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線路避雷器設計技術
日期：2024-04-25 07:00
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摘要：
無間隙線路避雷器的成功應用得益於矽橡膠複合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV避雷器的質量從260kg降至50kg以下，從而實現在杆塔上懸掛安裝。有串聯間隙線路避雷器由避雷器本體和外串聯間隙組成。本體與普通的複合外套避雷器相當，外串聯間隙（放電間隙）由兩個環–環或棒–棒型放電電極組成。
避雷器本體兩端采用金屬法蘭封口，內部裝有非線性ZnO電阻片並用彈簧壓緊的環氧玻璃纖維布筒，其外部采用矽橡膠傘裙包封。這樣，避雷器大大減少了因“漏氣”而帶來的受潮問題。
上、下法蘭設計了經典的球頭、球窩，分彆與高壓端、接地端連接。以2003年我國天生橋—廣州線投入使用的500kV有間隙線路避雷器設計為例，除秉承電站避雷器技術基礎外，還必須解決如下8點關鍵技術問題：
（1）優良性能的矽橡膠複合外套
采用矽橡膠等有機絕緣材料生產的避雷器複合外套必須具備耐天侯、抗紫外線、耐電蝕損等優良性能。與瓷套相比，矽橡膠複合外套在重量、耐汙性能上占有很大優勢，詳見表1。複合外套可選用的材料、品種很多。
（2）具備耐久性粘接技術
避雷器在多年使用中要經受引線拉力、線震、風擺、冰雪等的作用。上、下法蘭與環氧玻璃纖維布筒的粘接部分是避雷器負載力傳遞區域，也是密封技術的薄弱環節。筆者認為，采用高溫、高強度環氧澆合劑和倒錐形結構是目前*成功的設計之一，實踐也證明了這一點。
（3）對接口的包封技術
包封矽橡膠複合外套上、下法蘭與環氧玻璃布筒連接的外露麵是避雷器加強密封的良策，也是防止電蝕損的又一有效措施。目前許多國外同類產品在工藝上亦未能實現這樣的包封；但必須保證矽橡膠與法蘭各種金屬材料及熱處理後的鍍層之間有良好的粘合。此外，可在法蘭上增加一個下大上小的槽形結構，以增強矽橡膠不出現脫膠的機械應力。
（4）防爆技術
為取得良好的防爆性能可在模壓硫化傘裙前將環氧玻璃纖維筒加工出長條梯形槽，並用專用楔形嵌件堵緊。梯形槽在避雷器故障時起排氣作用，楔形嵌件保證注塑時矽橡膠不至於進入環氧玻璃纖維布筒內腔。梯形槽的長度、數量、防爆力須經嚴格計算及試驗求得。該型避雷器在中國及俄羅斯都通過了40kA和800A的短路電流試驗。
（5）吸收能量校核
有間隙線路避雷器由避雷器本體和外串聯間隙構成。正常運行工況下避雷器本體的荷電率為10%以下，它主要承受雷擊過電壓，因此對它的其他技術性能要求大為降低。避雷器電阻片承受雷擊過電壓的能力極強，直徑50mm的電阻片即能承受4/10ms、100kA大電流衝擊。
（6）電位分布計算與調整
330kV、500kV線路避雷器的突出技術問題是電位分布不均勻。與瓷套式避雷器不同，它是懸掛在空中的，必須采用三維電場、用有限元法計算其電位分布[5]。由於在結構上不能采用外並電容的均壓措施。避雷器高度超過5m時，如不采取措施，其電位分布不均勻係數將達1.2，荷電率達98%。這將加速高場強處電阻片的老化。因此，通過SolidWorks三維設計及改善電位分布的設計，並通過改變均壓環的數量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV無間隙線路避雷器（5.4m高）電位分布不均勻係數限製在10.4%以下。
（7）避雷器內部負壓問題
在避雷器整體模壓注射矽橡膠過程中，避雷器各部分均處於受熱狀態（100℃以上）。當模壓硫化完成（即避雷器密封完成），冷卻後內部將形成低氣壓。由“巴申曲線”可知，此時電阻片沿麵閃絡電壓大為下降，有可能在較低電壓下損壞避雷器。這是生產廠家容易忽略的工藝技術問題。
（8）影響間隙放電穩定性的因素
間隙放電電壓的穩定性是避雷器保護性能的標準，棒－棒純空氣間隙與環－環帶絕緣子支撐間隙放電特性本身存在差異。前者是極不均勻電場，後者是稍不均勻電場；前者放電電壓稍低、分散性小，後者不僅分散性大，且受絕緣子汙穢性能影響明顯，當汙穢引起漏電流且達到一定值時，它與避雷器本體漏電流形成一個“分壓器”，明顯地改變了整個避雷器電位分布，提高了避雷器放電電壓值，這是設計者必須給予充分考慮的。
3、線路避雷器的試驗
與瓷外套避雷器不同，複合外套避雷器的外套采用有機高分子材料，它必須進行許多驗證其特性的試驗[6]，如耐天侯試驗、耐電蝕試驗、耐鹽霧試驗等。這些試驗的要求及試驗方法大部分都已體現在IEC*新版本的標準中。
（1）複合外套起痕和電蝕試驗
按比例製作了避雷器比例元件。霧室溫度20~25℃，鹽霧中NaCl含量為9.8kg/m3，以3.9L/m3·h速度噴向比例元件。同時將等比例持續運行電壓Uc施加於比例元件上，持續時間1000h。試驗期間無過流中斷，比例元件複合外套無起痕、裂縫和樹枝狀裂紋產生，傘裙未擊穿。
（2）熱機試驗及沸水煮試驗
該項試驗用於驗證避雷器在冷熱、機械力共同作用下法蘭與環氧玻璃纖維布筒結合部分粘合劑的性能，該項試驗分兩步進行：
1）比例元件在下列條件同時作用下進行試驗：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷熱循環，高低溫度至少保持8h，每一循環持續24h；②給比例元件施加50%額定拉伸負荷的負荷力。
2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h後，立即放進環境溫度的水溶液中浸泡24h，取出後在環境溫度空氣中靜放24h，直到表麵乾燥。
（3）爬電比距的選擇
矽橡膠的複合外套的耐汙穢性能比瓷套高出66%。這是由矽橡膠的憎水性所決定的，憎水性來自矽橡膠分子中具有排斥水分子天性的甲基。試驗結果表明：
1）複合外套耐汙穢性能遠高於瓷套，但尚未取得定量的結論。
2）複合外套提高的耐汙性能可留給用戶、電力部門作為裕度考慮。因此，爬電比距的設計仍按瓷外套標準考慮。這一設計還受兩個外界因素影響：①複合外套比瓷套更容易提高爬電比距，但必須保證電弧*小距離（如110kV下≥1m）；②筆者認為，兩類有串聯間隙避雷器選擇爬電比距應有所不同：棒－棒純空氣有間隙避雷器本體爬距≥1.7cm/kV即可認為是**的，因為，正常運行電壓下避雷器本體幾乎不承受任何電壓值；環－環絕緣支撐有間隙避雷器，其爬距應為避雷器本體爬距與支撐絕緣子爬距之和，作者建議，爬電比距應分彆規定，避雷器本體≥1.7cm/kV，支撐絕緣子≥1.7cm/kV，因為在正常運行和雷擊瞬間不同工況下，兩者都需分彆承受了幾乎100%的過電壓，避雷器總體爬電比距≥3.4cm/kV。
4、兩種線路避雷器的比較
我國無間隙線路避雷器的使用量超過有間隙線路避雷器，90%的330kV、500kV線路使用無間隙線路避雷器。無間隙避雷器在絕緣配合上，保護性能分散性小，僅僅取決於一條U-I特性曲線，保護裕度大。避雷器運行事故率已低於0.03/100相·年以下，且無間隙線路避雷器限製操作過電壓的優點是目前有間隙線路避雷器所不能達到的。表4列出兩種線路避雷器的技術要求及性能[6]。
無間隙線路避雷器的運行條件除滿足一般電站避雷器要求外，還應滿足以下條件：
（1）承受各種內過電壓作用，特彆在線路中段，內過電壓值*高，過電壓出現頻率高，要求通流容量較大。
（2）荷電率相對較高，與變電站內避雷器不同，線路中段冇有限壓措施，電容效應等都能引起電壓升高，線路避雷器荷電率較高。
（3）線震、特強冷熱作用、風擺、冰雪等可能破壞避雷器的密封。
我國有間隙線路避雷器的外串聯間隙分兩大類：純空氣的棒–棒間隙，見圖1(b)；由複合絕緣子支撐的環–環間隙，見圖1(a)。其技術性能比較見表5[6]。目前我國使用後者的較多，主要是安裝方便的原因。
5、免維護設計
筆者認為達到免維護需滿足如下條件：
（1）生產高質量避雷器，還應當適當提高無間隙線?（2）應對避雷器加裝脫離器。
