DQZHAN技術(shù)訊：輸電線路避雷器的基本原理與技術(shù)要求

1 線路避雷器的原理

1.1 定義

線路型避雷器主要用于交流輸變電線路，是為了限制線路雷電過電壓，提高線路耐雷水平，是降低系統(tǒng)因雷擊故障引起的跳閘率專門設(shè)計(jì)的一種懸掛安裝于輸電桿塔上的避雷器。現(xiàn)在交流輸電線路主要采用用復(fù)合外套金屬氧化物避雷器。

復(fù)合外套金屬氧化物避雷器為并聯(lián)連接在線路絕緣子的兩端，用于限制線路上的雷電過電壓及(或)操作過電壓之用的復(fù)合外套金屬氧化物避雷器(以下簡(jiǎn)稱線路避雷器)。金屬氧化物避雷器(壓敏避雷器)是以氧化鋅(ZnO)基壓敏電阻(非線性電阻)組成的。

1.2 分類

線路避雷器的分類如下避雷器分類圖所示。從間隙特征上講，線路避雷器大體上分為無間隙和有間隙避雷器兩大類，有間隙避雷器又有外串間隙和內(nèi)間隙之分，由于產(chǎn)品制造和運(yùn)行方面的綜合原因，內(nèi)間隙避雷器在線路上幾乎不用，因此有間隙線路避雷器通常是指外串聯(lián)間隙避雷器。有間隙線路避雷器作為主流的線路避雷器，又有兩種主要形式，即純空氣間隙避雷器和絕緣子支撐間隙避雷器，

無間隙線路避雷器主要用于限制雷電過電壓及操作過電壓;帶外串聯(lián)間隙線路避雷器由復(fù)合外套金屬氧化物避雷器本體和串聯(lián)間隙兩部分構(gòu)成，主要用于限制雷電過電壓及(或)部分操作過電壓。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外采用帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，大大提高了金屬氧化物避雷器承受電網(wǎng)電壓的能力，又具有更好的保護(hù)水平，因此EGLA(帶外串間隙線路避雷器)是應(yīng)用*廣泛的線路避雷器，其基本構(gòu)成如下圖所示。

圖 帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器的基本構(gòu)成

我國(guó)在20世紀(jì)90年代開發(fā)出了帶脫離器的無間隙避雷器，35～500kV線路型避雷器均有多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，*長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間已有十多年之久，取得了良好的防雷效果。但是鑒于對(duì)安裝于交通不便的野外特別是山區(qū)等，無間隙避雷器的維護(hù)是一個(gè)普遍的問題。另外，由于目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)脫離器的性能、質(zhì)量和可靠性不好，屢次發(fā)生避雷器還是完好的脫離器卻動(dòng)作了，或者避雷器已損壞了但脫離器仍未動(dòng)作的現(xiàn)象。鑒于這些原因，近些年的線路避雷器的安裝應(yīng)用普遍集中于有串聯(lián)間隙避雷器上。

另外，線路避雷器按外套材料可分為瓷外套線路避雷器和合成外套線路避雷器;按電壓等級(jí)又分為配電線路避雷器和輸電線路避雷器;按功能又分為主要用于限制雷電過電壓的線路避雷器和主要用于限制操作過電壓的線路避雷器或兼有限制雷電過電壓及操作過電壓的線路避雷器。

1.3 非線性特性

氧化鋅避雷器的特性主要是由材料的非線性特性決定。

氧化鋅元件的非線性特性主要是由晶界層形成的，在低電場(chǎng)強(qiáng)度下其電阻率為1010~1011W˙m，而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到106~107V/m時(shí)，其電阻率驟然下降進(jìn)入低電阻狀態(tài)。

2 線路避雷器的作用

2.1 避雷器的基本功能

避雷器應(yīng)具有以下四種機(jī)能：

1)抑制過電壓的機(jī)能;

2)沖擊電流的通流機(jī)能;

3)從瞬時(shí)接地狀態(tài)下自我恢復(fù)性能(續(xù)流遮斷性能);

4)不發(fā)生不必要的動(dòng)作。

避雷器的動(dòng)作原理圖

2.2 線路避雷器的保護(hù)范圍

仿真線路段示意圖

分兩種情況來研究。

1)#3桿塔(已裝設(shè)避雷器)頂部遭受雷擊后，相鄰桿塔是否有閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

2)雷擊點(diǎn)在#3和相鄰桿塔(未裝避雷器)之間的地線上，相鄰桿塔是否存在閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)雷擊點(diǎn)在裝設(shè)避雷器的#3塔和相鄰桿塔之間的地線上時(shí)，從下表列出了鄰塔發(fā)生閃絡(luò)的反擊閃絡(luò)電流的變化。

可以看出：隨著落雷點(diǎn)離臨塔越近，鄰塔反擊閃絡(luò)電流降低，說明本塔裝有線路型避雷器對(duì)于相鄰塔的雷擊保護(hù)作用不明顯，因此可以說本塔裝有避雷器并不能保護(hù)相鄰塔。

2.3 線路避雷器的安裝相別

1)110kV線路宜在三相均安裝避雷器。

2)220kV線路接地電阻大于10Ω，或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明反擊故障為主的線路(段)宜在三相均安裝避雷器;否則，單回路可僅在兩邊相安裝，同塔雙回路可僅在兩側(cè)的上、中相安裝。

3)500kV線路在接地電阻不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)三相全部安裝。否則，單回路可僅在兩邊相安裝，同塔雙回路可僅在兩側(cè)的上、中相安裝。

2.4 其他

1)對(duì)于接地電阻很難降低的桿塔，可考慮加裝三相線路避雷器。對(duì)于220kV線路，安裝線路避雷器后，接地電阻要求滿足20Ω以下即可。

2)安裝線路避雷器的桿塔，可不須安裝負(fù)角保護(hù)針。

3 線路避雷器的性能要求

3.1 機(jī)械性能

懸掛式安裝時(shí)，應(yīng)進(jìn)行拉伸負(fù)荷試驗(yàn)：型式和抽樣試驗(yàn)取避雷器自重的15倍，耐受60s不損壞。試驗(yàn)前后避雷器本體局放變化不大于10pC，局放量不大于10pC，直流參考電壓變化不大于5%。

非懸掛式安裝時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗彎負(fù)荷試驗(yàn)

注：線路避雷器本體在型式試驗(yàn)時(shí)，不是設(shè)計(jì)用于扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的，如果要受到扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，經(jīng)供需雙方同意，需要進(jìn)行專門的試驗(yàn)。

3.2 避雷器放電電壓性能要求

對(duì)避雷器應(yīng)進(jìn)行雷電沖擊50%放電電壓試驗(yàn)和工頻耐受電壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)值應(yīng)與線路絕緣水平相配合，以保證避雷器在雷電過電壓下放電，而在工頻過電壓下不放電。典型推薦值見下表。

3.3 避雷器沖擊伏秒特性

避雷器的沖擊伏秒特性曲線應(yīng)比被保護(hù)的絕緣子串的伏秒特性曲線至少低10%。

3.4 避雷器本體的局部放電

不應(yīng)大于10pC。

3.5 避雷器本體的殘壓

3.6 電流沖擊耐受

避雷器本體應(yīng)通過2ms方波電流耐受試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)以及大電流沖擊負(fù)載試驗(yàn)。試驗(yàn)值如下表：

3.7 額定電壓、標(biāo)稱放電電流

110kV、220kV和500kV線路避雷器的額定電壓分別建議選擇102kV、192kV和396kV;110kV、220kV標(biāo)稱放電電流建議選擇10kA，500kV選擇10kA或20kA。

1)避雷器額定電壓是施加到避雷器端子間的*大運(yùn)行工頻電壓有效值，選擇避雷器額定電壓時(shí)，僅考慮單相接地、甩負(fù)荷和長(zhǎng)線電容效應(yīng)引起的暫時(shí)過電壓。

3.8 間隙距離

按如下2個(gè)原則確定串聯(lián)間隙長(zhǎng)度：

1)線路避雷器串聯(lián)間隙距離應(yīng)足夠大，能承受避雷器所安裝線路系統(tǒng)*大過電壓。

2)線路避雷器串聯(lián)間隙距離應(yīng)足夠小，使得雷擊桿塔時(shí)線路避雷器能在絕緣子串閃絡(luò)之前動(dòng)作。

方法：

1)測(cè)試串聯(lián)空氣間隙U50、絕緣子放電電壓U50，滿足給定沖擊配合系數(shù)條件下，確定串聯(lián)空氣間隙距離。

2)進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證選定間隙與絕緣子串的伏秒特性是否配合良好。

3)進(jìn)行外串間隙氧化鋅避雷器的工頻耐受試驗(yàn)，驗(yàn)證是否大于系統(tǒng)的*大工頻過電壓。

計(jì)算方法：

絕緣子串U50%計(jì)算方法(IEC推薦公式)。

其中Us-t為伏秒特性絕緣子閃絡(luò)電壓(kV);L為絕緣子串長(zhǎng)度(m);t為從雷擊開始到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間(μs)。在缺少實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于瓷絕緣子可取t=10μs對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)電壓值作為該絕緣串的U50%。

由于氧化鋅非線性電阻的影響，線路避雷器(包括氧化鋅閥片本體和串聯(lián)外間隙)的50%雷電沖擊放電電壓比空氣外間隙的數(shù)值高。線路避雷器50%雷電沖擊放電電壓可這樣粗略估算：即線路避雷器50%雷電沖擊放電電壓約等于氧化鋅閥片本體的直流1mA電壓與串聯(lián)外間隙的50%雷電沖擊放電電壓之和[15]。該值由生產(chǎn)廠家提供。

沖擊配合系數(shù) = 絕緣子串U50%/線路避雷器U50%

參考值如下：

4 線路避雷器的選型

4.1 避雷器結(jié)構(gòu)形式

線路避雷器宜選擇帶串聯(lián)間隙的避雷器。

在直線塔上宜選擇純空氣間隙避雷器，在耐張塔上宜選擇絕緣支撐間隙避雷器。

帶絕緣支撐間隙避雷器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是間隙距離不受風(fēng)偏的影響，安裝較容易。而空氣間隙避雷器在大風(fēng)作用下，間隙距離會(huì)發(fā)生變化，電極形狀必須制作成弧形，其優(yōu)點(diǎn)是有間隙隔離系統(tǒng)運(yùn)行電壓，電阻片老化現(xiàn)象減輕。帶絕緣支撐間隙避雷器的復(fù)合絕緣子本身有老化和維護(hù)的問題，故優(yōu)選純空氣間隙避雷器。但由于純空氣間隙避雷器在耐張塔上不便安裝，故耐張塔選用帶絕緣支撐間隙避雷器。

帶串聯(lián)絕緣子間隙避雷器安裝不需要外加支架，安裝簡(jiǎn)單、方便;雖然帶串聯(lián)空氣間隙避雷器有可靠性高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但是安裝很復(fù)雜(加裝支架且應(yīng)沿導(dǎo)線方向伸出)，對(duì)于在耐張塔和特殊塔形安裝非常困難。

4.2 線路避雷器的選型

帶純空氣間隙

缺點(diǎn)：

1.空氣間隙避雷器在大風(fēng)作用下，間隙距離會(huì)發(fā)生變化

2.安裝復(fù)雜，且需調(diào)整間隙

優(yōu)點(diǎn)：

可靠性高、壽命長(zhǎng)，即使避雷器故障，間隙 依然可以起到隔離作用

帶絕緣子間隙

缺點(diǎn)：

復(fù)合絕緣子本身有老化和維護(hù)的問題

連接部位受力問題

優(yōu)點(diǎn)：

安裝容易

4.3 線路避雷器選點(diǎn)的影響因素

5 線路避雷器的安裝

安裝過程根據(jù)塔形的不同，采用不同的安裝方式，除了避雷器本體外，還涉及到支架選擇、安裝、計(jì)數(shù)器安裝、據(jù)帶電體距離大小以及避雷器間隙的確定等。

5.1 直線塔線路避雷器的安裝

直線塔使用空氣間隙避雷器，安裝應(yīng)注意：

避雷器的位置

避雷器與被保護(hù)絕緣子的**距離

避雷器與帶電體的距離

鋼架的選擇與安裝

弧形電極的方向

間隙的尺寸

計(jì)數(shù)器的安裝等

5.2 耐張塔線路避雷器的安裝

耐張塔因無法實(shí)施安裝純空氣間隙避雷器，僅能安裝帶絕緣子間隙避雷器，使用帶絕緣子間隙避雷器，安裝應(yīng)注意：

安裝點(diǎn)是否處于重冰區(qū)

安裝點(diǎn)是否處于強(qiáng)風(fēng)區(qū)

避雷器的位置、避雷器與被保護(hù)絕緣子的**距離、鋼架的選擇與安裝、計(jì)數(shù)器的安裝等(與純空氣間隙一致)

絕緣子的安裝形式

避雷器一端通過鐵塔接地，一端通過固定絕緣子間隙直接搭接在導(dǎo)線上，避雷器采用垂直下垂的方式。

直耐張塔安裝避雷器示意

5.3 安裝注意事項(xiàng)

1、線路避雷器在安裝前應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程開展交接試驗(yàn);

2、安裝支架伸出距離應(yīng)滿足避雷器與被保護(hù)絕緣子的**距離大于*大間隙距離的要求，并留有一定裕度，防止避雷器對(duì)絕緣子金具放電，如220kV線路避雷器與接地體的空氣距離不低于1.9m;

3、線路避雷器安裝支架可采用兩根角鋼靠背雙并斜擔(dān)在桿塔塔頭主橫擔(dān)上或者采用槽鋼、角鋼結(jié)合的方式，采用的槽鋼、角鋼型號(hào)應(yīng)滿足避雷器承力要求，如安裝220kV線路避雷器采用兩根角鋼應(yīng)不低于L63×6，若采用槽鋼、角鋼結(jié)合的方式，槽鋼不低于10號(hào);

4、線路避雷器安裝時(shí)，為保障間隙距離的有效性，避雷器尾端弧形電極長(zhǎng)軸方向應(yīng)與下方導(dǎo)線垂直;

5、線路避雷器純空氣間隙安裝時(shí)應(yīng)滿足要求;

6、線路避雷器的計(jì)數(shù)器應(yīng)選擇具有大盤徑、粗指針的計(jì)數(shù)器，以易于塔下查看讀取數(shù)據(jù)，安裝時(shí)計(jì)數(shù)器面板朝下。計(jì)數(shù)器安裝時(shí)，通過軟導(dǎo)線與避雷器接地端子相連，計(jì)數(shù)器朝向主橫擔(dān)側(cè)，也可安裝在桿塔塔頭主橫擔(dān)上靠近避雷器側(cè)的位置(打孔)，但距避雷器的位置不應(yīng)超過2m。

6 線路避雷器的運(yùn)行維護(hù)

1)建立臺(tái)賬、運(yùn)行記錄并密切加以監(jiān)視，雷雨季節(jié)及時(shí)記錄雷擊動(dòng)作情況;同時(shí)還應(yīng)建立必要的檢修、試驗(yàn)、輪換制度，確保裝置運(yùn)行的可靠性。

2)結(jié)合線路檢修進(jìn)行的運(yùn)行維護(hù)工作包括：

避雷器本體外觀目測(cè);串聯(lián)間隙、上下電極測(cè)量和檢查;高壓電極和接地端連線檢查;連接件檢查;檢查、記錄計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù);檢查在線或離線監(jiān)測(cè)裝置。

3)運(yùn)行3~5年后的線路避雷器可進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，抽樣避雷器進(jìn)行直流試驗(yàn)，如抽樣避雷器試驗(yàn)不滿足要求，要求對(duì)同批次避雷器加大抽樣比例，如仍出現(xiàn)一支不合格，應(yīng)擴(kuò)大同批次避雷器試驗(yàn)，確定是否能夠繼續(xù)運(yùn)行。

4)動(dòng)作極為頻繁(如20次)的避雷器應(yīng)進(jìn)行縮短周期進(jìn)行直流試驗(yàn)，試驗(yàn)不合格應(yīng)退出運(yùn)行。