DQZHAN技術(shù)訊：輸電線(xiàn)路避雷器的基本原理與技術(shù)要求
1 線(xiàn)路避雷器的原理
1.1 定義
線(xiàn)路型避雷器主要用于交流輸變電線(xiàn)路，是為了限制線(xiàn)路雷電過(guò)電壓，提高線(xiàn)路耐雷水平，是降低系統(tǒng)因雷擊故障引起的跳閘率專(zhuān)門(mén)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(xiàn)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(xiàn)路絕緣子的兩端，用于限制線(xiàn)路上的雷電過(guò)電壓及(或)操作過(guò)電壓之用的復(fù)合外套金屬氧化物避雷器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)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(xiàn)性電阻)組成的。
1.2 分類(lèi)
線(xiàn)路避雷器的分類(lèi)如下避雷器分類(lèi)圖所示。從間隙特征上講，線(xiàn)路避雷器大體上分為無(wú)間隙和有間隙避雷器兩大類(lèi)，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(xiàn)路上幾乎不用，因此有間隙線(xiàn)路避雷器通常是指外串聯(lián)間隙避雷器。有間隙線(xiàn)路避雷器作為主流的線(xiàn)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(wú)間隙線(xiàn)路避雷器主要用于限制雷電過(guò)電壓及操作過(guò)電壓;帶外串聯(lián)間隙線(xiàn)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(guò)電壓及(或)部分操作過(guò)電壓。近十幾年來(lái)，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(xiàn)路避雷器)是應(yīng)用*廣泛的線(xiàn)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(kāi)發(fā)出了帶脫離器的無(wú)間隙避雷器，35～500kV線(xiàn)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(wú)間隙避雷器的維護(hù)是一個(gè)普遍的問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)路避雷器按外套材料可分為瓷外套線(xiàn)路避雷器和合成外套線(xiàn)路避雷器;按電壓等級(jí)又分為配電線(xiàn)路避雷器和輸電線(xiàn)路避雷器;按功能又分為主要用于限制雷電過(guò)電壓的線(xiàn)路避雷器和主要用于限制操作過(guò)電壓的線(xiàn)路避雷器或兼有限制雷電過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的線(xiàn)路避雷器。
1.3 非線(xiàn)性特性
氧化鋅避雷器的特性主要是由材料的非線(xiàn)性特性決定。
氧化鋅元件的非線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)路避雷器的保護(hù)范圍
仿真線(xiàn)路段示意圖
分兩種情況來(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(shuō)明本塔裝有線(xiàn)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(shuō)本塔裝有避雷器并不能保護(hù)相鄰塔。
2.3 線(xiàn)路避雷器的安裝相別
1)110kV線(xiàn)路宜在三相均安裝避雷器。
2)220kV線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路在接地電阻不滿(mǎn)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(xiàn)路避雷器。對(duì)于220kV線(xiàn)路，安裝線(xiàn)路避雷器后，接地電阻要求滿(mǎn)足20Ω以下即可。
2)安裝線(xiàn)路避雷器的桿塔，可不須安裝負(fù)角保護(hù)針。
3 線(xiàn)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)路絕緣水平相配合，以保證避雷器在雷電過(guò)電壓下放電，而在工頻過(guò)電壓下不放電。典型推薦值見(jiàn)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(xiàn)應(yīng)比被保護(hù)的絕緣子串的伏秒特性曲線(xiàn)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(guò)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(chēng)放電電流
110kV、220kV和500kV線(xiàn)路避雷器的額定電壓分別建議選擇102kV、192kV和396kV;110kV、220kV標(biāo)稱(chēng)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(xiàn)電容效應(yīng)引起的暫時(shí)過(guò)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(xiàn)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(xiàn)路系統(tǒng)*大過(guò)電壓。
2)線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(guò)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(kāi)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(xiàn)性電阻的影響，線(xiàn)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(xiàn)路避雷器50%雷電沖擊放電電壓可這樣粗略估算：即線(xiàn)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(chǎng)家提供。
沖擊配合系數(shù) = 絕緣子串U50%/線(xiàn)路避雷器U50%
參考值如下：
4 線(xiàn)路避雷器的選型
4.1 避雷器結(jié)構(gòu)形式
線(xiàn)路避雷器宜選擇帶串聯(lián)間隙的避雷器。
在直線(xiàn)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(wèn)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)題
連接部位受力問(wèn)題
優(yōu)點(diǎn)：
安裝容易
4.3 線(xiàn)路避雷器選點(diǎn)的影響因素
5 線(xiàn)路避雷器的安裝
安裝過(guò)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(xiàn)塔線(xiàn)路避雷器的安裝
直線(xiàn)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(xiàn)路避雷器的安裝
耐張塔因無(wú)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(guò)鐵塔接地，一端通過(guò)固定絕緣子間隙直接搭接在導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)路避雷器在安裝前應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程開(kāi)展交接試驗(yàn);
2、安裝支架伸出距離應(yīng)滿(mǎn)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(xiàn)路避雷器與接地體的空氣距離不低于1.9m;
3、線(xiàn)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(mǎn)足避雷器承力要求，如安裝220kV線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)垂直;
5、線(xiàn)路避雷器純空氣間隙安裝時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足要求;
6、線(xiàn)路避雷器的計(jì)數(shù)器應(yīng)選擇具有大盤(pán)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(guò)軟導(dǎo)線(xiàn)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(guò)2m。
6 線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)或離線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。
3)運(yùn)行3~5年后的線(xiàn)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(mǎn)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。
