10 kV避雷器用脫離器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

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(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

架空配電線路分布范圍廣、絕緣水平較低、防雷措施薄弱，雷電活動(dòng)危害較大，嚴(yán)重影響配電線路的安全穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)電力系統(tǒng)過(guò)電壓事故中，配電網(wǎng)過(guò)電壓事故約占50%以上[1-2]。

氧化鋅避雷器具有保護(hù)特性好、通流能力強(qiáng)、殘壓低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。10 kV配網(wǎng)中一般選用復(fù)合外套氧化鋅避雷器保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備減少雷擊時(shí)的高瞬態(tài)過(guò)電壓危害，但在避雷器發(fā)生故障時(shí)不易從外表面分辨出，故障點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，不能立即排除故障，影響線路供電。避雷器用脫離器為避雷器的配套設(shè)備，與避雷器串聯(lián)使用。當(dāng)避雷器無(wú)故障，脫離器能承受與避雷器相同的外部工作條件，不會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)避雷器有故障時(shí)，脫離器會(huì)因工頻故障電流動(dòng)作，使避雷器從系統(tǒng)中退出運(yùn)行，且脫離器動(dòng)作后有易見(jiàn)的斷開(kāi)標(biāo)識(shí)，可方便查找故障點(diǎn)，有效解決及時(shí)查找避雷器故障點(diǎn)，防止系統(tǒng)死接地的問(wèn)題[3]。

目前，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB 11032—2010[4]與DL/T1294—2013[5]只是提出了避雷器用脫離器型式試驗(yàn)、例行試驗(yàn)一些基本要求，如一些機(jī)械、環(huán)境、外套絕緣耐受等試驗(yàn)要求，而對(duì)于脫離器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)僅給出一個(gè)簡(jiǎn)單的定義，完全不能滿足現(xiàn)行脫離器的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)大部分脫離器生產(chǎn)廠家正是根據(jù)這些技術(shù)參數(shù)要求試驗(yàn)與生產(chǎn)，并投入電網(wǎng)中運(yùn)行，這將嚴(yán)重降低脫離器的判斷避雷器故障的準(zhǔn)確率，從而給國(guó)家造成龐大的損失。

為此，筆者主要開(kāi)展以下工作，基于避雷器用脫離器的工作原理，著重研究了脫離器最大持續(xù)運(yùn)行電流與起始動(dòng)作電流兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。首次通過(guò)人工污穢試驗(yàn)，測(cè)量不同污穢等級(jí)下避雷器的泄漏電流，進(jìn)而確定不同污穢等級(jí)下脫離器的最大持續(xù)運(yùn)行電流。通過(guò)對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地短路故障時(shí)避雷器泄漏電流的測(cè)量和分析，確定脫離器的起始動(dòng)作電流值，還通過(guò)脫離器安秒特性試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步研究脫離器的動(dòng)作特性，為今后避雷器用脫離器專用標(biāo)準(zhǔn)的確定提供依據(jù)。

1 避雷器用脫離器工作原理

1.1 工作原理

避雷器用脫離器簡(jiǎn)稱脫離器，為避雷器的專用配套設(shè)備。在避雷器正常狀態(tài)下，且氣候老化壽命應(yīng)等同于避雷器。在避雷器故障狀態(tài)下，脫離器能將避雷器從系統(tǒng)中分離出來(lái)，防止電網(wǎng)持續(xù)性接地故障。脫離器動(dòng)作后會(huì)出現(xiàn)清晰明顯的標(biāo)示供運(yùn)行人員查找故障點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)避雷器進(jìn)行維修或更換[6-7]。

目前國(guó)內(nèi)外通常采用的是熱爆式脫離器，它有兩種引爆熱爆管方式，其原理見(jiàn)圖1：方式一，是隨著電阻溫度急劇升高，通過(guò)熱傳導(dǎo)引爆熱爆管；方式二，是由于電阻溫度升高，電阻分壓增大，使得間隙兩端電壓升高，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，間隙擊穿，電弧引爆熱爆管[8-9]。

圖1 熱爆式脫離器原理圖Fig.1 Schematic diagram of the thermo-explosive disconnector

1.2 避雷器用脫離器關(guān)鍵參數(shù)

1.2.1 最大持續(xù)運(yùn)行電流

在避雷器正常運(yùn)行狀態(tài)下，其泄漏電流一般很小，只有微安級(jí)別。但在特殊環(huán)境下(污穢及淋雨)，避雷器外套電流可達(dá)十幾甚至數(shù)十毫安，此電流與避雷器芯體電流可全部經(jīng)過(guò)脫離器的間隙并聯(lián)元件入地。將此電流稱為脫離器最大持續(xù)電流。在最大持續(xù)運(yùn)行電流下，間隙并聯(lián)元件應(yīng)不受損，且脫離器不誤動(dòng)。

1.2.2 起始動(dòng)作電流

避雷器故障時(shí)，流經(jīng)脫離器的電流會(huì)使脫離器兩端壓降變大，超過(guò)其內(nèi)部間隙的工頻放電電壓，造成內(nèi)部間隙較長(zhǎng)時(shí)間放電，導(dǎo)致熱爆管爆炸使脫離器動(dòng)作。該電流就是脫離器的起始動(dòng)作電流。其值設(shè)定太小，避雷器沒(méi)進(jìn)入不可逆的破壞進(jìn)程，易產(chǎn)生誤動(dòng)；設(shè)置太大，對(duì)間隙并聯(lián)元件的要求太高，不易滿足。國(guó)內(nèi)多數(shù)脫離器生產(chǎn)廠家由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈原因，偷工減料情況比較嚴(yán)重，低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)較為普遍，產(chǎn)品性能不能保證，運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象發(fā)生，如脫離器動(dòng)作時(shí)，流過(guò)它的電流僅為數(shù)毫安，造成避雷器并沒(méi)有故障而脫離器卻動(dòng)作。長(zhǎng)期運(yùn)行后，給系統(tǒng)造成了大量隱患[10-12]。

2 試驗(yàn)裝置和試品及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置及試品

試驗(yàn)場(chǎng)所為江西省電科院污穢試驗(yàn)室，試驗(yàn)布置見(jiàn)圖2。試驗(yàn)電源通過(guò)絕緣套管引入，霧由蒸汽發(fā)生器制造，并通過(guò)導(dǎo)管引入污穢試驗(yàn)室。當(dāng)室內(nèi)濕度達(dá)到100%后，放置避雷器試品。避雷器泄漏電流通過(guò)Hi-techniques synergy型錄波儀記錄。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Test layout diagram

圖3 人工霧室Fig.3 Artificial fog chamber

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試品為YH5WS-17/50氧化鋅避雷器,復(fù)合外套避雷器人工污穢試驗(yàn)由于還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，因此本文參考絕緣子的人工污穢試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC60507:1991[13]和GB/T 4585—2004[14]推薦的固體涂層法，具體方法見(jiàn)圖4。

圖4 Hi-techniques Synergy型錄波儀Fig.4 Hi-techniquessynergy wave recorder

1)試品預(yù)處理：徹底清洗避雷器以洗凈避雷器絕緣表面所有污穢物與油脂。判斷避雷器絕緣表面徹底洗凈且不含油脂的方法為觀察避雷器絕緣表面，當(dāng)看到大片且連續(xù)的濕表面即可認(rèn)定滿足要求。清洗后，將洗凈的避雷器放于防塵容器內(nèi)，等待干燥后使用。

2)涂污：根據(jù)對(duì)試品不同污穢等級(jí)的要求，調(diào)制A、B、C、D、E 5種不同鹽密、灰密的污液。污液由NaCl、高嶺土和蒸餾水組成，鹽密分別取0.025、0.05、0.1、0.2、0.4 mg/cm2，且灰密與鹽密比為1 ∶5，分為5個(gè)污穢等級(jí)A、B、C、D、E。每種污穢等級(jí)準(zhǔn)備6支避雷器試品，共30支。涂污完后置于防塵容器內(nèi)干燥。不同污穢等級(jí)避雷器如下圖所示。不同污穢等級(jí)避雷器見(jiàn)圖5。

圖5 不同污穢等級(jí)避雷器實(shí)物示意圖Fig.5 lightning arresters with different pollution levels

3)測(cè)量污穢度：待涂污干燥后，在每種污穢等級(jí)中隨機(jī)選取一支避雷器試品，測(cè)其鹽密是否達(dá)到預(yù)定的要求。采用DY-Ⅱ型直讀式等值嚴(yán)密測(cè)量?jī)x，見(jiàn)圖6，其等值附鹽密度為0.01～3.0 mg/cm2，分辨率為0.001位。

圖6 DY-Ⅱ型直讀式等值嚴(yán)密測(cè)量?jī)xFig.6 The DY-Ⅱdirect equivalent of strict measuring instrument

4)試品的加壓：先用蒸汽發(fā)生器對(duì)污穢試驗(yàn)室進(jìn)行加濕，記錄場(chǎng)地溫濕度，當(dāng)濕度達(dá)到99%后，將污穢處理過(guò)的避雷器試品放入污穢實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)加壓系統(tǒng)分別對(duì)避雷器分別施加工頻運(yùn)行電壓5.77 kV和單相接地短路時(shí)非故障相電壓10 kV各30 min。

5)泄漏電流的測(cè)量。在加壓同時(shí)用錄波儀記錄避雷器泄漏電流。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 避雷器污閃過(guò)程分析

在E級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流波形見(jiàn)圖7。選取泄漏電流幅值Im作為特征量進(jìn)行污閃過(guò)程分析，從圖中可觀察出，避雷器泄漏電流經(jīng)歷4個(gè)過(guò)程，即污穢濕潤(rùn)、產(chǎn)生局部電弧，發(fā)生局部電弧部分產(chǎn)生干燥帶，干燥帶重新濕潤(rùn)再產(chǎn)生電弧，上述的4個(gè)過(guò)程可由避雷器泄漏電流幅值的變化反應(yīng)出。加壓初，由于避雷器剛放入霧室，避雷器污穢層還未完全濕潤(rùn)，導(dǎo)致避雷器表面等效電阻較大，泄漏電流幅值較小，基本維持在1 mA以下；隨著避雷器污穢層受潮逐漸充分，其表面等效電阻逐漸減小，避雷器泄漏電流明顯增大，電流幅值達(dá)到幾毫安甚至幾十毫安，且避雷器表面有火花放電現(xiàn)象；隨著火花放電，放電區(qū)域逐漸干燥，放電停止，電流減小，再次被濕潤(rùn)后繼續(xù)放電。

圖7 采集到的泄漏電流波形Fig.7 leakage current waveform

3.2 運(yùn)行電壓5.77 kV下，泄漏電流分析

通過(guò)Matlab軟件對(duì)采集到的避雷器泄漏電流I處理，取5個(gè)周期為一時(shí)間段，把整個(gè)數(shù)據(jù)分為n段，再分別對(duì)每段求有效值，然后在處理過(guò)的波形圖中觀察選取最大有效值。在5組重復(fù)試驗(yàn)中，去掉泄漏電流最大值與最小值，避雷器最大持續(xù)運(yùn)行電流取其余3組數(shù)據(jù)的平均值。

5種污穢等級(jí)下分別選取一支避雷器泄漏電流有效值的典型波形，見(jiàn)圖8—圖12。

圖8 A級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.8 Leakage current rms waveform under the condition of grade A

圖9 B級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.9 Leakage current rms waveform under the condition of grade B

圖10 C級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.10 Leakage current rms waveform under the condition of grade C

圖11 D級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.11 Leakage current rms waveform under the condition of grade D

圖12 E級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.12 Leakage current rms waveform under the condition of grade E

圖8中泄漏電流較為平緩，有效值也較小，僅為0.17 mA。而隨著污穢等級(jí)的提高，避雷器泄漏電流變大。污穢等級(jí)從A至E，其泄漏電流最大有效值分別到達(dá)0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。其全部流過(guò)脫離器的間隙并聯(lián)元件入地，即在5種不同污穢等級(jí)下，脫離器最大持續(xù)運(yùn)行電流分別為0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。污穢等級(jí)為A、B時(shí)，避雷器無(wú)局部放電現(xiàn)象，C級(jí)污穢等級(jí)下能聽(tīng)到電暈放電聲音，而D級(jí)與E級(jí)污穢中能觀察出劇烈的局部放電。

3.3 10 kV電壓等級(jí)下，泄漏電流分析

根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，10 kV配網(wǎng)主要運(yùn)行方式為中性點(diǎn)不接地運(yùn)行。而在短路故障中，單相接地短路故障概率極大，占短路故障中60%以上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相相電壓升高至線電壓，且我國(guó)配電線路允許單相接地故障下繼續(xù)允許1～2 h[15-16]。此時(shí)避雷器兩端電壓并未超過(guò)避雷器額定電壓，避雷器不會(huì)損壞，但其泄漏電流可能會(huì)迅速增大，因此脫離器起始動(dòng)作電流必須滿足中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)短路時(shí)避雷器的泄漏電流，在此電流作用下，脫離器不能誤動(dòng)作。

考慮系統(tǒng)單相不接地短路時(shí)時(shí)不同污穢等級(jí)下試驗(yàn)泄漏電流有效值典型波形見(jiàn)圖13-圖17。

圖13 A級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.13 Leakage current rms waveform under the condition of grade A

圖14 B級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.14 Leakage current rms waveform under the condition of grade B

圖15 C級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.15 Leakage current rmswaveformunder the condition of grade C

圖16 D級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.16 Leakage current rms waveform under the condition of grade D

圖17 E級(jí)污穢等級(jí)下，泄漏電流有效值波形圖Fig.17 Leakage current rmswaveformunder the condition of grade A

據(jù)圖13所示，鹽密ρSDD為0.025 mg/cm2時(shí)，其泄漏電流值變化較為平緩，且有效值較小，僅為0.16 mA。隨著污穢等級(jí)的提高，避雷器泄漏電流也明顯增加。鹽密從0.025、0.05、0.1、0.2、0.4 mg/cm2時(shí)，泄漏電流最大有效值分別到達(dá)0.17、0.6、1.0、5.0、20 mA。

3.4 起始動(dòng)作電流確定原則

工作電壓及考慮單相接地短路時(shí)，避雷器泄漏電流有效值最大值見(jiàn)圖18。低污穢等級(jí)下其泄漏電流都很小，僅為微安級(jí)，當(dāng)污穢等級(jí)達(dá)到E級(jí)時(shí)，其泄漏電流可驟增上百倍。同時(shí)，當(dāng)避雷器上電壓升高后，泄漏電流也呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。

圖18 避雷器泄露電流有效值最大值Fig.18 Arrester leakage current rms maximum value

確定不同污穢等級(jí)下脫離器起始動(dòng)作電流時(shí)，由于我國(guó)配電線路允許在單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行1～2 h，因此本文選取避雷器正常運(yùn)行工況與單相接地短路工況中最大值來(lái)作為參考依據(jù)。5種污穢等級(jí)，2種工況中泄漏電流有效值最大值為0.17、0.8、1.4、5.0、20 mA。脫離器起始動(dòng)作電流應(yīng)大于避雷器未損壞時(shí)可能出現(xiàn)的最大泄漏電流。即起始動(dòng)作電流應(yīng)大于20 mA，考慮一定裕度，可以設(shè)置其值為40 mA。

4 脫離器安秒特性研究

根據(jù)GB 11032—2010對(duì)脫離器進(jìn)行安秒特性試驗(yàn)，選取40 mA、0.5 A、5 A、20 A 4個(gè)電流值，對(duì)每種電流值各試驗(yàn)5只新試品共計(jì)20只，測(cè)量所得安秒特性曲線見(jiàn)圖19。當(dāng)流經(jīng)脫離器電流為40 mA時(shí)，脫離器約在203 s時(shí)動(dòng)作。脫離器動(dòng)作后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖20，主要由電阻片、彈簧及裝有火藥的子彈頭組成。

圖19 脫離器安秒特性曲線圖Fig.19 Ampere-second property of disconnector

圖20 脫離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.20 Internal structure of disconnector

5 結(jié)論

開(kāi)展了工作電壓和考慮單相接地短路兩種不同工況下，5種污穢等級(jí)避雷器泄漏電流測(cè)試試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1)避雷器泄漏電流隨著污穢等級(jí)的增大而增大。污穢等級(jí)從A至D時(shí)，其電流增加并不是很大，當(dāng)污穢等級(jí)為E級(jí)時(shí)，其泄漏電流增幅明顯。

2)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于避雷器泄漏電流全部流入脫離器內(nèi)部，因此對(duì)于A—E污穢等級(jí)下的脫離器最大持續(xù)運(yùn)行電流為0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。

3)不接地單相短路工況下，A—E污穢等級(jí)下脫離器泄漏電流最大有效值分別為0.17、0.8、1.4、5.0、20 mA。脫離器起始動(dòng)作電流為避雷器未損壞時(shí)可能出現(xiàn)的最大泄漏電流值，并考慮一定裕度，最終確定其值為40 mA，并對(duì)脫離器進(jìn)行安秒試驗(yàn)，流經(jīng)脫離器電流值為40 mA時(shí)，脫離器大約在203 s后動(dòng)作。

4)污穢對(duì)避雷器泄漏電流影響很大，建議定期對(duì)避雷器進(jìn)行除污處理。