线路避雷器的主要性能及试验

关键词：线路避雷器；性能；试验

一、概况

随着电力系统的快速发展，雷击输电线路的事故日益增多；另一方面，随着经济的发展，人民生活水平的提高，对供电的可靠性的要求日益提高。

1.雷电频繁、雷暴日多，如东南沿海（广东多达150多个雷暴日）、山区、高原；

2.线路杆塔接地电阻高，线路耐雷水平低；

3.线路走廊、杆塔所处地形、位置（如：山地与川道、河谷接壤地带）等等。

以上所述等诸多情况，使得雷雨季节，线路跳闸时有发生。严重时，造成掉线、掉串等事故，威胁、影响系统运行安全，造成经济损失。

多年来，为减少事故的发生，电力部门也采取了一些措施，如：

1.降低接地电阻；

2.杆塔加装消雷器；

3.提高线路绝缘水平；

4.减小避雷线夹角等。

八十年代以来，日本、美国、俄罗斯等国家均有报道，已开始使用复合外套金属氧化物避雷器保护输电线路，取得了较好的效果。

近年来，随着我国复合外套金属氧化物避雷器技术的发展，使得输电线路在过电压保护方面也取得了明显的效果。经过近几年来的科研、开发和运行，复合外套金属氧化物避雷器已越来越多地用于输电线路过电压保护，在各地已有了一定的运行经验。相应的产品标准、使用导则也在制订之中。

复合外套金属氧化物避雷器已成为输电线路保护用的重要保护设备，以下对其相关的几个性能及试验方法进行分析和讨论。

二、带串联间隙的复合外套避雷器

串联间隙的确定原则

1.上限的确定    其原则是线路遭受雷击时，避雷器间隙动作放电，从而保护线路绝缘（主要考虑线路绝缘子绝缘水平相配合）。按绝缘子与避雷器50%放电电压标准偏差3σ配合考虑[1]，避雷器50%雷电冲击电压比绝缘子50%冲击闪络电压低约17%左右即可配合。因此，选择在20%左右是合适的，且有一定的保护裕度。见图1。

2.下限的确定    其原则是考虑内部过电压（操作过电压、暂态过电压等）下避雷器间隙不动作，不放电或放电概率小于恰当的范围。

多数情况下，为了简便，下限主要考虑避雷器的工频耐受电压。有条件时，能考虑操作放电电压更好。

通常，在工频情况下，电压按电阻分布，因而带串联间隙的避雷器工频放电电压大致可考虑约等于间隙的工频放电电压。

在冲击情况下，避雷器的冲击放电电压按电容分布，雷器的冲击放电电压为间隙和本体两部分之和。试验和理论计算分析表明，带串联间隙避雷器的冲击放电电压约等于间隙冲击放电电压与避雷器直流U1mA之和，这常常相当于一经验公式使用。

据此，也可以比较方便的确定避雷器与绝缘子的绝缘配合的关系，来选择间隙的放电电压，从而确定间隙的距离和初步考虑U1mA的取值，U1mA的确定还应考虑间隙的可靠灭弧。

3.工频续流的切断    考虑雷电冲击过后，串联间隙与避雷器的电阻片配合，在1-2个工频周期内切断工频续流。

从金属氧化物电阻片小电流特性可知，流过电阻片的电流约0.5A左右[2]，根据试验情况表明，在工频半波内可能有效灭弧。如果按过电压和绝缘配合原则，以110kV系统暂态过电压1.4倍考虑为例，其值为1.4Um√2/√3=144kV，因此U1mA取值在130kV左右是可行的。表1、表2分别列出典型的避雷器放电电压特性和典型的避雷器本体电气参数。

表1   典型的避雷器放电电压特性                                        单位：kV

表2   典型的避雷器本体电气参数                                        单位：kV

本体外绝缘的考虑

国内外大量的试验、研究表明，硅橡胶复合外套绝缘的污秽耐受能力为电瓷的2倍左右，加之线路避雷器大部分运行在比较清洁的地区，带间隙的本体部分只是在雷电动作后，才全部承受工频电压，此时间极短暂，如前所述，一般在1-2个工频周期或者更短，通常避雷器的续流较小，一般小于数A。因此，工频闪络电压会有所提高，根据实验研究，有观点提出爬电比距12mm/kV就可以满足运行要求。一般来说，考虑爬电比距15-20mm/kV，绝缘裕度是比较大的，也易于运行部门接受。

三、间隙避雷器的通流容量

根据国标[3]可知，无间隙避雷器的线路放电能量由下式计算：W=Ures（U_L-Ures）/Z*T，则通过避雷器的操作电流可计算为：I=（U_L-Ures）/Z

式中：U_L为操作过电压、Ures为操作残压、Z为线路波阻抗。

由避雷器的伏安特性曲线、U_L=k.Um√2/√3（k为操作过电压取最大相电压的倍数）从而可以得到，以操作过电压3p.u.为例，110kV系统电站避雷器的操作过电压下通流一般不超过300A，线路避雷器的操作过电压下通流一般不超过200A左右。图2。

也可以根据线路放电等级来估算，110kV线路放电等级为一级、线路波阻抗为4.9Ur、放电电压为3.2 Ur、结合避雷器操作残压，也可以方便的估算出来，其操作电流小于200A。

在试验室对避雷器进行线路放电试验，也可以得到相近似的结果。

通过以上分析，可以为无间隙避雷器的通流容量提供一个参考。表3列出了典型的无间隙线路避雷器的参数。

四、复合外套避雷器有关几个性能和试验

1.机械性能

电站避雷器通常主要考虑座式安装，因此，机械性能主要考虑抗弯。线路避雷器一般大多为悬挂使用，同时也有少数水平、斜向和座式安装，所以，机械性能除了抗弯外，还应考虑拉伸。抗弯与电站相同：2.5（F₁+F₂/2），拉伸负荷取值为避雷器自重的15倍。

型式试验时，避雷器应耐受拉伸负荷，持续时间1min不损坏，判断标准为试验后局部放电量不大于10pC，直流参考电压变化不大于5%。

例行试验时，避雷器耐受50%的拉伸负荷10s不损坏。

表3   典型的无间隙线路避雷器的参数                                   单位：kV

2.密封试验

密封历来是避雷器的重要性能，对避雷器的可靠性关系极大。对于复合外套避雷器，其密封的型式试验为42h沸水煮试验。其具体试验方法为：将试品放入0.1%NaCl的盐水中沸煮42h，然后在环境温度的水中浸泡24h，之后置于环境温度下，自然干燥24—48h，直至表面干燥。最后，检查外套，不应有开裂和脱落现象，并测量其直流参考电压、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流及局部放电。

例行试验与瓷外套避雷器相同，规定采用抽气浸泡法或其它有效的方法。

从以上试验方法可以看出，对复合外套避雷器的密封考核是相当严格的。

热机试验和沸水煮

热机试验考核产品的冷热循环下的机械性能。试品在规定的机械负荷（50%额定负荷）情况下，耐受2次冷热循环周期试验。每个冷热循环周期为48h，高温为60℃，低温至-40℃。试验过程中，每隔24h改变一次机械负荷的方向。试验结束后，检查复合外套，不应有不应有开裂、脱落，同时还考核直流参考电压、直流泄漏电流和局部放电。

沸水煮既是一个单独的考核试验项目，同时也是密封试验的重要组成部分。

3.外套起痕和耐电蚀试验

该试验为在盐雾条件下进行，使试品经受1000h连续试验，对试品施加的电压为U_C（试品U_C值一般选取为14—20kV），盐水由NaCl和去离子水制备而成，其相关要求如下：

试验时间：             1000h

水流速度：             （0.4±0.1）L/m³·h

雾滴尺寸：              5μm--10μm

盐水中NaCl含量：       （10±0.5）kg/m³

试验在雾室中进行，雾室密封，盐水喷成雾状，雾充满雾室。

试验中试品应无起痕、裂纹和树枝状产生，电蚀到内部零件，伞裙没有击穿，同时对试品的直流参考电压、直流泄漏、局部放电也进行考核。

4.短路电流试验

对应于瓷套避雷器为压力释放试验，而复合外套避雷器则可以无须压力释放装置，一般也不会发生爆炸性破坏，但避雷器仍应承受系统故障时的短路电流，故而称之为短路电流试验。与瓷套避雷器比较而言，如果带有压力释放装置，为了在试品内部引起电弧，采用熔丝短路电阻的方法，此法两者相同。而对于不带压力释放装置的复合外套避雷器因其内部结构通常为整体固态，则采用电阻片打孔或直接对故障试品施加过电压的方法。对于小电流试验，无论带不带压力释放装置，均采用施加过电压的方法。由于受条件的限制，国内短路电流试验尚未完全等同采用IEC的试验方法，但从性能来看，应不受影响。

短路电流试验的评价主要有二：一是试品应无爆炸性破坏，相应的试品碎片应落在规定的围栏内，同时对允许落在围栏外的碎片类型作了具体的描述；二是规定避雷器包括围栏内外的喷出物，如有明火，应在2min内自行熄灭。

其他相关内容，与瓷套避雷器压力释放内容相同。

交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器及交流输电线路用复合外套有串联间隙金属氧化物避雷器型式试验项目见表4及表5。

表 4  复合外套无间隙MOA型式试验项目

表 5  有间隙线路MOA型式试验项目

五、线路避雷器使用中应注意的几个问题

随着技术的发展和实际需要，线路避雷器已得到较为广泛的应用，在使用中应注意以下几个问题。

1.安装

前面也谈到，线路避雷器因安装在杆塔上，其塔形结构多样，安装环境地点不同，故避雷器的安装方法各不相同，差异很大，避雷器本身又分为无间隙、带固定间隙和空气间隙等种类，因此，安装视具体情况而定，按个案处理。特别是带固定间隙的避雷器，其自身体积较长，线路上安装更应多加考虑，尤其是线路上的受力，风偏等。

2.无间隙避雷器带脱离器

线路无间隙避雷器使用环境与电站区别较大，运行检测，维护极不方便，安装脱离器后，可使发生故障损坏的避雷器与系统脱离开，可以提高运行的可靠性。国外避雷器带脱离器使用很多，但在国内35kV及以下系统与国外不尽相同，因此在脱离器的使用还有待讨论。

3.其他 

从上述的分析可以看出，线路避雷器的通流容量并不需要象电站避雷器那样大，可以从实际出发，对具体保护线路进行分析、计算，选取合适的参数，并适当提高额定电压，达到有效保护的目的，又降低制造成本，以提高系统运行的可靠性。

参考文献：

[1].何金良，高压合成套氧化锌避雷器的研究[C]：清华大学工学博士学位论文，1993

[2].高玉明，吴维韩，欧阳宜昌，有关线路避雷器标准和参数设计中的几个问题[j ]：中国电力，2001.2

[3].GB 11032-2000 “交流无间隙金属氧化物避雷器”[S]：中华人民共和国国家标准，2000