配電線路避雷器分頻式脫離器動作特性數(shù)值分析

李煒，楊廷方，張磊，劉志勇，曾程

(1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

配電網(wǎng)的雷害事故占整個電力系統(tǒng)事故的70%～80%[1-2]。工程中通常裝設氧化鋅避雷器來提高線路的耐雷水平[3-4]。當避雷器絕緣受損時，不易被發(fā)現(xiàn)，還會引起線路接地故障。如果安裝了脫離器，則其會在避雷器絕緣受損時動作，及時切除線路接地故障，并方便運維人員識別，及時消缺，大大提高運維人員的工作效率[5]。文獻[6]提出了一種新型脫離器結構。該結構解決了脫離器外殼機械強度不足和易老化的缺點，但在沖擊電流下有可能誤動。文獻[7]采用耦合電容、空爆管和放電間隙提出了一種新型RBT型熱爆式脫離器，實現(xiàn)了工頻電流和沖擊電流的分流，但該脫離器為分體式結構，安裝不方便，易產(chǎn)生事故隱患。文獻[8]提出的熱激發(fā)器結構的脫離器也能實現(xiàn)分流，但該脫離器采用的雙金屬片一旦失去彈性或者電流比較小時，會導致脫離器拒動。

本文基于反時限原理，采用雙球隙設計了配電線路避雷器的分頻式脫離器。該脫離器采用電感與大球隙并聯(lián)，另在電感支路里設計了小球隙與電阻并聯(lián)。在沖擊或高頻電流下，泄漏電流流過大球隙，脫離器不動作。在工頻或低頻電流下，泄漏電流流過電感支路。此時若泄漏電流大于40 mA且小于0.5 A，則電阻發(fā)熱使脫離器動作；若泄漏電流大于0.5 A，則小球隙擊穿使脫離器動作。解決了常規(guī)脫離器在沖擊或高頻電流下易誤動、工頻或低頻電流下易拒動的問題。且工頻或低頻電流越大，脫離器動作速度越快。有助于對配電線路及時消缺，提高運維人員的工作效率。

1 常規(guī)脫離器分析

常規(guī)脫離器的結構如圖1所示。當避雷器絕緣良好時，其泄漏電流小，并經(jīng)過電阻元件入地，放電間隙（球隙）不動作。當雷電流流過避雷器時，電阻元件壓降增大，間隙放電，雷電流通過放電間隙入地，脫離器不動作。當避雷器絕緣受損時，其泄漏電流大[9]。此時大的泄漏電流經(jīng)過熱爆器，熱爆器動作，使避雷器與地線脫離。

圖1 常規(guī)脫離器結構Fig.1 The structure of the conventional disconnector

目前常規(guī)脫離器存在如下問題：（1）當避雷器長期故障運行時，電阻會因為一直承受高溫而被燒壞，致使電阻支路開路，造成脫離器拒動。（2）當雷電流流過避雷器時，若電流過大也會使熱爆器動作，從而引起脫離器誤動。

2 分頻式脫離器設計及仿真

2.1 分頻式脫離器原理及結構

為了解決常規(guī)脫離器存在的問題，本文基于反時限原理，提出一種采用雙球隙結構的分頻式脫離器，如圖2所示。大球隙與小球隙相比，其間隙距離更寬，半徑更大，通流容量更大，擊穿電壓更高。

圖2 分頻式脫離器結構Fig.2 The structure of the frequency-dividing disconnector

圖2中分頻式脫離器利用電感與大球隙并聯(lián)，實現(xiàn)了泄露電流的同路分頻。當雷電流通過避雷器時，由于電流頻率較高，一般高于5 000 Hz，會使圖2 中電感L的壓降UL很高并超過大球隙的擊穿電壓UG1，從而使大球隙擊穿。于是泄露電流經(jīng)大球隙入地。而電感L支路由于沒有電流經(jīng)過，故脫離器不動作。當避雷器的泄露電流為工頻或低頻時，由于頻率低，此時電感壓降UL小，并且小于UG1，故大球隙未擊穿。因此泄漏電流經(jīng)電感L支路入地。此時當工頻泄漏電流小于40 mA時，由于電流太小，不足以引爆熱爆器，致使脫離器不動作。但當工頻泄漏電流大于40 mA而小于0.5 A時，這意味著避雷器的絕緣已經(jīng)開始受損。由于此時泄漏電流幅值還不算大，故電阻R壓降UR會小于小球隙的擊穿電壓UG2。這樣小球隙沒有擊穿，而泄漏電流流過電阻R，通過電阻發(fā)熱會引爆熱爆器。當工頻泄漏電流大于等于0.5 A時意味著避雷器內(nèi)部絕緣嚴重受損[10-11]。此時UR會大于UG2，使小球隙擊穿放電。小球隙放電的電弧熱量會引爆熱爆器，使避雷器脫離。如果避雷器絕緣受損越嚴重，則泄漏電流的幅值就越大。其會使小球隙擊穿越快，并且小球隙放電的電弧熱量也會越大。這將使熱爆器的動作更快。這樣就實現(xiàn)了分頻式脫離器的反時限動作特性。為了提高脫離器動作的可靠性，考慮到避雷器表面污穢等外部環(huán)境也可能導致工頻泄漏電流上升[12]，故將熱爆器動作的工頻泄漏電流門檻值設置為40 mA。又根據(jù)現(xiàn)場避雷器絕緣損害的數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及為了與小球隙擊穿電壓值相配合，分頻式脫離器將避雷器的絕緣受損程度按照其工頻泄漏電流為0.5 A時進行分級。另外，若脫離器只采用電阻發(fā)熱動作方式，則當避雷器泄露電流過大時，電阻會因為高溫而被燒壞，致使電阻支路開路，造成脫離器拒動[13]。傳統(tǒng)的脫離器就有該問題[14]。如果脫離器加上小球隙擊穿動作方式，則當避雷器泄露電流過大時，UR會大于UG2，使小球隙擊穿放電。這樣由于小球隙分流，電阻就不會被燒壞。因此就不會有脫離器因支路開路而發(fā)生拒動的問題。分頻式脫離器采用這2種動作方式相結合，使得脫離器動作更加可靠。

2.2 分頻式脫離器的數(shù)值仿真

2.2.1 分頻式脫離器的仿真模型

利用電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP，設計的分頻式脫離器的仿真模型如圖3所示。

圖3 脫離器仿真模型Fig.3 The simulated model of disconnector

在圖3模型中，電流源用來模擬故障避雷器的泄漏電流。工頻電流采用AC source模塊。雷電流采用Heidler type 15模塊，波頭和幅值可調(diào)。大、小球隙均為閃絡觸發(fā)，用壓控開關來模擬[15]。雷電流頻率范圍主要為 6 250～1 000 000 Hz[16]，本文根據(jù)最低雷電流頻率及電網(wǎng)實際運行情況，設置了雷電流頻率的下限值為5 000 Hz。圖3中L、R的大小與各個球隙的擊穿電壓有關。

2.2.2L對各球隙電壓的影響分析

當R為10 Ω時，通過仿真得到不同電感L在不同頻率下與大球隙電壓關系如圖4所示。

圖4 電感L對大球隙電壓的影響Fig.4 Effect of L on the voltage of large sphere gap

由圖4可見：當泄漏電流頻率在20～200 Hz時，大球隙電壓小且電感L對大球隙電壓影響不大；當泄漏電流頻率在200～5 000 Hz時，電感L對大球隙電壓影響較大，但這不會使大球隙擊穿；當頻率大于5 000 Hz時，同頻率下大球隙電壓隨電感L的增大而增大。當頻率高于5 000 Hz時，L呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)，會使大球隙電壓達到其擊穿電壓UG1，進而發(fā)生球隙擊穿。這也意味著分頻式脫離器可通過大球隙和電感L，使得沖擊電流與工頻泄漏電流能可靠分流，實現(xiàn)不同頻率電流的同路分頻機制。另由圖3可知小球隙的電壓為電阻R的壓降，與電流頻率無關。

2.2.3R對各球隙電壓的影響分析

當L為10 mH時，通過仿真得到不同頻率下R與大球隙電壓關系如圖5所示。

圖5 R對大球隙電壓的影響Fig.5 Effect of R on the voltage of large sphere gap

由圖5可見：當泄漏電流頻率在20～200 Hz時，同頻率下大球隙電壓隨R的增大而增大；當頻率在200～2000 Hz時，同頻率下大球隙電壓變化較?。划旑l率大于5 000 Hz時，同頻率下大球隙電壓不隨R的變化而變化。另外由圖3可知小球隙兩端電壓與R的變化成正比。

2.2.4 各球隙擊穿電壓的取值

脫離器內(nèi)部溫升主要取決于電阻R的功率和阻值。目前電阻R的制造水平難以同時滿足大功率、高阻值且體積較小的要求。在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)選擇電阻R為小功率，阻值為10 Ω時，其體積、功率以及發(fā)熱均能滿足試驗要求。通過對圖4和圖5的仿真得到，R為10 Ω，L為10 mH，且泄露電流的頻率為5 000 Hz時，大球隙的擊穿電壓UG1為3 240 V。在該電壓下，避雷器動作時的沖擊泄露電流能使大球隙可靠動作。而小球隙的擊穿電壓UG2為5 V時，當工頻電流大于等于0.5 A時，小球隙亦能可靠擊穿。

2.3 分頻式脫離器的動作特性仿真

分頻式脫離器經(jīng)過ATP仿真分析，仿真波形如圖6及圖7所示。圖6給出了當避雷器通過2.6/50 μs雷電流時，分頻式脫離器的電流、電壓響應曲線。由圖6a)可知，當雷電流流過避雷器時，大球隙支路電流很大而L支路電流很小，可忽略。由圖6b)可知，當不同的雷電流10 kA、8 kA、5 kA、3 kA 流過避雷器時，由于當大半球間隙被擊穿，L-R支路近似被短接，故小半球間隙電壓接近零。

圖6 雷電流下分頻式脫離器電流電壓波形Fig.6 Voltage and current waveforms of the frequencydividing disconnector by lightning current

圖7 工頻電流下分頻式脫離器波形Fig.7 Voltage and current waveforms of the frequencydividing disconnector in power industry current

圖7給出了當避雷器發(fā)生絕緣受損且通過工頻泄漏電流時，分頻式脫離器的電流、電壓響應曲線。由圖7a)可以看出，當工頻泄漏電流流過避雷器時，大球隙的電流僅有微安級。由于大球隙未擊穿，故電流都從L支路中通過。由圖7b)當避雷器發(fā)生絕緣受損時，會有大于40 mA的工頻泄漏電流產(chǎn)生。可以看出，泄漏電流越大，小球隙擊穿速度越快。因此電弧產(chǎn)生的熱量達到熱爆器動作熱量的時間也越短，故脫離器動作速度也越快。由此說明分頻式脫離器具有反時限動作特性。

由圖6、圖7波形可見，當避雷器流過雷電流時，脫離器大球隙擊穿，脫離器不動作。當避雷器流過工頻泄漏電流時，脫離器小球隙擊穿，脫離器動作。且當泄漏電流越大，脫離器動作越快。分頻式脫離器具有反時限動作特性。

3 分頻式脫離器動作性能的測試

搭建分頻式脫離器動作性能測試平臺如圖8所示[17-18]。

圖8 動作性能測試原理Fig.8 Schematic diagram of action performance test

其中，Cb為倍壓回路電容；S為整流硅堆；Re為充電保護電阻；Rm為直流電阻分壓器；C為主電容器；L為調(diào)波電感；R為調(diào)波電阻；Sp為放電球隙；D為脫離器。

該測試平臺采用倍壓整流充電方式，使用主放電電容及支架如圖9所示。四只主電容改為兩并兩串，所有電容器外殼并聯(lián)接充電架中壓端。

圖9 脫離器測試平臺Fig.9 Disconnector test platform

試驗過程中分別對分頻式脫離器進行了沖擊電流和工頻電流測試[19-20]。在測試中發(fā)現(xiàn)，沖擊電流通過避雷器時，脫離器均不動作。工頻電流通過避雷器時，脫離器可靠動作，其安秒特性曲線如圖10所示。

圖10 工頻電流下反時限安秒特性曲線Fig.10 Inverse time and ampere-second characteristic curve in power frequency current

由圖10的波形可知，分頻式脫離器具有反時限特性。當故障避雷器流經(jīng)工頻電流時，泄漏電流越大，脫離器動作越快，且當工頻電流大于100 A時，脫離器動作時間僅為毫秒級。

4 工程應用

該分頻式脫離器已在某抽水蓄能電站的35 kV線路上應用。該電站有一條35 kV線路與相鄰縣城的35 kV變電站相連，用作備用電。該線路全線為架空線路，共有117級桿塔，線路全長為30 km。該線路所經(jīng)區(qū)域多為強雷電區(qū)，經(jīng)常發(fā)生雷擊跳閘事故。自2017年該線采用分頻式脫離器以來，線路避雷器的故障率大大下降，線路跳閘率也大大下降。現(xiàn)場脫離器的安裝如圖11和圖12所示。表1為2016—2018年該線路的線路接地原因以及線路跳閘次數(shù)統(tǒng)計。從表1中可以看出，分頻式脫離器使用后，因避雷器絕緣導致的線路接地故障率降低到了0，線路的跳閘次數(shù)也從13次降到了5次，在所處的強雷區(qū)里，取得了明顯的效果。

圖11 脫離器安裝過程Fig.11 Installation process diagram of disconnector

圖12 脫離器安裝完成Fig.12 Installation completion diagram of disconnector

表1 線路接地原因統(tǒng)計表Table 1 Test results of frequency divider in power frequency current

表1表明，采用分頻式脫離器后，線路不再由于避雷器絕緣受損出現(xiàn)接地情況。這樣不僅避免了事故的擴大還避免造成更大范圍的損失，從而進一步降低了巡線人員以及檢修人員對避雷器維護的工作量，提高了電力系統(tǒng)的運維效率。

5 結論

（1）該脫離器采用電感與大球隙并聯(lián)，實現(xiàn)了泄漏電流的同路分頻機制。當雷電流流過避雷器時，由于當大球隙被擊穿，L支路近似被短接，故小球隙電壓只有微伏級，脫離器不動作。當工頻泄漏電流流過避雷器時，且避雷器工頻泄漏電流大于40 mA時，大球隙的電流僅為微安級。由于大球隙未擊穿，電流都從L支路中通過，并引起小球隙擊穿放電，引爆熱爆器，從而實現(xiàn)避雷器迅速脫離。因此分頻式脫離器根據(jù)流過避雷器電流的大小和頻率不同，通過不同支路間隙的動作，可靠保證脫離器不會誤動和拒動。

（2）利用電阻并聯(lián)小球隙，實現(xiàn)了脫離器可靠動作。在泄漏電流頻率低于5 000 Hz的區(qū)段內(nèi)，當電流小于0.5 A時，采用電阻發(fā)熱動作；當電流大于0.5 A時，采用小球隙擊穿動作。

（3）分頻式脫離器具有反時限特性。當故障避雷器流經(jīng)工頻電流時，泄漏電流越大，脫離器動作越快，且當工頻電流大于100 A時，脫離器動作時間僅為毫秒級。

（4）現(xiàn)場運行結果表明了分頻式脫離器的有效性和可靠性。