防弧金具在高海拔10 kV絕緣導(dǎo)線的應(yīng)用

馮彥釗,龔石林,張明

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011;2.華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430074)

防弧金具在高海拔10 kV絕緣導(dǎo)線的應(yīng)用

馮彥釗1,龔石林1,張明2

(1.云南電網(wǎng)公司,昆明 650011;2.華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430074)

提出了用韋伯概率分布模型處理多次放電數(shù)據(jù)的方法,按照絕緣子串耐受且防弧金具間隙擊穿的概率達(dá)到99.85%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)間隙距離,該方法準(zhǔn)確、易操作。通過試驗(yàn),得到了昆明高海拔地區(qū) (海拔2 000 m)10 kV架空絕緣導(dǎo)線P15針式絕緣子加裝防弧金具的間隙距離。

防弧金具;架空絕緣導(dǎo)線絕緣配合;韋伯分布;高海拔地區(qū)

1 前言

架空絕緣導(dǎo)線對(duì)解決線樹矛盾、降低瞬時(shí)故障概率作用十分明顯,但雷擊斷線問題卻非常突出。如果不采用針對(duì)性的措施,對(duì)于絕緣導(dǎo)線來說,基本上雷擊必?cái)郲1-2],因而,研究防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的措施對(duì)保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。

防止10 kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線最直接有效的措施是加裝穿刺型防弧金具[3]。防弧金具可以起到良好的防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的作用,具有運(yùn)行安全,可靠性高、運(yùn)行過程中免檢修維護(hù)的特點(diǎn)。不僅如此,通過間隙之間的泄流,防護(hù)金具還可以對(duì)線路絕緣子起到保護(hù)作用,此時(shí)相當(dāng)于并聯(lián)保護(hù)間隙。因而,防弧金具在10 kV架空絕緣導(dǎo)線中得到了廣泛應(yīng)用。

絕緣導(dǎo)線線芯與絕緣子接地端的絕緣與防弧金具高低壓電極之間的空氣氣隙的雷電沖擊伏秒特性應(yīng)取得良好的配合,才能使防弧金具的作用得到充分發(fā)揮,這要求防弧金具在實(shí)際使用中必須合理確定高低壓電極之間的氣隙距離。在我國大部分地區(qū),海拔差異不大,防弧金具的間隙距離已得到試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的充分驗(yàn)證。但在云南等高海拔地區(qū),由于氣壓的作用,絕緣子的閃絡(luò)電壓和空氣間隙的擊穿電壓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海拔地區(qū)均會(huì)發(fā)生改變[4-5],而且變化的幅度不同[6-8],使得防弧金具的間隙距離需要重新調(diào)整。

以下介紹用韋伯概率分布模型對(duì)多次雷電沖擊擊穿電壓進(jìn)行處理,根據(jù)基于韋伯分布的閃絡(luò)概率來確定絕緣配合的方法,在海拔2 000 m對(duì)10 kV架空絕緣導(dǎo)線用防弧金具的高低壓電極之間的氣隙與絕緣子之間的絕緣配合進(jìn)行了試驗(yàn)研究,從而得到了適用于高海拔地區(qū)10 kV架空絕緣導(dǎo)線用防護(hù)金具的氣隙長度。

2 防弧金具間隙與絕緣子絕緣配合

絕緣導(dǎo)線安裝防弧金具示意圖如圖1所示。該裝置一由高壓電極、低壓電極和絕緣罩三部分構(gòu)成,防弧金具的高壓電極用穿刺刀片透過絕緣導(dǎo)線絕緣層,與線芯導(dǎo)體接觸;絕緣罩罩于穿側(cè)工具之外;低壓電極連接于絕緣子接地端。

在雷電過電壓的作用下,通過與導(dǎo)體緊密接觸的穿刺刀片,將雷電過電壓引至高壓電極外部的金屬電極上,使雷電過電壓沿著高、低壓電極之間的間隙擊穿。此后,工頻續(xù)流電弧將沿著高壓電極的金屬電極表面移動(dòng)燃燒,而不會(huì)再像架空絕緣導(dǎo)線那樣總是固定在某一點(diǎn)燒灼,使溫升不集中于一點(diǎn),從而保證絕緣導(dǎo)線在雷擊過程中不發(fā)生斷線。

圖1 防弧金具的安裝示意圖

僅通過試驗(yàn)得出絕緣子和防弧金具間隙的50%雷電沖擊放電電壓,仍不足以確定絕緣配合,還需測(cè)量得出絕緣子串和保護(hù)間隙的伏秒特性曲線[8]。但繪制伏秒特性曲線十分復(fù)雜,是一項(xiàng)艱巨的工作。文獻(xiàn) [8-9]都提出了根據(jù)間隙擊穿電壓數(shù)據(jù)的概率分布特征,來確定絕緣子和間隙之間的絕緣配合的方法,這種方法具有簡單且實(shí)用的特點(diǎn)。

國標(biāo)GB/T16927.1-1997對(duì)于破壞性放電試驗(yàn),推薦采用正態(tài)分布、Weibull分布和二重指數(shù)分布來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[10]。但對(duì)工程用電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng),一般遵從Weibull分布[11]。對(duì)于擊穿和閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)分布規(guī)律的研究,文獻(xiàn) [12-16]分別驗(yàn)證了各種環(huán)境中電介質(zhì)多次閃絡(luò)和擊穿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在小樣本情況下用Weibull分布的擬合要好于正態(tài)分布,對(duì)其服從Weibull概率分布的規(guī)律的進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。因而,本文提出絕緣子和防護(hù)金具間隙的多次放電電壓數(shù)據(jù)按照Weibull概率分布的方法進(jìn)行處理,按照絕緣子串耐受且防弧金具間隙擊穿的概率達(dá)到99.85%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)絕緣配合[8],得出防弧金具間隙的間隙距離。

由韋伯概率分布處理結(jié)果,得到絕緣子連接絕緣導(dǎo)線后0.1%擊穿概率的雷電沖擊放電電壓Ui0.1%;加防弧金具后,各個(gè)間隙距離下,金具間隙99.9%閃絡(luò)概率的雷電沖擊放電電壓。根據(jù)Ui0.1%＞Ug99.9%的絕緣配合原則選擇最佳的保護(hù)間隙距離。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

10 kV架空絕緣導(dǎo)線常用的絕緣子類型有P15、P20等針式絕緣子,本文對(duì)常用的P15針式絕緣子在高海拔條件下防弧金具間隙與絕緣子的絕緣配合進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)：云南省昆明市電科院高壓實(shí)驗(yàn)室,海拔約 2 000 m,氣壓80 kPa。

3.1 試驗(yàn)裝置

絕緣導(dǎo)線、P15針式絕緣子及其防弧金具的雷電沖擊試驗(yàn)整體試驗(yàn)裝置分別如圖2、圖3所示。圖2測(cè)量絕緣導(dǎo)線線芯至針式絕緣子接地端之間的雷電沖擊放電電壓;圖3測(cè)量加裝防弧金具后防護(hù)金具和絕緣子之間的絕緣配合效果。

圖2 絕緣子連接絕緣導(dǎo)線的擊穿試驗(yàn)裝置

圖3 防弧金具與絕緣子的絕緣配合試驗(yàn)裝置

圖2、圖3中,沖擊電壓發(fā)生器可以提供波前時(shí)間T1和半波峰值時(shí)間T2分別為1.2 μs和50 μs(誤差分別在30%和20%以內(nèi))峰值范圍為30 kV～400 kV的雷電沖擊波,試驗(yàn)中施加負(fù)極性雷電沖擊波。分壓器為BHT400 kV弱阻尼電容式分壓器,變比為420,TektronixTDS3012C型示波器接于分壓器的低壓側(cè),設(shè)置自動(dòng)觸發(fā)用于捕捉波形。配套的LIANAPAC沖擊波形分析軟件可以對(duì)捕捉到的波形進(jìn)行分析,得出視在峰值Upk、波前時(shí)間和半波峰值時(shí)間等參數(shù)。試驗(yàn)的空載波形和典型的閃絡(luò)波形如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)波形記錄

3.2 試驗(yàn)方法

為了能夠準(zhǔn)確、方便地用Weibull概率分布的方法對(duì)絕緣子 (串)及其并聯(lián)保護(hù)間隙的雷電沖擊放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)方法：

分別按圖2和圖3所示試驗(yàn)裝置,在各個(gè)設(shè)定的防弧金具的間隙距離下 (或?qū)^緣子連接絕緣導(dǎo)線),試驗(yàn)電壓由低往高施加,測(cè)量其擊穿電壓Ui。即開始施加一個(gè)較低的電壓,如果沒有發(fā)生擊穿,則增加5 kV電壓繼續(xù)進(jìn)行,直到發(fā)生擊穿為止,記錄雷電沖擊擊穿電壓 Ui。按此步驟,在每種類型的間隙下,重復(fù)進(jìn)行20次,得到一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)所得數(shù)據(jù)按照韋伯概率分布的方法進(jìn)行處理,根據(jù)Ui0.01%＞Ug99.9%的絕緣配合原則選擇最佳的保護(hù)間隙距離。

需要著重指出的是,按圖2裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),所測(cè)量的雷電沖擊放電電壓為擊穿絕緣導(dǎo)線絕緣層后再使絕緣子閃絡(luò)的總放電電壓Ui。一旦絕緣導(dǎo)線的絕緣層擊穿后,后續(xù)試驗(yàn)中Ui的值會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降。因而,為了獲得穩(wěn)定的Ui值,按圖2裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),連續(xù)測(cè)量25次放電電壓,取第6至第25次的值作為Ui的放電電壓值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

間隙的放電電壓一般要小于絕緣子連接絕緣導(dǎo)線后放電電壓的90%。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量,選擇了防弧金具的3個(gè)間隙距離d,分別為11 cm、9.5 cm和8.5 cm,按2.2節(jié)的試驗(yàn)方法,對(duì)P15針式絕緣子連接絕緣導(dǎo)線后的20次雷電沖擊放電電壓Ui和防弧金具的3個(gè)間距下間隙的20次雷電沖擊放電電壓Ug進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖5所示。

圖5 昆明地區(qū)P15針式絕緣子連接絕緣導(dǎo)線及防護(hù)金具間隙的20次雷電沖擊放電電壓

用Matlab軟件對(duì)20次雷電沖擊放電電壓按照韋伯概率分布的方法進(jìn)行處理,可計(jì)算出對(duì)應(yīng)概率的雷電沖擊放電電壓,如表1所示。

表1 P15針式絕緣子連接絕緣導(dǎo)線及防護(hù)金具服從韋伯分布的擊穿電壓值

根據(jù)Ui0.01%＞Ug99.9%的絕緣配合原則,分析表1中的數(shù)據(jù),可得出各間隙是否符合絕緣配合要求的結(jié)果,如表2所示。

表2 昆明地區(qū)防弧金具間隙保護(hù)情況表

由表2可見：

1)僅滿足間隙的50%雷電沖擊放電電壓小于絕緣子連接絕緣導(dǎo)線后總絕緣的50%雷電沖擊放電電壓,仍不足以證明滿足絕緣配合的要求,通過Weibull概率分布的方法可簡單、有效的找出滿足絕緣配合要求的間隙距離。

2)地處高海拔的昆明地區(qū),P15針式絕緣子加裝防弧金具的最佳絕緣配合間距為9.5 cm。

3)根據(jù)文獻(xiàn) [3]中報(bào)道的數(shù)據(jù),長沙地區(qū)(標(biāo)準(zhǔn)海拔地區(qū))P15針式絕緣子加裝防弧金具的絕緣距離應(yīng)為16～17 cm,相對(duì)于高海拔地區(qū)的數(shù)據(jù)有較大的變動(dòng),說明高海拔地區(qū)使用10 kV架空絕緣導(dǎo)線用防弧金具的間隙絕緣配合距離需要重新試驗(yàn),才能在使用中有效防止雷擊斷線。

4 結(jié)束語

1)防弧金具在高海拔地區(qū)10 kV架空絕緣導(dǎo)線中應(yīng)用的關(guān)鍵是要重新確定防弧金具與絕緣子連接絕緣導(dǎo)線后的絕緣配合。采用韋伯概率分布模型處理多次擊穿的數(shù)據(jù),按照絕緣子串耐受且防弧金具間隙擊穿的概率達(dá)到99.85%的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)絕緣配合的方法具有準(zhǔn)確、易操作的特點(diǎn)。

2)根據(jù)試驗(yàn),得到了昆明高海拔地區(qū) (海拔2 000 m)10 kV架空絕緣導(dǎo)線P15針式絕緣子加裝防弧金具的間隙距離為9.5 cm,為防雷金具在高海拔地區(qū)的應(yīng)用提供了方法和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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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

馮彥釗 (1968),男,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)公司,長期從事電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究,fengyanzhao@im.yn.csg。

龔石林 (1979),男,高級(jí)工程師,長期從事電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究。

張明 (1980),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、功率電子變換技術(shù)等。