邹建章，郭志锋，李阳林，张 宇，胡 京，李 帆

（1.国网江西省电力科学研究院，南昌330096；2.国网江西省电力公司，南昌330077）

带间隙线路避雷器雷电冲击绝缘配合特性极性效应研究

邹建章1，郭志锋2，李阳林1，张 宇1，胡 京1，李 帆1

（1.国网江西省电力科学研究院，南昌330096；2.国网江西省电力公司，南昌330077）

部分现行线路避雷器标准仅规定了正极性雷电冲击50%放电电压的上限值，但是在线路避雷器试验及检测过程中，发现负极性雷电冲击电压下线路避雷器与绝缘子串的绝缘配合裕度明显低于正极性，按正极性雷电冲击放电电压进行配置的线路避雷器，在遭遇负极性雷电时，可能出现保护裕度不足的问题。为验证这一现象，基于110 kV线路避雷器和绝缘子串开展了大量的研究性试验，并在此基础上建立了放电过程仿真模型，得出线路避雷器的负极性雷电冲击50%放电电压和伏秒特性曲线均明显高于正极性，这种极性效应主要由线路避雷器串联间隙引起。

带间隙线路避雷器；雷电冲击；绝缘配合；极性效应

0 引言

线路避雷器是目前最为成熟可靠的输电线路防雷措施，理论上，其防雷保护可靠性在99%以上[1-3]。随着国网公司输电线路差异化防雷改造工作的不断推进和深化，线路避雷器的使用量逐年大幅增加，以江西电网为例，截止目前已安装110 kV及以上电压等级线路避雷器9 203只。

总体来看，线路避雷器的使用取得了明显的效果，安装了线路避雷器的线路杆段雷击跳闸率大幅下降。但与此同时，江西电网仍出现了6起110 kV及以上电压等级线路避雷器保护失效事件，使得电网运行单位对线路避雷器的防雷保护效果产生了疑虑。对失效线路避雷器开展雷电冲击50%放电电压试验，其正极性雷电冲击50%放电电压均满足标准要求，但其负极性雷电冲击50%放电电压配合系数均未达到标准要求，线路避雷器与绝缘子串在负极性雷电冲击电压下的绝缘配合裕度要明显低于正极性。

部分现行线路避雷器标准仅对其正极性雷电冲击50%放电电压上限值作出了规定[4-5]，避雷器设计和试验也仅以正极性雷电冲击放电电压作为依据。而最新的线路避雷器国标《交流1kV以上架空输电和配电线路用带外串联间隙金属氧化物避雷器》（GB/T 32520—2016）对此作出了调整，对避雷器雷电冲击50%放电电压上限值取消了正极性的要求，默认正、负极性均需考虑并满足要求。

为验证线路避雷器正、负极性雷电冲击绝缘配合裕度存在明显偏差是否为普遍规律，在试验室开展了大量的研究性试验，并在此基础上对线路避雷器和绝缘子串放电过程进行仿真，从理论上分析这种现象出现的根本原因。

1 绝缘配合试验研究

为保证试验结果的代表性，以目前典型的110 kV线路避雷器和绝缘子串作为试验试品，通过测量分析其正、负极性雷电冲击50%放电电压配合系数和伏秒特性配合裕度，对线路避雷器雷电冲击绝缘配合极性效应进行研究[6]。

1.1 试验试品选择

选用目前110 kV线路最为常用的YH10CX4-102/296型线路避雷器，其本体基本电气参数见表1。串联间隙距离采用430 mm、480 mm、530 mm 3种，可涵盖目前所有的110 kV线路避雷器，均压环采用典型尺寸ϕ30 mm×ϕ310 mm。

表1 线路避雷器基本电气参数Table 1 Basic electric parameters of line MOA

绝缘子（串）的雷电冲击50%放电电压仅与其干弧距离有关，而与其材质无关[7]，以瓷绝缘子为代表开展验证试验，其基本参数见表2，绝缘子片数采用7片、8片、9片 3种。

表2 绝缘子样品基本参数Table 2 Basic parameters of the sample insulator

1.2 雷电冲击50%放电电压配合系数

根据GB/T 16927.1—1997规定，采用升降法测量线路避雷器和绝缘子串雷电冲击50%放电电压，结果见表3。

表3 绝缘子串和避雷器雷电冲击50%放电电压Table 3 50%discharge voltage of lightning impulse of insulator string and MOA

由表3可见，绝缘子串的正、负极性雷电冲击50%放电电压基本相当，而线路避雷器的负极性雷电冲击50%放电电压明显高于正极性。

表4为正、负极性雷电冲击下线路避雷器与绝缘子串的配合系数。

表4 不同片数绝缘子串和不同间隙避雷器的U50%配合系数Table 4 Coordination coefficient between different insulator string and different gap distance MOA

由表4可见，线路避雷器和绝缘子串在负极性雷电冲击电压下的配合系数明显低于正极性，且对于7片绝缘子，当间隙距离为480 mm、530 mm时，绝缘子串与避雷器的配合裕度均不满足标准要求（＞1.2）[8]。

1.3 伏秒特性配合裕度

由于雷电冲击电压持续时间很短，间隙的击穿存在放电时延现象，放电电压与该电压的作用时间有很大的关系，仅靠50%放电电压来表征设备的击穿特性并不全面[9]。为了进一步校核避雷器与绝缘子串的绝缘配合裕度，开展了伏秒特性曲线测量试验。正、负极性雷电压下，线路避雷器与绝缘子串的伏秒特性曲线分别见图1和图2。

图1 正极性下避雷器与绝缘子串的伏秒特性曲线Fig.1 Positive voltage-time characteristic curve of MOA and insulator string

图2 负极性下避雷器与绝缘子串的伏秒特性曲线Fig.2 Negative voltage-time characteristic curve of MOA and insulator string

根据DL/T 815—2012《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》要求，线路避雷器雷电冲击伏秒特性曲线应比被保护绝缘子串的雷电冲击伏秒特性曲线至少低15%。

对伏秒特性曲线进行拟合，并计算不同片数的绝缘子串和不同间隙距离的避雷器之间的配合裕度C=（U绝缘子串-U避雷器）/U避雷器×100%。结果见图3至图5。

图3 7片绝缘子和不同间隙避雷器的伏秒特性曲线配合裕度Fig.3 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 7 pieces insulator and different gap distance MOA

由图3至图5可见，线路避雷器与绝缘子串在负极性雷电冲击电压下的配合裕度要明显低于正极性，其主要原因是绝缘子串的正、负极性雷电冲击伏秒特性曲线基本重合，而线路避雷器的负极性伏秒特性曲线明显高于正极性伏秒特性曲线。

为进一步分析线路避雷器正、负极性雷电冲击伏秒特性曲线存在偏差的原因，分别绘制了间隙距离为430 mm线路避雷器整体和间隙的伏秒特性曲线，结果见图6。

图4 8片绝缘子和不同间隙避雷器的伏秒特性曲线配合裕度Fig.4 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 8 pieces insulator and different gap distance MOA

图5 9片绝缘子和不同间隙避雷器的伏秒特性曲线配合裕度Fig.5 Voltage-time characteristic curve coordination margin between 9 pieces insulator and different gap distance MOA

图6 避雷器整体和串联间隙的伏秒特性曲线Fig.6 Voltage-time characteristic curve of MOA and the series gap

由图6可见，在正、负极性雷电冲击电压作用下，线路避雷器整体和串联间隙的伏秒特性曲线均存在明显偏差，且在相同极性雷电冲击下二者伏秒特性曲线基本平行，避雷器整体的伏秒特性主要表现为串联间隙的伏秒特性。

1.4 试验结果分析

综合线路避雷器和绝缘子串雷电冲击50%放电电压及伏秒特性曲线试验结果，负极性雷电冲击下线路避雷器与绝缘子串的50%放电电压配合系数和伏秒特性配合裕度均明显低于正极性，从试验结果看，这种差异主要是由线路避雷器串联间隙引起的。

2 仿真模型建立

基于上述试验分析，线路避雷器的串联间隙导致了其整体正、负极性雷电冲击放电特性出现明显差异，故重点对串联间隙进行建模仿真，分析出现这种现象的根本原因。

对模型进行简化，忽略复合绝缘子本体对两端均压环之间电场和电位分布的影响[9]，利用流体-化学模型来对简化模型进行建模，结合仿真软件COMSOL Multiphysics中的等离子体模块开展仿真计算[10-11]。

流体-化学混合模型是一种改进的空气放电混合模型，一部分采用动力学模型处理问题，另一部分则采用流体动力学模型，分别利用动力学模型的准确性以及流体动力学模型的鲁棒性和高效的计算能力处理空气放电过程，该模型既考虑了空气放电的流体特性，又能对放电过程中带电粒子之间的化学反应进行真实反映[12-13]。目前，流体-化学混合模型已经成功模拟了大气压下的电晕放电、流注放电[14]，并研究了微观粒子在放电过程中的运动特性[15]，且仿真结果与试验数据取得了很好的一致性。

将避雷器间隙结构简化为二维板-板间隙，简化之后的结构为轴对称结构，电极半径R=80 mm，间隙间距L=480 mm。同样，为了对比研究极性对绝缘子串雷电冲击放电特性的影响，对绝缘子串进行建模，将绝缘子串简化为棒-棒间隙，间隙距离为L=480 mm。考虑无穷远边界，将间隙置于一直径为1 000 mm的圆形空气环境中。

图7 间隙结构简化图及对应的网格剖分图Fig.7 Simplified gap structure and it's meshing map

仿真电路图见图8，图中LG为冲击电压发生器，产生1.2/50 μs的标准雷电冲击电压，电压幅值为300 kV，L为间隙距离，设为480 mm。

图8 间隙仿真放电电路示意图Fig.8 Circuit simulation schematic of the gap discharge

对放电过程中不同时间节点的粒子浓度分布以及带电粒子对电场的影响进行对比分析，据此分析在不同极性雷电冲击电压下空间中带电粒子的分布情况及空间电场畸变量，以此说明极性对雷电冲击放电电压产生影响的根本原因。

3 仿真结果分析

为了便于进行直观的分析比较，以中轴线为横轴，以带电粒子密度为纵轴，对正、负极性雷电冲击电压下板-板间隙及棒-棒间隙中轴线上的电子密度及正离子密度分布进行计算，结果见图9至图12。

图9 正极性雷电压作用下板-板间隙不同时间带电粒子沿中轴线分布曲线Fig.9 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between plate-plate gap under positive lightning voltage

由图9至图12可知，棒-棒间隙带电粒子在正、负极性雷电冲击电压下电子及正离子沿中轴线的分布规律和板-板间隙基本一致，但板-板间隙的带电粒子密度整体上明显大于棒-棒间隙的带电粒子密度，二者存在数量级的差距。

为进一步研究带电粒子浓度对电场的影响，对间隙的空间电场进行计算，得到在不同极性下和不同时间，两种间隙结构的空间电场强度沿中轴线的分布，见图13和图14。图中，横轴为中轴线刻度（m），纵轴为电场强度（V/m）。

图10 正极性雷电压作用下棒-棒间隙不同时间带电粒子沿中轴线分布曲线Fig.10 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between rod-rod gap under positive lightning voltage

图11 负极性雷电压作用下板-板间隙不同时间带电粒子沿中轴线分布曲线Fig.11 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between plate-plate gap under negative lightning voltage

图12 负极性雷电压作用下棒-棒间隙不同时间带电粒子沿中轴线分布曲线Fig.12 The distribution curves of charged particles along the axis at different time between rod-rod gap under negative lightning voltage

图13 不同极性下板-板间隙不同时间空间电场沿中轴线分布曲线Fig.13 Electric field distribution curve between plate-plate gap at different times under different polarity

图14 不同极性下棒-棒间隙不同时间空间电场沿中轴线分布Fig.14 Electric field distribution curve between rod-rod gap at different times under different polarity

t=0.6 μs时，在正负极性雷电压作用下，间隙的电场强度相近，随着放电的发展，在t=1.2 μs时，由于空间电荷作用，正极性下的电场强度大于负极性。相对于板-板间隙，在不同极性下棒-棒间隙的电场分布差别很小，极性对棒-棒间隙的电场影响较小。

基于以上仿真结果，正、负极性雷电冲击下间隙放电发展示意图见图15和图16。在正极性雷电压作用下，初始等离子体中的正电荷在外电场E1的作用下向接地极缓慢移动，空间正电荷的电场E2与外部电场方向相同，从而加强了头部等离子体附近的电场强度E=E1+E2，促进了放电过程的发展；在负极性雷电压作用下，初始等离子体中的电子在外电场E1作用下快速向接地极移动，而正电荷相对于电子移动较慢，从而使得电子与正电荷在空间上相互分离，电子在靠近接地极一侧，正电荷在雷电压极一侧，空间电荷产生的电场E2与空间电场E1相反，削弱了空间电场E=E1-E2，抑制了间隙的击穿。

由于板-板间隙放电过程中产生的带电粒子密度远大于棒-棒间隙，空间电荷电场对外电场的加强和削弱作用也较棒-棒间隙强很多，从而造成线路避雷器正、负极性雷电冲击放电特性差异明显，而绝缘子串正、负极性雷电冲击放电特性差异较小这种现象。

图15 正极性雷电压作用下间隙放电发展示意图Fig.15 Schematic diagram of discharge development of the gap under positive lightning voltage

图16 负极性雷电压作用下间隙放电发展示意图Fig.16 Schematic diagram of discharge development of the gap under negative lightning voltage

4 结论

通过上述试验验证和理论仿真分析，可以得到以下结论：

1）在正、负极性雷电冲击电压下，线路避雷器和绝缘子串绝缘配合裕度存在明显差异，负极性雷电冲击绝缘配合裕度明显低于正极性。

2）从雷电冲击50%放电电压和伏秒特性角度分析，绝缘子串的正、负极性雷电冲击放电特性基本无差异；而线路避雷器的负极性雷电冲击50%放电电压和伏秒特性曲线均明显高于正极性，这种极性效应主要由线路避雷器串联间隙引起，这也是导致线路避雷器和绝缘子串正、负极性雷电冲击电压绝缘配合裕度出现明显差异的根本原因。

3）放电发展过程中产生的带电粒子及其分布特征会影响放电过程的发展，进而引起击穿电压的变化，空间电荷的浓度越大，对电场的影响越大。由于板-板间隙放电产生的带电粒子浓度远大于棒-棒间隙，所以雷电冲击电压的极性对于板-板间隙击穿电压影响较大，而对棒-棒间隙击穿电压影响较小。

4）部分现行线路避雷器标准中仅通过正极性雷电冲击50%放电电压来保证其放电特性是不够的，负极性雷电冲击50%放电电压也是必须考虑的问题，GB/T 32520—2016对此进行了修正，能够有效提高线路避雷器防雷保护的可靠性。

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Study on Polar Effect of the Lightning Impulse Insulation Coordinating Characteristic of Transmission Line MOA with External Series Gap

ZOU Jianzhang1，GUO Zhifeng2，LI Yanglin1，ZHANG Yu1，HU Jing1，LI Fan1
（1.State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang 330096，China；2.State Grid Jiangxi Electric Power Company，Nanchang 330077，China）

Some current standards of the transmission line MOA only specify the upper limit of the 50%positive lightning impulse discharge voltage，but during the test and detection，the margin of insula⁃tion coordination between MOA and insulator under the negative lightning impulse is lower than under the positive lightning impulse.It may not adequate if configuring the MOA only using the positive light⁃ning impulse.To verify this phenomenon，based on 110 kV line lightning arrester and insulator string，a large amount of research tests are carried out，and the simulation model of the discharge process is estab⁃lished。The results show that the 50%negative lightning impulse discharge voltage and volt second char⁃acteristic curve are obviously higher than the positive polarity.This polarity effect is mainly caused by the series gap of the lightning arrester.

transmission line MOA with external series gap；lightning impulse；insulation coordina⁃tion；polar effect

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.021

2017-05-11

邹建章（1985—），男，工程师，主要从事输电线路及过电压绝缘配合技术工作。