线路避雷器的设计及试验

DESIGN AND TEST OF SILICON RUBBER LINE LIGHTNING ARRESTER

LI Fan，SHI Wei

（Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，Shaanxi Province，China）

　　ABSTRACT：The main problems which should be emphati-cally considered in the design of the line lightning arrester, the approaches to solve them, the calculation method having to use and the obtained results are expounded, and the list of technical parameters of the line lightning arrester for 110 to 500kV transmission lines are given. The excellent performance of silicon rubber is explained in mechanism and it is pointed out that the methyl offers hydrophobicity and the aluminium hydrate can provide the galvanic corrosion-resisting feature to the line lightning arrester. In the design of the pressure-relief performance for the arrester the structure of wedge notices is used. The optimal potential distribution is found by means of the three-dimension electrical field calculation combined with the practically measured results by optical fibre. A new viewpoint on the selection of the specific creepage distance is put forward and the merits and disadvantages of the line lightning arrester are analyzed.
　　KEY WORDS：Arrester；Lightning flashover；Overvoltage；Silicon rubber；Zinc oxide valve element

　　摘　要：文章阐述了线路避雷器设计中应着重考虑的主要问题及解决路径、所应采用的计算方法及取得的结果，并系统地给出了110_~500kV线路避雷器技术参数表。文章对硅橡胶材料的优异性能从机理上作出了解析， 指出甲基是憎水性的根源，氢氧化铝是耐电蚀的主体，防爆设计应采用楔形嵌槽，并将Solid works三维电场计算与光纤实测相结合寻找电位分布。作者还对避雷器爬电比距的选择提出新的观点，分析了线路避雷器具备的优缺点。
　　关键词：避雷器；雷击闪络；过电压；硅橡胶；氧化锌电阻片

1 引言
　　安全送电、防止因线路故障而跳闸是当前输变电工业的重要课题之一。雷击引起线路绝缘子
串闪络及雷电波入侵变电站所造成的停电事故，在我国南方各省已占输电线路闪络事故的60%，特别是110kV线路，平原地区雷击率为0.1_~0.5次/100km·年，山区可达1_~4次/100km·年^[1]。加装线路避雷器（MOA）是防止雷击事故、减少跳闸率的有效方法之一^[2]。
　　日本、美国、俄罗斯已有许多应用线路避雷器防止雷击闪络事故的成功报道。日本在20世纪90年代已有超过30000相77_~500kV线路避雷器投入系统中使用，加装线路避雷器后取得了良好的效果^[3]。
　　我国在此领域的研究起步较晚，这与硅橡胶复合外套技术在避雷器上的应用起步较晚分不开。截至目前，已研究制造出多种类型110_~500kV线路避雷器，共有7610相在系统中运行，收到良好的效果。我国线路避雷器分有串联间隙和无间隙两大系列。与国际上的不同之处是目前无间隙线路避雷器占50%以上。

2 线路避雷器设计技术
　　无间隙线路避雷器的成功应用得益于硅橡胶复合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV避雷器的质量从260kg降至50kg以下，从而实现在杆塔上悬挂安装。有串联间隙线路避雷器由避雷器本体和外串联间隙组成。本体与普通的复合外套避雷器相当，外串联间隙（放电间隙）由两个环–环或棒–棒型放电电极组成，如图1所示。

　　避雷器本体两端采用金属法兰封口，内部装有非线性ZnO电阻片并用弹簧压紧的环氧玻璃纤维布筒，其外部采用硅橡胶伞裙包封。这样，避雷器大大减少了因“漏气”而带来的受潮问题。
上、下法兰设计了经典的球头、球窝，分别与高压端、接地端连接。以2003年我国天生桥—广州线投入使用的500kV有间隙线路避雷器设计为例，除秉承电站避雷器技术基础外，还必须解决如下8点关键技术问题：
　　（1）优良性能的硅橡胶复合外套 
　　采用硅橡胶等有机绝缘材料生产的避雷器复合外套必须具备耐天侯、抗紫外线、耐电蚀损等优良性能。与瓷套相比，硅橡胶复合外套在重量、耐污性能上占有很大优势，详见表1。复合外套可选用的材料、品种很多。我国主选材料为甲基乙烯基硅橡胶，其分子结构式如图2 。由图2可见，硅橡胶主链为Si—O键，键能高达445kJ/mol，远高于太阳紫外线能量（398kJ/moI）。因此，避雷器于户外长期使用时,紫外线不能断开Si—O键，不发生硅橡胶开裂、“粉化” 现象。 

　　（2）具备耐久性粘接技术 
　　 避雷器在多年使用中要经受引 线拉力、线震、风摆、冰雪等的作用。上、下法兰与环氧玻璃纤维布筒的粘接部分是避雷器负载力传递区域，也是密封技术的薄弱环节。笔者认为，采用高温、高强度环氧浇合剂和倒锥形结构是目前最成功的设计之一，实践也证明了这一点。 
　　（3）对接口的包封技术
　　 包封硅橡胶复合外套上、下法兰与环氧玻璃布筒连接的外露面是避雷器加强密封的良策，也是防止电蚀损的又一有效措施。目前许多国外同类产品在工艺上亦未能实现这样的包封；但必须保证硅橡胶与法兰各种金属材料及热处理后的镀层之间有良好的粘合。此外，可在法兰上增加一个下大上小的槽形结构，以增强硅橡胶不出现脱胶的机械应力。
　　（4）防爆技术
　　为取得良好的防爆性能可在模压硫化伞裙前将环氧玻璃纤维筒加工出长条梯形槽，并用专用楔形嵌件堵紧。梯形槽在避雷器故障时起排气作用，楔形嵌件保证注塑时硅橡胶不至于进入环氧玻璃纤维布筒内腔。梯形槽的长度、数量、防爆力须经严格计算及试验求得。该型避雷器在中国及俄罗斯都通过了40kA和800A的短路电流试验。
　　（5）吸收能量校核
　　有间隙线路避雷器由避雷器本体和外串联间隙构成。正常运行工况下避雷器本体的荷电率为10%以下，它主要承受雷击过电压，因此对它的其他技术性能要求大为降低。避雷器电阻片承受雷击过电压的能力极强，直径50mm的电阻片即能承受4/10ms、100kA大电流冲击，其技术特性参见表2。

　　无间隙线路避雷器在操作过电压作用下动作时，通过式(1)_~(3)和图3可求得流过避雷器的电流、时间及吸收的能量^[4]。

　　 避雷器上的电压U_B为
　　
式中 E_L 为系统预期过电压峰值；I为避雷器泄漏电流；K 为过电压倍数；U_m为系统运行电压；Z为线路波阻抗（500kV线路取325Ω）。
　　 当预期过电压为一定值时，设定不同电流可得出不同电压值，画出的U_B-I曲线如图3所示，它与避雷器的交流电压–泄漏电流（U-I）特性曲线的交点即为这组方程的解^[3]。图3中，图解法求出了操作过电压下流过500kV无间隙复合外套线路避雷器的电流值为884A。计算通流时间t_D的公式为
　　
式中 C_L 为线路每公里电容值，μF/km；L_L 为线路长度，km。 
　　计算避雷器吸收能量W_B 的公式为 
　　
　　计算求得的流过110_~500kV避雷器的电流均未超过避雷器所设计的通流能力，详见表3。

　　（6）电位分布计算与调整
　　330kV、500kV线路避雷器的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式避雷器不同，它是悬挂在空中的，必须采用三维电场、用有限元法计算其电位分布^[5]。由于在结构上不能采用外并电容的均压措施。避雷器高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98%。这将加速高场强处电阻片的老化。因此，通过Solid Works三维设计及改善电位分布的设计，并通过改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500 kV无间隙线路避雷器（5.4m高）电位分布不均匀系数限制在10.4 %以下^[5]，详见图4。

　　（7）避雷器内部负压问题
　　在避雷器整体模压注射硅橡胶过程中，避雷器各部分均处于受热状态（100℃以上）。当模压硫化完成（即避雷器密封完成），冷却后内部将形成低气压。由“巴申曲线”可知，此时电阻片沿面闪络电压大为下降，有可能在较低电压下损坏避雷器。这是生产厂家容易忽略的工艺技术问题。
　　（8）影响间隙放电稳定性的因素
　　间隙放电电压的稳定性是避雷器保护性能的标准，棒－棒纯空气间隙与环－环带绝缘子支撑间隙放电特性本身存在差异。前者是极不均匀电场，后者是稍不均匀电场；前者放电电压稍低、分散性小，后者不仅分散性大，且受绝缘子污秽性能影响明显，当污秽引起漏电流且达到一定值时，它与避雷器本体漏电流形成一个“分压器”，明显地改变了整个避雷器电位分布，提高了避雷器放电电压值，这是设计者必须给予充分考虑的。

3 线路避雷器的试验
　　 与瓷外套避雷器不同，复合外套避雷器的外套采用有机高分子材料，它必须进行许多验证其特性的试验^[6]，如耐天侯试验、耐电蚀试验、耐盐雾试验等。这些试验的要求及试验方法大部分都已体现在IEC版本的标准中。
　　（1）复合外套起痕和电蚀试验
　　按比例制作了避雷器比例元件。雾室温度20_~25℃，盐雾中NaCl含量为9.8kg/m³，以3.9L/ m³·h速度喷向比例元件。同时将等比例持续运行电压U_c施加于比例元件上，持续时间1000h。试验期间无过流中断，比例元件复合外套无起痕、裂缝和树枝状裂纹产生，伞裙未击穿。
　　（2）热机试验及沸水煮试验
　　该项试验用于验证避雷器在冷热、机械力共同作用下法兰与环氧玻璃纤维布筒结合部分粘合剂的性能，该项试验分两步进行：
　　1）比例元件在下列条件同时作用下进行试验：①2次（-35±5）℃ _~（50±5）℃冷热循环，高低温度至少保持8h，每一循环持续24h；②给比例元件施加50%额定拉伸负荷的负荷力。
　　2）比例元件在0.1% NaCl的溶液中沸煮42h后，立即放进环境温度的水溶液中浸泡24h，取出后在环境温度空气中静放24h，直到表面干燥。
　　（3）爬电比距的选择
　　硅橡胶的复合外套的耐污秽性能比瓷套高出66%。这是由硅橡胶的憎水性所决定的，憎水性来自硅橡胶分子中具有排斥水分子天性的甲基。试验结果表明：
　　1）复合外套耐污秽性能远高于瓷套，但尚未取得定量的结论。
　　2）复合外套提高的耐污性能可留给用户、电力部门作为裕度考虑。因此，爬电比距的设计仍按瓷外套标准考虑。这一设计还受两个外界因素影响：①复合外套比瓷套更容易提高爬电比距，但必须保证电弧最小距离（如110kV下≥1m）；②笔者认为，两类有串联间隙避雷器选择爬电比距应有所不同：棒－棒纯空气有间隙避雷器本体爬距≥1.7cm/kV即可认为是安全的，因为，正常运行电压下避雷器本体几乎不承受任何电压值；环－环绝缘支撑有间隙避雷器，其爬距应为避雷器本体爬距与支撑绝缘子爬距之和，作者建议，爬电比距应分别规定，避雷器本体≥1.7cm/kV，支撑绝缘子≥1.7cm/kV，因为在正常运行和雷击瞬间不同工况下，两者都需分别承受了几乎100%的过电压，避雷器总体爬电比距≥3.4cm/kV。

4 两种线路避雷器的比较
　　我国无间隙线路避雷器的使用量超过有间隙线路避雷器，90%的330kV、500kV线路使用无间隙线路避雷器。无间隙避雷器在绝缘配合上，保护性能分散性小，仅仅取决于一条U-I特性曲线，保护裕度大。避雷器运行事故率已低于0.03/100相·年以下，且无间隙线路避雷器限制操作过电压的优点是目前有间隙线路避雷器所不能达到的。表4列出两种线路避雷器的技术要求及性能^[6]。

　　无间隙线路避雷器的运行条件除满足一般电站避雷器要求外，还应满足以下条件：
　　（1）承受各种内过电压作用，特别在线路中段，内过电压值，过电压出现频率高，要求通流容量较大。
　　（2）荷电率相对较高，与变电站内避雷器不同，线路中段没有限压措施，电容效应等都能引起电压升高，线路避雷器荷电率较高。
　　（3）线震、特强冷热作用、风摆、冰雪等可能破坏避雷器的密封。
　　我国有间隙线路避雷器的外串联间隙分两大类：纯空气的棒–棒间隙，见图1(b)；由复合绝缘子支撑的环–环间隙，见图1(a)。其技术性能比较见表5[6]。目前我国使用后者的较多，主要是安装方便的原因。 

5 免维护设计 
　　笔者认为达到免维护需满足如下条件：
　　（1） 生产高质量避雷器，还应当适当提高无间隙线路避雷器的残压，减少老化损坏可能性。
　　（2）应对避雷器加装脱离器。
　　（3）应附加避雷器失效指示装置。

6 结论
　　线路避雷器能够有效地降低跳闸率，是目前中国避雷器发展方向之一。线路避雷器的设计必须解决多个特殊问题，本文提出的试验、计算、防爆设计、能量校核方法、阀片尺寸计算、电位分布计算方法都有一定的参考价值，并已在500kV 线路避雷器中得到了应用。本文系统地给出了110_~500kV线路避雷器技术参数表，强调线路避雷器的爬电距离在本体部分、间隙部分都应分别达到1.7cm/kV。比较了有间隙避雷器和无间隙避雷器，无间隙避雷器由于可靠性较高，具有保护裕度大、绝缘配合分散性小的优势，在中国使用量上也占有一定的优势；有间隙避雷器中的纯空气间隙分散性较小，持续运行稳定性相对较高。此外，线路避雷器应是免维护的。

参考文献

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