新型帶電拆裝線路避雷器的研制

李衍川,王 健,雷 挺,陳 康,張延輝,羅 翔,張振宇,何 鋒,余定文

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福州 350007;2.中國電力科學(xué)研究院,北京 100192;3.山東迅實電氣有限公司,山東 淄博, 530023;4.國網(wǎng)福建省電力有限公司莆田供電公司,福建 莆田, 351100;5.國網(wǎng)福建省電力有限公司,福州350003)

0 引言

間隙避雷器是防范線路雷電過電壓的重要裝置,對于減少配電線路跳閘、保護導(dǎo)線和絕緣子免受雷電過電壓損壞具有重要作用[1]。調(diào)查某網(wǎng)省供電公司發(fā)現(xiàn),目前大量使用的是一種穿刺電極外串聯(lián)間隙避雷器,即電極穿透導(dǎo)線絕緣層接觸線芯,將導(dǎo)線電位引出,避雷器本體高壓端設(shè)置一個半球電極,穿刺電極與半球電極構(gòu)成串聯(lián)空氣間隙[2-3]。但運行經(jīng)驗表明,穿刺電極會隨著導(dǎo)線伸縮而移動,半球電極受到風(fēng)力影響也會發(fā)生偏移,這些因素導(dǎo)致了穿刺電極串聯(lián)間隙避雷器很容易失效[4]。文獻[5]首先提出了新型“免維護”的固定間隙避雷器產(chǎn)品,文獻[6]則將固定外串聯(lián)間隙避雷器應(yīng)用于10 kV配電線路,取得了不錯的效果,因此固定間隙是未來配電線路避雷器應(yīng)用方向。

隨著配網(wǎng)供電可靠性的要求逐年提升,帶電工作取代停電計劃安排是未來的趨勢[7],目前市場上應(yīng)用的線路避雷器安裝需要停電安裝或利用帶電陡臂車進行絕緣遮蔽后方可帶電安裝,但這種安裝方式需要足夠空間供陡臂車立腳支撐,在偏遠山區(qū)或道路不便的線路將無法開展,另一方面供電公司帶電陡臂車數(shù)量有限,只能在小范圍且交通便利的地方開展,無法保證快速及時更換故障避雷器。文獻[8]提出了利用絕緣操作桿帶電安裝絕緣穿刺線夾的作業(yè)方法,具有一定的借鑒意義,若避雷器能利用絕緣操作桿實現(xiàn)帶電安裝,將極大方便現(xiàn)場運維人員開展避雷器安裝及更換工作。

10 kV線路避雷器自身運行雷擊損壞故障多發(fā),運行數(shù)據(jù)表明,每年因線路避雷器導(dǎo)致故障多達200余次。中國電科院沈海濱以沖擊大電流幅值耐受超限作為避雷器本體雷擊損壞的判據(jù),計算獲得了線路避雷器的故障臨界雷電流[9],提出避雷器雷電耐受技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型,并建議采用整只避雷器作為試品開展4/10 μs大電流沖擊試驗,從而更準確反映避雷器的現(xiàn)場運行情況[10]。

線路避雷器雷擊損壞后,由于存在間隙,通常不影響線路運行,因此故障損壞后很難被運行人員快速查找[11]。傳統(tǒng)用脫離器的指示方式存在諸多問題,熱熔式脫離器啟動電流大、啟動時間長,可靠性差,熱爆式雖然提升了上述參數(shù)指標[12],但裝置成本較高,其價格甚至超過線路避雷器的價格,因此用脫離器作為故障指示方式尚未被廣泛接受;安裝在線監(jiān)測裝置進行故障判別雖然準確率高,但整個裝置的經(jīng)濟成本較高[13],同樣不適合配網(wǎng)線路。

針對配網(wǎng)線路的走廊特點和運行環(huán)境,研制了能夠帶電拆裝的線路避雷器,設(shè)計避雷器固定空氣間隙的結(jié)構(gòu)型式[14],研究利用絕緣操作桿實現(xiàn)線路避雷器帶電安裝的工作方法,分析選擇避雷器的關(guān)鍵參數(shù),通過雷電沖擊試驗、殘壓試驗、整只4/10 μs大電流沖擊試驗、振動試驗等對樣品進行性能檢驗,最終將定型產(chǎn)品掛網(wǎng)運行。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 外形結(jié)構(gòu)

本研究結(jié)合帶支撐件固定間隙、穿刺電極外串聯(lián)空氣間隙兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,設(shè)計的間隙結(jié)構(gòu)見圖1。避雷器本體下端的半球型金屬電極與橫擔(dān)的直角折彎形成一個固定的純空氣間隙,見圖1(a),不存在因運行環(huán)境影響而發(fā)生間隙跑偏的隱患。在雷電過電壓作用下,空氣間隙被擊穿,避雷器在高電壓下呈現(xiàn)低阻抗,將雷電流泄放入地;雷電沖擊過后,空氣間隙絕緣強度得到恢復(fù),線路繼續(xù)正常運行;當(dāng)避雷器損壞后,避雷器本體與線路之間無有電氣連接,因此不會發(fā)生線路失地現(xiàn)象。

圖1 彈簧自鎖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of self-locking spring

本研究設(shè)計的帶電操作方法,遵循操作簡單、連接可靠、零部件少的原則,在避雷器本體上端設(shè)有彈簧,并通過特殊結(jié)構(gòu)的定位罩與絕緣支柱連接,定位罩是注塑成型的帽型結(jié)構(gòu),側(cè)邊有4個或6個開口,見圖1(b)。避雷器本體頂端有用于與帽型開口配合的雙耳卡柱,安裝時利用操作桿頂起避雷器進入定位罩,雙耳卡柱與定位罩的側(cè)面開口會形成自鎖與脫離,因此只需要一個簡單的旋入旋出操作即可完成避雷器更換。

脫離式帶電安裝線夾整體結(jié)構(gòu)見圖2,包含線夾連接器和線夾本體兩個部分,其中圖2(a)為安裝示意圖,圖2(b)為引流線夾及其連接器的結(jié)構(gòu)。引流線夾內(nèi)有彈簧夾卡到夾板的固定槽,掛接避雷器引線時,操作桿套入連接螺栓,將夾板套入架空導(dǎo)線后,向下拉線夾連接器,從而使線夾的彈簧脫離固定槽而夾緊導(dǎo)線。彈簧受到引線牽引力作用,能夠防止彈簧失去夾緊力而移動,增加了線夾的穩(wěn)定性,且結(jié)構(gòu)簡單,易于現(xiàn)場操作。

圖2 帶電安裝線夾結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of wire clip applied in live work

1.2 帶電安裝工具設(shè)計

經(jīng)反復(fù)研究,安裝工具由絕緣操作桿搭配兩個接頭組成,圖3(a)為螺栓鎖緊接頭,圖3(b)為避雷器拆裝套筒接頭。鎖緊工具用于將避雷器、支柱絕緣子、引流線夾等成套裝置緊固在橫擔(dān)上,該工具頂端有一個棘輪套筒,并配有一個轉(zhuǎn)向撥片,撥片用于帶動支撐絕緣子下端的旋轉(zhuǎn)固定板卡位于橫擔(dān)下方,棘輪套筒用于鎖緊鎖緊螺栓,實現(xiàn)成套裝置緊固在橫擔(dān)上。安裝或拆卸避雷器本體時,操作人員將套筒頂入避雷器本體的球形電極,從而帶動避雷器本體裝入或脫離彈簧定位罩。

圖3 絕緣操作桿的接頭實物圖Fig.3 Physical picture of the joint of insulated operating rod

1.3 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

避雷器傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝為環(huán)氧樹脂或不飽和固化電阻片形成芯體、外側(cè)模壓硅橡膠傘群,但這種結(jié)構(gòu)容易降低電阻片側(cè)面釉層絕緣性能[16],使整只避雷器的耐受沖擊性能低于單個電阻片,因此避雷器本體故障較多,本研究將電阻片壓裝在絕緣外套內(nèi)部,再填充硅橡膠進行密封,外套內(nèi)層是環(huán)氧絕緣筒,外壁設(shè)置若干凹槽,能夠加速能量釋放,減少外套破損面積[17-18]。

2 主要參數(shù)

線路避雷器可不考慮持續(xù)運行電壓,因此在選取額定電壓時主要考慮間隙放電后最大工頻過電壓下能夠熄弧[19]。根據(jù)運行經(jīng)驗,一般最大工頻過電壓峰值小于拐點電壓(直流1 mA參考電壓),參考DL/T 815-2012的推薦值,額定電壓選取13 kV,殘壓不高于40 kV。

目前電力系統(tǒng)配網(wǎng)線路避雷器的標稱放電電流等級主要為5 kA,根據(jù)GB 11032-2020,對應(yīng)In為5 kA的避雷器大電流耐受試驗要求為65 kA,該試驗?zāi)軌虮ＷC避雷器遭受直擊雷的安全可靠性[20]。

選擇的避雷器主要參數(shù)見表1,考慮配電網(wǎng)遭受的雷擊故障以感應(yīng)雷為主[21],在避雷器質(zhì)量可靠的情況下,8/20 μs標稱放電電流選擇為5 kA即可[22],同時設(shè)計此標稱放電電流下的避雷器殘壓遠低于支撐絕緣子的放電電壓和線路絕緣子的放電電壓,以保證足夠的絕緣配合裕度。

表1 避雷器本體的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of metal oxide arrester part

沖擊試驗放電統(tǒng)計結(jié)果表明,雷電沖擊放電電壓與被保護絕緣子應(yīng)合理配合,并始終先于絕緣子擊穿放電,即滿足以下關(guān)系:

U50避雷器(1+3σ)

(1)

式中,U50避雷器為間隙避雷器的50%擊穿放電電壓;U50絕緣子為被保護絕緣子的50%擊穿放電電壓;σ為雷電放電電壓的標準偏差。

根據(jù)絕緣配合的正態(tài)分布經(jīng)驗法則[23],串聯(lián)間隙最大值可按照避雷器與絕緣子的50%雷電沖擊放電電壓比值為0.8～0.85范圍內(nèi)選取,GB 16927.1-2011推薦σ取0.03,因此選擇的避雷器串聯(lián)間隙距離和對應(yīng)的50%雷電沖擊放電電壓值見表2。

表2 50%雷電沖擊放電電壓試驗情況Table 2 50% lighting impulse discharge voltage test results

3 試驗驗證

3.1 雷電沖擊伏秒特性

為驗證避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計和間隙參數(shù)設(shè)置的合理性,開展雷電全波沖擊伏秒特性試驗[24-25],通過沖擊電壓發(fā)生器和分壓器給避雷器樣品提供沖擊電壓,并利用示波器記錄電壓和時間。

試驗結(jié)果表明,在表2選擇的間隙距離下,所有雷電沖擊放電路徑均發(fā)生在半球型固定間隙上,伏秒特性曲線的每個放電點,避雷器的放電電壓都比被保護絕緣子(以型號為PS-20T的瓷絕緣子為試驗樣品)的放電電壓低約20%,見圖4,因此可認為設(shè)計的固定間隙避雷器結(jié)構(gòu)合理,間隙距離滿足保護要求,能夠確保準確動作。在該間隙距離下,避雷器的雷電沖擊放電路徑見圖5。

圖4 雷電沖擊放電的伏秒特性Fig.4 Volt-second characteristics of lightning impulse discharge

圖5 避雷器的放電路徑Fig.5 The discharge path of the arrester

3.2 大電流沖擊試驗

4/10 μs大電流沖擊試驗是用于檢驗避雷器在遭受雷擊的可靠性,是確保避雷器安全可靠運行的重要考核指標。

抽取2只避雷器開展整只大電流試驗(樣品的標稱電流為5 kA),試驗要求為65 kA耐受2次,試驗原理是變壓器先向電容器組充電,通過觸發(fā)脈沖到球隙中,使球隙放電,放電后電容器組經(jīng)過LR串聯(lián)電路向試品放電,形成4/10 μs沖擊電流波形。試驗結(jié)果,試品的沖擊電流峰值均超過65 kA,視在半峰時間超過10 μs,符合試驗要求,試驗波形見圖6。

圖6 新型避雷器大電流沖擊試驗電流波形Fig.6 The waveform of high current impulse withstand test

試驗后分別檢測直流1 mA參考電壓和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流[27],見表3。

表3 沖擊大電流試驗后U1 mA電壓及泄漏電流測試結(jié)果Table 3 The test result of U1 mA voltage and leakage current before and after high current impulse withstand test

樣品在大電流沖擊耐受試驗后,未發(fā)現(xiàn)擊穿和破損現(xiàn)象,試驗后的直流1 mA參考電壓降低約8%,但仍高于標準要求的U1 mA>18 kV,而0.75倍直流參考電壓下泄漏電流增大約6 μA,但也遠低于標準要求的50 μA。

3.3 振動校驗

為檢驗成套的帶電拆裝避雷器在長時間風(fēng)振、外力荷載作用下的穩(wěn)定性[28],對避雷器開展振動試驗,主要模擬導(dǎo)線風(fēng)偏舞動情況下避雷器是否會發(fā)生脫落,試驗條件為頻率3 Hz～5 Hz,振幅20 mm,避雷器支柱絕緣子軸向和徑向受力,振動次數(shù)為200 000次。試驗前避雷器與橫擔(dān)連接的3個螺母緊固力矩為37 N·m(從左至右編號為L1、L2、L3),引線線夾上的螺母(編號為L4)力矩設(shè)定為35 N·m。

試驗后避雷器本體、支柱絕緣子、引線等各部件均未出現(xiàn)破損斷裂、松動等情況,復(fù)測螺母力矩結(jié)果見表4,與試驗前相比螺母扭矩減少約5%～8%,即可認為所研制的避雷器能夠抵御環(huán)境振動干擾[29],不會發(fā)生絕緣子移位和引線斷線等情況。

表4 緊固件振動試驗結(jié)果Table 4 Vibration test of fasteners

4 現(xiàn)場應(yīng)用

研制的避雷器于2021年9月在國網(wǎng)福建電力的10 kV東岱線、10 kV埭嶠線進行帶電安裝,累計安裝90只,安裝桿段均為直線桿,本次安裝全程依靠帶電作業(yè)操作桿進行,5 min即可完成一只避雷器安裝。本次研制的避雷器主要保護線路絕緣子不發(fā)生閃絡(luò),雷擊時將絕緣子兩端的電壓限制在殘壓范圍內(nèi),因此未對避雷器單獨做接地處理。若避雷器本體多次動作后損壞,支撐絕緣子、線夾及引線無異常的情況下,可利用絕緣桿直接將避雷器本體旋出并更換新的。截至目前,避雷器安裝穩(wěn)定,安裝線路未發(fā)生雷擊跳閘故障。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了基于彈簧自鎖的避雷器本體和帶電安裝線夾結(jié)構(gòu),同步設(shè)計了基于絕緣操作桿的安裝工具,可在復(fù)雜環(huán)境及工況下實現(xiàn)避雷器的帶電拆裝。

2)選擇避雷器本體的串聯(lián)間隙距離為60 mm,并通過雷電沖擊放電試驗及殘壓檢測檢驗間隙結(jié)構(gòu)的合理性。

3)研制的避雷器標稱放電電流為5 kA,并具備整只通過4/10 μs大電流沖擊耐受能力,從而更能適應(yīng)避雷器現(xiàn)場運行情況。

4)研制的避雷器整體能通過頻率為3 Hz～5 Hz、振幅為20 mm、次數(shù)為200 000次的低頻振動試驗,具備現(xiàn)場長期穩(wěn)定安裝的性能。

(5)研制的避雷器在福建電網(wǎng)的10 kV線路掛網(wǎng)運行,安裝穩(wěn)定,狀態(tài)良好,為推廣配電網(wǎng)“零計劃停電”進行了積極實踐。