110 kV帶串聯(lián)間隙復(fù)合外套線路型氧化鋅避雷器的應(yīng)用

杭 文

（淮南供電公司，安徽 淮南 232007）

電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，高壓線路運(yùn)行總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的次數(shù)約占40%～70%，在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊輸電線路引起跳閘的事件事故則更高，帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了減少輸電線路的雷擊故障，已采取了各種技術(shù)措施，如減小避雷線的屏蔽角，提高線路的絕緣水平；降低桿塔接地電阻，多重屏蔽，雙回路輸電線路采用不平衡絕緣等。但采用減小避雷線屏蔽角的方法將受到桿塔結(jié)構(gòu)的限制，提高絕緣水平會(huì)增加線路造價(jià)，并受到桿塔結(jié)構(gòu)及走廊寬度的限制。在高土壤電阻率地區(qū)降低桿塔接地電阻將存在較大的困難。

為了提高供電可靠性，減少輸電線路的雷擊事故，自1980年開(kāi)始，國(guó)外就開(kāi)展了應(yīng)用避雷器降低輸電線路雷擊事故的研究，并已成功地將避雷器應(yīng)用到輸電線路上。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，利用線路避雷器可以使輸電線路耐雷水平得到較大的提高，能有效降低線路雷擊跳閘率。

本文著重對(duì)110 kV帶串聯(lián)間隙復(fù)合外套線路型氧化鋅避雷器的技術(shù)特性進(jìn)行論述。

1 線路型避雷器串聯(lián)間隙的確定

帶串聯(lián)間隙線路型避雷器與線路絕緣子串并聯(lián)，當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，雷電流引起的高電位使得帶串聯(lián)間隙避雷器動(dòng)作，降低了桿塔與導(dǎo)線之間的電位差，從而保證線路絕緣子串不會(huì)閃絡(luò)跳閘。在帶串聯(lián)間隙避雷器動(dòng)作后，又由于避雷器本體是由伏安特性優(yōu)異的氧化鋅電阻片構(gòu)成，其殘壓總被限制在遠(yuǎn)低于線路絕緣子串閃絡(luò)電壓之下，而且在雷電流過(guò)后的系統(tǒng)工頻電壓下能自動(dòng)熄滅工頻續(xù)流，保證電力線路正常運(yùn)行。

1.1 串聯(lián)間隙的要求

（1）在雷電過(guò)電壓作用下線路型氧化鋅避雷器可靠動(dòng)作，保證被保護(hù)絕緣子不閃絡(luò)。因此希望把串聯(lián)間隙距離取小，使帶串聯(lián)間隙避雷器與線路絕緣子串有較大的絕緣配合裕度。

（2）在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓作用下，線路型氧化鋅避雷器應(yīng)能保證基本不動(dòng)作，則希望把串聯(lián)間隙距離取大，保證線路型避雷器在暫態(tài)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓下不動(dòng)作，避雷器本體在異常情況下出現(xiàn)故障時(shí)，間隙能可靠隔離。

（3）雷電過(guò)電壓作用后，串聯(lián)間隙在工頻恢復(fù)電壓下，串聯(lián)間隙應(yīng)能在1～2個(gè)工頻周期內(nèi)可靠熄滅工頻續(xù)流。串聯(lián)間隙距離的選取要適度，并與避雷器本體的直流1mA參考電壓U1mA有關(guān)。

1.2 間隙距離確定

在雷電過(guò)電壓作用下，在保證絕緣子串不發(fā)生閃絡(luò)的前提下，線路型氧化鋅避雷器必須可靠動(dòng)作。DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》表15規(guī)定110 kV輸電線路懸垂絕緣子串最少是7片絕緣子[1]。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)均證實(shí)，線路用氧化鋅避雷器的50%雷電沖擊放電電壓UL50%等于氧化鋅避雷器直流1 mA參考電壓U1mA與串聯(lián)間隙的50%雷電沖擊放電電壓UC50%之和，即UL50%=U1mA+UC50%=140+UC50%，若取絕緣子串的50%雷電沖擊放電電壓UJ50%與線路用氧化鋅避雷器UL50%的配合系數(shù)為A=1.2，則A=UJ50%/UL50%。

以110 kV用7片X-4.5絕緣子串為例，其50%的雷電沖擊放電電壓為700 kV（正極性）。

查棒—棒電極50%雷電沖擊放電曲線可知，在443.3 kV時(shí)間隙距離約為500 mm。

2 避雷器本體參數(shù)的確定

2.1 避雷器額定電壓

理論上，線路避雷器本體額定電壓可以取得接近 （或稍大于）最大持續(xù)運(yùn)行電壓，110 kV取84 kV，對(duì)于純空氣間隙是適宜的。但對(duì)于絕緣子間隙，若考慮到接近2倍的工頻電壓和比線路絕緣子更頻繁的雷擊閃絡(luò)，避雷器絕緣子發(fā)生故障機(jī)率大于同類型線路絕緣子，額定電壓應(yīng)取得更高一些，取96 kV比較合理[2]。

2.2 避雷器本體直流1 mA參考電壓

避雷器本體直流1 mA參考電壓的確定關(guān)鍵是[3]：確保線路避雷器在通過(guò)雷電流后，串聯(lián)間隙必須在系統(tǒng)的工頻恢復(fù)電壓下半波內(nèi)熄弧。110 kV系統(tǒng)的工頻恢復(fù)電壓為：則系統(tǒng)工頻暫態(tài)過(guò)電壓與避雷器本體U1mA的比值為UTOV/U1mA=1.4×102.8/140=1.03。

從氧化鋅電阻片的伏安特性曲線可知，對(duì)應(yīng)于1.03U1mA電壓的電流接近0.5 A。

日本對(duì)線路用氧化鋅避雷器串聯(lián)間隙的工頻續(xù)流能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果證明，切斷工頻續(xù)流需要的串聯(lián)間隙的臨界距離與工頻恢復(fù)電壓的關(guān)系如圖1，試驗(yàn)中，線路用氧化鋅避雷器外絕緣的等值附鹽密度取0.06～0.12 mg/cm2，工頻續(xù)流值小于2 A。

圖1 串聯(lián)外間隙的工頻續(xù)流切斷能力

因此串聯(lián)間隙距離大于400 mm的避雷器，均可在半波內(nèi)熄滅工頻續(xù)流。

2.3 避雷器2 ms方波（或線路放電）試驗(yàn)指標(biāo)

2 ms方波主要取決于線路避雷器在操作過(guò)電壓下動(dòng)作后，可能吸收的最大能量，對(duì)于110 kV線路，通過(guò)400 A、2 ms方波已經(jīng)足夠了。

2.4 避雷器4/10 μs大電流試驗(yàn)指標(biāo)

若僅按雷電流的幅值考慮，對(duì)4/10 μs大電流試驗(yàn)的要求并不高，但實(shí)際通過(guò)線路避雷器本體雷電流的波尾卻超過(guò)了10 μs，這使得線路避雷器本體將吸收大于同幅值4/10 μs大電流試驗(yàn)時(shí)的能量。因而，從能量的角度考慮，情況并不樂(lè)觀，當(dāng)然這是最不利的安裝方式，其它安裝方式下年雷擊事故率會(huì)明顯減少，若采用4/10 μs、100 kA的電阻片，理論上年雷擊事故率為3/100 000。

2.5 避雷器技術(shù)參數(shù)

綜上所述，根據(jù)DL/T 815-2002《交流輸電線路用復(fù)合外套金屬氧化物避雷器》要求，確定避雷器的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表2 D5電阻片的主要參數(shù)

2.6 電阻片的確定

根據(jù)表1避雷器的主要技術(shù)參數(shù)要求，確定采用D5電阻片餅狀電阻片。D5電阻片的主要參數(shù)如表2所示。

通過(guò)計(jì)算和校核，標(biāo)稱放電電流10 kA的避雷器采用29片D5氧化鋅電阻片。

2.7 結(jié)構(gòu)高度、爬電距離和機(jī)械強(qiáng)度的確定

電阻片柱的高度為24.8 mm，每端電極高度取120 mm，則結(jié)構(gòu)高度約為960 mm。設(shè)計(jì)爬電距離為2 835 mm。

通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂管抗彎和抗張的計(jì)算，證明所選取的環(huán)氧管完全滿足機(jī)械強(qiáng)度方面的要求。

2.8 避雷器的結(jié)構(gòu)

帶串聯(lián)間隙線路型避雷器采用復(fù)合絕緣子支撐串聯(lián)空氣間隙，棒形復(fù)合絕緣子兩端固定的環(huán)狀電極（均壓環(huán)）組成放電間隙，合理的管徑、均勻的電場(chǎng)，保證放電穩(wěn)定。

其放電特性應(yīng)滿足以下要求：

（1）整體的雷電沖擊放電電壓低于線路絕緣子串50%放電電壓的20%以上。

（2）串聯(lián)間隙工頻耐受電壓應(yīng)符合表1規(guī)定。（3）為了確保絕緣子串免于雷擊閃絡(luò)，要求避雷器與絕緣子的伏-秒特性在不同的雷電沖擊電壓下，保護(hù)的失效率小于萬(wàn)分之一，在同一擊穿時(shí)間下避雷器的放電電壓比絕緣子串的放電電壓低17%。

3 避雷器組裝工藝的要求

3.1 組裝車(chē)間的環(huán)境對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

氧化鋅電阻片及環(huán)氧管在空氣中容易受潮，因此避雷器的組裝車(chē)間必須是無(wú)塵潔凈車(chē)間，且對(duì)濕度溫度要求嚴(yán)格（濕度小于40%RH，溫度在25℃左右）。所以組裝間必須配備除塵和除濕及空調(diào)設(shè)備，才能滿足避雷器組裝對(duì)環(huán)境的要求。

3.2 氧化鋅電阻片的清擦干燥處理

氧化鋅電阻片在運(yùn)輸、配片過(guò)程中不可避免造成外表面受污，且電阻片極易受潮，組裝前必須進(jìn)行清擦干燥處理。用潔凈的抹布蘸上無(wú)水乙醇清擦電阻片表面，然后放入烘箱內(nèi)進(jìn)行溫度為100℃，時(shí)間為10 h的干燥處理。這樣就能保證電阻片在組裝前是潔凈干燥的。

3.3 氧化鋅電阻片外套熱縮管處理

因?yàn)檠趸\電阻片疊起來(lái)時(shí)無(wú)法保證電阻片之間沒(méi)有縫隙，這主要是電阻片制造上存在的問(wèn)題，如果不進(jìn)行處理，在真空澆灌過(guò)程中極易造成電阻片間進(jìn)膠，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，所以應(yīng)在電阻片外套熱縮管（硅橡膠制品），加溫收縮熱縮管使電阻片成為整體的電阻片柱，這樣真空澆灌時(shí)才能從根本上保證電阻片間不會(huì)進(jìn)膠。

3.4 避雷器灌膠工藝及密封對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

瓷絕緣避雷器由于瓷套內(nèi)存在空氣，在正常自然條件下因呼吸作用而使內(nèi)部受潮發(fā)生的事故屢見(jiàn)不鮮。復(fù)合絕緣氧化鋅避雷器采用真空灌膠方式解決內(nèi)部存在空氣問(wèn)題，從而杜絕了避雷器因呼吸作用而受潮的可能性。

瓷套避雷器和復(fù)合絕緣氧化鋅避雷器的密封問(wèn)題都非常重要，因?yàn)楸芾灼髦械沫h(huán)氧材料和電阻片都極容易受潮。因此選用的密封材料必須有很好的抗老化能力，且要能和合成套以及金屬附件有良好的粘結(jié)密封效果。在灌膠前必須進(jìn)行測(cè)漏，對(duì)避雷器進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空度達(dá)到0.06 MPa時(shí)，關(guān)閉真空管閥門(mén)，保證在10 min內(nèi)，變化不大于0.002 MPa。否則要重新進(jìn)行處理，且要進(jìn)行密封檢測(cè)，合格后方可進(jìn)行澆灌。

表1 110 kV帶串聯(lián)間隙復(fù)合外套線路型氧化鋅避雷器的主要技術(shù)參數(shù)[4]

4 結(jié)語(yǔ)

輸電線路雷害事故多、雷擊跳閘頻繁，線路型避雷器的防雷效果已被國(guó)內(nèi)外所公認(rèn)。110 kV帶間隙線路型避雷器，因正常情況下與系統(tǒng)隔離，使用安全，與瓷絕緣子串的雷電伏-秒特性配合良好，可為線路提供可靠保護(hù)。避雷器生產(chǎn)過(guò)程中組裝質(zhì)量的好壞將直接影響到避雷器的質(zhì)量。

[1]DL/T 620-1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[2]劉有為，杜澍春，馬晉華，等.高壓交流線路用金屬氧化物避雷器[J].電力設(shè)備，2000，1（2）:1-8.

[3]張運(yùn)庭，段慶成，等.線路型有間隙和無(wú)間隙避雷器的技術(shù)特性和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[J].電瓷避雷器，2002（1）:21-27.

[4]DL/T 815-2002.交流輸電線路用復(fù)合外套金屬氧化物避雷器[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[5]王秉鈞.金屬氧化物避雷器[M].北京：水利電力出版社，1993.