新型带电拆装线路避雷器的研制

2023-10-30李衍川张延辉张振宇余定文

电瓷避雷器 2023年5期

李衍川,王健,雷挺,陈康,张延辉,罗翔,张振宇,何锋,余定文

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州 350007;2.中国电力科学研究院,北京 100192;3.山东迅实电气有限公司,山东淄博, 530023;4.国网福建省电力有限公司莆田供电公司,福建莆田, 351100;5.国网福建省电力有限公司,福州350003)

0 引言

间隙避雷器是防范线路雷电过电压的重要装置,对于减少配电线路跳闸、保护导线和绝缘子免受雷电过电压损坏具有重要作用[1]。调查某网省供电公司发现,目前大量使用的是一种穿刺电极外串联间隙避雷器,即电极穿透导线绝缘层接触线芯,将导线电位引出,避雷器本体高压端设置一个半球电极,穿刺电极与半球电极构成串联空气间隙[2-3]。但运行经验表明,穿刺电极会随着导线伸缩而移动,半球电极受到风力影响也会发生偏移,这些因素导致了穿刺电极串联间隙避雷器很容易失效[4]。文献[5]首先提出了新型“免维护”的固定间隙避雷器产品,文献[6]则将固定外串联间隙避雷器应用于10 kV配电线路,取得了不错的效果,因此固定间隙是未来配电线路避雷器应用方向。

随着配网供电可靠性的要求逐年提升,带电工作取代停电计划安排是未来的趋势[7],目前市场上应用的线路避雷器安装需要停电安装或利用带电陡臂车进行绝缘遮蔽后方可带电安装,但这种安装方式需要足够空间供陡臂车立脚支撑,在偏远山区或道路不便的线路将无法开展,另一方面供电公司带电陡臂车数量有限,只能在小范围且交通便利的地方开展,无法保证快速及时更换故障避雷器。文献[8]提出了利用绝缘操作杆带电安装绝缘穿刺线夹的作业方法,具有一定的借鉴意义,若避雷器能利用绝缘操作杆实现带电安装,将极大方便现场运维人员开展避雷器安装及更换工作。

10 kV线路避雷器自身运行雷击损坏故障多发,运行数据表明,每年因线路避雷器导致故障多达200余次。中国电科院沈海滨以冲击大电流幅值耐受超限作为避雷器本体雷击损坏的判据,计算获得了线路避雷器的故障临界雷电流[9],提出避雷器雷电耐受技术参数优化模型,并建议采用整只避雷器作为试品开展4/10 μs大电流冲击试验,从而更准确反映避雷器的现场运行情况[10]。

线路避雷器雷击损坏后,由于存在间隙,通常不影响线路运行,因此故障损坏后很难被运行人员快速查找[11]。传统用脱离器的指示方式存在诸多问题,热熔式脱离器启动电流大、启动时间长,可靠性差,热爆式虽然提升了上述参数指标[12],但装置成本较高,其价格甚至超过线路避雷器的价格,因此用脱离器作为故障指示方式尚未被广泛接受;安装在线监测装置进行故障判别虽然准确率高,但整个装置的经济成本较高[13],同样不适合配网线路。

针对配网线路的走廊特点和运行环境,研制了能够带电拆装的线路避雷器,设计避雷器固定空气间隙的结构型式[14],研究利用绝缘操作杆实现线路避雷器带电安装的工作方法,分析选择避雷器的关键参数,通过雷电冲击试验、残压试验、整只4/10 μs大电流冲击试验、振动试验等对样品进行性能检验,最终将定型产品挂网运行。

1 结构设计

1.1 外形结构

本研究结合带支撑件固定间隙、穿刺电极外串联空气间隙两种结构的优点,设计的间隙结构见图1。避雷器本体下端的半球型金属电极与横担的直角折弯形成一个固定的纯空气间隙,见图1(a),不存在因运行环境影响而发生间隙跑偏的隐患。在雷电过电压作用下,空气间隙被击穿,避雷器在高电压下呈现低阻抗,将雷电流泄放入地;雷电冲击过后,空气间隙绝缘强度得到恢复,线路继续正常运行;当避雷器损坏后,避雷器本体与线路之间无有电气连接,因此不会发生线路失地现象。

图1 弹簧自锁结构示意图Fig.1 The structure of self-locking spring

本研究设计的带电操作方法,遵循操作简单、连接可靠、零部件少的原则,在避雷器本体上端设有弹簧,并通过特殊结构的定位罩与绝缘支柱连接,定位罩是注塑成型的帽型结构,侧边有4个或6个开口,见图1(b)。避雷器本体顶端有用于与帽型开口配合的双耳卡柱,安装时利用操作杆顶起避雷器进入定位罩,双耳卡柱与定位罩的侧面开口会形成自锁与脱离,因此只需要一个简单的旋入旋出操作即可完成避雷器更换。

脱离式带电安装线夹整体结构见图2,包含线夹连接器和线夹本体两个部分,其中图2(a)为安装示意图,图2(b)为引流线夹及其连接器的结构。引流线夹内有弹簧夹卡到夹板的固定槽,挂接避雷器引线时,操作杆套入连接螺栓,将夹板套入架空导线后,向下拉线夹连接器,从而使线夹的弹簧脱离固定槽而夹紧导线。弹簧受到引线牵引力作用,能够防止弹簧失去夹紧力而移动,增加了线夹的稳定性,且结构简单,易于现场操作。

图2 带电安装线夹结构示意图Fig.2 The structure of wire clip applied in live work

1.2 带电安装工具设计

经反复研究,安装工具由绝缘操作杆搭配两个接头组成,图3(a)为螺栓锁紧接头,图3(b)为避雷器拆装套筒接头。锁紧工具用于将避雷器、支柱绝缘子、引流线夹等成套装置紧固在横担上,该工具顶端有一个棘轮套筒,并配有一个转向拨片,拨片用于带动支撑绝缘子下端的旋转固定板卡位于横担下方,棘轮套筒用于锁紧锁紧螺栓,实现成套装置紧固在横担上。安装或拆卸避雷器本体时,操作人员将套筒顶入避雷器本体的球形电极,从而带动避雷器本体装入或脱离弹簧定位罩。

图3 绝缘操作杆的接头实物图Fig.3 Physical picture of the joint of insulated operating rod

1.3 绝缘结构设计

避雷器传统生产工艺为环氧树脂或不饱和固化电阻片形成芯体、外侧模压硅橡胶伞群,但这种结构容易降低电阻片侧面釉层绝缘性能[16],使整只避雷器的耐受冲击性能低于单个电阻片,因此避雷器本体故障较多,本研究将电阻片压装在绝缘外套内部,再填充硅橡胶进行密封,外套内层是环氧绝缘筒,外壁设置若干凹槽,能够加速能量释放,减少外套破损面积[17-18]。

2 主要参数

线路避雷器可不考虑持续运行电压,因此在选取额定电压时主要考虑间隙放电后最大工频过电压下能够熄弧[19]。根据运行经验,一般最大工频过电压峰值小于拐点电压(直流1 mA参考电压),参考DL/T 815-2012的推荐值,额定电压选取13 kV,残压不高于40 kV。

目前电力系统配网线路避雷器的标称放电电流等级主要为5 kA,根据GB 11032-2020,对应In为5 kA的避雷器大电流耐受试验要求为65 kA,该试验能够保证避雷器遭受直击雷的安全可靠性[20]。

选择的避雷器主要参数见表1,考虑配电网遭受的雷击故障以感应雷为主[21],在避雷器质量可靠的情况下,8/20 μs标称放电电流选择为5 kA即可[22],同时设计此标称放电电流下的避雷器残压远低于支撑绝缘子的放电电压和线路绝缘子的放电电压,以保证足够的绝缘配合裕度。

表1 避雷器本体的主要参数Table 1 Main parameters of metal oxide arrester part

冲击试验放电统计结果表明,雷电冲击放电电压与被保护绝缘子应合理配合,并始终先于绝缘子击穿放电,即满足以下关系:

U50避雷器(1+3σ)

(1)

式中,U50避雷器为间隙避雷器的50%击穿放电电压;U50绝缘子为被保护绝缘子的50%击穿放电电压;σ为雷电放电电压的标准偏差。

根据绝缘配合的正态分布经验法则[23],串联间隙最大值可按照避雷器与绝缘子的50%雷电冲击放电电压比值为0.8～0.85范围内选取,GB 16927.1-2011推荐σ取0.03,因此选择的避雷器串联间隙距离和对应的50%雷电冲击放电电压值见表2。

表2 50%雷电冲击放电电压试验情况Table 2 50% lighting impulse discharge voltage test results

3 试验验证

3.1 雷电冲击伏秒特性

为验证避雷器结构设计和间隙参数设置的合理性,开展雷电全波冲击伏秒特性试验[24-25],通过冲击电压发生器和分压器给避雷器样品提供冲击电压,并利用示波器记录电压和时间。

试验结果表明,在表2选择的间隙距离下,所有雷电冲击放电路径均发生在半球型固定间隙上,伏秒特性曲线的每个放电点,避雷器的放电电压都比被保护绝缘子(以型号为PS-20T的瓷绝缘子为试验样品)的放电电压低约20%,见图4,因此可认为设计的固定间隙避雷器结构合理,间隙距离满足保护要求,能够确保准确动作。在该间隙距离下,避雷器的雷电冲击放电路径见图5。

图4 雷电冲击放电的伏秒特性Fig.4 Volt-second characteristics of lightning impulse discharge

图5 避雷器的放电路径Fig.5 The discharge path of the arrester

3.2 大电流冲击试验

4/10 μs大电流冲击试验是用于检验避雷器在遭受雷击的可靠性,是确保避雷器安全可靠运行的重要考核指标。

抽取2只避雷器开展整只大电流试验(样品的标称电流为5 kA),试验要求为65 kA耐受2次,试验原理是变压器先向电容器组充电,通过触发脉冲到球隙中,使球隙放电,放电后电容器组经过LR串联电路向试品放电,形成4/10 μs冲击电流波形。试验结果,试品的冲击电流峰值均超过65 kA,视在半峰时间超过10 μs,符合试验要求,试验波形见图6。

图6 新型避雷器大电流冲击试验电流波形Fig.6 The waveform of high current impulse withstand test

试验后分别检测直流1 mA参考电压和0.75倍直流参考电压下泄漏电流[27],见表3。

表3 冲击大电流试验后U1 mA电压及泄漏电流测试结果Table 3 The test result of U1 mA voltage and leakage current before and after high current impulse withstand test

样品在大电流冲击耐受试验后,未发现击穿和破损现象,试验后的直流1 mA参考电压降低约8%,但仍高于标准要求的U1 mA>18 kV,而0.75倍直流参考电压下泄漏电流增大约6 μA,但也远低于标准要求的50 μA。

3.3 振动校验

为检验成套的带电拆装避雷器在长时间风振、外力荷载作用下的稳定性[28],对避雷器开展振动试验,主要模拟导线风偏舞动情况下避雷器是否会发生脱落,试验条件为频率3 Hz～5 Hz,振幅20 mm,避雷器支柱绝缘子轴向和径向受力,振动次数为200 000次。试验前避雷器与横担连接的3个螺母紧固力矩为37 N·m(从左至右编号为L1、L2、L3),引线线夹上的螺母(编号为L4)力矩设定为35 N·m。

试验后避雷器本体、支柱绝缘子、引线等各部件均未出现破损断裂、松动等情况,复测螺母力矩结果见表4,与试验前相比螺母扭矩减少约5%～8%,即可认为所研制的避雷器能够抵御环境振动干扰[29],不会发生绝缘子移位和引线断线等情况。

表4 紧固件振动试验结果Table 4 Vibration test of fasteners

4 现场应用

研制的避雷器于2021年9月在国网福建电力的10 kV东岱线、10 kV埭峤线进行带电安装,累计安装90只,安装杆段均为直线杆,本次安装全程依靠带电作业操作杆进行,5 min即可完成一只避雷器安装。本次研制的避雷器主要保护线路绝缘子不发生闪络,雷击时将绝缘子两端的电压限制在残压范围内,因此未对避雷器单独做接地处理。若避雷器本体多次动作后损坏,支撑绝缘子、线夹及引线无异常的情况下,可利用绝缘杆直接将避雷器本体旋出并更换新的。截至目前,避雷器安装稳定,安装线路未发生雷击跳闸故障。