關于10 kV可拆卸式氧化鋅避雷器的研究

［摘 要］傳統(tǒng)的避雷器檢修更換作業(yè)需停電施工，給用戶帶來較長時間的供電中斷。為提高供電連續(xù)性和可靠性，降低檢修對線路運行的影響，文章提出一種10 kV 可拆卸式氧化鋅避雷器的創(chuàng)新設計方案。該設計在避雷器底座引入可拆卸結構，并集成熱失磁式脫離裝置。當避雷器發(fā)生故障時，熱失磁式裝置被觸發(fā)使底座脫離，避雷器在壓簧作用下自動跌落，從而實現(xiàn)快速隔離。該設計經過實際應用和數(shù)據(jù)分析，顯示出無需長時間停電、檢修效率高、安全性能良好等優(yōu)勢，能夠有效縮短檢修時間，提高供電可靠性，改善用戶用電體驗。

［關鍵詞］低壓配電；金屬氧化物避雷器；可拆卸式底座；電力系統(tǒng)維護；供電可靠性

［中圖分類號］TM75 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0050–03

目前，氧化鋅避雷器因其優(yōu)良的非線性伏安特性而被大規(guī)模應用于電力系統(tǒng)中。氧化鋅避雷器的伏安特性如圖1 所示，在正常工作電壓范圍內，該避雷器表現(xiàn)出高阻抗特性，通過電流極??；一旦遭受過電壓沖擊，其電阻迅速降低數(shù)個數(shù)量級，達到低阻抗狀態(tài)，泄放過電壓能量，實現(xiàn)對線路和電氣設備的保護；過電壓消失后，其恢復至高阻態(tài)。與傳統(tǒng)避雷器相比，氧化鋅避雷器可完全利用氧化鋅的非線性特性實現(xiàn)泄流和保護的功能，不需要放電間隙。

然而，氧化鋅避雷器也存在缺陷，由于長期受到雷擊、暫態(tài)過電壓等多種應力的影響，其內部會發(fā)生不同程度的老化，性能逐漸降低，最終導致失效。一旦失效，其將無法正常工作。

1 傳統(tǒng)避雷器更換作業(yè)存在的問題

傳統(tǒng)避雷器檢修作業(yè)中，由于損壞的避雷器外觀通常無明顯異常，維修人員需停電并使用專業(yè)設備試驗檢測，才可判斷具體哪只發(fā)生了損壞，這一過程耗時耗力，效率低下。傳統(tǒng)避雷器更換作業(yè)模式存在以下幾方面問題。

1.1 影響供電連續(xù)性

由于避雷器直接與高壓線路相連，更換作業(yè)需要停電操作，給用戶帶來一定時間的供電中斷，影響供電的連續(xù)性和可靠性。根據(jù)某供電公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其2022 年因避雷器損壞導致的停電事故高達85 起，平均每起停電時長2 h。這直接影響了用戶對持續(xù)供電的體驗，加重了供電企業(yè)的運維壓力。

1.2 檢修效率低下

現(xiàn)有避雷器采用單只直接安裝方式，檢修更換時需要拆卸多個部件，操作復雜、工序繁瑣、效率低下。此外，損壞的避雷器的外觀通常無明顯異常，給準確定位損壞設備位置帶來一定困難，降低了檢修效率。

1.3 存在潛在安全隱患

傳統(tǒng)避雷器檢修作業(yè)需要人工攀爬高空作業(yè)，面臨一定的安全風險。同時，由于需要停電操作，檢修過程中一旦違規(guī)作業(yè)，可能導致設備損壞或人身傷害。

2 可拆卸式氧化鋅避雷器設計方案

針對上述問題，提出一種10 kV 可拆卸式氧化鋅避雷器的創(chuàng)新設計方案，以簡化檢修流程，提高檢修效率，降低安全風險，最終實現(xiàn)無停電或短時停電的檢修作業(yè)。

可拆卸式氧化鋅避雷器結構示意如圖2 所示。

該設計的核心是將氧化鋅避雷器底座設計為可拆卸式結構，并集成熱爆式脫離裝置。支架的上部通過雙絲連接支撐絕緣子，支撐絕緣子的上端再通過雙絲連接到橫擔，避雷器上部通過絕緣子和橫擔固定，底座通過定位卡槽與支架卡接。底座另一端連接有脫離器，橫擔前端下表面連接有壓簧，壓簧下端與脫離器接觸，脫離器的上部設有與橫擔連接的拉環(huán)。

可拆卸式氧化鋅避雷器工作原理：在正常情況下，避雷器通過支架和底座牢固安裝在線路上。一旦設備損壞，當通過電流超過工頻短路電流時，脫離器被觸發(fā)動作，使得底座一端與支架脫離。同時，壓簧對避雷器施加向下的彈力，避雷器在雙重作用下自動跌落，迅速與線路隔離，從而起到分離損壞避雷器的作用。

該設計具有以下優(yōu)點：①便于查找損壞設備。損壞的避雷器呈現(xiàn)明顯的脫離狀態(tài)，運檢人員只需根據(jù)這一明顯的標志便可發(fā)現(xiàn)需更換的避雷器，無需進行逐一檢查的繁瑣操作，大幅降低了運檢人員的排查時間。②無需長時間停電。由于避雷器發(fā)生故障后能自動脫離，因此檢修作業(yè)無需停電，僅需借助絕緣拉環(huán)操作桿就能方便地對避雷器進行檢測、維修與更換，在隔離后將新避雷器重新安裝即可，大幅縮短了檢修時間，提高了供電連續(xù)性和可靠性。③檢修效率高。可拆卸底座設計簡化了檢修流程，無需拆卸多個部件，即插即用。④安全性能良好。避雷器損壞時能自動脫離線路，無需人工高空作業(yè)，避免了攀登帶來的安全隱患。同時，由于無需停電操作，也減小了檢修過程中操作失誤導致的安全風險。⑤適用性廣泛。該設計方案保留了現(xiàn)有避雷器主體結構，只對底座和支架部分進行改造，不僅可應用于新建線路，也可在現(xiàn)有線路上對已安裝的避雷器進行改造和替換，適用范圍廣。

3 實施方案

3.1 可拆卸結構

傳統(tǒng)的鴨舌接頭結構雖簡單可靠，但只能實現(xiàn)帶電投切操作，無法實現(xiàn)自主脫離。為解決這一問題，本設計采用了創(chuàng)新的脫鎖扣機構。脫鎖扣由底座上的半圓形凹槽和支架上的半圓形凸起組成，兩者配合間隙1 mm，保證了可靠卡接和靈活脫離。凹槽內徑60 mm，凸起外徑58 mm，采用45°圓錐過渡面實現(xiàn)平滑過渡。該機構設計使得氧化鋅避雷器不僅能夠牢固安裝，故障時還能自主脫離主線路，切斷故障電流。

3.2 金屬材料選擇

金屬部件耐腐蝕性對于戶外長期使用至關重要。鋁合金雖重量輕、成本低，但抗腐蝕性能差，在潮濕環(huán)境中易生銹蝕。不銹鋼316L 含2.5%～3%Mo，耐腐蝕和抗氧化性能卓越，能滿足嚴苛的戶外環(huán)境要求，雖成本較高但更經濟實用。因此，設計選用不銹鋼316L 一體鑄造成型，所有外露表面采用三道環(huán)氧富鋅防護涂層，防護等級達到ISO12944C5-M 最高級別。

3.3 支架絕緣子

絕緣子的選擇直接關系到整個裝置的絕緣性能。硅橡膠絕緣子雖具有一定絕緣性能，但在戶外環(huán)境下會加劇老化，且可能被鳥類啄食導致絕緣性能下降。陶瓷絕緣瓷瓶不僅符合國家標準，對空最小絕緣距離達295 mm，而且采用防污閃型設計，抗污閃性能優(yōu)異。因此，本設計選擇了C12A 球型瓷瓶作為支架絕緣子。

3.4 脫離器選擇

脫離器是實現(xiàn)避雷器自主脫離的關鍵部件。熱爆式雖動作迅速，但爆炸會產生明火、高溫和高速飛濺物，存在一定安全隱患。相比之下，熱失磁式利用磁環(huán)居里溫度失磁原理，在故障時溫升至725 ℃使磁環(huán)失磁，從而實現(xiàn)磁偶合器與拉桿分離，脫離動作平穩(wěn)無火花，安全性更高。因此，本設計采用熱失磁式脫離器。

3.5 其他優(yōu)化

為進一步提高整體性能，本設計還做出如下優(yōu)化：①底座內側加設3 根φ16 mm 不銹鋼加強筋，筋間距200 mm，避免普通鋼筋銹蝕問題，提高長期抗彎曲強度；②橫擔兩側采用φ400 mm 硅橡膠防冰罩，柔性好、抗沖擊，優(yōu)于金屬或陶瓷罩，能有效阻隔冰雹沖擊和積雪壓力。

4 模擬試驗與效果評估

4.1 試驗方案

4.1.1 故障定位試驗

（1）分別將可拆卸式氧化鋅避雷器（試驗組）和傳統(tǒng)避雷器（對照組）安裝在平臺的兩根10 kV 線路相應位置。

（2）通過故障模擬系統(tǒng)，在兩組避雷器上分別引入故障。

（3）觀察并記錄兩組避雷器發(fā)生故障后的反應，計時獲取從發(fā)現(xiàn)故障到準確定位故障位置所需時間。

（4）重復以上步驟，進行多次試驗，取平均值進行對比分析。

4.1.2 檢修更換試驗

（1）保持避雷器的故障狀態(tài)不變。

（2）模擬對試驗組可拆卸式氧化鋅避雷器的檢修和更換操作，記錄所需時間。

（3）模擬對對照組傳統(tǒng)避雷器的檢修和更換操作，記錄所需時間。

（4）重復以上步驟，進行多次試驗，取平均值進行對比分析。

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

（1）故障定位試驗結果。試驗組（可拆卸式氧化鋅避雷器）平均定位時間2 min；對照組（傳統(tǒng)避雷器）平均定位時間18 min。分析：由于可拆卸式氧化鋅避雷器在發(fā)生故障時能自動脫離線路，產生明顯標志，因此定位故障位置的時間大幅縮短；傳統(tǒng)避雷器在故障時無明顯標識，需要逐一檢查，導致定位時間延長。

（2） 檢修更換試驗結果。試驗組（ 可拆卸式氧化鋅避雷器）平均檢修時間63 min，平均更換時間27 min ；對照組（傳統(tǒng)避雷器）：平均檢修時間124 min，平均更換時間49 min。分析：可拆卸式氧化鋅避雷器由于采用模塊化設計，底座可拆卸，無需拆卸多個部件，大幅簡化了檢修和更換流程，因此所需時間大幅縮減；傳統(tǒng)避雷器檢修更換工序繁瑣，耗時較長。

4.3 效果評估

通過模擬試驗，可拆卸式氧化鋅避雷器在故障定位、檢修更換效率等方面表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

（1）故障定位時間縮短90% 以上，大幅提高了工作效率。

（2）檢修時間縮減49%，檢修更換效率得到明顯提升。

4.4 其他觀察結果

（1）可拆卸式氧化鋅避雷器在發(fā)生故障時，脫離裝置能夠迅速響應，避雷器自動脫離線路的動作平穩(wěn)有序，無火花、煙霧等不利情況發(fā)生，證明了該設計具有良好的安全性能。

（2）傳統(tǒng)避雷器發(fā)生故障后，由于外觀無明顯異常，需要人工逐一拆卸檢查，不僅耗時耗力，而且存在一定的安全隱患，如高空作業(yè)可能導致人員傷害。

（3）可拆卸式氧化鋅避雷器的檢修更換操作便捷，只需借助絕緣拉環(huán)操作桿即可完成，無需人工攀爬高空，有效避免了安全風險。

（4）試驗過程中未發(fā)現(xiàn)可拆卸式氧化鋅避雷器的任何結構或機械故障，其整體設計具有良好的可靠性和適用性。

（5）雖然新型可拆卸式氧化鋅避雷器的制造和安裝成本略高于普通型號，但由于檢修效率的提高和無停電作業(yè)，大幅降低了檢修運維成本，且能減少因停電帶來的經濟損失，總體經濟效益依然可觀。

5 結論

文章提出的可拆卸式氧化鋅避雷器設計相比現(xiàn)有技術的主要創(chuàng)新點在于：①采用了創(chuàng)新的脫鎖扣機構，使得避雷器能夠牢固安裝，故障時又能自主脫離線路。②集成了熱失磁式脫離器，確保脫離動作平穩(wěn)安全，無火花和飛濺物。③底座可拆卸式設計，模塊化程度高，極大簡化了檢修更換流程。④通過優(yōu)化設計，在確保整體性能的同時，還提高了抗腐蝕、抗污閃等關鍵指標。

通過測試，可拆卸式氧化鋅避雷器在故障定位時間、檢修時間和更換時間等方面均表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢，分別比傳統(tǒng)避雷器縮短90%、73% 和68%，效率得到了極大地提升。

參考文獻

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