10kV绝缘导线耐张杆处防雷绝缘子的设计
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摘要：10 kV架空绝缘导线配电线路耐张杆处无防雷措施，但耐张杆处绝缘导线雷击断线问题却时有发生。分析了绝缘导线雷击断线的机理，在基于对直线杆PSL一12/4型防雷绝缘子和耐张杆处非防雷绝缘子的研究基础上，提出绝缘导线配电线路耐张杆处防雷绝缘子的设计思路并具体介绍了整体设计。实验测试结果和试点应用表明，耐张处防雷绝缘子的整体性能优异，最后给出了实际应用时的安装流程。
关键词：10 kV架空绝缘导线；耐张杆；防雷绝缘子；直线杆
中图分类号： S611 文献标识码： A
引言
10kv配电线路运行数据表明，10kV配电线路雷害事故频繁发生，严重危害了配电网的供电可靠性和电网安全，影响人民群众的生产、生活用电。因此，结合10kV配电线路运行与雷害发生情况，研究10kV配电线路的防雷保护措施具有相当重要的工程实际意义。
在实践过程中发现，绝缘导线断线处往往距离杆塔较近，并且端口呈现出整齐截面的特点。国内外学者大量的研究表明，架空绝缘导线雷击断线的机理是在雷击闪络通道上建立的工频续流电弧固定在一点燃烧导致了绝缘导线的断线。具体来说，为电流热效应和力学平衡破坏的综合结果：
1、架空绝缘导线的受力分析
显然，越靠近杆塔的绝缘导线需要承受的导线的重量越大，所受的形变应力也越大。线路除转角杆塔使用弹性优良、耐张的绝缘子外，其余地方使用简单的柱式绝缘子，靠近杆塔处的导线在内部应力的作用下，会产生一定程度的剪切疲劳。并且，金属导线具有延展性，这样长期的处于内部应力作用的状态，会导致其直径减小，电阻增大，增加了雷击时的电热效应。因而，断线处频繁发生在靠近杆塔的地方。
2、绝缘导线遭受雷击的电学分析
由以上受力分析可以看出，靠近杆塔处的绝缘导线在长期的应力压力下产生一定程度的损坏。当其遭受雷击时，极大的电压会击穿绝缘导线薄弱的地方形成击穿孔，导致闪络的发生，形成导线金属的短路，瞬间产生极大的工频续流，这样集中在短时间的电弧，产生热效应使绝缘导线温度升高，延展性和强度大大下降，最终在重力和应力的综合作用下被拉断。
在实际情况中观察到，断线故障发生地多是没有遮蔽物平整的地面。这也就意味着，很多时候可能并不是雷电直接击穿绝缘导线，而是与地面放电产生的感应电压最终导致绝缘导线的断线。雷击产生的感应电压在绝缘导线上产生KA数量级的电流，远远超过绝缘导线的承受能力，这样大的工频续流产生的电弧直接导致绝缘导线的烧断。
3、架空绝缘导线参数分析
10kV架空绝缘导线有三层结构，从里到外依次是导体、内屏层和绝缘层。根据规格型号的不同，每千米绝缘导线的重量由100公斤到1000公斤不等，允许电流也由100安培到500安培不等。但是，对于大多数架空绝缘导线来说，其绝缘层的结构特性是相似的。绝缘层厚度一般为2.5毫米，电阻大于1000兆欧姆，其材料一般为绝缘性好的树脂、塑料、橡胶、PVC等。从这些材料的熔点可以看出，一旦绝缘导线遭受雷击，强大电流所产生的热量会轻易将其融化，并且绝缘层的厚度很小，很容易发生断裂。这也是架空绝缘导线雷击断线事故频发的原因之一。
4、继电保护效果分析
实践情况表明，在安装有继电保护装置的线路中，仍然会发生绝缘导线雷击断线的现象，可以从热量的角度分析原因。根据金属短路产生热量的公式： 取电流为稳态短路电流，可以计算出导线熔断的时间约为1.8s。实际情况中考虑多方面的因素，继电保护装置的反应时间一般选择为2s，大于雷击时绝缘导线的熔断时间。从分析可以看出，在继电保护装置启动之前，遭受雷击的绝缘导线已经发生熔断，这也是该现象发生频繁的原因之一。
二、 10kV配电网架空绝缘导线雷击断线防护措施
基于对以上有关10kV配电网架空绝缘导线雷击断线机理进行分析的基础之上，在研究适宜于10kV配电网架空绝缘导线雷击断线防护措施的过程中，一方面可以从疏导的角度入手，即在配电网运行过程当中，允许工频续流起弧，将电弧弧根疏导并转移至特制金具当中完全燃烧，另一方面可以从堵塞的角度入手，即从源头上阻止工频续流起弧，避免导线烧毁。具体的防护工作可以重点从以下几个方面入手：
1、基于疏导性的雷击断线防护措施
正如上文所述，此种断线防护措施的核心在于：在允许工频续流起弧的基本前提条件下，通过对特制电极的应用，与导线线芯发生接触反应，引出高电位，定位雷电冲击闪络的作业路径，将电弧弧根疏导并转移至特制金具当中完全燃烧。此种防护措施的主要优势在于：可操作性较高，投资较少。但其局限性则在于：导线局部处于状态，密封性能欠佳。实际工作中，比较常见的防护金具包括以下几种类型：①基于剥线性的防弧金具：此种防弧金具具有电压水平极高的电极特征，安装位置处于导线线路绝缘子轴线100.0～150.0mm的范围之内。该防弧金具妥善安装后，能够与架空绝缘导线线路的绝缘子底端金属件发生相互反应，形成以雷击作用力为对象的冲击放电路径。在安装过程当中，需要特别注意根据所安装线路的架构特征，选取不同的安装区域。举例来说，对于呈现出环网性结构的配电网线路而言，此种防弧金具的安装应当位于绝缘子的两侧位置，所安装防弧金具相互之间的导线绝缘层应当完全剥离；而对于呈现出辐射性结构的配电网线路而言，此种防护金具的安装应当位于绝缘子的负荷侧位置。②基于穿刺性的防弧金具：此种防弧金具最大的优势在于，避免在应用剥线性防弧金具的过程中，可能存在的密封性能欠佳问题。基于穿刺性的防弧金具将高压电极结构设置为穿刺形态，以尖齿为载体，刺穿架空导线线路绝缘层，并与线芯紧密接触，达到对高电位进行引出的目的。此种类型的防弧金具主要是由高压穿刺电极、低压电机、以及绝缘外罩三个方面构成的。安装过程当中需要特别注意穿刺与绝缘层的紧密挤压，避免密封性能上的不足。
2、基于堵塞性的雷电断线防护措施
基于堵塞性的雷电断线防护措施的核心在于：从源头上阻止工频续流起弧，避免导线烧毁。一般来说，可以通过加强线路绝缘性能，或者是通过安装线路避雷器装置的方式，达到对绝缘导线进行保护的目的。此种防护措施的主要优势在于：防护效果较好，且使用寿命较长。但其局限性则在于：安装操作难度较大，且投入成本较高。实际工作中，比较常见的避雷器装置包括以下几种类型：①基于环形电极带外串联间隙的金属氧化物避雷器装置：此种避雷器装置是由避雷器设备、安装金具、以及环形电极共同构成的。安装过程当中，要求避雷器环形电极能够与绝缘导线线路行程外串间隙的对应关系。其防护机理在于：当雷击闪络事故作用于导线线路的情况下，避雷器环形结构能够将放电的路径限定在电极与导线的中间区域当中，避免放电波及至架空绝缘导线线路当中。②基于穿刺电极待外串联间隙的金属氧化物避雷器装置：此种避雷器装置是由避雷器设备、高压穿刺电极、安装金具、以及绝缘外罩这四个方面所构成的。通过对该装置的安装，高压穿刺电极穿刺接触导线并对高电位进行引出，与避雷器本体顶端形成外串联间隙，将放电区域限制在外串联间隙当中，达到阻止雷击作用力作用于绝缘导线区域的目的。
结束语
研制的耐张杆处防雷绝缘子，在安装时不改变原架空线路其他装置结构，便于施工，成本较低，且适合于规模化生产并方便更换。该耐张杆防雷绝缘子适用于电网标称电压l0 kV、频率为50 Hz的架空线路耐张杆，可为我国10 kV架空配电网的绝缘化提供最基本的基础设备，有利于推动l0 kV架空线路的全绝缘化工作。
参考文献
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