摘要：介紹了配電網(wǎng)避雷器的結(jié)構(gòu)、分類、基本特性以及其安裝使用的一般原則和注意事項;確定了選擇配電網(wǎng)避雷器的一般程序和性能要求;提出配電網(wǎng)避雷器的使用要求及運行管理要求。對配電網(wǎng)避雷器的選型、安裝及運行使用具有重要的參考意義。
避雷器是電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置，又稱過電壓限制器。
在配電系統(tǒng)中，設(shè)備的主要風(fēng)險來自感應(yīng)雷和對所連架空線的直擊雷。未與架空線連接的電纜系統(tǒng)，因故障或開關(guān)操作引起的過電壓所占比例大，但也會產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓，引起閃絡(luò)并嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備，影響用戶的正常供電。通過避雷器和絕緣裝置的適當(dāng)配合可防止這類事件的發(fā)生。
1 配電網(wǎng)避雷器的結(jié)構(gòu)
1.1 配電網(wǎng)避雷器的分類和內(nèi)外結(jié)構(gòu)
配電網(wǎng)用避雷器結(jié)構(gòu)分瓷套式避雷器和復(fù)合外套式避雷器2種。瓷外套金屬氧化物避雷器的功能部分由不同的機械結(jié)構(gòu)以及疊加起來的金屬氧化物電阻片柱組成，具有非線性伏安特性。避雷器內(nèi)空間介質(zhì)通常是氮或干燥的空氣;瓷外套用以保護(hù)避雷器功能元件免受環(huán)境的影響，其機械強度、閃絡(luò)距離、爬電距離、污穢條件下的性能、防濕氣侵入的密封性必須滿足相關(guān)要求。
避雷器外套內(nèi)壁和功能元件之間的空隙可能或部分填滿了氣體(如干燥的空氣或氮氣)，或固體或半固態(tài)材料(如硅橡膠)。避雷器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定配電網(wǎng)用避雷器必須設(shè)置壓力釋放裝置，當(dāng)功能元件因能量過負(fù)荷被擊穿或閃絡(luò)后，避雷器外套可能會爆破。密封系統(tǒng)是避雷器(不僅指瓷外套避雷器)敏感的部件，瓷外套避雷器中濕氣浸入是影響金屬氧化鋅避雷器(metal oxide arrester，MOA)壽命的1個主要因素(MOV的電氣壽命也是1個因素，例如其電壓、電流特性的改變，但不是主要因素)E23。
1.2 配電網(wǎng)避雷器的結(jié)構(gòu)形式
1.2.1 管型設(shè)計
這種避雷器采用的外套包含一定的氣體體積(與瓷外套相似)，為非瓷性復(fù)合外套，外部有傘裙的由增強塑料玻璃纖維管制成，并直接模壓在玻璃纖維管上。避雷器內(nèi)部的周圍介質(zhì)一般為氮氣或者空氣。
目前常使用的外套是直接套在電阻片柱上，外套內(nèi)不包含預(yù)留的氣體。
1.2.2 纏繞型設(shè)計
避雷器的機械支撐部分使用玻璃纖維增強塑料(fiberglass—reinforced plastics，F(xiàn)RP)纏繞型結(jié)構(gòu)，它可以通過環(huán)氧樹脂浸透玻璃粗紗來實現(xiàn)，也可以用預(yù)浸漬網(wǎng)或帶纏繞在電阻片柱上，然后在烘箱中固化而成，所得到的管型纏繞電阻片柱可以被包裹(可以預(yù)留薄弱點以保證在避雷器過載時外套打開)，也可以有預(yù)留窗口。這種纏繞也可能是1個預(yù)制的FRP管，包裹在MoV柱上，二者之間的空隙可用彈性材料填充。
1.2.3 籠型設(shè)計籠型設(shè)計
的M0V柱由FRP網(wǎng)或FRP棒或FRP帶以的張力夾緊。MoV本身即為機械支持結(jié)構(gòu)，而玻璃鋼則形成1個開放的籠子，也有用帶子纏繞玻璃鋼籠子以增加機械強度，改善短路性能。外部傘裙必須直接模壓在模件上，通常使用的是硅橡膠。
上述3種形式結(jié)構(gòu)的避雷器的外部傘裙必須直接模壓在模件上，通常使用的是硅橡膠。
2 配電網(wǎng)避雷器的基本特性
避雷器具有保護(hù)特性和運行特性。
避雷器的保護(hù)特性反映其限制電力系統(tǒng)過電壓的能力，是輸變電設(shè)備絕緣配合的基礎(chǔ)。改善避雷器的保護(hù)特性可以提高被保護(hù)設(shè)備的運行安全可靠性，降低絕緣水平。
避雷器的保護(hù)特性由保護(hù)水平?jīng)Q定。避雷器的運行特性應(yīng)包括動作負(fù)載穩(wěn)定性和運行壽命特性(包括長持續(xù)時間運行電壓下的壽命及各種過電壓下的壽命)等。
3 配電網(wǎng)避雷器的選擇
配電系統(tǒng)很少有防雷屏蔽，因此配電網(wǎng)避雷器會遭受直接雷擊和較多的感應(yīng)雷。應(yīng)給予這種避雷器由雷電引起的瞬態(tài)過電壓的關(guān)注，相對而言，操作過電壓并不重要。配電設(shè)備包括避雷器，與電站設(shè)備相比是低廉的，但其用量巨大。對具有用途的避雷器進(jìn)行單獨的研究通常不經(jīng)濟、不可行。因此，配電網(wǎng)避雷器的選型通常要考慮到使其能用于系統(tǒng)中任何相似的地方而不是某一特定的位置;而且配電網(wǎng)多為中性點絕緣和諧振接地系統(tǒng)，其接地故障暫時過電壓持續(xù)時間比較長，所以配電網(wǎng)用避雷器的選擇有特別要注意的地方。
3.1 選擇配電網(wǎng)避雷器的一般程序
避雷器的保護(hù)特性和運行特性互相制約。提高避雷器額定電壓，則避雷器的持續(xù)運行電壓、工頻過電壓耐受能力以及能量吸收能力亦隨之提高，但過電壓下的保護(hù)裕度減小(即殘壓高)。因此，選擇適當(dāng)?shù)谋芾灼魇?個優(yōu)化的過程，必須考慮大量的系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)。
選擇配電網(wǎng)用避雷器的一般程序如下：
a)根據(jù)避雷器使用的當(dāng)?shù)貤l件，如海拔、氣溫、風(fēng)速、污穢、地震等環(huán)境因素進(jìn)行選擇(如屬于非正常使用條件，須經(jīng)供需雙方協(xié)商，擬訂出非正常使用條件下的避雷器);
b)根據(jù)系統(tǒng)電壓來確定避雷器的持續(xù)運行電壓;
c)根據(jù)暫時工頻過電壓來確定避雷器的額定電壓;
d)估算通過避雷器的預(yù)期雷電放電電流，選擇避雷器的標(biāo)稱放電電流等級及大電流沖擊值;
e)估算通過避雷器的預(yù)期操作沖擊電流和能量，選擇避雷器的方波沖擊電流放電等級;
f)根據(jù)預(yù)期故障電流來選擇避雷器的壓力釋放等級;
g)選擇滿足要求的避雷器，確定其雷電沖擊保護(hù)特性;
h)確定被保護(hù)設(shè)備的配和用雷電沖擊耐受電壓，應(yīng)考慮架空線路的雷電特性，確定典型的雷電過電壓侵入波;確定避雷器和被保護(hù)設(shè)備之間的距離;
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB311.2～6～1983《高電壓試驗技術(shù)》確定被保護(hù)設(shè)備的額定雷電沖擊絕緣水平;如果被保護(hù)設(shè)備的額定絕緣水平較低，則應(yīng)重新考慮避雷器的額定電壓、持續(xù)運行電壓、標(biāo)稱放電電流等級、方波沖擊電流放電等級及避雷器和被保護(hù)設(shè)備之間的距離。
3.2 按使用地區(qū)環(huán)境條件進(jìn)行選擇
按使用地區(qū)環(huán)境條件進(jìn)行選擇，考慮如溫度、日照、風(fēng)速、冰雪、相對濕度、污穢、海拔、地震、雨等環(huán)境條件。
4 配電網(wǎng)避雷器的應(yīng)用
4.1 配電網(wǎng)避雷器的安裝
對于金屬氧化物避雷器的裝配、安裝、維護(hù)、運輸、儲存和廢棄，制造廠家應(yīng)給出清晰的說明，并在提供的使用說明書(手冊)中明確規(guī)定。
避雷器用脫離器是當(dāng)避雷器故障時，使避雷器與系統(tǒng)斷開的裝置，用于防止系統(tǒng)持續(xù)故障，并給出可見標(biāo)識。脫離器脫離時切斷流經(jīng)避雷器的故障電流通常不是該裝置的功能。脫離器通常直接置于避雷器接地側(cè)，應(yīng)隔離避雷器和地電位，并且指出應(yīng)替換的故障避雷器。當(dāng)避雷器正常運行時，如通過雷電流時，脫離器不應(yīng)動作;只有當(dāng)避雷器過負(fù)荷時，脫離器應(yīng)自動將避雷器脫離，它們的接地引線應(yīng)是軟線，且必須保證避雷器下方有足夠的絕緣距離，使脫離的接地引線能自由地?fù)u擺。當(dāng)脫離器動作后，在避雷器下部接地端會出現(xiàn)施加的運行電壓時，不會引起放電。
脫離器可防止過負(fù)荷避雷器引起永久性短路而導(dǎo)致的系統(tǒng)跳閘，為用戶持續(xù)供電[43。對于很難到達(dá)的地方或過負(fù)荷避雷器不能很快替換時，這是優(yōu)點;缺點是當(dāng)避雷器被脫離后，因無保護(hù)，應(yīng)盡快替換事故避雷器，以免與系統(tǒng)脫離后失去控制。
絕緣托架與脫離器一并安裝，以便能在避雷器故障后重合配電變壓器，其他托架用于安裝。
如果高壓熔斷器與脫離器在1條回路上，這2個保護(hù)裝置的響應(yīng)特性應(yīng)彼此匹配。脫離器的響應(yīng)速度應(yīng)高于或至少應(yīng)與高壓熔斷器一樣。這是為了避免更換后的新熔絲由于短路存在而再次切斷短路電流。故障指示器的功能是用鮮明的顏色材料顯示避雷器已過負(fù)荷，需要替換，它們不能使避雷器與地電位脫離。故障指示器可以安裝在避雷器高壓端，也可以直接安裝在避雷器接地端。如果避雷器過負(fù)荷，短路則是永久性的，應(yīng)盡快檢測出損壞的避雷器并進(jìn)行替換。
|<12>>
4.2 連接引線
用戶選擇連接引線的截面積應(yīng)保證通過避雷器的短路電流(給定短路電流持續(xù)時間)而不會導(dǎo)致連接引線熔化或扯掉;連接引線應(yīng)保證有足夠的機械強度，這一點適用于高壓端連接引線，也適用于低壓端連接引線。
若考慮快速上升的雷電沖擊波，配電網(wǎng)避雷器相對于被保護(hù)設(shè)備之間的位置可能非常重要。當(dāng)保護(hù)設(shè)備通過快速上升的雷電過電壓，以及當(dāng)與避雷器串聯(lián)的連接引線、避雷器與被保護(hù)設(shè)備的并聯(lián)引線均因其固有電感而產(chǎn)生不小的電壓時，引線電壓附加在避雷器的快波前特性上，因此連接引線須盡可能短且直，因沖擊電流通過時，其本身的自感在每段導(dǎo)線上都會產(chǎn)生感性壓降。當(dāng)雷電流變化率di/dt很高時，必須考慮到感性壓降。金屬氧化物材料本身對陡電壓和電流沖擊的響應(yīng)幾乎是同時。就避雷器本身的尺寸和引線長度而言，總是存在著感性電壓，必須考慮陡波電流的沖擊。有關(guān)避雷器參數(shù)表中給出的規(guī)定殘壓值通常是僅指避雷器兩端的值。
附加感性電壓計算公式為U=Ldf/d 。設(shè)1m長直線的電感為L=1 H，雷電流波形的波頭和波尾分別為8 s、20 s，幅值為10 kA，則每米連線的附加感性電壓大約為1.2 kV;對于上升時間為1 s、幅值為10 kA的陡波沖擊電流，則每米連線的附加感性電壓大約為10 kV。這就意味著必須盡可能地消除引線和回環(huán)的電感效應(yīng)，更不用說避雷器和變壓器必須在同一點接地。
4.3 配電網(wǎng)避雷器的接地
配電系統(tǒng)中的避雷器應(yīng)緊靠被保護(hù)設(shè)備，如變壓器 ]。避雷器接地端和被保護(hù)設(shè)備接地端應(yīng)該用非常短且直的導(dǎo)線連接，接地電阻應(yīng)盡可能小，以限制接地端地電位升高，減小危險性，避免變壓器高壓側(cè)閃絡(luò)，好小于或等于10 Q。測量接地電阻主要采用直流電流或50 Hz交流電流。若采用高頻(或含高頻成分的沖擊電流)，其值可能很高，因此要采用的接地裝置來釋放沖擊電流。
需要仔細(xì)設(shè)計柱上變壓器的接地，采用接地棒和接地網(wǎng)來降低接地電阻。應(yīng)參考相應(yīng)的接地規(guī)程。在變電站，如果避雷器的基礎(chǔ)和被保護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)連在一起，則避雷器的接地引下線應(yīng)采用盡可能直，應(yīng)避免彎曲的導(dǎo)線與主接地網(wǎng)連接。
4.4 配電變壓器低壓
側(cè)過電壓通常認(rèn)為雷電擊中配電線時，雷電放電電流會通過變壓器原邊避雷器的接地引下線。當(dāng)用戶的接地與市政供水管線或深井連在一起時，它們提供的接地可能比變壓器處的接地較好，因為變壓器原、副邊的接地在電桿上是連在一起的，雷電流可以選擇好的路徑人地。如果發(fā)生這種情況，則無論是雷擊于變壓器原邊相線還是中性線，均可以輕易造成絕大部分雷電流流過用戶的供電中性線。
當(dāng)雷電流經(jīng)由較遠(yuǎn)的用戶供電電纜中性線接地點而非經(jīng)較近的變壓器下的接地引下線接地點時，變壓器低壓側(cè)會產(chǎn)生過電壓。如果與雷擊點遠(yuǎn)處的電纜一端接地比電纜近端接地好的話，則過電壓電流會流過電纜中性線，那么電纜兩端無論哪一邊遭遇雷擊都一樣。由于雷電流流經(jīng)電纜，沿電纜則會產(chǎn)生電阻和電感的電壓降，電纜電路回環(huán)中也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
當(dāng)回環(huán)短路時，回環(huán)內(nèi)會產(chǎn)生電流，電流回路上就會存在壓降，這就是低壓側(cè)過電壓的起源。如果負(fù)荷側(cè)開路，則在開路端子上很容易產(chǎn)生超過10 kV的過電壓;如果負(fù)荷側(cè)短接，可能由于存在某種類型電壓保護(hù)裝置的原因，回環(huán)內(nèi)部分電壓則疊加在變壓器的二次側(cè)。這可能會在變壓器的一次側(cè)感應(yīng)出具有破壞性電壓。因為過電壓無論發(fā)生電纜哪一端，都會反過來影響電纜的另一端，因此，如果要提供過電壓保護(hù)的話，則電路兩端均應(yīng)有保護(hù)，這一點很重要。
若配電系統(tǒng)的接地比負(fù)荷側(cè)接地好，當(dāng)變壓器二次側(cè)遭遇雷擊時，電流則會反過來經(jīng)供電電纜而引入配電系統(tǒng)。因此，變壓器低壓側(cè)過電壓問題并非僅限于架空配電系統(tǒng)，在地下配電系統(tǒng)中也很普遍，雷電無需擊中電氣結(jié)構(gòu)才可進(jìn)入供電電纜。負(fù)荷側(cè)對地雷擊時，雷電流都可能尋找到人地路徑進(jìn)入供電電纜。
4.5 配電線路避雷器配電線路因雷擊而引起的單相接地故障所占比例，配電網(wǎng)一般為中性點不接地系統(tǒng)，允許帶單相接地故障運行幾個小時，所以配電線路通常不需特意用避雷器加以保護(hù)。但如果因雷擊而引起的單相接地故障以及因此而引起的兩相短路過多、跳閘率過高時，可用避雷器加以保護(hù)。線路避雷器的安裝位置應(yīng)選在線路的易擊段、易擊點和易擊相。
無間隙避雷器適當(dāng)配合脫離器是必要的。當(dāng)避雷器過負(fù)荷時，脫離器將線路用避雷器與線路隔離，其電氣特性通常有別于一般的配電網(wǎng)避雷器的脫離器，因為，當(dāng)脫離器不脫離時，動作負(fù)載比較重，而且還必須保證在其脫離之后，絕不允許避雷器任何部件(在風(fēng)中搖擺)對地閃絡(luò)。一方面地線必須足夠長，以允許避雷器因風(fēng)力而擺動;另一方面，地線應(yīng)盡可能短，以減少電流環(huán)和快波前過電壓下的電感壓降。
有外串間隙避雷器可以采用故障指示器。當(dāng)避雷器過負(fù)荷時，故障指示器應(yīng)有顏色鮮明的指示 。
線路避雷器電氣過負(fù)荷的風(fēng)險率和隨后由于雷電的過度能量和電荷量引起的故障可能高于電站避雷器。原因是變電站有屏蔽，可以避免高幅值直擊雷。
4.6 避雷器故障模式
配電網(wǎng)避雷器功能失效或故障的原因主要有3個方面。
4.6.1 功能元件失效
功能元件失效主要是ZnO電阻片的失效[1 ，其表現(xiàn)有：在長期工作電壓下的老化、漏流增大、參考電壓降低以及過電壓特別是雷電過電壓下的閃絡(luò)或擊穿。雷電過電壓下的閃絡(luò)或擊穿是廣東地區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)避雷器故障記錄中的原因。
4.6.2 密封失效
密封件/墊片隨著時間的推移可能會變得脆弱，導(dǎo)致水分浸入，引起而內(nèi)部漏電起痕，介質(zhì)擊穿和內(nèi)部短路。密封失效是避雷器一直關(guān)注的問題。
4.6.3 避雷器安裝處污穢增大
空心筒式結(jié)構(gòu)避雷器(瓷套式和復(fù)合外套A型)對污穢比較敏感，避雷器故障可能因污穢增大而引起，新的污染源可能是1個新工廠、公路或鐵路線。
5 結(jié)論
配電網(wǎng)避雷器對配電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備起著重要的保護(hù)作用，但由于其種類多、質(zhì)量參差不齊、安裝方式多種多樣，造成其故障多，管理難度大。為此，分析與總結(jié)如下：
a)介紹了配電網(wǎng)避雷器的結(jié)構(gòu)、分類、基本特性以及配電網(wǎng)避雷器安裝使用的一般原則和注意事項;
b)確定了選擇配電網(wǎng)避雷器的一般程序和性能要求;
c)提出配電網(wǎng)避雷器的使用要求及運行管理要求。
參考文獻(xiàn)：
[1]張利庭.雷電對配電網(wǎng)安全運行的影響及防范研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.ZHANG Li-ting.Lightning on the Safe Pperation of DistributionNetwork and Prevention Research[D].Hangzhou：ZhejiangUniversity，2008.
[2]趙智大.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.ZHAO Zhi-da.High Voltage Technology[M].Beijing：ChinaElectric Power Press，1999.
[3]邱文濤，吳柏秋.提高輸電線路氧化鋅避雷器運行安全的方法[J].云南電力技術(shù)，2009，10(37)：70—73.QIU Wen-tao，WU Bo-qiu.Methods for Improving OperatingSafety of Zinc Oxide Arrester in Power Transmission Line[J].Yunan Electric Power，2009，10(37)：70—73.
[4]張噗，李凡.一種熱爆式脫離器的研究及目前脫離器存在問題分析[J].電瓷避雷器，2002(3)：43—45.ZHANG Pu，LI Fan.Development of a New Type ThermoexplosiveDisconnector Based on Appraisal of Prevailing Problemsof Current Disconnectors[J]. Insulators and Surge Ar—resters，2002(3)：43·45.
[5]周照宗，陳煥良.無間隙線路避雷器的特點及應(yīng)用[J].浙江電力，2003(1)：30—32.ZHOU Zhao-zong，CHEN Huan-liang：Application of NongapStructure Line Surge Arresters[J].Zhejiang Electric Pow·er，2003(1)：30—32.
[61周榮斌.線路型避雷器的應(yīng)用[J].廣東電力，2005，18(12)：34—38.ZHOU Rong·bin.Application of Line Arresters[J].Guang—dong Electric Power，2005，18(12)：34—38.
[7]彭向陽.廣東線路避雷器防雷效果及運行分析[J1.電瓷避雷器，2010，18(12)：21—29.PENG Xiang-yang.Analysis Oil Lightning Protection Effectsand Operationof Line Arresters in Guangdong Power Grid[J].Insulators and Surge Arresters，2010(2)：21-29.
[8]MCDANIEL J.Line Arrester Application Field Study[c]∥Transmission and Distribution Conference and Exposition.Atlanta，USA ：IEEE，2001：1025.1029.
[9]涂曉彬.氧化鋅避雷器現(xiàn)狀及存在問題分析[J].廣東電力，2006， 19(9)：55—57，86.TU Xiao-bin.Actualities and An alysis of Existing Problems ofMetal Oxide Arresters[J].Guangdong Electric Power，2006，19(9)：55.57，86.
[10]鄭立科，余冬青，林其雄.增城變電站500 kV增橫甲線避雷器故障分析[J].廣東電力，2008，21(7)：22—24.ZHENG Li-ke。YU Dong-qing，LIN Qi·xiong.Fault Analysison Arresters for 500 kV Zengheng Line A of ZengchengSubstation[J].Guangdong Electric Power，2008，21(7)：22.24.
[11]KUMAR U，MOGAVEERA V.Voltage Distribution Studieson ZnO Arresters[J].Generation，Transmission and Distri.bution，I啦Proceedings，2002，149(4)：457-462.
[12]CHISHOLM W A，CRESS S L，POLAK J.Lightning-causedDistribution Outages[C].Transmission and DistributionConference and Expo sition.Atlanta， USA： IElEE， 2001：】041.1046作者簡介：徐曉剛(
返回頂部