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線路避雷器設(shè)計(jì)技術(shù)
日期：2024-11-16 16:31
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摘要：
無(wú)間隙線路避雷器的成功應(yīng)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(zhì)量從260kg降至50kg以下，從而實(shí)現(xiàn)在桿塔上懸掛安裝。有串聯(lián)間隙線路避雷器由避雷器本體和外串聯(lián)間隙組成。本體與普通的複合外套避雷器相當(dāng)，外串聯(lián)間隙（放電間隙）由兩個(gè)環(huán)–環(huán)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(nèi)部裝有非線性ZnO電阻片並用彈簧壓緊的環(huán)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(lái)的受潮問(wèn)題。
上、下法蘭設(shè)計(jì)了經(jīng)典的球頭、球窩，分彆與高壓端、接地端連接。以2003年我國(guó)天生橋—廣州線投入使用的500kV有間隙線路避雷器設(shè)計(jì)為例，除秉承電站避雷器技術(shù)基礎(chǔ)外，還必須解決如下8點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：
（1）優(yōu)良性能的矽橡膠複合外套
采用矽橡膠等有機(jī)絕緣材料生產(chǎn)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(yōu)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(yōu)勢(shì)，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(shù)
避雷器在多年使用中要經(jīng)受引線拉力、線震、風(fēng)擺、冰雪等的作用。上、下法蘭與環(huán)氧玻璃纖維布筒的粘接部分是避雷器負(fù)載力傳遞區(qū)域，也是密封技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)。筆者認(rèn)為，采用高溫、高強(qiáng)度環(huán)氧澆合劑和倒錐形結(jié)構(gòu)是目前*成功的設(shè)計(jì)之一，實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。
（3）對(duì)接口的包封技術(shù)
包封矽橡膠複合外套上、下法蘭與環(huán)氧玻璃布筒連接的外露麵是避雷器加強(qiáng)密封的良策，也是防止電蝕損的又一有效措施。目前許多國(guó)外同類產(chǎn)品在工藝上亦未能實(shí)現(xiàn)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(gè)下大上小的槽形結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)矽橡膠不出現(xiàn)脫膠的機(jī)械應(yīng)力。
（4）防爆技術(shù)
為取得良好的防爆性能可在模壓硫化傘裙前將環(huán)氧玻璃纖維筒加工出長(zhǎng)條梯形槽，並用專用楔形嵌件堵緊。梯形槽在避雷器故障時(shí)起排氣作用，楔形嵌件保證注塑時(shí)矽橡膠不至於進(jìn)入環(huán)氧玻璃纖維布筒內(nèi)腔。梯形槽的長(zhǎng)度、數(shù)量、防爆力須經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算及試驗(yàn)求得。該型避雷器在中國(guó)及俄羅斯都通過(guò)了40kA和800A的短路電流試驗(yàn)。
（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(lián)間隙構(gòu)成。正常運(yùn)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(guò)電壓，因此對(duì)它的其他技術(shù)性能要求大為降低。避雷器電阻片承受雷擊過(guò)電壓的能力極強(qiáng)，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(jì)算與調(diào)整
330kV、500kV線路避雷器的突出技術(shù)問(wèn)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(chǎng)、用有限元法計(jì)算其電位分布[5]。由於在結(jié)構(gòu)上不能采用外並電容的均壓措施。避雷器高度超過(guò)5m時(shí)，如不采取措施，其電位分布不均勻係數(shù)將達(dá)1.2，荷電率達(dá)98%。這將加速高場(chǎng)強(qiáng)處電阻片的老化。因此，通過(guò)SolidWorks三維設(shè)計(jì)及改善電位分布的設(shè)計(jì)，並通過(guò)改變均壓環(huán)的數(shù)量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV無(wú)間隙線路避雷器（5.4m高）電位分布不均勻係數(shù)限製在10.4%以下。
（7）避雷器內(nèi)部負(fù)壓?jiǎn)栴}
在避雷器整體模壓注射矽橡膠過(guò)程中，避雷器各部分均處?kù)妒軣釥顟B(tài)（100℃以上）。當(dāng)模壓硫化完成（即避雷器密封完成），冷卻後內(nèi)部將形成低氣壓。由“巴申曲線”可知，此時(shí)電阻片沿麵閃絡(luò)電壓大為下降，有可能在較低電壓下?lián)p壞避雷器。這是生產(chǎn)廠家容易忽略的工藝技術(shù)問(wèn)題。
（8）影響間隙放電穩(wěn)定性的因素
間隙放電電壓的穩(wěn)定性是避雷器保護(hù)性能的標(biāo)準(zhǔn)，棒－棒純空氣間隙與環(huán)－環(huán)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(chǎng)，後者是稍不均勻電場(chǎng)；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(dāng)汙穢引起漏電流且達(dá)到一定值時(shí)，它與避雷器本體漏電流形成一個(gè)“分壓器”，明顯地改變了整個(gè)避雷器電位分布，提高了避雷器放電電壓值，這是設(shè)計(jì)者必須給予充分考慮的。
3、線路避雷器的試驗(yàn)
與瓷外套避雷器不同，複合外套避雷器的外套采用有機(jī)高分子材料，它必須進(jìn)行許多驗(yàn)證其特性的試驗(yàn)[6]，如耐天侯試驗(yàn)、耐電蝕試驗(yàn)、耐鹽霧試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)的要求及試驗(yàn)方法大部分都已體現(xiàn)在IEC*新版本的標(biāo)準(zhǔn)中。
（1）複合外套起痕和電蝕試驗(yàn)
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(shí)將等比例持續(xù)運(yùn)行電壓Uc施加於比例元件上，持續(xù)時(shí)間1000h。試驗(yàn)期間無(wú)過(guò)流中斷，比例元件複合外套無(wú)起痕、裂縫和樹枝狀裂紋產(chǎn)生，傘裙未擊穿。
（2）熱機(jī)試驗(yàn)及沸水煮試驗(yàn)
該項(xiàng)試驗(yàn)用於驗(yàn)證避雷器在冷熱、機(jī)械力共同作用下法蘭與環(huán)氧玻璃纖維布筒結(jié)合部分粘合劑的性能，該項(xiàng)試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：
1）比例元件在下列條件同時(shí)作用下進(jìn)行試驗(yàn)：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷熱循環(huán)，高低溫度至少保持8h，每一循環(huán)持續(xù)24h；②給比例元件施加50%額定拉伸負(fù)荷的負(fù)荷力。
2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h後，立即放進(jìn)環(huán)境溫度的水溶液中浸泡24h，取出後在環(huán)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(lái)自矽橡膠分子中具有排斥水分子天性的甲基。試驗(yàn)結(jié)果表明：
1）複合外套耐汙穢性能遠(yuǎn)高於瓷套，但尚未取得定量的結(jié)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(shè)計(jì)仍按瓷外套標(biāo)準(zhǔn)考慮。這一設(shè)計(jì)還受兩個(gè)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(rèn)為，兩類有串聯(lián)間隙避雷器選擇爬電比距應(yīng)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(rèn)為是**的，因?yàn)?，正常運(yùn)行電壓下避雷器本體幾乎不承受任何電壓值；環(huán)－環(huán)絕緣支撐有間隙避雷器，其爬距應(yīng)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(yīng)分彆規(guī)定，避雷器本體≥1.7cm/kV，支撐絕緣子≥1.7cm/kV，因?yàn)樵谡＿\(yùn)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(guò)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(guó)無(wú)間隙線路避雷器的使用量超過(guò)有間隙線路避雷器，90%的330kV、500kV線路使用無(wú)間隙線路避雷器。無(wú)間隙避雷器在絕緣配合上，保護(hù)性能分散性小，僅僅取決於一條U-I特性曲線，保護(hù)裕度大。避雷器運(yùn)行事故率已低於0.03/100相·年以下，且無(wú)間隙線路避雷器限製操作過(guò)電壓的優(yōu)點(diǎn)是目前有間隙線路避雷器所不能達(dá)到的。表4列出兩種線路避雷器的技術(shù)要求及性能[6]。
無(wú)間隙線路避雷器的運(yùn)行條件除滿足一般電站避雷器要求外，還應(yīng)滿足以下條件：
（1）承受各種內(nèi)過(guò)電壓作用，特彆在線路中段，內(nèi)過(guò)電壓值*高，過(guò)電壓出現(xiàn)頻率高，要求通流容量較大。
（2）荷電率相對(duì)較高，與變電站內(nèi)避雷器不同，線路中段冇有限壓措施，電容效應(yīng)等都能引起電壓升高，線路避雷器荷電率較高。
（3）線震、特強(qiáng)冷熱作用、風(fēng)擺、冰雪等可能破壞避雷器的密封。
我國(guó)有間隙線路避雷器的外串聯(lián)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(huán)–環(huán)間隙，見圖1(a)。其技術(shù)性能比較見表5[6]。目前我國(guó)使用後者的較多，主要是安裝方便的原因。
5、免維護(hù)設(shè)計(jì)
筆者認(rèn)為達(dá)到免維護(hù)需滿足如下條件：
（1）生產(chǎn)高質(zhì)量避雷器，還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高無(wú)間隙線?（2）應(yīng)對(duì)避雷器加裝脫離器。
