输电线路避雷器的基本原理与技术要求(20120215)

输电线路避雷器的基本原理与技术要求状态评价中心2012年2月2目录1.定义和分类2.原理3.技术要求4.选型5.运行维护要求3交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器为并联连接在线路绝缘子的两端，用于限制线路上的雷电过电压及（或）操作过电压之用的复合外套金属氧化物避雷器（以下简称线路避雷器）。金属氧化物避雷器（压敏避雷器）是以氧化锌（ZnO）基压敏电阻（非线性电阻）组成的。1定义和分类定义4复合外套氧化锌避雷器是集合复合绝缘子与氧化锌避雷器的优点而迅猛发展起来的。70年代发展起来的氧化锌避雷器，以其优异的非线性、大通流容量等优点，取代了当时大量使用的碳化硅避雷器；与之同时开发成功的复合绝缘子，其重量轻、耐污性能好等优点为避雷器所利用。发展过程5自1980年开始，国外提出了在线路上安装氧化锌避雷器来减少雷击故障的需求。美国和日本先后成功地将避雷器应用于线路上。我国从1993年开始研制和应用线路型避雷器。目前，复合外套氧化锌避雷器已在110kV至500kV输电线路上广泛应用。6线路避雷器带串联间隙线路避雷器无间隙线路避雷器（带脱离器）内间隙外间隙不带支撑件间隙（纯空气间隙）带支撑件间隙分类7带绝缘支撑件间隙线路避雷器8带脱离器的无间隙线路避雷器不带绝缘支撑件间隙线路避雷器（纯空气间隙线路避雷器）9其目的是在雷电过电压的情况下保护与之并联的绝缘子串，故串联间隙应仅在快波前过电压下击穿，而能承受各种工频和系统中出现的缓波前过电压（操作过电压）。带串联间隙金属氧化物避雷器10带串联间隙金属氧化物避雷器与绝缘子串相并联，它由金属氧化物避雷器本体和串联间隙两部分构成。带串联间隙金属氧化物避雷器带串联间隙金属氧化物避雷器结构及安装示意图11氧化锌避雷器的特性主要是由材料的非线性特性决定。氧化锌元件的非线性特性主要是由晶界层形成的，在低电场强度下其电阻率为1010~1011W·m，而当电场强度达到106~107V/m时，其电阻率骤然下降进入低电阻状态。2原理非线性特性圆饼状的氧化锌阀片12氧化锌元件的伏安特性可由下式表示：其非线性系数a与电流密度有关，一般为0.01~0.04，在大的雷电流下，a也不大于0.1。UCIa氧化锌阀片与碳化硅阀片伏安特性比较13避雷器的基本功能避雷器应具有以下四种机能：1）抑制过电压的机能；2）冲击电流的通流机能；3）从瞬时接地状态下自我恢复性能（续流遮断性能）；4）不发生不必要的动作。14避雷器的动作原理图15为什么在雷电过电压出现期间，流经避雷器的大电流没有造成线路保护动作？电力系统工频周期为20ms，继电保护的采样周期在1ms左右。而雷电波的半波长为10s数量级，即避雷器泄放电流的过程相对继电保护的反应时间来说可忽略。16线路避雷器的保护范围利用ATP仿真软件，以5基220kV线路为例：#1#2#3#4#5#3已安装避雷器仿真线路段示意图17分两种情况来研究。1）#3杆塔（已装设避雷器）顶部遭受雷击后，相邻杆塔是否有闪络风险。2）雷击点在#3和相邻杆塔（未装避雷器）之间的地线上，相邻杆塔是否存在闪络风险。注：接地电阻为10W，档距取400m，其它具体参数见《江西输电线路防雷技术深化研究》报告[4]。18未装设避雷器时杆塔耐雷水平为91kA，现在左右两相均加装避雷器的方式下，雷击#3杆塔顶部，随着雷电流增加，计算结果如下：1）I=145kA时，虽然超过#3杆塔耐雷水平，全线都不闪络。2）I=160kA时，相邻#1闪络，#3、#2塔不闪络。3）I=167kA时，除#3塔外，相邻塔都闪络，此时不存在外延“保护范围”。19当雷击点在装设避雷器的#3塔和相邻杆塔之间的地线上时，从下表列出了邻塔发生闪络的反击闪络电流的变化。可以看出：随着落雷点离临塔越近，邻塔反击闪络电流降低，说明本塔装有线路型避雷器对于相邻塔的雷击保护作用不明显，因此可以说本塔装有避雷器并不能保护相邻塔。落雷点距#3距离(m)050100150200400（邻塔顶）邻塔反击闪络电流(kA)1601381301241159120线路避雷器的安装相别1）110kV线路宜在三相均安装避雷器。2）220kV线路接地电阻大于10Ω，或运行经验证明反击故障为主的线路（段）宜在三相均安装避雷器；否则，单回路可仅在两边相安装，同塔双回路可仅在两侧的上、中相安装。3）500kV线路在接地电阻不满足设计要求时，应三相全部安装。否则，单回路可仅在两边相安装，同塔双回路可仅在两侧的上、中相安装。21其它注意事项1）对于接地电阻很难降低的杆塔，可考虑加装三相线路避雷器。对于220kV线路，安装线路避雷器后，接地电阻要求满足20Ω以下即可。2）安装线路避雷器的杆塔，可不须安装负角保护针。22悬挂式安装时，应进行拉伸负荷试验：型式和抽样试验取避雷器自重的15倍，耐受60s不损坏。试验前后避雷器本体局放变化不大于10pC，局放量不大于10pC，直流参考电压变化不大于5%。非悬挂式安装时，应进行抗弯负荷试验。注：主要依据JB/T10497-2005，下同。3技术要求机械性能复合外套外观23对避雷器应进行雷电冲击50%放电电压试验和工频耐受电压试验，其试验值应与线路绝缘水平相配合，以保证避雷器在雷电过电压下放电，而在工频过电压下不放电。典型推荐值见下表。避雷器放电电压性能要求系统标称电压（有效值）工频耐受电压（有效值）不小于雷电冲击50%放电电压（峰值）不大于110185560220370960500567176024避雷器的冲击伏秒特性曲线应比被保护的绝缘子串的伏秒特性曲线至少低10%。避雷器冲击伏秒特性避雷器本体的局部放电不应大于10pC。25避雷器本体的残压省公司2005年线路反措[7]：避雷器与被保护绝缘子的雷电冲击配合系数不得小于1.35。26电流冲击耐受避雷器本体应通过2ms方波电流耐受试验、大电流冲击耐受试验以及大电流冲击负载试验。试验值如下表：系统标称电压有效值(kV)2ms方波冲击电流值(A)大电流冲击耐受电流峰值(kA)1104001002206001005001200100274选型避雷器型号含义28结构形式线路避雷器宜选择带串联间隙的避雷器。1）“架空输电线路差异化防雷工作指导意见”（国家电网生〔2011〕500号）：线路避雷器宜选择带串联间隙的避雷器。2）由于串联间隙的隔离作用，避雷器本体部分基本不承担系统运行电压，可以不考虑长期运行电压下的电老化问题，且本体部分的故障不会对线路运行产生隐患[9]。29在直线塔上宜选择纯空气间隙避雷器，在耐张塔上宜选择绝缘支撑间隙避雷器。1）带绝缘支撑间隙避雷器结构的优点是间隙距离不受风偏的影响，安装较容易。而空气间隙避雷器在大风作用下，间隙距离会发生变化，电极形状必须制作成弧形，其优点是有间隙隔离系统运行电压，电阻片老化现象减轻[10]。302）根据对湖南、华北电科院调研，带绝缘支撑间隙避雷器的复合绝缘子本身有老化和维护的问题，故首选纯空气间隙避雷器。但由于纯空气间隙避雷器在耐张塔上不便安装，故耐张塔选用带绝缘支撑间隙避雷器。3）报告[11]指出：带串联绝缘子间隙避雷器安装不需要外加支架，安装简单、方便；虽然带串联空气间隙避雷器有可靠性高、寿命长的优点，但是安装很复杂（加装支架且应沿导线方向伸出），对于在耐张塔和特殊塔形安装非常困难。31额定电压、标称放电电流110kV、220kV和500kV线路避雷器的额定电压分别建议选择102kV、192kV和396kV；110kV、220kV标称放电电流建议选择10kA，500kV选择10kA或20kA。1）避雷器额定电压是施加到避雷器端子间的最大运行工频电压有效值，选择避雷器额定电压时，仅考虑单相接地、甩负荷和长线电容效应引起的暂时过电压。322）行标[1]对带间隙避雷器额定电压的推荐值和华北公司企标推荐值如下表：电压等级DL/T815-2002[1]华北公司企标[12]110kV90～102102220kV180～204192500kV396396333）华北公司企标对标称放电电流的推荐值为10kA。4）雷电冲击电流残压根据额定电压和标称放电电流推荐值在DL/T815-2002[1]表3中查得。34间隙距离按如下2个原则确定串联间隙长度：1）线路避雷器串联间隙距离应足够大，能承受避雷器所安装线路系统最大过电压。2）线路避雷器串联间隙距离应足够小，使得雷击杆塔时线路避雷器能在绝缘子串闪络之前动作。35方法：1）测试串联空气间隙U50、绝缘子放电电压U50，满足给定冲击配合系数条件下，确定串联空气间隙距离。2）进一步试验验证选定间隙与绝缘子串的伏秒特性是否配合良好。3）进行外串间隙氧化锌避雷器的工频耐受试验，验证是否大于系统的最大工频过电压。36计算方法：绝缘子串U50%计算方法（IEC推荐公式）。其中Us-t为伏秒特性绝缘子闪络电压(kV)；L为绝缘子串长度(m)；t为从雷击开始到闪络所经历的时间(μs)。在缺少实际试验数据的情况下，对于瓷绝缘子可取t=10μs对应的闪络电压值作为该绝缘串的U50%。0.75400710stLULt37由于氧化锌非线性电阻的影响，线路避雷器（包括氧化锌阀片本体和串联外间隙）的50%雷电冲击放电电压比空气外间隙的数值高。线路避雷器50%雷电冲击放电电压可这样粗略估算：即线路避雷器50%雷电冲击放电电压约等于氧化锌阀片本体的直流1mA电压与串联外间隙的50%雷电冲击放电电压之和[15]。该值由生产厂家提供。冲击配合系数=绝缘子串U50%/线路避雷器U50%38浙江公司[14]、浙江永德[3]给出的参考值如下：系统标称电压(kV)纯空气间隙(mm)绝缘支撑间隙(mm)浙江公司杭州永德浙江公司杭州永德110430±20400~480480±10480220840±30820~880980±108205001200±15039以下参考华北公司[12]、浙江公司[14]企业标准：1）建立台账、运行记录并密切加以监视，雷雨季节及时记录雷击动作情况；同时还应建立必要的检修、试验、轮换制度，确保装置运行的可靠性。2）结合线路检修进行的运行维护工作包括：避雷器本体外观目测；串联间隙、上下电极测量和检查；高压电极和接地端连线检查；连接件检查；检查、记录计数器动作次数；检查在线或离线监测装置。5运行维护要求403）运行5年后的线路避雷器应进行抽样试验，抽样比例可按3-5%（至少1支）抽取，抽样避雷器应进行局部放电试验，如抽样避雷器试验不满足要求，要求对同批次避雷器加大抽样比例，如仍出现一支不合格，应对同批次避雷器全部进行试验，确定是否能够继续运行。4）动作20次及以上的避雷器应进行直流试验，试验不合格应退出运行。5运行维护要求41[1]DL/T815-2002交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器[S]，2002．[2]解广润主编．电力系统过电压[M]．水利电力出版社，1985．[3]35~220kV线路型金属氧化物避雷器[R]．杭州永德电气有限公司，2011．[4]江西输电线路防雷技术深化研究[R]．江西省电力科学研究院，2012．[5]IEC60099-82011Surgearresters–Part8:Metal-oxidesurgearresterswithexternalseriesgap(EGLA)foroverheadtransmissionanddistributionlinesofa.c.systemsabove1kV[S]，2011．[6]JB/T10497-2005交流输电线路用复合外套有串联间隙金属氧化物避雷器[S]．2002．参考文献42[7]赣电生〔2005〕49号．关于印发进一步降低220kV线路故障跳闸率反事故措施的通知[S]，江西省电力公司，2005．[8]国家电网生〔2011〕500号架空输电线路差异化防雷工作指导意见[S]．国家电网公司，2011．[9]马春华．线路避雷器和绝缘子串的伏秒特性配合问题研究[J]．高压电器，2007，43(1)：68-69，73．[10]程更生，蒲路．避雷器在输电线路防雷中若干问题