多功能組合式防雷裝置

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司 方 菁 陳 宇 繆進(jìn)榮 上海四量電子科技有限公司 賀潤(rùn)平 王哲斐 黃 偉

以計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云儲(chǔ)存、機(jī)器人為核心的智能時(shí)代，正掀起輸配電網(wǎng)的深刻變革。輸配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有保障作用，全絕緣化、帶電作業(yè)無(wú)疑是未來(lái)的布局和發(fā)展方向。當(dāng)前，各電壓等級(jí)的輸電線路多采用傳統(tǒng)的桿塔結(jié)構(gòu)并配置金屬橫擔(dān)加絕緣子串掛接導(dǎo)線運(yùn)行。為了符合相應(yīng)的絕緣強(qiáng)度和爬電比距的要求，金屬橫擔(dān)必須搭配足夠長(zhǎng)度的絕緣子串，在惡劣的氣象條件下，較長(zhǎng)的絕緣子串容易使導(dǎo)線風(fēng)舞從而造成相間短路等線路故障，嚴(yán)重威脅著線路的安全可靠運(yùn)行。

電網(wǎng)輸電線路建設(shè)年代久遠(yuǎn)，加之受城市開(kāi)發(fā)與綠化建設(shè)，線路防護(hù)區(qū)周圍建筑物和樹(shù)木逐漸增多，給該電網(wǎng)線路維護(hù)造成了巨大的不便，使得線路維護(hù)已無(wú)法滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定，必須采用新型材料對(duì)現(xiàn)有輸電線路進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的仔細(xì)勘察和電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)要求，決定采用高性能復(fù)合材料來(lái)對(duì)橫擔(dān)桿塔進(jìn)行改造升級(jí)。

電力裝備是中國(guó)制造2025中十大領(lǐng)域之一，我們正站在這樣一個(gè)特別的歷史拐點(diǎn)上，正值中國(guó)迎來(lái)一個(gè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的良好契機(jī)，目前多功能組合式防雷裝置在我國(guó)呈快速發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的發(fā)展前景。然而，應(yīng)用仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：第一，復(fù)合橫擔(dān)真型力學(xué)性能；第二，復(fù)合橫擔(dān)的污閃外絕緣性能；第三，復(fù)合橫擔(dān)高電壓等級(jí)下均壓特性；第四，復(fù)合橫擔(dān)內(nèi)部填充材料的絕緣問(wèn)題；第五，復(fù)合橫擔(dān)界面問(wèn)題。

本項(xiàng)目產(chǎn)品研究以玻璃纖維為基材，浸以環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)模具熱固引拔成型的多功能組合式防雷裝置，本裝置可廣泛用于架空絕緣線路，提高了線路絕緣等級(jí)，增加了帶電作業(yè)的安全性；簡(jiǎn)化了線路，從而減少了故障點(diǎn)，提高了供電可靠性并且美化線路。項(xiàng)目成果結(jié)合國(guó)網(wǎng)要求的帶電作業(yè)、全絕緣化首先在上海實(shí)施應(yīng)用，將逐步成為上海電網(wǎng)全絕緣化、帶電作業(yè)示范性產(chǎn)品的組成部分，然后進(jìn)一步推廣應(yīng)用，項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用對(duì)保障輸配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。具有廣泛的市場(chǎng)前景和推廣應(yīng)用價(jià)值，社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容主要包括五個(gè)方面，復(fù)合橫擔(dān)的真型力學(xué)性能、污閃外絕緣性能、高電壓等級(jí)下均壓特性、內(nèi)部填充材料的絕緣問(wèn)題和界面問(wèn)題。本文將從這五個(gè)方面著手來(lái)深度研究多功能組合式防雷裝置。

復(fù)合橫擔(dān)真型力學(xué)性能，主要由材料和工藝決定，選用優(yōu)質(zhì)的玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂，采用獨(dú)特制備工藝熱固引拔成型，避雷器連接螺栓擰入絕緣橫擔(dān)內(nèi)部銅排上的螺孔，再擰入一個(gè)螺帽對(duì)銅排進(jìn)行固定，保障整個(gè)系統(tǒng)的連接和穩(wěn)定，保證承載力、剛度、撓度問(wèn)題。

復(fù)合橫擔(dān)的污閃外絕緣性能，采用支柱式避雷器來(lái)解決污閃問(wèn)題，高壓引線從支柱式避雷器的銅排上端進(jìn)入，從銅排的下端流出，用絕緣護(hù)罩把銅排和高壓引線整體套住起到保護(hù)作用。

復(fù)合橫擔(dān)高電壓等級(jí)下均壓特性，目前我國(guó)現(xiàn)有750kV 及以上線路均采用全鋼制結(jié)構(gòu)的桿塔，在輸電線路建設(shè)中鋼材的需求量很大，消耗了大量的礦產(chǎn)資源，鋼材的生產(chǎn)和加工也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的污染和破壞。同時(shí)，鋼材還存在質(zhì)量重、易銹蝕、低溫性能差等缺點(diǎn)，復(fù)合材料因其憎水性好、防污閃、重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用三維有限元分析軟件ANSYS，考慮到相間影響以及桿塔、大地、導(dǎo)線、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)、中間法蘭等因素，對(duì)避雷器絕緣橫擔(dān)在不同設(shè)計(jì)方案下的電位、均壓特性。

復(fù)合橫擔(dān)內(nèi)部填充材料的絕緣，在絕緣橫擔(dān)內(nèi)部填充上密度小、價(jià)格低廉的聚胺酯發(fā)泡泡沫，所述發(fā)泡聚氨酯泡沫層的彈性模量為8.41GPa，泊松比為0.36，在滿足設(shè)計(jì)工況條件下降低了橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)也能滿足橫擔(dān)對(duì)剛度的要求。

復(fù)合橫擔(dān)界面問(wèn)題，在絕緣橫擔(dān)長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下，支柱式避雷器、玻璃纖維、樹(shù)脂與內(nèi)部的聚氨酯等界面不可避免的受到老化作用的影響，支柱式避雷器在正常運(yùn)行時(shí)處在線路運(yùn)行電壓下加速了老化速率，形成孔隙、剝離、粘性不足等缺陷，導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大從而造成發(fā)生界面擊穿、局部放電的可能性增加。

新型絕緣橫擔(dān)具備絕緣、爬電距離長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度高、抗紫外線、耐天候、憎水、阻燃、不粘自潔等一系列優(yōu)異特性，尤其適合戶外長(zhǎng)期使用。包括耐候性樹(shù)脂和玻璃纖維的復(fù)合材料。

絕緣橫擔(dān)有效解決了木橫擔(dān)和鐵橫擔(dān)的防腐性能差、阻燃性能差、強(qiáng)度低、絕緣性差和使用壽命短等缺點(diǎn)。絕緣管內(nèi)填充的塑料泡沫可防止管內(nèi)進(jìn)水而導(dǎo)致絕緣性能下降。外表面包覆聚酯材料的復(fù)合絕緣橫擔(dān)具有絕緣性好、經(jīng)久耐用、免維護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。價(jià)格低廉、不易結(jié)水、減少被盜，廣泛用于架空電桿。特別適用于沿海、化工等場(chǎng)所。

絕緣橫擔(dān)是以樹(shù)脂為基體，無(wú)堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料，經(jīng)過(guò)拉擠工藝成型，并經(jīng)二次加工而制成的一種新型電力器材。截面形狀有矩型管橫擔(dān)、方型管橫擔(dān)、角型。

它具有以下特點(diǎn)：具有良好的介電性能、抗電蝕損性和抗漏電起痕絕緣性能，每毫米能耐電壓4-10千伏；管狀橫擔(dān)內(nèi)有聚氨酯發(fā)泡填充，以增加橫擔(dān)的強(qiáng)度和防止雨水滲透；具有輔助防雷功能；無(wú)鐵損和渦流損耗；輕質(zhì)高強(qiáng)，拉擠工藝成型玻璃鋼型材具有極高的玻璃纖維含量（60%以上），使其單向比強(qiáng)度和比剛度相當(dāng)突出，玻璃鋼的密度大約只有鋼材的四分之一，重量輕，非常容易搬運(yùn)，從而減少搬運(yùn)費(fèi)用；耐腐蝕性強(qiáng)，在沿海及鹽堿化工地區(qū)使用玻璃鋼橫擔(dān)，避免腐蝕能提高橫擔(dān)的使用年限，減少維護(hù)工作量。玻璃鋼橫擔(dān)更換角鐵橫擔(dān)，保持原瓷絕緣，能有效地提高線路組合絕緣水平，能提高閃絡(luò)電壓10-15%，大大地降低事故機(jī)率，提高供電可靠性；表面采用聚酯材料，具有很好的抗老化性；表面光滑，具有一定的自潔性。

2 理論依據(jù)

整套裝置的技術(shù)核心就是支柱式避雷器部分，其余部件均起到電氣連接導(dǎo)通作用，支柱式避雷器由內(nèi)部芯體和外部的硅橡膠硫化組成，芯體內(nèi)部的閥片采用市場(chǎng)上質(zhì)量最好的TDK 廠家生產(chǎn)的，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)無(wú)緯帶纏繞工藝制備成芯體，纏繞工藝雖然耗費(fèi)了大量的人力物力，成本較高但是質(zhì)量得到了保證，避雷器芯體的電氣性能和力學(xué)性能優(yōu)良。

無(wú)緯帶采用經(jīng)過(guò)硅烷表面處理的無(wú)堿玻璃纖維浸漬熱固性樹(shù)脂加工制成的半干狀予浸膠帶。用無(wú)緯帶纏繞制品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樹(shù)脂含量不受纏繞張力影響，由于無(wú)緯帶橫向沒(méi)有應(yīng)力在纏繞時(shí)需要橫縱都分別進(jìn)行纏繞，否則會(huì)影響力學(xué)性能，纏繞厚度要大于4mm 可以留有裕度以滿足國(guó)標(biāo)要求，纏繞完成后在外表面涂上膠水，經(jīng)不同時(shí)間不同溫度進(jìn)行烘干處理，最后在硅橡膠硫化形成避雷器外套。

在支柱式避雷器芯體制備完成后會(huì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)看是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。陡波沖擊電流殘壓U5kA（峰值）≤57.5kV；雷電沖擊電流殘壓U5kA（峰值）≤50kV；操作沖擊電流殘壓U100A（峰值）≤42.5kV。應(yīng)符合GB11032-2010的6.3條的規(guī)定。

殘壓測(cè)量的目的是為了獲得各種規(guī)定的電流和波形下給定設(shè)計(jì)的最大殘壓。試驗(yàn)在避雷器比例單元（電阻片）上進(jìn)行，避雷器在陡波、雷電、操作沖擊電流下殘壓值分別不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。

本系列產(chǎn)品屬金屬氧化物避雷器。由于其核心元件采用氧化鋅電阻片，與傳統(tǒng)碳化硅避雷器相比，具有更優(yōu)越的伏安特性，高通流能力，從而帶來(lái)避雷器特征的根本變化。在正常工作電壓下，流過(guò)避雷器的電流僅有微安級(jí)，處于絕緣狀態(tài)；當(dāng)遭受過(guò)電壓時(shí)，由于氧化鋅電阻片的優(yōu)異非線性，流過(guò)避雷器的電流瞬間達(dá)數(shù)千安培，避雷器處于導(dǎo)通狀態(tài)，釋放過(guò)電壓能量，由避雷器殘壓將過(guò)電壓幅值限制在允許值內(nèi)，從而有效地限制了過(guò)電壓對(duì)輸變電設(shè)備的損害。

表1 避雷器裝置主要參數(shù)表

避雷器本體（SVU）外套和故障時(shí)SUV 的避雷器（EGLA）應(yīng)能耐受表規(guī)定值的絕緣耐受電壓而不閃絡(luò)。

避雷器支撐件進(jìn)行工頻耐受電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果不發(fā)生擊穿或閃絡(luò)。

硅橡膠具有良好的絕緣特性，多功能組合式防雷裝相地、相間爬電距離可較傳統(tǒng)鐵制橫擔(dān)增加2倍以上，提升防雷水平5倍以上；污穢、濕工頻和雷擊相間閃絡(luò)電壓提升1倍以上，可有效防止線路污穢、雷擊、覆冰閃絡(luò)的發(fā)生。

硅橡膠具有優(yōu)良的介電性能，憎水性能，耐老化、耐腐蝕性能。特別適用于紫外線光照強(qiáng)，氣候潮濕雨水頻發(fā)，多雷電等惡劣氣候條件的地區(qū)。相對(duì)于現(xiàn)有鋼橫擔(dān)，無(wú)需進(jìn)行防腐蝕維護(hù)工作，使用壽命至少可達(dá)25年。

多功能組合式防雷裝置使用條件：環(huán)境溫度不高于40℃，不低于-40℃；海拔高度不超過(guò)2000m；交流系統(tǒng)頻率50Hz 或60Hz；長(zhǎng)期施加在避雷器端子間工頻電壓不超過(guò)避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓；最大風(fēng)速不超過(guò)35m/s；地震烈度7度及以下地區(qū)。

3 避雷器絕緣橫擔(dān)組合裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，配電網(wǎng)改造面臨的難題逐漸暴露出來(lái)。城市空間走廊狹小、供電安全可靠性不高、導(dǎo)線截面過(guò)小等日益成為城市擴(kuò)大送電能力的制約因素。解決問(wèn)題的方法之一就是實(shí)現(xiàn)配電線路的絕緣化。

多功能組合式防雷裝置的應(yīng)用對(duì)提高配電線路節(jié)點(diǎn)絕緣化有很大的促進(jìn)作用，整個(gè)線路的絕緣化也得到了提高，整套裝置在地面就進(jìn)行了組裝，在桿塔上方減少安裝時(shí)間并可以實(shí)現(xiàn)快速帶電作業(yè)，在遭遇雷擊損壞后整套裝置可以快速一起進(jìn)行更換節(jié)省時(shí)間，整套裝置的電氣連接點(diǎn)都進(jìn)行了螺接固定，在泄流過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榻佑|不好從而導(dǎo)致故障。

新型復(fù)合絕緣橫擔(dān)采用復(fù)合材料，耐腐蝕、耐老化性能優(yōu)良，且具有自潔功能，可免于定期進(jìn)行防腐維護(hù)。同時(shí)相對(duì)原有鋼橫擔(dān)可大幅降低雷擊跳閘停電事故時(shí)的檢修成本。

傳統(tǒng)鋼橫擔(dān)架設(shè)的輸電線路，在遭受雷電過(guò)電壓后，容易發(fā)生斷線、短路跳閘停電。故障發(fā)生后故障點(diǎn)排查困難，需逐斷檢測(cè)排查，檢修成本較高。采用新型復(fù)合絕緣橫擔(dān)絕緣子后，斷線短路故障點(diǎn)只能在輸泄點(diǎn)出現(xiàn)，可通過(guò)信號(hào)監(jiān)測(cè)迅速找到故障點(diǎn)，大大縮短檢修工作量，降低檢修成本。

4 成果轉(zhuǎn)化和推廣前景

近幾年來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量逐年增加。避雷器及絕緣橫擔(dān)作為輸變電設(shè)備不可缺少的組成部分，與電力工業(yè)的發(fā)展有密切的關(guān)系。我國(guó)現(xiàn)階段的許多電力工程，例如城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)和改造、西電東送工程、電氣化鐵路建設(shè)工程以及特高壓產(chǎn)品市場(chǎng)的啟動(dòng)不僅為避雷器及絕緣橫擔(dān)行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間，同時(shí)也對(duì)行業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)提出了新的要求，促進(jìn)了多功能組合式防雷裝置產(chǎn)品市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及新技術(shù)的研發(fā)。

高壓多功能組合式防雷裝置是電力系統(tǒng)各類電氣設(shè)備（變壓器、電容器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、PT、CT、斷路器、接觸器等）絕緣配合的基礎(chǔ)，由避雷器的保護(hù)性能確定電力系統(tǒng)所有電氣設(shè)備的內(nèi)外絕緣指標(biāo)（短時(shí)工頻耐壓、雷電沖擊耐壓和操作沖擊耐壓等）。多功能組合式防雷裝置核心工作元件采用以氧化鋅為主的多元金屬氧化物粉末燒制，具有優(yōu)異非線性狀一安特性，徒波響應(yīng)快，通流容量大。有間隙產(chǎn)品采用自吹間隙，帶均壓照射結(jié)構(gòu)，降低了放電的分散性，沖擊系數(shù)小。復(fù)合絕緣外套的采用，順應(yīng)了電力產(chǎn)品小型化，免維護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。高分子有機(jī)復(fù)合材料與傳統(tǒng)的陶瓷和玻璃等無(wú)機(jī)材料相比，具有體積小、重量輕、耐污穢免清掃、防爆防震的優(yōu)點(diǎn)。

線路的組合形式也由傳統(tǒng)的鐵擔(dān)＋避雷器絕緣子，專變?yōu)閺?fù)合橫擔(dān)＋復(fù)合支柱式避雷器的形式，兩種復(fù)合構(gòu)建的組合使用進(jìn)一步提升了輸電線路的安全性和穩(wěn)定性，不僅架構(gòu)的絕緣性能得到極大提升，線路的低點(diǎn)也較傳統(tǒng)架構(gòu)模式提高了3.0-4.5m，在增加安全性的同時(shí)節(jié)省了提高架桿高度的費(fèi)用，復(fù)合橫擔(dān)的應(yīng)用與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，最為鮮明的特點(diǎn)是其對(duì)線路的約束作用增強(qiáng)了，在面對(duì)線路交叉跨越問(wèn)題的載節(jié)電率更可高達(dá)到65%。

同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，目前市場(chǎng)上的避雷器橫擔(dān)以鐵鍍鋅為主，安裝在桿塔上方比較笨重，暴露在空氣中容易被腐蝕，絕緣化程度低容易形成放電通道造成接地故障，隨著城市和鄉(xiāng)村電網(wǎng)的改造相信絕緣橫擔(dān)避雷器組合裝置應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，帶電作業(yè)、絕緣化的設(shè)計(jì)方向符合發(fā)展的需求，應(yīng)用方便可以快速帶電進(jìn)行加裝或者更換。

5 產(chǎn)品展示

本產(chǎn)品能在保護(hù)電力系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受過(guò)電壓而損壞的同時(shí)，提高線路節(jié)點(diǎn)的絕緣化等級(jí)，安裝拆卸可以快速帶電完成，在城鄉(xiāng)配網(wǎng)改造過(guò)程中有很大應(yīng)用前景。

總之，在架空輸電線路方面，多功能組合式防雷裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它的運(yùn)用使架空輸電線路不僅處于有序的運(yùn)行之中，使安全事故的發(fā)生得以降低，還使電力企業(yè)的生產(chǎn)成本得以降低，經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)最大化。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)說(shuō)，它是架空輸電線路方面步入新階段的重要基石，也是電力企業(yè)走上長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展之道的必經(jīng)之路，最終走上可持續(xù)發(fā)展之路。

通過(guò)復(fù)合橫擔(dān)在輸電線路中的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，其支柱式避雷器抗沖擊能力、抗彎曲性能、抗震防污等各種性能良好，能夠大大增強(qiáng)輸電線路的絕緣性能與防污效果，且無(wú)需人工清掃，安裝簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行安全性與可靠性高，符合當(dāng)前輸電線路經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能環(huán)保等建設(shè)要求。我國(guó)在大力發(fā)展智能電網(wǎng)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)符合橫擔(dān)進(jìn)行推廣應(yīng)用，以進(jìn)一步提升我國(guó)電力服務(wù)質(zhì)量。