論配電網設備絕緣電擊穿與保護

蘇秀芹 孫彪

摘要：主要論述35kV級縣域配電網絕緣問題，著重點在大氣過電壓下的電擊穿機理分析，特別強調了有機材料的耐壓特性，在理論上對其進行了分析，而后由電擊穿試驗驗證35kV這樣相對低的配網電壓下由于絕緣尺寸小，電場應為均勻場其累積效應在有機固體絕緣材料中并不存在，由此指出了在有機絕緣的壽命期內只要有完善的過電壓保護，又假定如過流等熱保護是可靠的，就確保了絕緣即無電擊穿又無熱擊穿，那么就可大大放寬高壓絕緣試驗周期，可免去一些不必要的項目，在加強絕緣安全保護的同時就能簡化減少試驗項目的內容和要求，有利于解決大量配網設備運檢項目多一線人員相對少的矛盾。

關鍵詞：配電網安全;電擊穿;累積效應;有機絕緣

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0186-02

電氣設備的損壞多數是由絕緣引起的，其固體絕緣中有機材料具有良好的物理特性多被采用。但其擊穿是不可逆的永久損壞過程，在現標準教材上已規定擊穿類別為電擊穿與熱擊穿兩大類，在35kV的縣域變電所內的電氣設備絕緣的擊穿，當首先考慮大氣過電壓下的電擊穿，因過電壓倍數相對于工頻工作電壓及內過電壓的倍數要高得多，因此它的矛盾較輸電網更為突出。在較多教科書中，認為由于固體絕緣累積效應的存在，對瞬時沖擊過電壓，50%擊穿電壓的不確定性及保護存在延時等不利的因素要求對電氣設備應定期、加強設備監護及要求較短的設備試驗周期，而事實是執行上確有困難。如10kV配電變壓器在我市區內其公用變已達1100多臺，縣域城區內也有500多臺，但從事配電運檢人員定編少，每年工作重點也不會在配變上，因此每年要進行定期試驗是完全不可能的。有經驗的運檢人員也認為規程的規定偏于嚴格，實踐證明是不需要的。由此，假若對其負荷率β得到控制，變壓器的溫度會被限制在壽命期規定的值內，過電壓保護是可靠的，并且可證明固體絕緣并無累加效應的存在，那么就完全可以認定一個密封的電氣設備在絕緣壽命期內它的耐壓是不會變的，由此推論認定可大大放寬電氣設備的試驗周期，甚至可考慮設備一直運行是壽命期終止，直接更換，期間再無需維護及試驗，將較大地提高了供電可靠性，極大地減少了工作量，有效解決了上述矛盾，但這只是據統計猜測，尚需給出必要的論證，這就是本文以下的核心內容。

一、有機絕緣材料的電擊穿

有機化合物由碳鏈構成的化合物稱為碳氫化合物及其衍生物，其特點是有良好的物理機械特性——可彎折成任意形狀而不改變絕緣特性，材料化學性能相對穩定且有良好的絕緣特性，但受熱及獲取能量時碳鏈易斷裂，嚴重可析出碳的小顆料，此時將完全失去了其原有的化學特性及物理特性。

因各有機物為其碳鏈分子鍵能大體一致，故不同的有機材料的擊穿物性基本一致，后續內容將只介紹紙板的擊穿特性，其他對應類比。

1.有機材料的電擊穿機理簡要介紹

電擊穿試驗如圖1所示。

當加一瞬時高壓至兩極板之間，其強大的場能將使有機材料成離子或電子極化擊穿，但由于材料的分散性以及擊穿時間相當短，擊穿通道之小只形成唯一的一個狹小擊穿通道，由于電絕緣材料同時也是熱的不良導體，因此能量高度集中釋放在此通道中，使其溫度快速上升致使其碳化析出了碳的小顆粒，有機材料有了新的物質生成，不在具有原來的化學性質，這就是其不可逆特點，電擊穿的永久破壞就形成了。

2.大氣中閃電擊穿通道對比介紹

如圖2所示，對很薄的有機固體擊穿是不可見的，有的在表面用放大鏡可看到一黑點即擊穿的入出口，而大氣擊穿是可見的，先分析大氣擊穿再對比有機固體中異同，進而得出本文的論點，雷電致大氣擊穿特點如下：負雷云作用，先導是向下發展的;擊穿通道具有相當長的距離，圖上對比大地樹木應有數百米長;擊穿過程并不是瞬時完成的，因流柱各分枝先導二次電子崩在主通道擊穿放電，因場強降低后不可能繼續發展，只是局部的;主通道釋放了絕大部分能量，分枝先導二次電子崩流柱能量相對有限;分枝流柱都在中部形成，甚至于有平行地面的分枝流柱，這是場強的畸變產生的，顯然它是一極不均勻場。

3.固體有機材料的對比分析

如上假若固體材料擊穿與之相似，那么流注分枝的刷狀放電部分將會在固體中留下印記，即原絕緣強度將受到削弱，這就是所謂的累積效應。在后面的擊穿試驗中沒有發現被擊穿的有機絕緣材料擊穿通道外圍的該材料的絕緣強度有所降低，以此證明其累積效應不存在。同樣在固體中非貫穿性的放電也不存在，這是因為35kV這樣低的電壓絕緣材料厚度有限，與之比較其場應為均均場，其理論支持不是流柱而是為湯遜。又因等效兩極板距離短，如若擊穿則時間極短，能量只在唯一的擊穿通道內釋放。再則達到擊穿電壓臨界點后則它必將擊穿，因其擊穿強度降低遠大于電壓下降的速率，這是由于系統分布電容的存在使其電壓難以突變，如大氣局部的放電是不可能存在的。這是對累積效應不存在的設想。

三、有機絕緣材料擊穿特性分析

以絕緣紙板為例，因為該試驗數據為全國各教課書采用，為便于分析與說明現用a、b、c、d四段折線將其等效之圖3：

關于有機固體絕緣擊穿特點，分析如下：考慮到其他有機材料鍵能相近性的d線最低熱擊穿電壓當量比值為1B（B即倍數），1B是長期擊穿電壓也即工頻擊穿電壓值。取x線左邊即50微秒雷電波全長作為電擊穿研究對象。b線10微秒到50微秒擊穿電壓不變為6B，它說明了雷電沖擊下絕緣耐受能力最少6倍于工頻電壓幅值，雷電沖擊下絕緣耐受能力在波尾最小。a線與所加電壓及時間有關，屬離子、電子極化擊穿給出關鍵值僅為0.5微秒，對應擊穿電壓需要大于10B，1微秒是雷電波頭等效值約為8B，可以看到由于時間的作用雷電波頭絕緣耐壓強度較波尾高30%多。c線段是熱擊穿分子極化60秒（1分鐘耐壓值）對應的是熱擊穿c段為2B，50微秒是雷電波主波長。

由上可知電壓波時間越短，需要越大的擊穿電壓幅值，可以認為有機材料需要一個最低的擊穿能量，這為選擇什么樣的主絕緣保護提供了依據。

四、過電壓保護設備選擇問題

1.選擇管式避雷器優點分析

管式避雷器最大延時小于0.5微秒，一個例子是在電纜進線段的保護中，為確保避雷器動作第一備用管式避雷器保護距電纜進線70米，波往返距為140米，因波速每300米/微秒，故管式避雷器最大延時小于0.5微秒。當波的陡度很大時，延時0.5微秒擊穿下降至零（略去后續波振蕩部分），用0.5微秒的方波等效后則擊穿電壓為10倍的工頻擊穿電壓，因此管式避雷器對主絕緣的保護很容易實現，且有較大的安全裕度。但管式截波對縱絕緣的破壞是致命的，保護縱絕緣要降幅降陡，波前陡度的降低就會延長作用時間，耐受電壓倍數就降低又是一矛盾，但變壓器類設備的保護是嚴禁采用管式避雷器，在變電所內為防此類破壞性截波發生，往往是管形避雷器擊穿電壓大于其他閥式、氧化鋅避雷器的擊穿電壓，即管式避雷器在閥式、氧化鋅避雷器的保護范圍內，其在一定程度上抵消了它的優勢，使用范圍受限。

2.閥式、氧化鋅避雷

這種擊穿不會出現電壓突變，閥式擊穿瞬間有一個較小的截波，這一小的截波可略去它的影響，波尾變化平穩，因此避雷器動作后對絕緣擊穿不在波頭主要在波尾，它等效的是一個大于10微秒<50微秒的矩形波，則擊穿電壓為6倍工頻電壓，這在主絕緣保護可靠性上較之管式避雷器8～10倍出穿電壓，僅為其60%左右要小得多，由于瞬時擊穿電壓，非常之高，所以閥式擊穿的一個氣隙擊穿的尖波并不影響到整個擊穿電壓范圍較大，這不如氧化鋅避雷器，但經分析，它們都是可靠的，其可靠性分析如下，以35kV工頻1分鐘耐壓不小于90kV，其工頻耐壓長期級為1分鐘50%是圖3即90kV×50%=45kV，即為45kV，查規范其35kV耐雷電沖擊擊穿電壓為200kV，按圖3中10微秒放電耐受電壓約為6B計算等于6×45kV=270kV，其值大大高200kV。

UNM=K1K2Ue=3.2×1.2=135kV

50%UJM=K1K2K3Ue=188kV

K1——沖擊最大內過電壓水平，35kV為3.2p.u;K2——最大工頻電壓與額定電壓比值，等于1.2;K3——與避雷器配合系數，約等于1.4;UNM——最大35kV內過電壓允許值;50%UJM——標準雷電沖擊避雷器動作參考值。

計算得35kV（中性點不接地）UNM=135 kV，其內過電壓是最大不動作電壓，避雷器要躲過時間較長的內過電壓，其能量大于避雷器閥片的熱容量引起爆炸。動作應小于50%UJM，即大氣過電壓是必須要動作的，給出了最大配合系數1.4。實際上絕緣耐受最小值是6B為270kV，當采用管式避雷器0.5微秒內作用時可達10B=10×45=450kV。可見那一種過壓保護對雷電沖擊過電壓絕緣保護都是可靠的。問題是若存在有累加效應將降低其正常耐壓值的情況下將不正確，因此必須證明累加效應不存在。

五、證明累加效應不存在實驗數據分析

下面是由三級試驗變壓器給出的一整塊1mm厚800×1800mm樹脂版試驗數據：

試驗前取一整塊1mm厚800×1800mm樹脂版均分為三塊1mm厚800×600mm樹脂版。

試驗數據一：擊穿電壓

板1 板2 板3

57kV 56.7kV 56.2kV

試驗數據二：擊穿后樹脂版耐壓

板1 板2 板3

2.65kV 2.71kV 2.69kV

試驗數據三：將擊穿后的樹脂版擊穿部分去除后，再加壓進行試驗，取其中六塊，擊穿電壓

*板1-1 *板1-2 *板2-1 *板2-2 *板3-1 *板3-2

55.9kV 56.8kV 59.6kV 56.4kV 57.2kV 56.7kV

其中標注“*”為發生在試驗一已施加場強區間。

試驗一與試驗三數據比較，差別很小可以看作為誤差造成，兩次數據一致。可以得出電擊穿后沒有累積效應或可以略去累積效應的影響。

原計劃加10倍約500～600 kV完整沖擊波后再進行試驗數據三的測試，因我市公司條件所限沒能試之，小有遺憾。

六、結論

根據以上分析及試驗數據可以得出：電擊穿不可逆，當擊穿后的耐壓將顯著降低，在經受過高壓但未擊穿部分的耐壓沒有變化，故認為累積效應在35 kV有機固體的均勻場下、短擊穿通道情況下并不存在。由此推論在實現了可靠的過電壓保護后，有機絕緣材料工作在允許的溫度范圍之內，將是非常安全的。因此在配網中的電氣設備針對有機固體絕緣試驗周期延長是可以的，如配變高度密封下不做在經濟性上是有利的。

（責任編輯：王祝萍）