多功能組合式防雷裝置

國網(wǎng)上海市電力公司 松江供電公司 方 菁 陳 宇 繆進榮 上海四量電子科技有限公司 賀潤平 王哲斐 黃 偉

以計算機、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云儲存、機器人為核心的智能時代，正掀起輸配電網(wǎng)的深刻變革。輸配電線路的安全穩(wěn)定運行為國民經(jīng)濟發(fā)展具有保障作用，全絕緣化、帶電作業(yè)無疑是未來的布局、和發(fā)展方向。當前，各電壓等級的輸電線路多采用傳統(tǒng)的桿塔結(jié)構(gòu)并配置金屬橫擔加絕緣子串掛接導線運行。為了符合相應(yīng)的絕緣強度和爬電比距的要求，金屬橫擔必須搭配足夠長度的絕緣子串，在惡劣的氣象條件下，較長的絕緣子串容易使導線風舞從而造成相間短路等線路故障，嚴重威脅著線路的安全可靠運行。

電網(wǎng)輸電線路建設(shè)年代久遠，加之受城市開發(fā)與綠化建設(shè)，線路防護區(qū)周圍建筑物和樹木逐漸增多，給該電網(wǎng)線路維護造成了巨大的不便，使得線路維護已無法滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定，必須采用新型材料對現(xiàn)有輸電線路進行改進。根據(jù)對現(xiàn)場的仔細勘察和電網(wǎng)運行維護要求，決定采用高性能復合材料來對橫擔桿塔進行改造升級。

文獻[1]電力裝備是中國制造2025中十大領(lǐng)域之一，我們正站在這樣一個特別的歷史拐點上，正值中國迎來一個創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的良好契機，目前多功能組合式防雷裝置在我國呈快速發(fā)展趨勢，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題，主要表現(xiàn)在：第一，復合橫擔真型力學性能。第二，復合橫擔的污閃外絕緣性能。第三，復合橫擔高電壓等級下均壓特性。第四，復合橫擔內(nèi)部填充材料的絕緣問題。第五，復合橫擔界面問題。

本項目產(chǎn)品研究以玻璃纖維為基材，浸以環(huán)氧樹脂經(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，增加了帶電作業(yè)的安全性；簡化了線路，從而減少了故障點、提高了供電可靠性并且美化線路。項目成果結(jié)合國網(wǎng)要求的帶電作業(yè)、全絕緣化首先在上海實施應(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，然后進一步推廣應(yīng)用，項目成果的推廣應(yīng)用對保障輸配電線路的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。具有廣泛的市場前景和推廣應(yīng)用價值，社會效益與經(jīng)濟效益顯著。

1 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容主要包括五個方面，復合橫擔真型力學性能，復合橫擔的污閃外絕緣性能，復合橫擔高電壓等級下均壓特性，復合橫擔內(nèi)部填充材料的絕緣問題，復合橫擔界面問題。下面將從這五個方面著手來深度研究多功能組合式防雷裝置。

復合橫擔真型力學性能，主要由材料和工藝決定，選用優(yōu)質(zhì)的玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，采用獨特制備工藝熱固引拔成型，避雷器連接螺栓擰入絕緣橫擔內(nèi)部銅排上的螺孔，在擰入一個螺帽對銅排進行固定保障整個系統(tǒng)的連接和穩(wěn)定，保證承載力/剛度/撓度問題。復合橫擔的污閃外絕緣性能，采用支柱式避雷器來解決污閃問題，高壓引線從支柱式避雷器的銅排上端進入從銅排的下端流出，用絕緣護罩把銅排和高壓引線整體套住起到保護作用。復合橫擔高電壓等級下均壓特性，目前我國現(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)和加工也會對生態(tài)環(huán)境造成一定的污染和破壞。同時，鋼材還存在質(zhì)量重、易銹蝕、低溫性能差等缺點，復合材料因其憎水性好、防污閃、重量輕、強度高等優(yōu)點，運用三維有限元分析軟件ANSYS，考慮了相間影響以及桿塔、大地、導線、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)、中間法蘭等因素，對避雷器絕緣橫擔在不同設(shè)計方案下的電位、均壓特性。復合橫擔內(nèi)部填充材料的絕緣，在絕緣橫擔內(nèi)部填充上密度小、價格低廉的聚胺酯發(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)計工況條件下降低了橫擔的結(jié)構(gòu)重量，同時也能滿足橫擔對剛度的要求；復合橫擔界面問題，在絕緣橫擔長期運行的情況下，支柱式避雷器、玻璃纖維、樹脂與內(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行時處在線路運行電壓下加速了老化速率，形成孔隙、剝離、粘性不足等缺陷，導致局部場強過大從而造成發(fā)生界面擊穿、局部放電的可能性增加。

文獻[2]新型絕緣橫擔具備絕緣、爬電距離長、機械強度高、抗紫外線、耐天候、憎水、阻燃、不粘自潔等一系列優(yōu)異特性，尤其適合戶外長期使用。包括耐候性樹脂和玻璃纖維的復合材料。

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

絕緣橫擔是以樹脂為基體，無堿玻璃纖維為增強材料，經(jīng)過拉擠工藝成型，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、方型管橫擔、角型。

它具有以下特點：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4-10kV；管狀橫擔內(nèi)有聚氨酯發(fā)泡填充，以增加橫擔的強度和防止雨水滲透；具有輔助防雷功能；無鐵損和渦流損耗；輕質(zhì)高強，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），使其單向比強度和比剛度相當突出，玻璃鋼的密度大約只有鋼材的四分之一，重量輕、易搬運，從而減少搬運費用；耐腐蝕性強，在沿海及鹽堿化工地區(qū)使用玻璃鋼橫擔，避免腐蝕能提高橫擔的使用年限，減少維護工作量。玻璃鋼橫擔更換角鐵橫擔，保持原瓷絕緣，能有效地提高了線路組合絕緣水平，能提高閃絡(luò)電壓10～15%，大大地降低事故機率，提高供電可靠性；表面采用聚酯材料，其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)

文獻[3]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)部的閥片采用市場上質(zhì)量最好的TDK廠家生產(chǎn)，經(jīng)過傳統(tǒng)無緯帶纏繞工藝制備成芯體，纏繞工藝雖然耗費了大量的人力物力造成成本較高但是質(zhì)量得到了保證，避雷器芯體的電氣性能和力學性能優(yōu)良。

無緯帶采用經(jīng)過硅烷表面處理的無堿玻璃纖維浸漬熱固性樹脂加工制成的半干狀予浸膠帶。用無緯帶纏繞制品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樹脂含量不受纏繞張力影響，由于無緯帶橫向沒有應(yīng)力在纏繞時需要橫縱都分別進行纏繞否則會影響力學性能，纏繞厚度要大于4mm可以留有裕度的滿足國標要求，纏繞完成后在外表面涂上膠水，經(jīng)不同時間不同溫度進行烘干處理，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進行相關(guān)試驗看是否滿足相關(guān)標準要求。

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。

避雷器裝置主要參數(shù)：額定電壓17kV（有效值）；避持續(xù)運行電壓（Uc）13.6kV（有效值）；直 流1mA參 考 電 壓（U1mA）≥25kV；1.05倍Uc下局部放電量PC≤10；8/20us雷電沖擊殘壓5kA≤50（峰值）；標稱放電電流5kA。

殘壓測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)計的最大殘壓。試驗在避雷器比例單元（電阻片）上進行，避雷器在陡波、雷電、操作沖擊電流下殘壓值分別不超過標準中規(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，高的通流能力，從而帶來避雷器特征的根本變化。在正常工作電壓下，流過避雷器的電流僅有微安級，處于絕緣狀態(tài)；當遭受過電壓時，由于氧化鋅電阻片的優(yōu)異非線性，流過避雷器的電流瞬間達數(shù)千安培，避雷器處于導通狀態(tài)，釋放過電壓能量，由避雷器殘壓將過電壓幅值限制在允許值內(nèi)，從而有效地限制了過電壓對輸變電設(shè)備的損害。

避雷器本體（SVU）外套和故障時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)。避雷器支撐件進行工頻耐受電壓試驗，試驗結(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，氣候潮濕雨水頻發(fā)，多雷電等惡劣氣候條件的地區(qū)。

相對于現(xiàn)有鋼橫擔，無需進行防腐蝕維護工作，使用壽命至少可達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2000m；交流系統(tǒng)頻率50Hz或60Hz；長期施加在避雷器端子間工頻電壓不超過避雷器持續(xù)運行電壓；最大風速不超過35m/s；地震烈度7度及以下地區(qū)。

3 避雷器絕緣橫擔組合裝置的創(chuàng)新點

隨著經(jīng)濟建設(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。城市空間走廊狹小、供電安全可靠性不高、導線截面過小等日益成為城市擴大送電能力的制約因素。解決問題的方法之一就是實現(xiàn)配電線路的絕緣化。

多功能組合式防雷裝置的應(yīng)用對提高配電線路節(jié)點絕緣化有很大的促進作用，整個線路的絕緣化也得到了提高，整套裝置在地面就進行了組裝，在桿塔上方減少安裝時間并可以實現(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行更換節(jié)省時間，整套裝置的電氣連接點都進行了螺接固定，在泄流過程中不會因為接觸不好從而導致故障。

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

傳統(tǒng)鋼橫擔架設(shè)的輸電線路，在遭受雷電過電壓后，容易發(fā)生斷線、短路跳閘停電。故障發(fā)生后故障點排查困難，需逐斷檢測排查，檢修成本較高。采用新型復合絕緣橫擔絕緣子后，斷線短路故障點只能在輸泄點出現(xiàn)，可通過信號監(jiān)測迅速找到故障點，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，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)電機裝機容量逐年增加。避雷器及絕緣橫擔作為輸變電設(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)品市場的啟動不僅為避雷器及絕緣橫擔行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場空間，同時也對行業(yè)產(chǎn)品市場提出了新的要求，促進了多功能組合式防雷裝置產(chǎn)品市場結(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、電動機、PT、CT、斷路器、接觸器等）絕緣配合的基礎(chǔ)，由避雷器的保護性能確定電力系統(tǒng)所有電氣設(shè)備的內(nèi)外絕緣指標（短時工頻耐壓、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。復合絕緣外套的采用，順應(yīng)了電力產(chǎn)品小型化，免維護的發(fā)展趨勢。高分子有機復合材料與傳統(tǒng)的陶瓷和玻璃等無機材料相比，具有體積小、重量輕、耐污穢免清掃、防爆防震的優(yōu)點。

線路的組合形式也由傳統(tǒng)的鐵擔+避雷器絕緣子，專變?yōu)閺秃蠙M擔+復合支柱式避雷器的形式，兩種復合構(gòu)建的組合使用進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節(jié)省了提高架桿高度的費用，復合橫擔的應(yīng)用與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，最為鮮明的特點是其對線路的約束作用增強了，在面對線路交叉跨越問題的載節(jié)電率更可高達到65%。

同類產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，目前市場上的避雷器橫擔以鐵鍍鋅為主，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避雷器組合裝置應(yīng)用會越來越多，帶電作業(yè)、絕緣化的設(shè)計方向符合發(fā)展的需求，應(yīng)用方便可以快速帶電進行加裝或者更換。

5 產(chǎn)品展示

本產(chǎn)品能在保護電力系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受過電壓而損壞的同時，提高線路節(jié)點的絕緣化等級，安裝拆卸可以快速帶電完成，在城鄉(xiāng)配網(wǎng)改造過程中有很大應(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，它的運用使架空輸電線路不僅處于有序的運行之中，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)濟利潤最大化，從長遠角度來說，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)走上長遠發(fā)展之道的必經(jīng)之路，最終走上可持續(xù)發(fā)展之路。

通過復合橫擔在輸電線路中的實際應(yīng)用效果來看，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，能夠大大增強輸電線路的絕緣性能與防污效果，且無需人工清掃，安裝簡單方便，運行安全性與可靠性高，符合當前輸電線路經(jīng)濟性、節(jié)能環(huán)保等建設(shè)要求。我國在大力發(fā)展智能電網(wǎng)的同時，應(yīng)對符合橫擔進行推廣應(yīng)用，以進一步提升我國電力服務(wù)質(zhì)量。