10 kV避雷器用脱离器关键技术参数研究

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(1.国网江西省电力公司电力科学研究院，南昌 330096；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072)

0 引言

架空配电线路分布范围广、绝缘水平较低、防雷措施薄弱，雷电活动危害较大，严重影响配电线路的安全稳定性。据统计，在整个电力系统过电压事故中，配电网过电压事故约占50%以上[1-2]。

氧化锌避雷器具有保护特性好、通流能力强、残压低、安装方便等优点，在电网中应用广泛。10 kV配网中一般选用复合外套氧化锌避雷器保护电网设备减少雷击时的高瞬态过电压危害，但在避雷器发生故障时不易从外表面分辨出，故障点不易发现，不能立即排除故障，影响线路供电。避雷器用脱离器为避雷器的配套设备，与避雷器串联使用。当避雷器无故障，脱离器能承受与避雷器相同的外部工作条件，不会误动作；当避雷器有故障时，脱离器会因工频故障电流动作，使避雷器从系统中退出运行，且脱离器动作后有易见的断开标识，可方便查找故障点，有效解决及时查找避雷器故障点，防止系统死接地的问题[3]。

目前，现有标准GB 11032—2010[4]与DL/T1294—2013[5]只是提出了避雷器用脱离器型式试验、例行试验一些基本要求，如一些机械、环境、外套绝缘耐受等试验要求，而对于脱离器的关键技术参数仅给出一个简单的定义，完全不能满足现行脱离器的发展。而国内大部分脱离器生产厂家正是根据这些技术参数要求试验与生产，并投入电网中运行，这将严重降低脱离器的判断避雷器故障的准确率，从而给国家造成庞大的损失。

为此，笔者主要开展以下工作，基于避雷器用脱离器的工作原理，着重研究了脱离器最大持续运行电流与起始动作电流两个关键参数。首次通过人工污秽试验，测量不同污秽等级下避雷器的泄漏电流，进而确定不同污秽等级下脱离器的最大持续运行电流。通过对中性点不接地系统单相接地短路故障时避雷器泄漏电流的测量和分析，确定脱离器的起始动作电流值，还通过脱离器安秒特性试验来进一步研究脱离器的动作特性，为今后避雷器用脱离器专用标准的确定提供依据。

1 避雷器用脱离器工作原理

1.1 工作原理

避雷器用脱离器简称脱离器，为避雷器的专用配套设备。在避雷器正常状态下，且气候老化寿命应等同于避雷器。在避雷器故障状态下，脱离器能将避雷器从系统中分离出来，防止电网持续性接地故障。脱离器动作后会出现清晰明显的标示供运行人员查找故障点，进一步对避雷器进行维修或更换[6-7]。

目前国内外通常采用的是热爆式脱离器，它有两种引爆热爆管方式，其原理见图1：方式一，是随着电阻温度急剧升高，通过热传导引爆热爆管；方式二，是由于电阻温度升高，电阻分压增大，使得间隙两端电压升高，当电压达到一定值时，间隙击穿，电弧引爆热爆管[8-9]。

图1 热爆式脱离器原理图Fig.1 Schematic diagram of the thermo-explosive disconnector

1.2 避雷器用脱离器关键参数

1.2.1 最大持续运行电流

在避雷器正常运行状态下，其泄漏电流一般很小，只有微安级别。但在特殊环境下(污秽及淋雨)，避雷器外套电流可达十几甚至数十毫安，此电流与避雷器芯体电流可全部经过脱离器的间隙并联元件入地。将此电流称为脱离器最大持续电流。在最大持续运行电流下，间隙并联元件应不受损，且脱离器不误动。

1.2.2 起始动作电流

避雷器故障时，流经脱离器的电流会使脱离器两端压降变大，超过其内部间隙的工频放电电压，造成内部间隙较长时间放电，导致热爆管爆炸使脱离器动作。该电流就是脱离器的起始动作电流。其值设定太小，避雷器没进入不可逆的破坏进程，易产生误动；设置太大，对间隙并联元件的要求太高，不易满足。国内多数脱离器生产厂家由于市场竞争激烈原因，偷工减料情况比较严重，低价竞争较为普遍，产品性能不能保证，运行中经常出现误动作现象发生，如脱离器动作时，流过它的电流仅为数毫安，造成避雷器并没有故障而脱离器却动作。长期运行后，给系统造成了大量隐患[10-12]。

2 试验装置和试品及试验方法

2.1 试验装置及试品

试验场所为江西省电科院污秽试验室，试验布置见图2。试验电源通过绝缘套管引入，雾由蒸汽发生器制造，并通过导管引入污秽试验室。当室内湿度达到100%后，放置避雷器试品。避雷器泄漏电流通过Hi-techniques synergy型录波仪记录。

图2 试验布置示意图Fig.2 Test layout diagram

图3 人工雾室Fig.3 Artificial fog chamber

2.2 试验方法

试验试品为YH5WS-17/50氧化锌避雷器,复合外套避雷器人工污秽试验由于还没有相关标准作为依据，因此本文参考绝缘子的人工污秽试验标准：IEC60507:1991[13]和GB/T 4585—2004[14]推荐的固体涂层法，具体方法见图4。

图4 Hi-techniques Synergy型录波仪Fig.4 Hi-techniquessynergy wave recorder

1)试品预处理：彻底清洗避雷器以洗净避雷器绝缘表面所有污秽物与油脂。判断避雷器绝缘表面彻底洗净且不含油脂的方法为观察避雷器绝缘表面，当看到大片且连续的湿表面即可认定满足要求。清洗后，将洗净的避雷器放于防尘容器内，等待干燥后使用。

2)涂污：根据对试品不同污秽等级的要求，调制A、B、C、D、E 5种不同盐密、灰密的污液。污液由NaCl、高岭土和蒸馏水组成，盐密分别取0.025、0.05、0.1、0.2、0.4 mg/cm2，且灰密与盐密比为1 ∶5，分为5个污秽等级A、B、C、D、E。每种污秽等级准备6支避雷器试品，共30支。涂污完后置于防尘容器内干燥。不同污秽等级避雷器如下图所示。不同污秽等级避雷器见图5。

图5 不同污秽等级避雷器实物示意图Fig.5 lightning arresters with different pollution levels

3)测量污秽度：待涂污干燥后，在每种污秽等级中随机选取一支避雷器试品，测其盐密是否达到预定的要求。采用DY-Ⅱ型直读式等值严密测量仪，见图6，其等值附盐密度为0.01～3.0 mg/cm2，分辨率为0.001位。

图6 DY-Ⅱ型直读式等值严密测量仪Fig.6 The DY-Ⅱdirect equivalent of strict measuring instrument

4)试品的加压：先用蒸汽发生器对污秽试验室进行加湿，记录场地温湿度，当湿度达到99%后，将污秽处理过的避雷器试品放入污秽实验室，通过加压系统分别对避雷器分别施加工频运行电压5.77 kV和单相接地短路时非故障相电压10 kV各30 min。

5)泄漏电流的测量。在加压同时用录波仪记录避雷器泄漏电流。

3 试验结果分析

3.1 避雷器污闪过程分析

在E级污秽等级下，泄漏电流波形见图7。选取泄漏电流幅值Im作为特征量进行污闪过程分析，从图中可观察出，避雷器泄漏电流经历4个过程，即污秽湿润、产生局部电弧，发生局部电弧部分产生干燥带，干燥带重新湿润再产生电弧，上述的4个过程可由避雷器泄漏电流幅值的变化反应出。加压初，由于避雷器刚放入雾室，避雷器污秽层还未完全湿润，导致避雷器表面等效电阻较大，泄漏电流幅值较小，基本维持在1 mA以下；随着避雷器污秽层受潮逐渐充分，其表面等效电阻逐渐减小，避雷器泄漏电流明显增大，电流幅值达到几毫安甚至几十毫安，且避雷器表面有火花放电现象；随着火花放电，放电区域逐渐干燥，放电停止，电流减小，再次被湿润后继续放电。

图7 采集到的泄漏电流波形Fig.7 leakage current waveform

3.2 运行电压5.77 kV下，泄漏电流分析

通过Matlab软件对采集到的避雷器泄漏电流I处理，取5个周期为一时间段，把整个数据分为n段，再分别对每段求有效值，然后在处理过的波形图中观察选取最大有效值。在5组重复试验中，去掉泄漏电流最大值与最小值，避雷器最大持续运行电流取其余3组数据的平均值。

5种污秽等级下分别选取一支避雷器泄漏电流有效值的典型波形，见图8—图12。

图8 A级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.8 Leakage current rms waveform under the condition of grade A

图9 B级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.9 Leakage current rms waveform under the condition of grade B

图10 C级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.10 Leakage current rms waveform under the condition of grade C

图11 D级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.11 Leakage current rms waveform under the condition of grade D

图12 E级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.12 Leakage current rms waveform under the condition of grade E

图8中泄漏电流较为平缓，有效值也较小，仅为0.17 mA。而随着污秽等级的提高，避雷器泄漏电流变大。污秽等级从A至E，其泄漏电流最大有效值分别到达0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。其全部流过脱离器的间隙并联元件入地，即在5种不同污秽等级下，脱离器最大持续运行电流分别为0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。污秽等级为A、B时，避雷器无局部放电现象，C级污秽等级下能听到电晕放电声音，而D级与E级污秽中能观察出剧烈的局部放电。

3.3 10 kV电压等级下，泄漏电流分析

根据我国电力系统运行状况，10 kV配网主要运行方式为中性点不接地运行。而在短路故障中，单相接地短路故障概率极大，占短路故障中60%以上。当系统发生单相接地故障时，非故障相相电压升高至线电压，且我国配电线路允许单相接地故障下继续允许1～2 h[15-16]。此时避雷器两端电压并未超过避雷器额定电压，避雷器不会损坏，但其泄漏电流可能会迅速增大，因此脱离器起始动作电流必须满足中性点不接地系统短路时避雷器的泄漏电流，在此电流作用下，脱离器不能误动作。

考虑系统单相不接地短路时时不同污秽等级下试验泄漏电流有效值典型波形见图13-图17。

图13 A级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.13 Leakage current rms waveform under the condition of grade A

图14 B级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.14 Leakage current rms waveform under the condition of grade B

图15 C级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.15 Leakage current rmswaveformunder the condition of grade C

图16 D级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.16 Leakage current rms waveform under the condition of grade D

图17 E级污秽等级下，泄漏电流有效值波形图Fig.17 Leakage current rmswaveformunder the condition of grade A

据图13所示，盐密ρSDD为0.025 mg/cm2时，其泄漏电流值变化较为平缓，且有效值较小，仅为0.16 mA。随着污秽等级的提高，避雷器泄漏电流也明显增加。盐密从0.025、0.05、0.1、0.2、0.4 mg/cm2时，泄漏电流最大有效值分别到达0.17、0.6、1.0、5.0、20 mA。

3.4 起始动作电流确定原则

工作电压及考虑单相接地短路时，避雷器泄漏电流有效值最大值见图18。低污秽等级下其泄漏电流都很小，仅为微安级，当污秽等级达到E级时，其泄漏电流可骤增上百倍。同时，当避雷器上电压升高后，泄漏电流也呈现明显的增大趋势。

图18 避雷器泄露电流有效值最大值Fig.18 Arrester leakage current rms maximum value

确定不同污秽等级下脱离器起始动作电流时，由于我国配电线路允许在单相接地故障时，系统持续运行1～2 h，因此本文选取避雷器正常运行工况与单相接地短路工况中最大值来作为参考依据。5种污秽等级，2种工况中泄漏电流有效值最大值为0.17、0.8、1.4、5.0、20 mA。脱离器起始动作电流应大于避雷器未损坏时可能出现的最大泄漏电流。即起始动作电流应大于20 mA，考虑一定裕度，可以设置其值为40 mA。

4 脱离器安秒特性研究

根据GB 11032—2010对脱离器进行安秒特性试验，选取40 mA、0.5 A、5 A、20 A 4个电流值，对每种电流值各试验5只新试品共计20只，测量所得安秒特性曲线见图19。当流经脱离器电流为40 mA时，脱离器约在203 s时动作。脱离器动作后的内部结构图见图20，主要由电阻片、弹簧及装有火药的子弹头组成。

图19 脱离器安秒特性曲线图Fig.19 Ampere-second property of disconnector

图20 脱离器的内部结构图Fig.20 Internal structure of disconnector

5 结论

开展了工作电压和考虑单相接地短路两种不同工况下，5种污秽等级避雷器泄漏电流测试试验，得到以下结论。

1)避雷器泄漏电流随着污秽等级的增大而增大。污秽等级从A至D时，其电流增加并不是很大，当污秽等级为E级时，其泄漏电流增幅明显。

2)在正常运行状态下，由于避雷器泄漏电流全部流入脱离器内部，因此对于A—E污秽等级下的脱离器最大持续运行电流为0.1、0.8、1.4、2.6、11 mA。

3)不接地单相短路工况下，A—E污秽等级下脱离器泄漏电流最大有效值分别为0.17、0.8、1.4、5.0、20 mA。脱离器起始动作电流为避雷器未损坏时可能出现的最大泄漏电流值，并考虑一定裕度，最终确定其值为40 mA，并对脱离器进行安秒试验，流经脱离器电流值为40 mA时，脱离器大约在203 s后动作。

4)污秽对避雷器泄漏电流影响很大，建议定期对避雷器进行除污处理。