线路用金属氧化物避雷器及应用.doc

高压交流线路用金属氧化物避雷器刘有为 杜澍春 马晋华 李明贵 顾南峰（1、中国电力科学研究院，北京100085；2、广西电力科学研究院，广西 南宁530023）摘要对于雷电活动强烈、土壤电阻率高、地形复杂的山区线路，采用常规措施降低雷击跳闸率已难以奏效。国内外运行实践表明，采用线路避雷器是最有效的防雷措施。文中就线路避雷器的结构、性能及其与被保护绝缘子（串）之间的绝缘配合原则与主要参数进行了论述，最后就合理确定线路避雷避的主要技术参数提出结论性意见。关键词：线路避雷器；结构；绝缘配合；技术参数中图分类号：TM7261.1；TM862前言实际运行经验表明，高压架空线路供路故障的一半以上是雷电引起的，减小雷击跳闸率的一般措施有：降低杆塔的接地电阻、增加绝缘子的片数、采用耦合地线，但在雷电活动强烈、土壤电阻率高、地形复杂的地区，采用上述措施难以奏效时，可以考虑利用线路避雷器来降低雷击跳闸率。线路避雷器已被证明是最有效的线路防雷措施，在美、日等国有十多年的历史，我国也已开始批量应用。随着对供电可靠性要求的不断提高，线路避雷器将在我国得到更大范围的推广使用。尽管防雷的基本概念与传统的电站型避雷器类似，但仍然有一些特有的技术问题，这涉及到是否能有效地保护绝缘子（串）不再发生雷击闪络和线路避雷器自身的可靠性问题。本文将研究以下几个关键问题：（1）线路避雷器技术参数的选择；（2）线路避雷器与被保护绝缘子（串）之间的绝缘配合原则；（3）线路避雷器自身的可靠性保证；（4）线路避雷器应用方案。1 线路避雷器结构线路避雷器一般采用避雷器本体和串联空气间隙的组合结构，避雷器本体基本不承担系统运行电压，不必考虑在长期运行电压下的电老化问题，在本体发生故障时也不影响线路运行。串联空气间隙有两种，一是纯空气串联间隙（简称纯空气间隙），一是由合成绝缘子支撑的串联空气间隙（简称绝缘子间隙），如图1所示。这两种间隙在国内外都有应用，如日本一般采用纯空气间隙，美国等采用绝缘子间隙。两种间隙各有优缺点，纯空气间隙不必担忧空气间隙发生故障，但在安装线路避雷器时需要在杆塔上调整间隙距离，实施安装时要求高一点；情况相反，对于绝缘子间隙，由于间隙距离已由绝缘子下，实施安装较为容易，但支撑串联间隙的合成绝缘子承担着较高的系统电压，与一般线路用合成绝缘子一样，有一定的事故率，但目前看，这种事故率很低。图2为试验中的线路避雷器。（a） （b）图1 线路避雷器（a）绝缘子间隙；（b）纯空气间隙2 线路避雷器与被保护绝缘子（串）之间的绝缘配合原则串联间隙的主要目的就是使避雷器本体与系统电压隔离，但它在存在可能导致保护可靠性的降低或保护失败，也就是发生线路绝缘子（串）闪络而串联间隙耐受的情况。为此，串联间隙与被保护绝缘子（串）放电特性的配合原则是：（1）能够可靠耐受最大工频过电压；（2）雷电冲击下串联间隙应靠动作，使被保护绝缘子（串）免于发生雷击闪络事故；（3）对于纯空气间隙，导线风偏不改变工不明显改变间隙的放电特性。图2 试验中的线路避雷器2.1 能够可靠耐受最大工频过电压为了做到这一点，串联间隙的间距应该足够大，以110kV电压等级为例，串联间隙应能可靠耐受95kV工频电压（126/3）x1.3。这里所说的耐受是指在实际使用条件下的耐受，即应该考虑实际使用环境中可能存在的不利气象条件下也能够耐受，如下雨、大雾等，在进行产品设计时应留有足够的余度，35是合适的数值。关于海拔高度的影响，海拔1km以下的影响不超过10（IEC，60-1，1989），这正好与避雷器本体所承担的电压相当，两者相抵，可以不予考虑。在达到图5图9所示放电特性配合效果的情况下（参见下文），绝缘子间隙的工频干闪的耐受值如表1所示。表1 串联绝缘子间隙工频干闪和耐受试验（有效值）系统标称电压/kV干闪/kV干耐受/kV2201103522303151802.2 雷电冲击下串联间隙能可靠动作，使被保护绝缘子（串）免于发生雷击闪络事故单纯从满足这一要求来看，显然串联间隙的间距越小，保护失败的可能性就越小。但这与条件（1）的要求相予盾。实际上存在一个间隙范围能够同时满足条件（1）和（2）。值得指出是的，并不是串联间隙的U50低于被保护绝缘子（串）的U50就能满足条件（2），这是因为，间隙的放电电压有一定的随机性，比U50低一些，间隙也可能发生击穿；比U50高一些，间隙也可能不击穿。由于间隙放电电压的这种随机性，若出现这样的不利情况，串联间隙的放电电压比其U50（1）高，如达到U90（1）；而被保护绝缘子（串）的放电电压比其U50（2）低，如达到U10（2），参见图3，在这里尽管U50（2）U50（1），但这一高一低就导致了保护失败。那么，U50（1）应比U50（2）小多少才合适呢？现在国内根据日本的研究结果，普遍认为只要U50（2）比U50（1）大约20就算是符合放电特性的配合要求，那么，这个20是怎么来的、意味着什么，还有是否强调U50的配合就够了，这些问题并没有真正清。为此，首先研究了（U50（2）-U50（1）/U50（1）与保护失败率的关系，研究结果如图4所示。图3 串联间隙和绝缘子间隙绝缘配合示意图U50（1）：串联间隙50放电电压；U50（2）：被保护绝缘子（串）50放电电压图4 串联间隙保护失败率与电压差的关系从图4可以清楚地看到，保护失败率随着闪络电压差的增加而降低。应该选择合理的保护失败率，以寻求雷电冲击下可靠闪络而工频过电压下可靠耐受之间的平衡。若按万无一失考虑（99.99的可靠性），串联间隙的雷击闪络电压应比被保护的绝缘子（串）的低17以上。这实际上从可靠性的概念上回答上要求U50（2）比U50（1）大20的物理意义。但由于雷击引起的塔顶电位升高（严格讲应该是绝缘子串两端的电压）有时会远高于绝缘子（串）U50，甚至数倍于U50，因此，仅仅强调U50这一点是不够的，而应该比较两者的伏秒特性曲线，即不同的雷击电压下实际放电电压U（1）与U（2）之间的差值，且这一差值应该达到17左右。一般而言，对于悬式绝缘子串，由于钢帽和钢角电容链的作用，其伏秒特性较为平坦，在设计串联间隙时必须予以考虑。从图5可以看出，同样的间隙距离，不同的设计方案，实际效果差异很大，未优化时，随着雷击电压幅值的升高（闪络时间的缩短），串联间隙闪络的电压与被保护绝缘子串闪络电压的差值在明显缩小，也就是保护性能越来越差，而经优化设计达到了很好的效果，满足要求。图5 串联间隙与被保护绝缘子串的伏秒特性曲线由于间隙结构的不对称性（特别是纯空气间隙），正、负极性雷电的放电电压存在所谓的极性效应，因此，在研究保护可靠性的时候需考虑正负极性两种情况。此外，由于大地的影响，绕击（雷击导线）正、负极性的放电电压的反击（雷击杆塔）负、正极性的放电电压存在一些差异，所以严格的讲应该试验研究4种情况，分别是正极性雷击杆塔、负极性雷击杆塔、正极性雷击导线、负极性雷击导线，其中正极性雷击杆塔与负极性雷击导线的情形相近；负极性雷击杆塔与正极性雷击导线的情形相近。条件有限时，可以重点进行负极性雷击杆塔和负极性雷击导线这两种情况。图6、图7给出了110kV线路避雷器与被保护绝缘子串伏秒特性曲线。从这些图中可以看到，任意击空时刻（即任意雷电流幅值下），串联间隙的雷电击穿电压要比被保护绝缘子串的低约17，具有较好的保护特性（所有数据都没有进行气象修正，但凡是同一图中的试验数据，都是在相同的大气条件下得到的，具有更好的可比性）。图6 110kV负极性反击时的伏秒特性曲线图7 110kV负极性绕击时的伏秒特性曲线对于纯空气间隙，间隙距离允许有一定的安装偏差，但若这个允讦偏差太小，实施安装会有一定难度，根据图8所示的试验结果，以及同条件下，被保护绝缘子串的绕击负极性U50737.6kV、反击负极性U50703.4kV，间隙距离在270430mm都是允许的。同样的理由，对于220kV，参考图9，间隙距离在470630mm是适宜的。图8 110kV纯空气间隙放电特性与间隙距离的关系图9 220kV纯空气间隙放电特性与间隙距离的关系3 线路避雷器耐大幅值雷击能力分析耐大幅值雷击能力对于线路避雷器的安全运行至关重要。那么能耐受多大的雷电流幅值才算安全合理呢？这个问题在无们收集到的资料中没有答案。为了合理确定线路避雷器的耐大幅值雷击能力，必须研究以下几项内容：（1）雷击杆塔时雷电流的幅值可能达到多大的数值；（2）当雷击杆塔时，通过线路避雷器的雷电流占整大雷电流幅值的比例是多少；（3）在确定一个可以接受的雷击损坏率的情况下，选择合适的电阻片。3.1 雷击杆塔时雷电流的幅值可能达到多大的数值根据大量实测数据，大于等于雷电流幅值I的概率为P10-88，但仅仅根据这个公式还无法回答我们提出的第一个问题。显然，雷电流可能达到的幅值与地域范围和时间跨度相关，地域范围越广、时间跨度越大，可能达到的雷电流幅值将越大。从产品的雷击损坏事故率来考虑，地域范围并不重要，因为，地域范围越广，虽然超越某一雷电流幅值的雷击次数会增加，但该地域内包含的产品基数也大，两者的比值确是相对稳定的。至于时间跨度，应该是产品预期的寿命周期，20年是一个较为合理的数值。根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T620-1997），一基杆塔引雷的地域面积容易求得，为了保证模拟计算的准确性，考虑10 000基杆塔的地域范围、20年的时间跨度，由蒙特卡洛法模拟的雷击结果如图10所示（注意计算条件），从图中可以看到，除7次较大雷电流外，其余均在350kV以下。根据这一结果，若设计目标仅考虑350kA及以下的安全性，那么20年内，线路避雷器的雷击损坏率约为7/10 000，即能够保证20年99.9的可靠性。3.2当雷击杆塔时，通过线路避雷器的雷电流占整个雷电流以幅值的比例是多少前面讨论了雷击杆塔的雷电流分布，但对于线路避雷器设计而言，仅仅给出这一结果是不够的，设计者还必须了解过过线路避雷器的雷电流占整个雷电流幅值的比例是多少。雷击杆塔后，定性地讲，雷电流被分成几个部分，一部分沿避雷器线向雷击点两侧传播，一部分通过杆塔流入大地，一部分通过避雷器本体(当串联间隙被击穿时）。至于各个电流部分的具体数值，取决于避雷线及导线的几何排列、杆塔高度、接地电阻等，应用EMTP程序可以得到较为准确的答案。计算时考虑了以下几种工况：（1）较长一段线路只有一基易击塔安装了线路避雷器；（2）一个易击段全部安装了线路避雷器。根据EMTP程序的分析结果，最严重的情况是较长一段线路只有一基易击塔安装了线路避雷器，而且是A、B、C三相全装，但仅边相装一只或两个边相各装一只时情况要轻的多，但未装相的绝缘子（串）仍可能发生雷击闪络。几种应用方案下，350kA雷电流下流经线路避雷器的雷电流及其吸收的雷电能量如表2所示。从表2可见，就流经线路避雷器的雷电流幅值而言并不算大，值得指出的是，通过避雷器本体雷电流波形的波尾要比目前电阻片在电流以试验波形的波尾（10s）长得我，因而同样的雷电流幅值下，电阻片实际吸收的能量要远比大电流试验时的大，为此必需要进行能量核算。对于接地电阻特别大的地区，还需详细校核才能保证其预期寿命内的可靠性。图10 安装在典型220kV线路10 000基杆塔上的线路避雷器在20年内遭受的雷电流幅值及其分布避雷线平均高度24.5m，避雷线间距11.6m，档距400m，雷电日90，考虑运行年数20年；括号中的数值表示流过量大雷击电流的那条线路避雷器的雷电流分布情况图11 给出了额定电压为170kV、192kV、200kV时吸收能量和流经电流的计算结构，可以看到提高线路避雷器本体额定电压，可以减少流经线路避雷器的雷电流分量以及避雷器本体吸收的雷电能量，但影响有限，不作为设计考虑因素。图11 本体额定电压对流过线路避雷器的电流及吸收雷电能量的影响（模拟350kV雷电流）图中曲线一上：额定电压170kV；中：额定电压192kV；下：额定电压220kV4 线路避雷器耐多少次雷击能力分析若在线路的每一基塔都安装线路避雷器，除特殊情况外线路避雷器可能遭受的雷击次数并不多，根据图10所示的结果，90个雷电日的重雷区，在预期寿命内（20年），一基塔可能遭受的雷击次数为7次左右。但若不是每基都装，而是仅装部分线段，那么没有安装线路避雷器的部分，其雷电流将沿导线传播至安装了线路避雷器的那一基塔，因此，该塔的线路避雷器还将承担相邻杆塔的雷击，但计算结果表明，10基杆塔之外的雷击通过线路避雷器的电流已簋小，其影响可以不予考虑。设想线路某一基塔装了线路避雷器，而其两端相邻塔都没有安装，这样共有20基塔的雷电流会影响到线路避雷器，按90个雷电日考虑，大约为140次雷击。严格地讲，这140次雷击的电流幅值不等（服从P10-1/88，注意：通过线路避雷器的约为I的1015），但为了试验方便和从严考虑，试验取单一雷电流幅值30kA（杆塔接地电阻30时等效雷电流幅值350kA）。具体试验方法如下：取电阻片3片，编号为1号、2号、3号。每片进行150次4/10s、30kA雷电冲击试验，两次试验的时间隔保证电阻片冷却环境温度，大约10min。试验前以及每30次试验之后，重新经烘箱干燥并测量5kA下的残压、UImA和0.75UImA下的泄漏电流。完成全部150次雷电冲击之后，进行了18次2ms/400 A方波试验。试验结果表明，残压和UImA基本没有变化（见图12、13），但0.75UImA下的泄漏电流却有明显增加，如图14所示。150次雷击试验之后，又进行了18次2ms方波试验，被试电阻片全部通过。这一试验结果表明，电阻片能够可靠耐受多次雷击。表2 易击塔和易击段安装线路避雷器时流经避雷器本体的雷电流及能量线路避雷器安装情况流经线路避雷器的雷电流/kA线路避雷器吸收的能量边相中相边相中相某一易击塔仅C相安装一只相邻数基杆塔不安装避雷器32/22275/292某一易击塔仅A、C相安装相邻数基杆塔不安装避雷器35/24365/214某一易击塔仅ABC三相都安装相邻数基杆塔不安装避雷器39/3032/23605/409430/512某一易击段相邻数基杆塔A、B、C三相都安装避雷器中间塔32/2328/18440/219408/227某一易击段相邻数基杆塔A、B、C三相都安装避雷器两边的塔34/2529/20523/328444/283注：计算条件是杆塔接地电阻30/15，雷电流幅值350kA，雷击塔顶，考虑感应过电压。图12 5kA下残压与雷电冲击次数的关系图13 UImA与雷电冲击次数的关系图14 0.75UImA下泄漏电流与雷电冲击次数的5 线路避雷器吸收操作过电压能量的校核5.1 问题的提出首先说明为什么要进行这一工作，这实际上也就是串联间隙在操作过电压下是否会发生击穿的问题。理论上，操作过电压最高可以达到3.5p.u.，操作波放电的标偏为6，若要保证在最高操作过电压下串联间隙不击穿，串联间隙在操作波下的U50至少应大于3.5Ux2（13）5.84Ux，其中Ux为系统最高相电压。考虑到不利气象条件下也能耐受，U50还应该增加1020，达到了（6.427.01）Ux，这与雷电冲击下对串联间隙的保护可靠性要求是相悖的，特别是采用纯空气间隙以及系统标准称电压为220kV时更为明显。这就是说，在最大操作过电压下，中联间隙有可能发生击穿，这正是开展本节研究内容的原因。为结合工程条件，对比较苛刻的某220kV单机单变线系统中线路避雷器在操作过电压下的吸收能量作了数值计算，计算是应用EMTP程序完成的。计算的系统接线见图15。其中，各设备参数分述如下：图15 系统接线发电机（G）：型号为FSN-200-2；额定容量为200MW；额定电压为15.75kV；功率因数为cos0.85；额定电流为8.625kA；暂态电抗Xd23.6，Xd14.6。变压器（Tr）：型号为SFPT240000/220；额定容量为240MVA；额定电压为2312x2.5/15.75kV；短路电压为14。母线上金属氧化物避雷器：型号为HY10W1-200/200/520；额定电压为200kV；UImA为90kV；10kA残压为520kV。线路金属氧化物避雷器：型号为HY10CX2-220J；额定电压为192kV；UImA为280kV；10kV残压为500kV，串联间隙距离为9505mm。线路杆塔、导地线尺寸见图16，导线型号LGJ-400、地线型号为GJ-50，线路长度200km。图16 220kV杆塔示意计算结果列于表3。从该表可见：（1）对于计划性空载线路分闸（序号1），过电压为3.12.p.u.。该值与无限压措施时的理论值是相近的。这表明，本计算结果是可信的。（2）序号2的结果表明线路避雷器的或无串联的计算模型对于限制过电压和吸收能量的影响。有间隙时过电压图高一些，但吸引能量却略少。这与预料相一致，因为无间隙模型比有间隙模型要多吸收一部分后者间隙接近动作前不能吸引的那部分能量。为简化计算，其他序号中的线路避雷器均采用无间隙模型。（3）线路末端永久接地，即序号3的操作方式下，线路避雷器吸收能量最大，达274kJ。比序号4，三相重合闸时吸收能量高4。表3 线路避雷器吸收的操作过电压能量序号故障型式操作方式末端过电压/p.u.吸收能量/kJ1无空载线路分闸，单相重击穿3.122无空载线路分闸，单相重击穿2.41/2.13143/1483末端单相永久接地单相重合闸不成功后，末端三相先跳开，首端断路器分闸单相重击穿2.183494末端两相接地三相重合闸2.18334注：（1）序号1无，序号24有一组线路避雷器且安装于线路末端杆塔上。（2）分子、分母数据分别对应线路避雷器有和无串间隙。串联间隙操作波放电电压为550kV。5.2线路避雷器吸收能量的讨论5.2.1安装位置对避雷器吸收能量的影响以表3中序号3为例，由以往经验可知，线路末端接地时，预期过电压较高。在此条件下，对避雷器安装于线路首端、中部和末端时的吸收能量分别作了计算。结果是首端和中部时吸收能量分别为272kJ和302kJ。各相当于在末端时吸收能量的78和87。线路避雷器在线路末端时，因该处过电压最高，吸收能量也较其他位置大。5.2.2避雷器在操作过电压下动作次数的估算一般，220kV线路每年计划性操作次数不多于5次。据统计，220kV线路每 100km.a故障跳闸次数不超过2次。其中单相接地故障约占80以上。单相重合闸成功率约为0.8。据此，可得到如表4所示的各类型操作出现的次数。该表以100km长度线路运行20年为基础给出。表4 100km 200kV线路20年的各类型操作次数估计值计划性分闸故障操作单相瞬时接地单相永久接地两相接地次/年总计次/年总计次/年总计次/年总计51002.5651.20.6412.80.816根据上表，可得出避雷器在操作过电压下动作次数的估计值如下：（1）现代220kV断路器切空载线路重击穿概率很低，取0.1将是十分夸张的。即使如此，有重击穿的情况仅为10次。如预期过电压均为3.12p.u.（表3序号1），则线路避雷器会有10次吸引能量达到148kJ。（2）单相瞬时接地，单相重合闸过电压出现51.2次。但该过电压比空载线路合闸过电压还要低，对220kV线路不超 2.5p.u.。避雷器吸收能量较小，可不予考虑。（3）单相永久接地故障12.8次。设最后分闸时，断路器重击穿概率为0.2，则有2.6次会使避雷器吸收能量达到349kJ。（4）两相接地故障，均视为永久接地，设重合在电源电压峰值且与线路健全相残留电荷反极性时出现的概率为0.5，则会有8次使避雷器吸收能量达334kJ。5.2.3 110、220kV线路避雷器方波冲击电流的要求根据表5，即使是只通过2ms/400A，从操作过电压吸引能量的观点来看，要耐受3次392A和8次376A以及10次171A应是没有问题的。最后，还须提及线路避雷器在线睡每相导线上多支并联应用的结果，势必大大提高避雷器耐受操作过电压的可靠程度。由此可见，在设计线路避雷器时，完全可以不考虑操作过电压的影响。表5 2 ms方波与4/10s大电流冲击试验时等效192kV避雷器吸收的能量试验项目2ms方波/400A4/10s/65kA2ms/600A4/10s/100kA等效吸收能量/kJ3503285305423 线路避雷器主要技术参数6.1避雷器本体额定电压理论上，线路避雷器本体额定电压可以取得接近（或稍大于）最大持续运行相电压，如110kV线路取84kV等，这个值对于纯空气间隙是适宜的，但对于绝缘子间隙，若考虑到绝缘子可能出现故障（该绝缘子发生故障的几率大于同类型线路绝缘子，因为接近2倍的工频电压和比线路绝缘子更频繁的雷击闪络），应取得再高一些，对于110kV线路，96kV比较合理；220kV线路，应达到192kV，但额定电压取得再高意义不大。6.2 2ms方波（或线路放电）试验指标这主要决定于线路避雷器在操作过电压下动作后，可