10kV绝缘导线防雷击断线用保护装置及安装距离确定方法与流程

本发明涉及防雷保护装置，尤其涉及10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置及安装距离确定方法。

背景技术：

目前，为提高供电可靠性，对10kv配电线路多采用架空绝缘导线进行电能输送。然而架空绝缘导线雷击断线问题十分突出。为了防止10kv架空绝缘导线雷击断线，基于原理的不同存在“疏导式”和“堵塞式”两种保护装置。“疏导式”保护装置能够疏导工频电弧，将弧根燃烧的位置从击穿处转移至特定的金具上，主要包括剥线型防弧金具、放电箝位柱式瓷/复合绝缘子、穿刺型防弧金具和穿刺型放电箝位柱式瓷/复合绝缘子等。“堵塞式”保护装置则阻止工频续流起弧，完全“堵塞”了导线被灼烧的可能性，主要包括环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器和穿刺电极带外串联间隙金属氧化物避雷器等。

对于架空绝缘导线防雷击断线措施，大都基于穿刺式(剥线式，即剥除一段绝缘层)高压电极。因为绝缘导线绝缘皮的隔离，穿刺式电极由于刺破了绝缘皮与线芯导体相连，可以保证高压电极与导线同电位，不会受到放点位置不确定的影响。但穿刺式(剥线式)高压电极会导致导线的局部裸露、穿刺不到位及穿刺过度损伤导线问题。10kv架空输电导线曾多次发生因穿刺线夹接触不足或接触不良导致的穿刺线夹处导线熔断事故。为此，需要研制非穿刺式高压电极的架空绝缘导线防雷击断线方法及装置。

技术实现要素：

本发明提供了一种10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置及安装距离确定方法，用以解决穿刺式高压电极会导致导线的局部裸露、穿刺不到位及穿刺过度损伤导线问题的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置，包括：绝缘子、非穿刺式高压电极和避雷器，绝缘子悬挂安装于10kv架空绝缘导线上，避雷器的接地端通过支架与绝缘子的接地端连接并固定，非穿刺式高压电极固定安装在架空绝缘导线上且与绝缘子轴线保持安装距离l，避雷器的本体高压端和非穿刺式高压电极直接相连。

作为本发明的装置的进一步改进：

避雷器为金属氧化物避雷器，避雷器本体相对于架空绝缘导线的安装角度与绝缘子相对于架空绝缘导线的安装角度保持一致。

非穿刺式高压电极包括：高压电极上部和高压电极下部，高压电极上部和高压电极下部为包括一对上下相对的半圆柱，半圆柱的两侧均设置有安装部，高压电极上部和高压电极下部通过安装部拼合时，上下相对的半圆柱围绕形成夹持架空绝缘导线的通道；高压电极上部由铜材料制成；高压电极下部由不锈钢材料制成。

安装部均为连接在半圆柱一侧且从内至外逐渐收敛的三角形，高压电极上部和高压电极下部通过不锈钢螺栓将安装部连接拼合。

避雷器的本体高压端的末端为球形或半球形，球形或半球形与非穿刺式高压电极抵触相连或者焊接相连。

安装距离l满足：当非穿刺式高压电极与绝缘子轴线距离安装距离l时，

uls0.1％＝1.1(u1ma+ul99.9％)(2)

其中，ul99.9％为绝缘子轴线到避雷器安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压；u1ma为避雷器本体放电电压；uls0.1％为0.1％发生概率的绝缘子冲击放电电压。

本发明还提供了一种上述的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置的安装距离确定方法，包括以下步骤：

按以下原则确定非穿刺式高压电极与绝缘子轴线之间的安装距离最大值lmax：当非穿刺式高压电极与绝缘子轴线距离安装距离lmax时，

uls0.1％＝u1ma+ul99.9％(1)

其中，ul99.9％为绝缘子轴线到避雷器安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压；u1ma为避雷器本体放电电压；uls0.1％为0.1％发生概率的绝缘子雷电冲击放电电压；

确定安装距离最小值lmin为150mm；

得到非穿刺式高压电极固定安装在架空绝缘导线上且与绝缘子轴线保持安装距离l安的选择区间[lmin,lmax]。

作为本发明的方法的进一步改进：

优选地，方法还包括：

按以下原则确定非穿刺式高压电极与绝缘子轴线之间的最佳安装距离lopt：当非穿刺式高压电极与绝缘子轴线距离安装距离lmax时，

uls0.1％＝1.1(u1ma+ul99.9％)(2)。

优选地，方法还包括：

当lmax小于要求的最小安装距离150mm时，将避雷器更换成放电电压更小的避雷器，重新进行测试；

当lmax大于150mm，且最佳安装距离lopt小于要求的最小安装距离150mm，则取lopt＝150mm。

优选地，确定安装距离最大值lmax或最佳安装距离lopt，包括以下步骤：

按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法，测量相同条件下高压电极位于不同安装距离l下的绝缘导线表面闪络电压的多组数据，利用weibull概率分布模型进行数据处理，得到不同安装距离l下的绝缘皮99.9％放电概率的沿面闪络电压ul99.9％；根据幂函数的放电概率原型，拟合ul99.9％与安装距离l之间的函数关系：

ul99.9％＝f(l)(3)；

按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法，测量绝缘子的沿面闪络电压的多组数据，利用weibull概率分布模型进行数据处理，得出绝缘子各自的0.1％放电概率的沿面闪络电压uls0.1％；

确定选用的避雷器的本体放电电压u1ma；

由公式(1)或(2)，以及公式(3)，得到安装距离最大值lmax或最佳安装距离lopt。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置，能够阻断电弧，有效起到防雷击断线的作用，同时不对架空绝缘导线造成损伤，避免架空绝缘导线发生断线事故。并且，本发明采用避雷器的本体高压端和非穿刺式高压电极直接相连，不需要精细计算和设计避雷器和电极之间的间隙距离，大大降低了现场安装及运行维护的难度。

2、本发明的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置的安装距离确定方法，考虑放电点位置的不确定性，设计了安装区间和最佳安装位置，能够准确快速指导本发明的装置的安装。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的非穿刺式高压电极的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明优选实施例2的p10绝缘子雷电冲击电压试验结果示意图；

图5是本发明优选实施例2的p15绝缘子雷电冲击电压试验结果示意图；

图6是本发明优选实施例2的不同闪络距离的绝缘导线表面多次闪络的实验结果示意图；

图7是本发明优选实施例2的安装距离与99.9％雷电冲击放电电压曲线关系。

图中各标号表示：

1、10kv绝缘导线；2、绝缘子；3、非穿刺式高压电极；4、避雷器；5、高压电极上部；6、高压电极下部；7、安装部；8、半圆柱；9、不锈钢螺栓；10、螺孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置，包括：绝缘子2、非穿刺式高压电极3和避雷器4，绝缘子2悬挂安装于10kv架空绝缘导线上，避雷器4的接地端通过支架与绝缘子2的接地端连接并固定，非穿刺式高压电极3固定安装在架空绝缘导线(本实施例中为10kv绝缘导线1)上且与绝缘子2轴线保持安装距离l，避雷器4的本体高压端和非穿刺式高压电极3直接相连。

能够疏导电弧，有效起到防雷击断线的作用，同时不对架空绝缘导线造成损伤，避免架空绝缘导线发生雷击断线事故。

实施时，避雷器4的本体高压端的末端为球形或半球形，球形或半球形与非穿刺式高压电极3抵触相连或者焊接相连。本发明采用避雷器4的本体高压端和非穿刺式高压电极3直接相连，不需要精细计算和设计避雷器4和电极之间的间隙距离，大大降低了现场安装及运行维护的难度。如果在装置由于加入了避雷器4和电极之间的串联间隙，虽然对避雷器4的使用寿命有所提高，但由于间隙放电问题，提高了绝缘导线放电时的燃弧时间，会导致架空绝缘导线雷击断线概率的增加；且间隙距离需要精准设定，增加了现场安装及运行维护的难度。

本发明实施时，避雷器4为金属氧化物避雷器，避雷器4本体相对于架空绝缘导线的安装角度与绝缘子2相对于架空绝缘导线的安装角度保持一致。

参见图2，图3，实施时，非穿刺式高压电极3采用如下结构，包括：高压电极上部5和高压电极下部6，高压电极上部5和高压电极下部6为包括一对上下相对的半圆柱8，半圆柱8的两侧均设置有安装部7，安装部7均为连接在半圆柱8一侧且从内至外逐渐收敛的三角形，安装部7上开设有螺孔10，高压电极上部5和高压电极下部6通过不锈钢螺栓9将安装部7连接拼合，上下相对的半圆柱8围绕形成夹持架空绝缘导线的通道；高压电极上部5由铜材料制成；高压电极下部6由不锈钢材料制成。

实际应用中，虽然不锈钢具有较好的强度性能、耐用性能、抗腐蚀性能以及较高的熔点，能够抵抗电弧放电时产生的高温，大多数穿刺式高压电极均选择不锈钢材料。但由于磁导率相对较大，作为非穿刺式电极使用时，不锈钢金具固定在绝缘导线周围时易产生较大的涡流损耗，引起异常发热，因而不宜作为非穿刺电极的材料。

相较于不锈钢，铝的可塑性强，磁导率低，在相同条件下涡流损耗将大为降低，非穿刺式带串联间隙氧化锌避雷器即选择铝作为非穿刺电极的材料。然而，运行经验表明：由于铝材料的熔点较低，发生放电时，容易被电弧灼烧而导致变形。考虑与避雷器4本体的连接方便，且减少涡流，防止电弧烧灼变形，本实施例采用组合材料构成的高压电极。高压电极由两部分组成，设计成合适的弧度套于绝缘导线上，使用不锈钢螺栓9连接固定。下部使用不锈钢材料，方便于避雷器4顶部金具焊接，易于加工，且不锈钢材料熔点高，不受电弧烧灼影响。上部电极采用铜材料，不会构成高磁导率的闭合路径，降低了涡流损耗，避免异常发热，且耐腐蚀，耐高温，免维护。

避雷器4通常安装在绝缘子2的负荷侧，且安装角度与绝缘子2保持一致。避雷器4所带的非穿刺式高压电极3与绝缘子2之间的安装距离不宜过近，以免破坏绝缘子2本身；安装距离也不宜过远，以免装置保护作用失效。因此，为了保证放电路径经过避雷器4，使装置达到预期保护效果，本发明实施例还提供了一种上述的10kv绝缘导线防雷击断线用保护装置的安装距离确定方法，包括以下步骤：

按以下原则确定非穿刺式高压电极3与绝缘子2轴线之间的安装距离最大值lmax：当非穿刺式高压电极3与绝缘子2轴线距离安装距离lmax时，

uls0.1％＝u1ma+ul99.9％(1)

其中，ul99.9％为绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压；u1ma为避雷器4本体放电电压；uls0.1％为0.1％发生概率的绝缘子2雷电冲击放电电压；

确定安装距离最小值lmin为150mm；

得到非穿刺式高压电极3固定安装在架空绝缘导线上且与绝缘子2轴线保持安装距离l安的选择区间[lmin,lmax]。

实施时，还可按以下原则确定非穿刺式高压电极3与绝缘子2轴线之间的最佳安装距离lopt：当非穿刺式高压电极3与绝缘子2轴线距离安装距离lmax时，

uls0.1％＝1.1(u1ma+ul99.9％)(2)。

当lmax小于要求的最小安装距离150mm时，将避雷器4更换成放电电压更小的避雷器，重新进行测试；

当lmax大于150mm，且最佳安装距离lopt小于要求的最小安装距离150mm，则取lopt＝150mm。

实施时，可采用如下步骤确定安装距离最大值lmax或最佳安装距离lopt：

按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法，测量相同条件下高压电极位于不同安装距离l下的绝缘导线表面闪络电压的多组数据，利用weibull概率分布模型进行数据处理，得到绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％；根据幂函数的放电概率原型，拟合ul99.9％与安装距离l之间的函数关系：

ul99.9％＝f(l)(3)；

按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法，测量绝缘子2的沿面闪络电压的多组数据，利用weibull概率分布模型进行数据处理，得出绝缘子2各自的0.1％发生概率的绝缘子2雷电冲击放电电压uls0.1％；

确定选用的避雷器4的本体放电电压u1ma；

由公式(1)或(2)，以及公式(3)，得到安装距离最大值lmax或最佳安装距离lopt。

上述步骤，能够通过精细化设计确保绝缘子2闪络电压高于避雷器4工作电压和绝缘导线沿面闪络电压之和，使得避雷器4能够在绝缘子2发生闪络之前开始工作，起到较好的防雷保护作用。因为避雷器4具有无续流的特点和良好的伏安特性，能够在雷电流泄入大地后切断工频续流，最终恢复绝缘状态。所以该装置能够有效抑制工频续流产生电弧，不但避免了绝缘子2伞群的烧伤，同时避免电弧灼烧10kv架空绝缘导线引起断线事故。

以下举例进一步说明：

实施例1：

本实施例中，采用如下步骤确定安装距离最大值lmax或最佳安装距离lopt：

1、测量高压电极位于不同安装位置l下的绝缘导线表面闪络电压，并进行数据处理。

(1)分别选择l为80、90、100、110和120mm。每个间距下的放电试验均按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法分别进行20次，获得相同条件下的20个独立的放电试验数据；

(2)对不同间隙下绝缘皮沿面闪络电压试验结果，利用weibull概率分布模型进行数据处理，得的各个间距下绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％。

(3)根据幂函数的放电概率原型，拟合绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％与绝缘皮上的闪络距离l之间的函数关系ul99.9％＝f(l)。

2、测量绝缘子2的沿面闪络电压，并进行数据处理。

(1)按照雷电冲击放电试验逐级升压的试验方法对实际线路中使用的架空绝缘导线用绝缘子2进行20次雷电冲击放电试验；

(2)利用weibull概率分布模型进行数据处理，得出绝缘子2各自的0.1％发生概率的绝缘子2雷电冲击放电电压uls0.1％。

3、选择10kv架空绝缘导线用线路避雷器4，并确定其u1ma。

4、依据绝缘配合原则，选定最佳安装距离lopt。

(1)由uls0.1％＝1.1(u1ma+ul99.9％)，得到绝缘皮的沿面放电电压ul99.9％。

(2)由ul99.9％＝f(l)得到最佳安装距离lopt。

5、根据试验结果，如果lmax小于要求的最小安装距离150mm，则应更换避雷器4，选择放电电压更小的避雷器4，保证lmax大于150mm；如果试验得到的lmax大于150mm，且最佳安装距离lopt小于要求的最小安装距离150mm，则实际取lopt＝150mm。

实施例2：

根据相关标准，可确定绝缘子2和避雷器4本体的具体型号和参数。其中本实施例的绝缘子2型号选择p15和p10针式绝缘子，避雷器4型号确定为yh5ws-12.7/50，其中避雷器4额定电压ur为12.7kv，持续运行电压uc取0.8ur；直流1ma参考电压u1ma大小为25kv；0.75倍直流1ma参考电压u1ma下的泄漏电流应小于等于50μa，标称放电电流取5ka。

为测量装置绝缘子2的雷电冲击放电电压和绝缘导线沿面闪络电压，本实施例采用的放电试验装置，电压发生器为400kv标准雷电冲击电压发生器，可以提供波前时间为1.2μs(误差在30％内)和半波峰值时间为50μs(误差在20％内)，电压峰值范围为30～400kv的雷电冲击波。分压器为bht400kv弱阻尼电容式分压器，变比为400:1。

在选定试验对象(绝缘子2、环对环电极间绝缘表面)后，对试验对象进行雷电冲击放电电压试验。试验时采用逐级加压法，即试验初始电压值的选取不宜过高，如试验对象未发生闪络则增加5kv，继续进行下一轮放电试验，逐级升高电压直至试验对象发生闪络，记载最终的闪络电压值。对同一试验对象重复进行20次放电试验，获得一组试验结果。

试验测量得到的p15和p10针式绝缘子雷电冲击实验结果分别如图4和图5所示。图4和图5分别给出了p15和p10针式绝缘子的20次独立的沿面闪络电压测试值。

用matlab软件依据weibull概率分布模型对相同条件下的绝缘子2多次放电试验结果进行处理，得到0.1％放电概率的绝缘子2放电电压数值。经过分析计算,最终确定p10绝缘子0.1％发生概率的绝缘子2雷电冲击放电电压为uls0.1％＝138.0919kv，p15绝缘子0.1％发生概率的绝缘子2雷电冲击放电电压为uls0.1％＝173.4036kv。

试验测量得到的高压电极至绝缘子2轴线间不同安装距离下的绝缘导线绝缘层之间的环对环电极下沿面放电电压试验结果如图6所示。图6给出了采用环对环电极下，高压电极至绝缘子2中轴线间不同安装距离时(l从80mm至120mm)的绝缘导线绝缘层沿面放电电压的20次独立的测试结果。

采用同样的方法，用matlab软件依据weibull概率分布方法对相同条件下绝缘导线表面发生多次闪络的实验结果进行处理，得到对应间距下绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％如表1所示。

表1绝缘子轴线到避雷器安装位置之间的绝缘导线的

绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压

(5)通过幂函数拟合分别得出避雷器4安装位置l和绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％的关系曲线，如图7所示。图7给出了拟合得到的避雷器4安装位置l和绝缘子2轴线到避雷器4安装位置之间的绝缘导线的绝缘层表面发生闪络概率为99.9％的放电电压ul99.9％的关系曲线。

经过数据处理之后得到的对应拟合函数为ul99.9％＝0.2489*l^1.209式(2)

(6)代入公式(1)和拟合曲线函数关系式(2)。

对p10绝缘子：得到高压电极最大安装距离下至绝缘子2轴线之间的绝缘导线绝缘层的沿面闪络电压：ulmax＝173.0919kv，代入拟合函数可得lmax＝157.7685mm；高压电极最佳安装距离下至绝缘子2轴线之间的绝缘导线绝缘层的沿面闪络电压ulopt＝100.5381kv，代入拟合函数可得lopt＝143.1375mm。由于此时lopt小于150mm，因而实际lopt取150mm。

对p15绝缘子：高压电极最大安装距离下至绝缘子2轴线之间的绝缘导线绝缘层的沿面闪络电压ulmax＝148.4036kv，代入拟合函数可得lmax＝197.5297mm；高压电极最佳安装距离下至绝缘子2轴线之间的绝缘导线绝缘层的沿面闪络电压ulopt＝132.6370kv，代入拟合函数可得lopt＝160.2372mm。因而，此时lopt取161mm。

综上可知，本发明通过采用精细化设计理念，提出了基于概率比较的绝缘配合原则，即利用weibull概率分布模型的数据处理方法，经过实例试验和计算比较放电概率，得到了p15和p10绝缘子相匹配的避雷器4参数及其最佳安装距离。本发明所提出的防雷保护装置能够阻断电弧，有效起到防雷击断线的作用，同时不对架空绝缘导线造成损伤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。