架空线路过电压保护器技术说明

绝 缘 线 防 雷 装 置 的 应 用 研 究绝 缘 线 防 雷 装 置 的 应 用 研 究技 术 报 告 南 昌 供 电 局 武汉雷泰电力技术有限公司 摘要 本文总结国内外防止配电线路架空绝缘导线雷击断线的技术措施和装置，比较其可靠性和经济性，经试验研究、性能价格比优选和实际运行验证，提出一种适合中国国情、防止配电线路架空绝缘导线雷击断线和减少雷击跳闸概率的新技术和装置，可有效地防止架空绝缘导线雷击断线、绝缘子损坏等事故。该装置结构简单、安装方便，技术先进、国内首创。 关键词： 过电压 保护 架空绝缘线路key words: Over-voltage Protection Insulated overhead line1 提出问题 配电网由于其绝缘水平相对较低，往往容易发生雷害事故，造成绝缘子击穿和导线烧断。运行经验表明：配电网雷害事故约占整个电力系统雷害事故的 7080% 。特别是近年来，城市配电网线路多采用架空绝缘电缆，雷害造成的断线事故数量相对增加，必须引起人们的高度重视。 试验研究和实际事故原因分析证实：配电网雷电过电压闪络，亦即大气压或高于大气压中大电流放电，为电弧放电形式。对于架空绝缘线路，雷电过电压闪络时，瞬间电弧电流很大但时间很短，仅在架空绝缘导线绝缘层上形成击穿孔，不会烧断导线。但是，当雷电过电压闪络，特别是在两相或三相（不一定是在同一电杆上）之间闪络而形成金属性短路通道，引起数千安培工频续流，电弧能量将骤增。此时，由于架空绝缘导线绝缘层阻碍电弧在其表面滑移，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点而在断路器动作之前烧断导线。 对于裸导线，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面滑移，并在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前引起断路器动作，切断电弧。因此，裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘导线。 在不切断电源的情况下有两种较为简单的灭弧方法，一是使电弧拉长，二是使电弧冷却，通常是将两种方法结合起来使用。本研究项目根据试验研究结果，利用交流电弧电流周期性过零的特点截断电弧，提出一种用于配电网中架空绝缘线路过电压保护的实用装置。2 过电压保护措施 借助城市中的建筑物遮蔽作用，配电线路遭受直接雷击或绕击的概率很小，约占雷害事故的10%。配电线路上90%以上的雷电过电压闪络故障是源自于线路附近发生雷云对地放电，即感应过电压。为了防止雷电过电压引起线路断线或绝缘子损坏，通常采用加装保护间隙或避雷器等过电压保护措施 ，本项目综合分析国内外现有的技术措施的利弊，设计出由限流元件串联放电间隙组成的线路过电压保护器。2.1 保护间隙 保护间隙将电弧拉长，使电网电压不能维持电弧燃烧，是一种最简单的灭弧装置。但是，保护间隙存在两方面缺陷：一方面，在中性点不直接接地系统中，一相保护间隙动作时，被切断的电流为电容电流，其值较小，在电弧电流过零时，间隙介质恢复绝缘强度，间隙恢复电压低于介质恢复强度，电弧熄灭，故间隙能够自行灭弧；而两相或三相发生闪络，或中性点接地情况下，流过保护间隙的工频续流为短路电流，其值很大，间隙恢复电压大于介质恢复强度，电弧重燃，故间隙不能切断雷电流之后的工频短路电流。此时必须借助于自动重合闸配合来切断电弧，否则间隙电弧不能够自行熄灭而引起断路器动作，如图1所示。另一方面，间隙电压扰动将影响电能质量，特别是间隙放电时，引起很陡的截波，严重威胁如变压器类有绕组的电气设备，如图2所示。因此，保护间隙的方法逐步被淘汰。 (a) 电弧熄灭 (b) 电弧重燃（A为重燃点）1间隙介质恢复强度； 2间隙恢复电压 图1 电弧电流过零后间隙灭弧机理2.2 氧化锌避雷器 随着氧化锌阀片的技术性能提高，氧化锌避雷器优良的保护性能已被人们接受，近年来广泛地应用于电气设备过电压保护。 避雷器的残压决定了避雷器在过电压情况下的绝缘保护水平，氧化锌避雷器5kA雷电冲击电流时的残压不大于45kV，操作冲击电流时的残压不大于30kV，陡波冲击电流时的残压不大于52kV。相对来说，架空绝缘电缆以及配电系统中其它电气设备就更安全。 根据电力行业标准 DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中第4.2.9条、第5.3.4 a) 条规定，配电系统中采用无间隙氧化锌避雷器限制各类操作过电压、雷电过电压时，避雷器的持续运行电压和额定电压应不低于表1所列值。 表1. 无间隙氧化锌避雷器的持续运行电压和额定电压 系 统 接 地 方 式 持续运行电压 (kV) 额定电压 （kV） 不接地3kV-20kV 1.1 Um 1.38 Um35kV Um 1.25 Um 消 弧 线 圈 Um 1.25 Um 小 电 阻 0.8 Um Um 高 电 阻 1.1 Um 1.38 Um 氧化锌避雷器的持续运行电压为：43.2kV（35kV级）、12.7kV (10kV级) ；额定电压值为：54 kV (35kV级)、17 kV (10kV级)，符合标准 DT/T 620-1997规定。 上海市电力公司近几年在全市大量采用氧化锌避雷器，以抑制雷电过电压，并在架空绝缘配电线路设计技术规范中规定“每隔三档（约100至150米）装设保护间隙或氧化锌避雷器”。 上海、北京、广州、福州等大中城市市区和城郊基本上是以氧化锌避雷器为主要防止雷电过电压措施。重要区域采用硅橡胶复合横担和氧化锌避雷器作为防止雷电过电压措施。事实上，氧化锌避雷器保护范围较小，只能够保护附近的电气设备免受雷害，故我国架空绝缘线路雷击断线事故率依然快速增长。2.3 线路过电压保护器 结合保护间隙结构简单、低成本和氧化锌避雷器保护特性好的优点，本研究项目提出一种用于城市配电网中架空绝缘线路过电压保护的线路保护器，它是由非线性电阻限流元件（氧化锌阀片）串联放电间隙组成,安装在线路绝缘子上，如图3所示。其设计指导思想是基于：(1) 工频放电电压足够高，避免在不需保护的操作过电压下动作，延长使用寿命；(2) 冲击放电电压低，伏-秒特性平坦，具有良好的保护性能；(3) 成本低、易于安装和免维护。其主要技术特点是当雷电过电压或其它故障原因引发绝缘导线3击穿间隙4对地闪络形成金属性电弧放电短路时，特殊设计的不锈钢引流环2将kA级工频续流直接引向氧化锌电阻非线性限流元件1，并借助于氧化锌电阻的非线性特性将正弦波形的工频续流转变成为尖顶波。尖顶波电流在过零前有相当长的时间内电流幅值较小，同时，限流元件1的残压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭而达到迅速截断工频续流，达到有效防止架空绝缘导线因工频续流高温而熔断（雷击断线）的目的（如图6b所示）。 3a 3b图3 线路过电压保护器 雷电过电压闪络后引起的工频续流流过线路保护器时，非线性电阻限流元件（氧化锌阀片，下同）利用其电压高时阻值小，电压低时阻值大的特性，将正弦波形的工频续流转变成为尖顶波，如图4所示。尖顶波电流在过零前有相当长的时间电流幅值较小，同时，限流元件的残压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭。此时，串联间隙起隔离作用，保护限流元件耐受较高的过电压而不损坏。 流过线路保护器的电流可由经验公式 I= (2U50 Ur) / Z计算, 式中：U50 -线路绝缘子的50%冲击放电电压；Ur-额定雷电流下的限流元件的残压；Z-线路波阻抗。运行经验表明，95%以上的感应雷的放电电流小于1000安培，I 5 kA 的概率非常小，故限流元件标称放电电流值选取为5 kA能够满足保护需要。 非线性电阻限流元件的伏安特性可由公式 I = k U 描述，式中：I- 限流元件中电流；k-与阀片的面积、高度有关的常数；U-限流元件两端的电压；非线性系数。取氧化锌阀片的荷电率=80% , 直流1mA 电压U1mA= 2800V ,压比K= 1.6, 若限流元件由N=6片阀片组成，则限流元件标称冲击电流下的残压可由公式 U5kA=K N U1mA计算得到 U5kA=27 kV, 限流元件最大允许长期工作电压可由公式Ubz=N U1mA计算得到Ubz=13.44kV。根据上述理论计算结果，再附加40-125mm串联间隙的隔离效果可知：由非线性电阻限流元件串联放电间隙组成的线路保护器的性能参数满足架空绝缘电缆过电压保护要求。3 线路过电压保护器的设计原则和技术参数选取 架空绝缘线路过电压保护器安装示意图如图5所示。 府视侧视安装产品排列图图5 线路过电压保护器安装示意图 3.1限流元件的额定电压 限流元件用于截断工频续流，因而必须认真考虑在工频过电压下流过限流元件的电流。对于10kV系统，工频过电压一般不超过1.13p.u.。我们把10kV系统用的保护器额定电压定为12.7kV，限流元件直流1mA参考电压应大于18kV。这样在13.2kV工频过电压作用下，如果忽略串联间隙对于工频续流的影响，理论上流过避雷器的工频续流为0.1A，计算结果表明限流元件完全能够很好地切断工频续流。3.2 限流元件通流能力估算按照DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合推荐，我国一般地区雷电流幅值超过I的概率为P=10（-I/88）。雷电流可能达到的幅值与地域、时间跨度相关。从产品的雷击损坏事故来看，地域范围并不重要，可以忽略不计；至于时间跨度，应该考虑产品预期寿命周期，20年是一个大家可以接受的时间。按DL/T 620-1997的推荐，对于雷暴日Td=40的地区，每100km、每年的雷击次数NL=0.284h(h为架空线的平均高度，m，10kV线路h=10m)，则雷电流幅值超过I的雷击次数N1=1.12h10（-I/88），时间跨度20年、每100km的雷击次数为N2=22410（-I/88），以基杆间距为50m计算，则每基杆、20年的时间跨度，雷电过电压超过U的次数为N=0.11210（-I/88）。由此可以计算，10000基杆、20年的时间内，雷电流超过200kA的次数为6次，考虑到配电线路一般位于市区，周围有高大的建筑物和树木的屏蔽作用，可能的雷击次数一定大大小于6次，但从严考虑仍以6次计。虽然感应雷电流幅值为200kA，但流过保护器的雷电流极少，按规程选择接地电阻30，使用EMTP暂态计算程序，模拟计算结果为流过保护器的雷电流幅值不超过16kA。我们选用D3阀片，它能承受2次65kA的大电流冲击，若设计目标仅考虑200kA及以下的安全性，那么每基杆都安装保护器、20年内，保护器的雷击损坏率约为6/10000，其安全裕度是很大的。若每间隔一基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为1.2。而每间隔四基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为2.4。为保证保护器的安全运行，因而建议对人口密集地区或雷电易击区，每基杆安装一组保护器，这样20年内雷击损坏率为6/10000，而对于一般地区，则每隔4基杆安装一组保护器，则20年内雷击损坏率约为3。同样根据计算，10基杆之外雷电过电压通过保护器的电流已经非常小，其影响可以不计，因而保护器不能每间隔10基杆安装一组保护器，这样不但10基杆之外的雷电过电压不能消除，而且保护器的雷击损坏率为1.2%，雷击损坏率偏大。3.3 串联间隙 保护器的串联间隙距离关系到保护器的保护特性，要求满足：（1）在雷电过电压作用下通过与绝缘子的合理配合，串联间隙应可靠动作，保证绝缘子不闪络；（2）能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿；（3）即使在污秽、安装偏置的情况下不明显改变间隙的放电特性。 从满足雷电过电压作用下串联间隙应可靠动作的要求来看，串联间隙的距离越小越好，这样在雷电冲击下发生被保护绝缘子闪络而串联间隙不放电、保护失败的可能性越小。但是与(2)的要求相矛盾，因而间隙不是越小越好。若以绝缘子闪络率不超过5/100000为依据，按国标规定雷电冲击相对标准偏差0.03进行推算，要保证绝缘子闪络率要求，雷电过电压应小于0.88倍绝缘子50%雷电冲击闪络电压，同理要保证保护器不动作概率小于5/100000，那么保护器串联间隙50%雷电冲击闪络电压应小于0.88倍的雷电过电压。由此可知要保证保护器可靠动作而绝缘子不闪络，要求绝缘子50%雷电冲击闪络电压至少要比串联间隙50%雷电冲击闪络电压高出25.6%以上，即绝缘配合系数应为1.256，这一绝缘配合系数与前苏联的绝缘配合系数一致 。从能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿这一点来看，串联间隙应足够大，但这又与（1）相矛盾。以10kV为例，串联间隙应可靠耐受1.13p.u.，即13.2kV，它必须考虑各种不利的气候条件，如雨、雾、冰等，按照上面所述，绝缘配合系数必须大于1.256，再考虑海拔高度的影响，以海拔1km作为参考，应增加10%，即绝缘配合系数为1.38。至于污秽、安装偏置，在各种可能的情况下经多次试验得到如下结论：在一定的串联间隙，引流环与绝缘子间平均相距25mm下，污秽、安装偏置对放电特性没有太大的影响，可以不予考虑。3.4 操作过电压对保护器的影响 保护器在投入使用过程中，不可避免地要受到操作过电压的影响。对于10kV系统，最严重的情况是开断前系统已有单相接地故障，使用一般断路器操作时产生的过电压可能超过4.0 p.u.,即39kV。也就是说，在最大操作过电压39kV下，串联间隙不能被击穿，保护器不应动作。在考虑以上要求之后，对于PQ2绝缘子线路过电压保护器技术指标与保护性能如表2和表3所示。线路过电压保护器雷电放电试验实况如图6所示。表2 保护器限流元件的技术指标额定电压（kV）2mS方波电流（A）标称放电电流下残压（峰值，kV）直流参考电压（kV）12.71003618表3 保护器整体技术指标与保护性能串联间隙（mm）工频放电电压（r.m.s，kV）波前冲击放电电压（峰值，kV）1.2/50s冲击放电电压（峰值，kV）100550200110 图 6 线路过电压保护器雷电放电试验实况4 试验研究 参照氧化锌避雷器的试验标准和技术要求，分别对线路过电压保护器整体、限流元件进行相关试验，保护器整体的试验项目和试验结果列入表4中，限流元件的试验项目和试验结果列入表5中。表4 线路过电压保护器试验项目和试验结果试验项目试验结果1.2/50s 冲击电压试验105 kV ,10次不击穿1.2/50s冲击放电电压试验139 kV工频电压试验湿态 , 40 kV, 1 min ,不击穿工频电压试验干态 , 35 kV, 4 h, 不击穿工频放电电压试验湿态 , 65 kV 表5 限流元件试验项目和试验结果试验项目试验结果最大允许长期工作电压13 kV直流参考电压 16.5 kV标准放电电流 5 kA标称冲击电流下的残压27.2 kV 线路过电压保护器中采用了非线性氧化锌电阻限流元件，其整体的冲击放电电压试验（1.2/50s）的电压波形如图7所示，与图2保护间隙的放电电压波形相比较，线路过电压保护器的放电电压波形较平坦，对保护电气设备有利，保护特性大大优于保护间隙。借助于限流元件的非线性伏安特性和冲击电流下的残压特性，保护器能够在瞬间截断工频续流，有效地保护架空绝缘电缆和绝缘子不易烧断或损坏。同时，线路过电压保护器中的串联间隙的隔离作用，保证了该保护器（1）在较高的过电压下不易损坏，且在正常情况下无漏流，提高保护器耐老化性能；(2)即使保护器意外损坏，间隙的绝缘强度也能够保证架空绝缘电缆安全运行；（3）可以带电安装。 试验研究结果验证了理论计算结果正确性，同时，据文献报道，类似的保护器在日本、挪威和澳大利亚等国家应用较为广泛，已取得满意的实际运行效果。 图7 线路过电压保护器整体的冲击放电电压波形5 线路过电压保护器应用研究 自2001年起，上海、杭州、山西、武汉和厦门等十九个城市供电公司先后在雷电活动频繁区域应用该线路过电压保护器技术措施，以防止架空绝缘线路发生雷击断线事故，并取得了满意的成效，现场运行状况如图8所示。南昌供电局已于2002年7月开始选择雷电活动频繁的城区和郊县区域的架空绝缘线路进行防雷装置的应用研究。 （a）同杆双回路对比应用研究 （b）同杆多层线路屏蔽效应对比应用研究（c）城市多雷区域应用研究 （d）郊县多雷区域应用研究 （e）多雷区域耐张绝缘子应用研究 图 8 架空绝缘线路过电压保护器应用实例 另一方面，本项目研究成果和实际应用效果得到了国家有关部门的高度重视，国家电力公司发输电部输2001 7号文件城市电网架空绝缘导线应用研讨会纪要中特别指出：“.宜使用架空绝缘线路过电压保护器来防止架空绝缘电缆雷击断线事故.”；全国电力系统城市供电专业工作网网秘办字200004号文件架空绝缘导线运行研讨会议纪要中强调指出：“对雷电活动较多、雷击断线频繁的地区应因地制宜，采取加装带有间隙的氧化锌避雷器的措施。也可考虑试装线路过电压保护器。” 据估算，安装线路过电压保护器后，每年可以避免架空绝缘线路雷击断线所造成的人员伤亡或财产间接经济损失、大面积停电直接售电量损失达数百万元。因此，研发和推广应用该项目具有极大的社会效益和经济效益。 武汉