系的经验公式。结合雷击和工频测试结果，得到放电球直径的取值应≯25 mm。对不同长度支撑件进行了正极性雷电冲击测试，得到了正极性冲击耐受电压随着支撑件长度的变化的经验公式。试验结果表明：当支撑件长度从25 mm上升到60 mm，击穿电压从67.19 kV上升到150.20 kV。基于测试结果，结合防冰防雷绝缘子设计原理表明支撑件的长度应≮60 mm。
【期刊名称】电瓷避雷器 【年(卷),期】2018(000)003 【总页数】8
【关键词】防冰防雷复合绝缘子；放电球；支撑件；雷电冲击；工频湿耐受
0 引言
中低压配网线路是电网中数量最多、累计长度最长，且与用户关联最为密切的线路。配网线路遭受雷击时，若不采取保护措施，易发生雷击跳闸事故，甚至
造成绝缘子表面被电弧烧伤，导线断线现象[1-2]。随着配网改造和电能替代战略实施，配网的供电稳定性问题上升到新的高度。部分区域通过加装避雷器来提高防雷水平，但存在在架设难度大和建设成本高的缺点[3]。此外带间隙避雷器需要考虑与绝缘子的绝缘配合，一方面要躲过工频和操作过电压，保护避雷器，防止误动作；另一方面雷击电压要低于绝缘子，起到保护作用。而绝缘子和避雷器的50%雷电冲击伏秒特性存在较大分散性（超过20%）[4]，因此要实现绝缘配合需要对避雷器和绝缘子进行大量试验研究。
防雷金具由于其经济实用在多个地区得到应用，防雷金具可以有效防止雷击下绝缘子外绝缘破坏，同时电弧被迅速拉长，防止稳定电弧形成。但保护范围下，只有每根杆塔全装保护效果才能得到体现，且需确保杆塔的接地装置良好、接地电阻合格，实践中存在相间击穿、电弧熄灭难等缺点[5]。
覆冰是一种严重危害电网安全运行的自然现象。近几年冰灾事故不断出现，如2004年12月和2008年1月，湖北、湖南、江西、河南、重庆、贵州等地的电网设施出现严重覆冰现象[6-7]，输变电设备发生大量的冰闪跳闸。输电线路绝缘子被冰凌包裹后，爬电距离被短接，泄漏电流显著增加，直至表面反复出现闪络[8-9]，线路无法正常运行。
目前电网防雷与防冰能力都是单独考虑，没有将两者进行结合。且10 kV线路并没有进行防冰能力设计。本文在国网科技项目的支持下，结合防冰与防雷功能要求开展复合绝缘子结构研究，实现了绝缘子防雷和防冰闪功能的二合一。
1 配网防冰防雷复合绝缘子结构
一种防冰防雷复合绝缘子的结构图如图1所示。外部伞裙采用复合材料、大小伞裙设计，以增大结冰桥接所需时间，降低重冰地区由结冰导致的相地之间短
路接地事故概率[8，10-11]。
绝缘子内部分两部分，下部分防雷段，上部为绝缘段。正常运行时，绝缘段承受电压，避免电阻片老化。当雷击造成配网线路电压升高，绝缘段放电球发生击穿，氧化锌电阻片由高阻状态迅速转为低阻，形成放电，线路过电压下降，此后非线性电阻片作用下绝缘恢复。而单相导线与地之间未形成稳定工频电弧导致跳闸事故。因此防冰防雷复合绝缘子可有效提高雷击和覆冰灾害下配网系统供电稳定性。
防冰防雷绝缘子的绝缘段设计需要考虑空气间隙与支撑件的配合问题，如图1。雷击下空气间隙要先于支撑件击穿，有效的保护绝缘段的内部绝缘。而正常工频下，空气间隙需要承受住正常的工频电压和操作冲击电压。防冰防雷绝缘子的空气间隙采用球球间隙，内部绝缘采用环氧块进绝缘，整体灌封材料为尼龙T66材料。防冰防雷绝缘子既是避雷器也是绝缘子，其电气特性实际为具有支撑件的带间隙避雷器，在此参考相应的避雷器标准DL 815—2012进行测试分析[12]。基于上述标准要求，搭建了试验平台，对防冰防雷绝缘子绝缘段设计进行了试验研究，为防冰防雷绝缘子的参数设计提供了设计依据。
2 试验平台
分别对球球间隙和支撑件进行雷电冲击和工频耐受测试。DL815-2012标准要求，10 kV配网带外间隙的避雷器的雷电冲击50%电压需要低于100kV，工频湿耐受数值不低于26 kV，支撑件的工频耐受数值要高于空气间隙10%。 雷击测试目的是保证雷击下，外部空气间隙先于内部绝缘击穿，由于外部空气间隙的绝缘可以实现“自愈”，放电后，空气间隙的绝缘可恢复，因此可有效的保护内部绝缘。工频湿耐受是考验绝缘子的耐受工频能力，防止防冰防雷绝
一种配网防冰防雷复合绝缘子绝缘段结构设计研究
