論配電網(wǎng)設(shè)備絕緣電擊穿與保護(hù)

蘇秀芹 孫彪

摘要：主要論述35kV級(jí)縣域配電網(wǎng)絕緣問(wèn)題，著重點(diǎn)在大氣過(guò)電壓下的電擊穿機(jī)理分析，特別強(qiáng)調(diào)了有機(jī)材料的耐壓特性，在理論上對(duì)其進(jìn)行了分析，而后由電擊穿試驗(yàn)驗(yàn)證35kV這樣相對(duì)低的配網(wǎng)電壓下由于絕緣尺寸小，電場(chǎng)應(yīng)為均勻場(chǎng)其累積效應(yīng)在有機(jī)固體絕緣材料中并不存在，由此指出了在有機(jī)絕緣的壽命期內(nèi)只要有完善的過(guò)電壓保護(hù)，又假定如過(guò)流等熱保護(hù)是可靠的，就確保了絕緣即無(wú)電擊穿又無(wú)熱擊穿，那么就可大大放寬高壓絕緣試驗(yàn)周期，可免去一些不必要的項(xiàng)目，在加強(qiáng)絕緣安全保護(hù)的同時(shí)就能簡(jiǎn)化減少試驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和要求，有利于解決大量配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)檢項(xiàng)目多一線人員相對(duì)少的矛盾。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)安全;電擊穿;累積效應(yīng);有機(jī)絕緣

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0186-02

電氣設(shè)備的損壞多數(shù)是由絕緣引起的，其固體絕緣中有機(jī)材料具有良好的物理特性多被采用。但其擊穿是不可逆的永久損壞過(guò)程，在現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)教材上已規(guī)定擊穿類別為電擊穿與熱擊穿兩大類，在35kV的縣域變電所內(nèi)的電氣設(shè)備絕緣的擊穿，當(dāng)首先考慮大氣過(guò)電壓下的電擊穿，因過(guò)電壓倍數(shù)相對(duì)于工頻工作電壓及內(nèi)過(guò)電壓的倍數(shù)要高得多，因此它的矛盾較輸電網(wǎng)更為突出。在較多教科書(shū)中，認(rèn)為由于固體絕緣累積效應(yīng)的存在，對(duì)瞬時(shí)沖擊過(guò)電壓，50%擊穿電壓的不確定性及保護(hù)存在延時(shí)等不利的因素要求對(duì)電氣設(shè)備應(yīng)定期、加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)護(hù)及要求較短的設(shè)備試驗(yàn)周期，而事實(shí)是執(zhí)行上確有困難。如10kV配電變壓器在我市區(qū)內(nèi)其公用變已達(dá)1100多臺(tái)，縣域城區(qū)內(nèi)也有500多臺(tái)，但從事配電運(yùn)檢人員定編少，每年工作重點(diǎn)也不會(huì)在配變上，因此每年要進(jìn)行定期試驗(yàn)是完全不可能的。有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)檢人員也認(rèn)為規(guī)程的規(guī)定偏于嚴(yán)格，實(shí)踐證明是不需要的。由此，假若對(duì)其負(fù)荷率β得到控制，變壓器的溫度會(huì)被限制在壽命期規(guī)定的值內(nèi)，過(guò)電壓保護(hù)是可靠的，并且可證明固體絕緣并無(wú)累加效應(yīng)的存在，那么就完全可以認(rèn)定一個(gè)密封的電氣設(shè)備在絕緣壽命期內(nèi)它的耐壓是不會(huì)變的，由此推論認(rèn)定可大大放寬電氣設(shè)備的試驗(yàn)周期，甚至可考慮設(shè)備一直運(yùn)行是壽命期終止，直接更換，期間再無(wú)需維護(hù)及試驗(yàn)，將較大地提高了供電可靠性，極大地減少了工作量，有效解決了上述矛盾，但這只是據(jù)統(tǒng)計(jì)猜測(cè)，尚需給出必要的論證，這就是本文以下的核心內(nèi)容。

一、有機(jī)絕緣材料的電擊穿

有機(jī)化合物由碳鏈構(gòu)成的化合物稱為碳?xì)浠衔锛捌溲苌?，其特點(diǎn)是有良好的物理機(jī)械特性——可彎折成任意形狀而不改變絕緣特性，材料化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定且有良好的絕緣特性，但受熱及獲取能量時(shí)碳鏈易斷裂，嚴(yán)重可析出碳的小顆料，此時(shí)將完全失去了其原有的化學(xué)特性及物理特性。

因各有機(jī)物為其碳鏈分子鍵能大體一致，故不同的有機(jī)材料的擊穿物性基本一致，后續(xù)內(nèi)容將只介紹紙板的擊穿特性，其他對(duì)應(yīng)類比。

1.有機(jī)材料的電擊穿機(jī)理簡(jiǎn)要介紹

電擊穿試驗(yàn)如圖1所示。

當(dāng)加一瞬時(shí)高壓至兩極板之間，其強(qiáng)大的場(chǎng)能將使有機(jī)材料成離子或電子極化擊穿，但由于材料的分散性以及擊穿時(shí)間相當(dāng)短，擊穿通道之小只形成唯一的一個(gè)狹小擊穿通道，由于電絕緣材料同時(shí)也是熱的不良導(dǎo)體，因此能量高度集中釋放在此通道中，使其溫度快速上升致使其碳化析出了碳的小顆粒，有機(jī)材料有了新的物質(zhì)生成，不在具有原來(lái)的化學(xué)性質(zhì)，這就是其不可逆特點(diǎn)，電擊穿的永久破壞就形成了。

2.大氣中閃電擊穿通道對(duì)比介紹

如圖2所示，對(duì)很薄的有機(jī)固體擊穿是不可見(jiàn)的，有的在表面用放大鏡可看到一黑點(diǎn)即擊穿的入出口，而大氣擊穿是可見(jiàn)的，先分析大氣擊穿再對(duì)比有機(jī)固體中異同，進(jìn)而得出本文的論點(diǎn)，雷電致大氣擊穿特點(diǎn)如下：負(fù)雷云作用，先導(dǎo)是向下發(fā)展的;擊穿通道具有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，圖上對(duì)比大地樹(shù)木應(yīng)有數(shù)百米長(zhǎng);擊穿過(guò)程并不是瞬時(shí)完成的，因流柱各分枝先導(dǎo)二次電子崩在主通道擊穿放電，因場(chǎng)強(qiáng)降低后不可能繼續(xù)發(fā)展，只是局部的;主通道釋放了絕大部分能量，分枝先導(dǎo)二次電子崩流柱能量相對(duì)有限;分枝流柱都在中部形成，甚至于有平行地面的分枝流柱，這是場(chǎng)強(qiáng)的畸變產(chǎn)生的，顯然它是一極不均勻場(chǎng)。

3.固體有機(jī)材料的對(duì)比分析

如上假若固體材料擊穿與之相似，那么流注分枝的刷狀放電部分將會(huì)在固體中留下印記，即原絕緣強(qiáng)度將受到削弱，這就是所謂的累積效應(yīng)。在后面的擊穿試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)被擊穿的有機(jī)絕緣材料擊穿通道外圍的該材料的絕緣強(qiáng)度有所降低，以此證明其累積效應(yīng)不存在。同樣在固體中非貫穿性的放電也不存在，這是因?yàn)?5kV這樣低的電壓絕緣材料厚度有限，與之比較其場(chǎng)應(yīng)為均均場(chǎng)，其理論支持不是流柱而是為湯遜。又因等效兩極板距離短，如若擊穿則時(shí)間極短，能量只在唯一的擊穿通道內(nèi)釋放。再則達(dá)到擊穿電壓臨界點(diǎn)后則它必將擊穿，因其擊穿強(qiáng)度降低遠(yuǎn)大于電壓下降的速率，這是由于系統(tǒng)分布電容的存在使其電壓難以突變，如大氣局部的放電是不可能存在的。這是對(duì)累積效應(yīng)不存在的設(shè)想。

三、有機(jī)絕緣材料擊穿特性分析

以絕緣紙板為例，因?yàn)樵撛囼?yàn)數(shù)據(jù)為全國(guó)各教課書(shū)采用，為便于分析與說(shuō)明現(xiàn)用a、b、c、d四段折線將其等效之圖3：

關(guān)于有機(jī)固體絕緣擊穿特點(diǎn)，分析如下：考慮到其他有機(jī)材料鍵能相近性的d線最低熱擊穿電壓當(dāng)量比值為1B（B即倍數(shù)），1B是長(zhǎng)期擊穿電壓也即工頻擊穿電壓值。取x線左邊即50微秒雷電波全長(zhǎng)作為電擊穿研究對(duì)象。b線10微秒到50微秒擊穿電壓不變?yōu)?B，它說(shuō)明了雷電沖擊下絕緣耐受能力最少6倍于工頻電壓幅值，雷電沖擊下絕緣耐受能力在波尾最小。a線與所加電壓及時(shí)間有關(guān)，屬離子、電子極化擊穿給出關(guān)鍵值僅為0.5微秒，對(duì)應(yīng)擊穿電壓需要大于10B，1微秒是雷電波頭等效值約為8B，可以看到由于時(shí)間的作用雷電波頭絕緣耐壓強(qiáng)度較波尾高30%多。c線段是熱擊穿分子極化60秒（1分鐘耐壓值）對(duì)應(yīng)的是熱擊穿c段為2B，50微秒是雷電波主波長(zhǎng)。

由上可知電壓波時(shí)間越短，需要越大的擊穿電壓幅值，可以認(rèn)為有機(jī)材料需要一個(gè)最低的擊穿能量，這為選擇什么樣的主絕緣保護(hù)提供了依據(jù)。

四、過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備選擇問(wèn)題

1.選擇管式避雷器優(yōu)點(diǎn)分析

管式避雷器最大延時(shí)小于0.5微秒，一個(gè)例子是在電纜進(jìn)線段的保護(hù)中，為確保避雷器動(dòng)作第一備用管式避雷器保護(hù)距電纜進(jìn)線70米，波往返距為140米，因波速每300米/微秒，故管式避雷器最大延時(shí)小于0.5微秒。當(dāng)波的陡度很大時(shí)，延時(shí)0.5微秒擊穿下降至零（略去后續(xù)波振蕩部分），用0.5微秒的方波等效后則擊穿電壓為10倍的工頻擊穿電壓，因此管式避雷器對(duì)主絕緣的保護(hù)很容易實(shí)現(xiàn)，且有較大的安全裕度。但管式截波對(duì)縱絕緣的破壞是致命的，保護(hù)縱絕緣要降幅降陡，波前陡度的降低就會(huì)延長(zhǎng)作用時(shí)間，耐受電壓倍數(shù)就降低又是一矛盾，但變壓器類設(shè)備的保護(hù)是嚴(yán)禁采用管式避雷器，在變電所內(nèi)為防此類破壞性截波發(fā)生，往往是管形避雷器擊穿電壓大于其他閥式、氧化鋅避雷器的擊穿電壓，即管式避雷器在閥式、氧化鋅避雷器的保護(hù)范圍內(nèi)，其在一定程度上抵消了它的優(yōu)勢(shì)，使用范圍受限。

2.閥式、氧化鋅避雷

這種擊穿不會(huì)出現(xiàn)電壓突變，閥式擊穿瞬間有一個(gè)較小的截波，這一小的截波可略去它的影響，波尾變化平穩(wěn)，因此避雷器動(dòng)作后對(duì)絕緣擊穿不在波頭主要在波尾，它等效的是一個(gè)大于10微秒<50微秒的矩形波，則擊穿電壓為6倍工頻電壓，這在主絕緣保護(hù)可靠性上較之管式避雷器8～10倍出穿電壓，僅為其60%左右要小得多，由于瞬時(shí)擊穿電壓，非常之高，所以閥式擊穿的一個(gè)氣隙擊穿的尖波并不影響到整個(gè)擊穿電壓范圍較大，這不如氧化鋅避雷器，但經(jīng)分析，它們都是可靠的，其可靠性分析如下，以35kV工頻1分鐘耐壓不小于90kV，其工頻耐壓長(zhǎng)期級(jí)為1分鐘50%是圖3即90kV×50%=45kV，即為45kV，查規(guī)范其35kV耐雷電沖擊擊穿電壓為200kV，按圖3中10微秒放電耐受電壓約為6B計(jì)算等于6×45kV=270kV，其值大大高200kV。

UNM=K1K2Ue=3.2×1.2=135kV

50%UJM=K1K2K3Ue=188kV

K1——沖擊最大內(nèi)過(guò)電壓水平，35kV為3.2p.u;K2——最大工頻電壓與額定電壓比值，等于1.2;K3——與避雷器配合系數(shù)，約等于1.4;UNM——最大35kV內(nèi)過(guò)電壓允許值;50%UJM——標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊避雷器動(dòng)作參考值。

計(jì)算得35kV（中性點(diǎn)不接地）UNM=135 kV，其內(nèi)過(guò)電壓是最大不動(dòng)作電壓，避雷器要躲過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)的內(nèi)過(guò)電壓，其能量大于避雷器閥片的熱容量引起爆炸。動(dòng)作應(yīng)小于50%UJM，即大氣過(guò)電壓是必須要?jiǎng)幼鞯模o出了最大配合系數(shù)1.4。實(shí)際上絕緣耐受最小值是6B為270kV，當(dāng)采用管式避雷器0.5微秒內(nèi)作用時(shí)可達(dá)10B=10×45=450kV?？梢?jiàn)那一種過(guò)壓保護(hù)對(duì)雷電沖擊過(guò)電壓絕緣保護(hù)都是可靠的。問(wèn)題是若存在有累加效應(yīng)將降低其正常耐壓值的情況下將不正確，因此必須證明累加效應(yīng)不存在。

五、證明累加效應(yīng)不存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

下面是由三級(jí)試驗(yàn)變壓器給出的一整塊1mm厚800×1800mm樹(shù)脂版試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

試驗(yàn)前取一整塊1mm厚800×1800mm樹(shù)脂版均分為三塊1mm厚800×600mm樹(shù)脂版。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)一：擊穿電壓

板1 板2 板3

57kV 56.7kV 56.2kV

試驗(yàn)數(shù)據(jù)二：擊穿后樹(shù)脂版耐壓

板1 板2 板3

2.65kV 2.71kV 2.69kV

試驗(yàn)數(shù)據(jù)三：將擊穿后的樹(shù)脂版擊穿部分去除后，再加壓進(jìn)行試驗(yàn)，取其中六塊，擊穿電壓

*板1-1 *板1-2 *板2-1 *板2-2 *板3-1 *板3-2

55.9kV 56.8kV 59.6kV 56.4kV 57.2kV 56.7kV

其中標(biāo)注“*”為發(fā)生在試驗(yàn)一已施加場(chǎng)強(qiáng)區(qū)間。

試驗(yàn)一與試驗(yàn)三數(shù)據(jù)比較，差別很小可以看作為誤差造成，兩次數(shù)據(jù)一致。可以得出電擊穿后沒(méi)有累積效應(yīng)或可以略去累積效應(yīng)的影響。

原計(jì)劃加10倍約500～600 kV完整沖擊波后再進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)三的測(cè)試，因我市公司條件所限沒(méi)能試之，小有遺憾。

六、結(jié)論

根據(jù)以上分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：電擊穿不可逆，當(dāng)擊穿后的耐壓將顯著降低，在經(jīng)受過(guò)高壓但未擊穿部分的耐壓沒(méi)有變化，故認(rèn)為累積效應(yīng)在35 kV有機(jī)固體的均勻場(chǎng)下、短擊穿通道情況下并不存在。由此推論在實(shí)現(xiàn)了可靠的過(guò)電壓保護(hù)后，有機(jī)絕緣材料工作在允許的溫度范圍之內(nèi)，將是非常安全的。因此在配網(wǎng)中的電氣設(shè)備針對(duì)有機(jī)固體絕緣試驗(yàn)周期延長(zhǎng)是可以的，如配變高度密封下不做在經(jīng)濟(jì)性上是有利的。

（責(zé)任編輯：王祝萍）