基于多腔避雷器和絕緣子避雷器的架空輸電線路防雷保護

李麗蘭，李珊珊，劉政波

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，鄭州 450000； 2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

基于多腔避雷器和絕緣子避雷器的架空輸電線路防雷保護

李麗蘭1，李珊珊1，劉政波2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，鄭州 450000； 2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

闡述了關(guān)于多腔避雷器以及具有絕緣子和避雷器兩者性能的新型避雷器的一系列研究進展和實際野外運行經(jīng)驗。得出結(jié)論：MCS系統(tǒng)主要用于保證雷電過電壓沖擊放電后的滅弧動作能夠順利完成；MCS系統(tǒng)為開發(fā)簡單高效的避雷器提供了可能；作者成功開發(fā)出了多腔絕緣子避雷器，該避雷器將MCS安裝在絕緣子圓盤周圍，且沒有對絕緣子性能造成任何折損。運用這些新型設(shè)備保護6～40.5 kV的架空線，可在不使用避雷線的情況下防御感應過電壓和直擊雷的侵襲。在過去6年的實際運行經(jīng)驗中，MCS展現(xiàn)了其高效性和可靠性。

絕緣子－避雷器；防雷保護；多腔避雷器；多腔滅弧系統(tǒng)；架空輸電線；電弧

0 引言

多間隙系統(tǒng)在結(jié)合非線性電阻來制作避雷器方面有比較成功的應用[1]，例如碳化硅避雷器（SiC），該避雷器廣泛應用于變電站一次電氣設(shè)備的保護；然而由于這類帶限流間隙的避雷器無法承受直擊雷的沖擊，因此不適用于架空輸電線路的防雷保護[2]。

筆者對多腔系統(tǒng)的避雷器（MCA）進行了研究，并且研制出適用于6～35 kV的新型避雷器試驗室樣機——絕緣子－避雷器（MCIA）。該避雷器結(jié)合了避雷器和絕緣子兩者的性能，其基礎(chǔ)構(gòu)架是懸式玻璃絕緣子，一般是將多腔系統(tǒng)裝配在玻璃、陶瓷或者復合絕緣子上。加入多腔系統(tǒng)之后，可在不折損絕緣子絕緣能力的情況下使絕緣子同時具備避雷器的性能。實際運行中，使用避雷器來保護架空輸電線路之后可以完全淘汰架空避雷線，因此輸電桿塔的高度、重量以及建造成本也將大大降低，并且具有較好的防雷性能，顯著降低雷擊事故，從而減少開關(guān)跳閘帶來的損失和維修成本。因此研究一種具有避雷器功能的絕緣子是非常有前瞻意義的。

1 多腔系統(tǒng)（MCS）

多腔避雷器和多腔絕緣子避雷器的基礎(chǔ)部分都是多腔系統(tǒng)，其原理見圖1。它包含有大量安裝在硅橡膠邊沿上的電極，在相鄰硅橡膠電極之間打有空腔作為微型氣體放電腔室，當雷電過電壓沖擊避雷器時，兩個電極之間的氣穴就會被擊穿，并且在兩電極之間體積很小的空腔內(nèi)部發(fā)生放電[3]，由此產(chǎn)生的巨大壓力將電弧放電通道由空腔內(nèi)部壓向絕緣體表面并且進入避雷器周圍的空氣中。在這種滅弧動作以及拉長放電通道的雙重作用下，電弧放電通道的電阻上升，從而限制了雷電沖擊產(chǎn)生的沖擊電流[4]。

圖1 多腔系統(tǒng)（MCS）Fig.1 Multi-chamber system （MCS）

2 樣品試驗，試驗設(shè)備和實驗步驟

對具有不同鋼電極結(jié)構(gòu)、不同極間距和不同空腔參數(shù)的多腔裝置進行了試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)多腔裝置使用球形電極（直徑10 mm）以及0.5 mm極間距時具有較好的性能見圖1。為了測試多腔裝置的續(xù)流滅弧效率，筆者搭建了一個由頻率為50 Hz的振蕩器以及雷電沖擊電壓發(fā)生器構(gòu)成的試驗平臺。其電路原理圖見圖2。

圖2 試驗設(shè)備電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of test facility

為了使試品動作，該試驗裝置通過一個電阻Rg向避雷器施加250 kV的輸出電壓Ug，交流電壓 由震蕩頻率接近50 Hz的容感振蕩電路（L0，C0）提供。電壓為Uch時，能量首先儲存在電容量為70 uF的電容C0中。在避雷器S0受到雷電過電壓沖擊并且動作時，加在避雷器上面的工頻電壓由振蕩電路L0，C0提供，試品（多腔系統(tǒng)）通過R和電抗器L與振蕩回路相連接。其中電抗器L的作用是當電弧在恢復電壓頻率下熄滅時將多腔系統(tǒng)與電容隔離開。電阻Rg的作用是模擬避雷器安置于架空線上時的回路電阻，比如桿塔塔基電阻。

筆者在Rg取得0和10 Ω兩種情況下進行了試驗，當Rg取值為0時，相當于雷電直擊架空線并且造成相對相短路，當Rg取值為10 Ω時，代表非直擊雷（例如：安裝在中壓系統(tǒng)架空線上不同電極和不同相上的避雷器所受感應雷過電壓和閃絡(luò)的情況）。

恢復電壓頻率由電感線圈Lf和電容Cf決定。MCS上的電流和電壓由電容分壓器C1和C2檢測得到，電流和電壓信號經(jīng)由一個分流電阻Rsh通過電纜傳輸至數(shù)字記憶示波器。

試驗步驟：首先對電容器組和沖擊電壓發(fā)生器充電，沖擊電壓發(fā)生器放電會導致多腔系統(tǒng)和輔助避雷器發(fā)生擊穿，此時，雷電沖擊和交流電壓同時作用于多腔系統(tǒng)，隨著雷電沖擊結(jié)束，避雷器上僅剩工頻電壓。其試驗參數(shù)設(shè)置如下：C0=700 μF；L0=14 mH；L=2.7 mH； R=0.10 Ω；Lf=0.2 mH；Cf=50 nF；Rsh=0.01 Ω；C1=1 000 pF；C2=1 000 nF （C2/C1）=1 000；Rg=0..200 Ω；C0=0.5..6.5 μF。

試驗過程中所記錄的電壓和電流波形圖見圖3。圖3中，t1為加以交流電壓和雷電沖擊的時刻；t2為雷電沖擊滅弧時刻；t3為電力續(xù)流滅弧時刻。

3 試驗結(jié)果分析

圖3 電力續(xù)流滅弧試驗：電壓、電流、電阻波形圖（安裝有100個電極MCS）Fig.3 Voltage，current and resistance oscillograms in power follow current quenching tests of MCS with 100 electrodes

試驗結(jié)果顯示：1）沖擊息?。ㄒ妶D3（a）和圖3（b））還是過零息?。ㄒ妶D3（c）、3（d）和 3（b））息弧動作以后的電壓并沒有馬上被截斷，而且還保留較大的殘余電壓；2）在過零滅弧過程中，殘余電壓是殘留在電弧通道Ur·arc中的電壓降。在沖擊滅弧過程中，殘余電壓是指殘留在火花放電通道Ur·sp中的電壓降；3）試驗發(fā)現(xiàn)殘余電壓Ur·sp隨著多腔系統(tǒng)中的空腔數(shù)量的上升呈線性增長并且實際中與電阻Rg的取值關(guān)系不大，即Ur·sp的值與不同等級的沖擊電流無關(guān)（電流等級從0.4～3 kA），同時與感應過電壓的特性也無關(guān)。

根據(jù)試驗結(jié)果能夠?qū)Σ煌燃夒妷簵l件下所使用的避雷器中需要安裝的多腔系統(tǒng)數(shù)量給以評估。在35 kV系統(tǒng)中（最大操作過電壓為42 kV）架空線安裝40個MCS足以滿足要求，其殘余電壓Ur·sp的值在 2.5～3 kV。

多腔系統(tǒng)進行了電動力學穩(wěn)定性測試，測試所使用的電流沖擊參數(shù)為4/10 μs和65/100 kA。試驗中多腔系統(tǒng)試驗機能夠承受住65 kA的過電流，這說明多腔系統(tǒng)能夠滿足直擊雷條件下的電動力沖擊耐受要求。

綜上所述，這類多腔系統(tǒng)的設(shè)計之初是用于防御感應過電壓并且在防御直擊雷方面也將會有積極的作用。一種專門設(shè)計用于防御直擊雷的避雷器設(shè)備見圖4（安裝位置見圖1）。其電極尺寸加大、空腔的形狀設(shè)計為溝槽型，該設(shè)計能夠消除相鄰滅弧腔之間的交叉噴弧現(xiàn)象并且由此提升了耐久性。

圖4 直擊雷避雷 器（DLS）上使用的多腔系統(tǒng)Fig.4 Multi－chamber system （MCS） system for DLS arresters

4 多腔系統(tǒng)配套設(shè)備

MCA－35（35 kV多腔系統(tǒng)避雷器）僅由避雷器構(gòu)成其參數(shù)見表1。

表1 避雷器和絕緣子避雷器技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical features of arresters and insulators arresters

4.1 多腔避雷器MCA-35

35 kV系統(tǒng)所用的MCA的基本組成 （見圖5）：多腔系統(tǒng)，一個玻璃支桿，以及一個用于保證避雷器與絕緣子維持完好裝配聯(lián)結(jié)狀態(tài)的栓帽，避雷器安裝在絕緣子栓帽與導體之間，放電空腔位于絕緣子終端電極與導體之間（間隙大小為 4～8 cm[5－7]，對應線路操作過電壓為4.6～12 kV以及6..8～24 kV）。雷電過電壓會首先擊穿空氣放電間隙，之后是避雷器的MCS，從而正如第2節(jié)中所述那樣能夠保證續(xù)流的消失。

圖5 用于6～35 kV等級架空線過電壓保護的MCA－35Fig.5 MCA－35 （SAi20z） for induced overvoltage protection of 6～35 kV overhead lines

MCA－20擁有40個放電空腔，能夠用于防御6至35 kV等級系統(tǒng)架空線路遭受感應過電壓的沖擊。如圖6所示，每一相架空線的架線絕緣子處安裝一個避雷器[8]。在這種情況下由感應雷過電壓造成的多項故障所帶來的交流續(xù)流，其通路將納入桿塔接地電阻電路一同分析。由于架線極接地電阻額外電阻的存在限制了續(xù)流的大小，從而提升了避雷器的滅弧效率[9－10]。

圖6 防御感應過電壓的避雷器安裝方法Fig.6 Arrester arrangement for protection against induced overvoltages

4.2 玻璃多腔絕緣子避雷器

運用MCIA使得保護任意電壓等級的架空線免遭雷擊事故成為可能：隨著電壓等級的上升，增加每一串中的MCS單元數(shù)，由此電壓等級越高，對應的絕緣子避雷器滅弧能力越強。如圖7所示，35 kV系統(tǒng)至少每串使用3個MCIA，110 kV系統(tǒng)至少使用7個，220 kV至少使用13個。

玻璃多腔絕緣子避雷器MCIA中，MCS安裝在懸式玻璃絕緣子玻璃圓盤周圍5/6圓周的范圍上（見圖8）MCS左端和右端空缺出來的放電空腔電極留作改裝Sig使用（見圖9）在導體與最下端MCIA以及接地構(gòu)件和最上端MCIA之間有金屬電極。

圖7 架空線上使用的MCIA串Fig.7 MCIA string on the overhead lines

圖8 35 kV架空線以及上述所有線路感應過電壓保護和直擊雷保護所使用的玻璃MCIA（SIg）Fig.8 Glass MCIA （SIg） for induced and DLS overvoltage protection of 35 kV and above overhead lines

圖9 MCIA（SIg）試驗Fig.9 MCIA （Slg） in tests

當MCIA承受過電壓時，氣隙首先被擊穿，之后是MCS。雷電過電流由一個MCIA流向另一個。圖9展示了MCIA和MCIA串在過零電進行滅弧試驗的照片。隨著過電壓加到導體上即加到靠近它的低一級饋入電極之上時[11－13]，低一級火花放電間隙發(fā)生擊穿、過電壓加到MCS上。隨后MCS動作，較高電極和MCS終端的放電間隙發(fā)聲閃絡(luò)，過電壓涌入第二個絕緣子[14－15]，之后以此類推。綜上所述，MCIA串動作之后，雷電過電流經(jīng)由桿塔流向大地。整個過程中在電弧過零熄滅時架空線路保持正常運行，既沒有發(fā)生斷路，也沒有發(fā)生重合閘動作。

5 結(jié)語

成功開發(fā)了多腔絕緣子避雷器，該避雷器將MCS安裝在絕緣子圓盤周圍，且沒有對絕緣子性能造成任何損害；MCS系統(tǒng)為開發(fā)簡單高效的避雷器（MCA）提供了可能；理論上來說，應用玻璃MCIA（SIg）能夠保證架空線路在遭遇感應雷和直擊雷過電壓時的可靠性；試驗證明在過去的6年中，MCS展現(xiàn)出了良好的性能。MCS新型保護設(shè)備（MCA和MCIA）在實際使用中展現(xiàn)出了其高效性和可靠性。

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Overhead Transmission Lines Lightning Protection by Multi-Chamber Arresters and Insulator-Arresters

LI Lilan1，LI Shanshan1，LIU Zhengbo2
（1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical College，Zhengzhou 450000， China； 2.Xuji Croup Corporation，Xuchang 461000， China）

This paper represents the results of research， development and field experience of multichamber arresters and insulators that combine characteristics of insulators and arresters.The main results are as follows:MCSs have been developed to ensure Arc extinguishing action completed successfully after a lightning overvoltage impulse；MCSs make it possible to develop simple， and efficient arresters（MCA）；Multi－chamber insulator－arrester have been developed， comprising production insulators and MCSs that are mounted over the perimeter of the insulating body without adversely affecting the insulating properties of insulators..Application of these devices allows to protect overhead transmission lines rated at 6 to 40，5 kV and above from induced overvoltage and direct lightning strokes without usage of shielding wire.Over past 6 years，MCS have shown its efficiency and reliability.

insulators－arresters；lightning protection；multi－chamber arresters；multi－chamber system；overhead transmission lines； arc

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.021

2016－10－19

李麗蘭 （1979—），女，碩士，講師，主要研究方向：鐵路信號，電力自動化。