架空線路過電壓保護器技術(shù)說明

1、絕緣線防雷裝置的應(yīng)用研究技術(shù)報告南昌供電局 武漢雷泰電力技術(shù)有限公司摘要 本文總結(jié)國內(nèi)外防止配電線路架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的技術(shù)措施和裝 置，比較其可靠性和經(jīng)濟性， 經(jīng)試驗研究、 性能價格比優(yōu)選和實際運行驗證， 提出一種適合中國國情、 防止配電線路架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線和減少雷擊跳 閘概率的新技術(shù)和裝置，可有效地防止架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線、絕緣子損壞 等事故。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，技術(shù)先進、國內(nèi)首創(chuàng)。關(guān)鍵詞： 過電壓 保護 架空絕緣線路 key words: Over-voltage Protection Insulated overhead line1 提出問題配電網(wǎng)由于其絕緣水平相對較低，往

2、往容易發(fā)生雷害事故，造成絕緣子 擊穿和導(dǎo)線燒斷。運行經(jīng)驗表明：配電網(wǎng)雷害事故約占整個電力系統(tǒng)雷害事 故的 7080% 。特別是近年來，城市配電網(wǎng)線路多采用架空絕緣電纜，雷 害造成的斷線事故數(shù)量相對增加，必須引起人們的高度重視。試驗研究和實際事故原因分析證實： 配電網(wǎng)雷電過電壓閃絡(luò)， 亦即大氣 壓或高于大氣壓中大電流放電，為電弧放電形式。對于架空絕緣線路，雷電 過電壓閃絡(luò)時，瞬間電弧電流很大但時間很短，僅在架空絕緣導(dǎo)線絕緣層上 形成擊穿孔，不會燒斷導(dǎo)線。但是，當(dāng)雷電過電壓閃絡(luò)，特別是在兩相或三 相（不一定是在同一電桿上）之間閃絡(luò)而形成金屬性短路通道，引起數(shù)千安 培工頻續(xù)流，電弧能量將驟增。此時，

3、由于架空絕緣導(dǎo)線絕緣層阻礙電弧在 其表面滑移， 高溫弧根被固定在絕緣層的擊穿點而在斷路器動作之前燒斷導(dǎo) 線。對于裸導(dǎo)線，電弧在電磁力的作用下，高溫弧根沿導(dǎo)線表面滑移，并在 工頻續(xù)流燒斷導(dǎo)線或損壞絕緣子之前引起斷路器動作，切斷電弧。因此，裸 導(dǎo)線的斷線故障率明顯低于架空絕緣導(dǎo)線。在不切斷電源的情況下有兩種較為簡單的滅弧方法，一是使電弧拉長， 二是使電弧冷卻，通常是將兩種方法結(jié)合起來使用。本研究項目根據(jù)試驗研 究結(jié)果，利用交流電弧電流周期性過零的特點截斷電弧，提出一種用于配電 網(wǎng)中架空絕緣線路過電壓保護的實用裝置。2過電壓保護措施借助城市中的建筑物遮蔽作用，配電線路遭受直接雷擊或繞擊的概率很 小，

4、約占雷害事故的10%。配電線路上90%以上的雷電過電壓閃絡(luò)故障是源 自于線路附近發(fā)生雷云對地放電，即感應(yīng)過電壓。為了防止雷電過電壓引起 線路斷線或絕緣子損壞，通常采用加裝保護間隙或避雷器等過電壓保護措 施，本項目綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)措施的利弊， 設(shè)計出由限流元件串聯(lián) 放電間隙組成的線路過電壓保護器。2.1保護間隙保護間隙將電弧拉長，使電網(wǎng)電壓不能維持電弧燃燒，是一種最簡單的 滅弧裝置。但是，保護間隙存在兩方面缺陷：一方面，在中性點不直接接地 系統(tǒng)中，一相保護間隙動作時，被切斷的電流為電容電流，其值較小，在電 弧電流過零時，間隙介質(zhì)恢復(fù)絕緣強度，間隙恢復(fù)電壓低于介質(zhì)恢復(fù)強度， 電弧熄滅，故間

5、隙能夠自行滅??；而兩相或三相發(fā)生閃絡(luò)，或中性點接地情 況下，流過保護間隙的工頻續(xù)流為短路電流，其值很大，間隙恢復(fù)電壓大于 介質(zhì)恢復(fù)強度，電弧重燃，故間隙不能切斷雷電流之后的工頻短路電流。此 時必須借助于自動重合閘配合來切斷電弧， 否則間隙電弧不能夠自行熄滅而 引起斷路器動作，如圖1所示。另一方面，間隙電壓擾動將影響電能質(zhì)量， 特別是間隙放電時，引起很陡的截波，嚴(yán)重威脅如變壓器類有繞組的電氣設(shè) 備，如圖2所示。因此，保護間隙的方法逐步被淘汰。1（a）電弧熄滅（b）電弧重燃（A為重燃點）1 間隙介質(zhì)恢復(fù)強度；2間隙恢復(fù)電壓圖1 電弧電流過零后間隙滅弧機理吟7f 'u»鍛電電壓2

6、間障敵電電壓滋形2.2氧化鋅避雷器隨著氧化鋅閥片的技術(shù)性能提高，氧化鋅避雷器優(yōu)良的保護性能已被人 們接受，近年來廣泛地應(yīng)用于電氣設(shè)備過電壓保護。避雷器的殘壓決定了避雷器在過電壓情況下的絕緣保護水平，氧化鋅避雷器5kA雷電沖擊電流時的殘壓不大于 45kV,操作沖擊電流時的殘壓不大 于30kV，陡波沖擊電流時的殘壓不大于 52kV。相對來說，架空絕緣電纜以 及配電系統(tǒng)中其它電氣設(shè)備就更安全。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣 配合中第429條、第條規(guī)定，配電系統(tǒng)中采用無間隙氧化鋅避雷 器限制各類操作過電壓、雷電過電壓時，避雷器的持續(xù)運行電壓和額定電壓 應(yīng)不低

7、于表1所列值。表1.無間隙氧化鋅避雷器的持續(xù)運行電壓和額定電壓系統(tǒng)接地方式持續(xù)運行電壓（kV）額定電壓 （kV）不接地3kV-20kV1.1 Um1.38 Um35kVUm1.25 Um消弧線圈Um1.25 Um小電阻0.8 UmUm高電阻1.1 Um1.38 Um氧化鋅避雷器的持續(xù)運行電壓為：43.2kV（ 35kV級）、12.7kV （10k V級）;額定電壓值為：54 kV （35kV 級）、17 kV （10kV級），符合標(biāo)準(zhǔn) DT/T 620-1997規(guī)定。上海市電力公司近幾年在全市大量采用氧化鋅避雷器，以抑制雷電過電壓，并在架空絕緣配電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范 中規(guī)定“每隔三檔（約100

8、至150米）裝設(shè)保護間隙或氧化鋅避雷器 ”。上海、北京、廣州、福州等大中城市市區(qū)和城郊基本上是以氧化鋅避雷 器為主要防止雷電過電壓措施。重要區(qū)域采用硅橡膠復(fù)合橫擔(dān)和氧化鋅避雷 器作為防止雷電過電壓措施。事實上，氧化鋅避雷器保護范圍較小，只能夠 保護附近的電氣設(shè)備免受雷害，故我國架空絕緣線路雷擊斷線事故率依然快 速增長。2.3線路過電壓保護器結(jié)合保護間隙結(jié)構(gòu)簡單、低成本和氧化鋅避雷器保護特性好的優(yōu)點，本 研究項目提出一種用于城市配電網(wǎng)中架空絕緣線路過電壓保護的線路保護 器,它是由非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片）串聯(lián)放電間隙組成，安裝在線 路絕緣子上，如圖3所示。其設(shè)計指導(dǎo)思想是基于：（1）工頻放

9、電電壓足夠高， 避免在不需保護的操作過電壓下動作，延長使用壽命；（2）沖擊放電電壓低，伏-秒特性平坦，具有良好的保護性能；（3）成本低、易于安裝和免維護。其 主要技術(shù)特點是當(dāng)雷電過電壓或其它故障原因引發(fā)絕緣導(dǎo)線3擊穿間隙4對地閃絡(luò)形成金屬性電弧放電短路時，特殊設(shè)計的不銹鋼引流環(huán)2將kA級工頻續(xù)流直接引向氧化鋅電阻非線性限流元件 1,并借助于氧化鋅電阻的非線 性特性將正弦波形的工頻續(xù)流轉(zhuǎn)變成為尖頂波。尖頂波電流在過零前有相當(dāng)長的時間內(nèi)電流幅值較小，同時，限流元件 1的殘壓削減放電電壓，使電弧 瞬間熄滅而達到迅速截斷工頻續(xù)流，達到有效防止架空絕緣導(dǎo)線因工頻續(xù)流 高溫而熔斷（雷擊斷線）的目的（如圖

10、6b所示）。3a3b圖3線路過電壓保護器1阿謀時的電流波羽 征憧液）z -m元件時的電歡確渡）圖4銭躋保護鶉中丄頻續(xù)流被形雷電過電壓閃絡(luò)后引起的工頻續(xù)流流過線路保護器時，非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片，下同）利用其電壓高時阻值小，電壓低時阻值大的特性， 將正弦波形的工頻續(xù)流轉(zhuǎn)變成為尖頂波，如圖4所示。尖頂波電流在過零前有相當(dāng)長的時間電流幅值較小，同時，限流元件的殘壓削減放電電壓，使電 弧瞬間熄滅。此時，串聯(lián)間隙起隔離作用，保護限流元件耐受較高的過電壓 而不損壞。流過線路保護器的電流可由經(jīng)驗公式I= （2U 50 - Ur） / Z計算,式中：U50 -線路絕緣子的50%沖擊放電電壓；Ur-額定

11、雷電流下的限流元件的殘 壓；Z-線路波阻抗。運行經(jīng)驗表明，95%以上的感應(yīng)雷的放電電流小于1000 安培，I >5 kA的概率非常小，故限流元件標(biāo)稱放電電流值選取為5 kA能夠滿足保護需要。非線性電阻限流元件的伏安特性可由公式I = k U a描述，式中：I-限流元件中電流；k-與閥片的面積、高度有關(guān)的常數(shù)；U-限流元件兩端的電 壓；a 非線性系數(shù)。取氧化鋅閥片的荷電率n =80% ,直流1mA電壓UimA= 2800V壓比K= 1.6,若限流元件由N=6片閥片組成，則限流元件標(biāo)稱沖擊電 流下的殘壓可由公式 U5kA = K N U1mA計算得到U5kA=27 kV,限流元件最大允 許長

12、期工作電壓可由公式 Ubz= n N U1mA計算得到Ubz=13.44kV。根據(jù)上述理論計算結(jié)果，再附加 40-125mm串聯(lián)間隙的隔離效果可知：由非線性電阻限流元件串聯(lián)放電間隙組成的線路保護器的性能參數(shù)滿足架 空絕緣電纜過電壓保護要求。3線路過電壓保護器的設(shè)計原則和技術(shù)參數(shù)選取架空絕緣線路過電壓保護器安裝示意圖如圖5所示側(cè)視府視圖5線路過電壓保護器安裝示意圖3.1限流元件的額定電壓限流元件用于截斷工頻續(xù)流，因而必須認真考慮在工頻過電壓下流過限 流元件的電流。對于10kV系統(tǒng)，工頻過電壓一般不超過1.1V3p.u.。我們把 10kV系統(tǒng)用的保護器額定電壓定為12.7kV，限流元件直流1mA參

13、考電壓應(yīng) 大于18kV。這樣在13.2kV工頻過電壓作用下，如果忽略串聯(lián)間隙對于工頻續(xù)流的影響，理論上流過避雷器的工頻續(xù)流為0.1A,計算結(jié)果表明限流元件完全能夠很好地切斷工頻續(xù)流。3.2 限流元件通流能力估算按照 DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合推薦， 我國一般地區(qū)雷電流幅值超過 I 的概率為 P=1 0（-I/88 ）。雷電流可能達到的幅 值與地域、時間跨度相關(guān)。 從產(chǎn)品的雷擊損壞事故來看， 地域范圍并不重要， 可以忽略不計；至于時間跨度， 應(yīng)該考慮產(chǎn)品預(yù)期壽命周期， 20年是一個大 家可以接受的時間。按 DL/T 620-1997的推薦，對于雷暴日Td=40的

14、地區(qū)， 每100km、每年的雷擊次數(shù) Nl=0.28X4h（h為架空線的平均高度，m, 10kV 線路h=10m），則雷電流幅值超過I的雷擊次數(shù)Ni=1.12hxi0（-I/88），時間跨 度20年、每100km的雷擊次數(shù)為N2=224X 10（-i/88），以基桿間距為50m計算， 則每基桿、20年的時間跨度，雷電過電壓超過U的次數(shù)為N=0.112X10（-i/88）。 由此可以計算，10000基桿、20年的時間內(nèi)，雷電流超過200kA的次數(shù)為6 次，考慮到配電線路一般位于市區(qū)， 周圍有高大的建筑物和樹木的屏蔽作用， 可能的雷擊次數(shù)一定大大小于 6次，但從嚴(yán)考慮仍以 6次計。雖然感應(yīng)雷電流幅

15、值為200kA，但流過保護器的雷電流極少，按規(guī)程選 擇接地電阻30Q，使用EMTP暫態(tài)計算程序，模擬計算結(jié)果為流過保護器 的雷電流幅值不超過16kA。我們選用D3閥片，它能承受2次65kA的大電 流沖擊，若設(shè)計目標(biāo)僅考慮200kA及以下的安全性，那么每基桿都安裝保護 器、 20年內(nèi)，保護器的雷擊損壞率約為 6/10000，其安全裕度是很大的。若 每間隔一基桿安裝一組保護器，則保護器的雷擊損壞率為1.2%o。而每間隔四基桿安裝一組保護器，則保護器的雷擊損壞率為2.4%o。為保證保護器的安全運行，因而建議對人口密集地區(qū)或雷電易擊區(qū)， 每基桿安裝一組保護器， 這樣 20年內(nèi)雷擊損壞率為 6/1000

16、0，而對于一般地區(qū)，則每隔 4基桿安裝一 組保護器，則 20年內(nèi)雷擊損壞率約為 3%。同樣根據(jù)計算， 10 基桿之外雷電過電壓通過保護器的電流已經(jīng)非常小， 其影響可以不計，因而保護器不能每間隔 10基桿安裝一組保護器，這樣不 但 10基桿之外的雷電過電壓不能消除，而且保護器的雷擊損壞率為1.2%，雷擊損壞率偏大。3.3 串聯(lián)間隙保護器的串聯(lián)間隙距離關(guān)系到保護器的保護特性，要求滿足： （1）在雷 電過電壓作用下通過與絕緣子的合理配合，串聯(lián)間隙應(yīng)可靠動作，保證絕緣 子不閃絡(luò)；（ 2）能夠可靠耐受最大工頻過電壓而串聯(lián)間隙不擊穿； （3）即使 在污穢、安裝偏置的情況下不明顯改變間隙的放電特性。從滿足雷

17、電過電壓作用下串聯(lián)間隙應(yīng)可靠動作的要求來看， 串聯(lián)間隙的 距離越小越好，這樣在雷電沖擊下發(fā)生被保護絕緣子閃絡(luò)而串聯(lián)間隙不放 電、保護失敗的可能性越小。但是與 （2）的要求相矛盾，因而間隙不是越小越 好。若以絕緣子閃絡(luò)率不超過 5/100000 為依據(jù)，按國標(biāo)規(guī)定雷電沖擊相對標(biāo) 準(zhǔn)偏差 0.03 進行推算，要保證絕緣子閃絡(luò)率要求，雷電過電壓應(yīng)小于 0.88 倍絕緣子 50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓，同理要保證保護器不動作概率小于 5/100000，那么保護器串聯(lián)間隙 50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓應(yīng)小于 0.88倍的雷電 過電壓。由此可知要保證保護器可靠動作而絕緣子不閃絡(luò)，要求絕緣子 50% 雷電沖擊閃絡(luò)電壓至

18、少要比串聯(lián)間隙 50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓高出 25.6%以 上，即絕緣配合系數(shù)應(yīng)為 1.256，這一絕緣配合系數(shù)與前蘇聯(lián)的絕緣配合系 數(shù)一致 。從能夠可靠耐受最大工頻過電壓而串聯(lián)間隙不擊穿這一點來看，串聯(lián)間 隙應(yīng)足夠大，但這又與 （ 1）相矛盾。以 10kV 為例，串聯(lián)間隙應(yīng)可靠耐受 1.1 V3p.u,即13.2kV，它必須考慮各種不利的氣候條件，如雨、霧、冰等，按 照上面所述，絕緣配合系數(shù)必須大于 1.256，再考慮海拔高度的影響，以海 拔1km作為參考，應(yīng)增加10%,即絕緣配合系數(shù)為1.3&至于污穢、安裝偏置，在各種可能的情況下經(jīng)多次試驗得到如下結(jié)論： 在一定的串聯(lián)間隙，引流環(huán)與絕

19、緣子間平均相距 25mm 下，污穢、安裝偏置 對放電特性沒有太大的影響，可以不予考慮。3.4操作過電壓對保護器的影響保護器在投入使用過程中，不可避免地要受到操作過電壓的影響。對于 10kV系統(tǒng)，最嚴(yán)重的情況是開斷前系統(tǒng)已有單相接地故障， 使用一般斷路器 操作時產(chǎn)生的過電壓可能超過 4.0 p.u.即39kV。也就是說，在最大操作過電 壓39kV下，串聯(lián)間隙不能被擊穿，保護器不應(yīng)動作。在考慮以上要求之后，對于PQ2絕緣子線路過電壓保護器技術(shù)指標(biāo)與保 護性能如表 2和表 3所示。線路過電壓保護器雷電放電試驗實況如圖 6所示。表2保護器限流元件的技術(shù)指標(biāo)額定電壓（kV）2mS方波電流（A）標(biāo)稱放電電

20、流下殘壓 （峰值，kV）直流參考電壓（kV）12.7> 100< 36> 18表3保護器整體技術(shù)指標(biāo)與保護性能串聯(lián)間隙（mm）工頻放電電壓（r.m.s, kV）波前沖擊放電電壓 （峰值，kV）1.2/50卩s沖擊放電電壓（峰值，kV）100土 5> 50< 200< 110圖6線路過電壓保護器雷電放電試驗實況4試驗研究參照氧化鋅避雷器的試驗標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求， 分別對線路過電壓保護器整 體、限流元件進行相關(guān)試驗，保護器整體的試驗項目和試驗結(jié)果列入表 4中, 限流元件的試驗項目和試驗結(jié)果列入表 5中。表4線路過電壓保護器試驗項目和試驗結(jié)果試驗項目試驗結(jié)果1.2/5

21、0卩s沖擊電壓試驗105 kV ,± 10次不擊穿1.2/50卩s沖擊放電電壓試驗139 kV工頻電壓試驗濕態(tài),40 kV, 1 min不擊穿工頻電壓試驗干態(tài),35 kV, 4 h,不擊穿工頻放電電壓試驗濕態(tài)，65 kV表5限流元件試驗項目和試驗結(jié)果試驗項目試驗結(jié)果最大允許長期工作電壓:13 kV直流參考電壓> 16.5 kV標(biāo)準(zhǔn)放電電流5 kA標(biāo)稱沖擊電流下的殘壓> 27.2 kV線路過電壓保護器中采用了非線性氧化鋅電阻限流元件，其整體的沖擊放電電壓試驗（1.2/50卩s）的電壓波形如圖7所示，與圖2保護間隙的放電 電壓波形相比較，線路過電壓保護器的放電電壓波形較平坦，

22、對保護電氣設(shè) 備有利，保護特性大大優(yōu)于保護間隙。借助于限流元件的非線性伏安特性和 沖擊電流下的殘壓特性，保護器能夠在瞬間截斷工頻續(xù)流，有效地保護架空 絕緣電纜和絕緣子不易燒斷或損壞。同時，線路過電壓保護器中的串聯(lián)間隙 的隔離作用，保證了該保護器（1）在較高的過電壓下不易損壞，且在正常 情況下無漏流，提高保護器耐老化性能；（2）即使保護器意外損壞，間隙的絕 緣強度也能夠保證架空絕緣電纜安全運行；（3）可以帶電安裝。試驗研究結(jié)果驗證了理論計算結(jié)果正確性，同時，據(jù)文獻報道，類似的 保護器在日本、挪威和澳大利亞等國家應(yīng)用較為廣泛，已取得滿意的實際運 行效果。圖7線路過電壓保護器整體的沖擊放電電壓波形5

23、 線路過電壓保護器應(yīng)用研究自2001年起，上海、杭州、山西、武漢和廈門等十九個城市供電公司 先后在雷電活動頻繁區(qū)域應(yīng)用該線路過電壓保護器技術(shù)措施，以防止架空絕緣線路發(fā)生雷擊斷線事故，并取得了滿意的成效，現(xiàn)場運行狀況如圖8所示 南昌供電局已于2002年7月開始選擇雷電活動頻繁的城區(qū)和郊縣區(qū)域的架 空絕緣線路進行防雷裝置的應(yīng)用研究。(c)城市多雷區(qū)域應(yīng)用研究(d)郊縣多雷區(qū)域應(yīng)用研究(e)多雷區(qū)域耐張絕緣子應(yīng)用研究圖 8 架空絕緣線路過電壓保護器應(yīng)用實例另一方面，本項目研究成果和實際應(yīng)用效果得到了國家有關(guān)部門的高度 重視，國家電力公司發(fā)輸電部輸 2001 7 號文件城市電網(wǎng)架空絕緣導(dǎo)線應(yīng) 用研討會紀(jì)要中特別指出：“.宜使用架空絕緣線路過電壓保護器來防止 架空絕緣電纜雷擊斷線事故；全國電力系統(tǒng)城市供電專業(yè)工作網(wǎng)網(wǎng)秘辦字200004號文件架空絕緣導(dǎo)線運行研討會議紀(jì)要 中強調(diào)指出：“對雷電 活動較多、雷擊斷線頻繁的地區(qū)應(yīng)因地制宜，采取加裝帶有間隙的氧化鋅避 雷器的措施。 也可考慮試裝線路過電壓保護器。 ” 據(jù)估算，安裝線路過電壓 保護器后， 每年可以避免架空絕緣線路雷擊斷線所造成的人員傷亡或財產(chǎn)間 接經(jīng)濟損失、大面積停電直接售電量損失達數(shù)百萬元。因此，研發(fā)和推廣應(yīng) 用