摘要：传统避雷器设计有很多缺陷，避雷器运行时间过长须停电拆装或更换，拆装全过程时间往往很长，为了增加工作效率、提高供电可靠率，我们课题组开展可带电更换防爆自动脱离方法（原理）的研究与论证；完成可带电更换防爆自动脱离避雷装置独立电压闪络通道的研究与设计；进行产气材料融入避雷器芯体原理结构的研究与设计；采用负温度系数的非线性电阻原理的避雷器阀片结构研究与设计。
关键词：防爆自动脱离型； 压力释放装置；可带电更换
一、项目背景
避雷器是一种并联在电气设备上的保护设备，用来限制过电压以保护与其并联的电气设备。其所起作用是线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙在击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，在过电压下间隙被击穿接地，放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。
就目前的电力系统中所使用的避雷器根据其外绝缘的类型来区分，主要分为瓷外套和复合外套两种。对于瓷外套绝缘的避雷器因爆炸引发的伤及设备和人身安全事故已不罕见。尽管该类避雷器在35kV电压等级及以上的产品中均设有压力释放装置且通过型式试验，但因产品在运行中由于所遇到的雷电波幅值及波形陡度等因素的随机性与试验条件不完全等价，所以压力释放装置也不是十分可靠。而10kV电压等级的瓷外套绝缘避雷器就根本没有压力释放装置，所以爆炸问题也就尤为突出。对于另一类复合外套绝缘的避雷器，国内在结构上五花八门，但大体上可归为两类：一种是用无纬带缠绕阀片（即金属氧化物非线性电阻片，以下简称阀片）和硅橡胶模压而成；一种是用高强度绝缘筒和硅橡胶压制成复合外套。而这两种结构的避雷器也不可避免会造成电力系统永久性接地故障问题。
然而通过我局前期项目调研工作的数据统计与分析，目前在我局所辖瑞安地区10kV线路上所使用的大多是硅橡胶复合外套氧化锌避雷器，该类避雷器虽在技术上已趋向于成熟，但由于其安装位置离地面比较高，肉眼很难判断是否出现故障。尤其是避雷器被击穿造成线路单相接地故障，在故障查找过程中需要线路停电，由我局运行检修人员逐个杆塔的进行登杆排查，往往需要很长的时间才能查出故障点，在查出故障点后又需开具事故抢修单，完成安全措施，执行停送电汇报等后才能处理故障，整个过程费时费力，用户停电时间长，导致我局线路供电可靠性不高。
此外根据国网公司安全运行规程规定，我局相关运检部门会对投入运行中的此种避雷器定期进行绝缘电阻测试、直流1mA下电压及75%该电压下漏电流的测量等，以确保其的运行性能稳定。但目前在进行上述试验时，除必需拆卸对应线路上的避雷器外，还需进行停电申请，这也同样存在耗时耗力的问题，无法保证对用户的正常供电。
鉴于上述运行现状，我局旨在通过本课题设计出一类新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器，其技术上采用避雷器阀片传热使焊料熔化，以达到自动脱离的目的，同时当其遭强雷击或其它原因引起阀片瞬间部分、全部损坏或引起阀片侧面闪络时，产生高温高压气休冲破底盖，接地线亦自动跌落，继而克服了现有避雷器的技术缺点，从而能彻底解决避雷器因不能脱离电力系统引起爆炸或发生电力系统永久性接地事故的问题，并在运行过程中做到免维护、免检修，适用于电力系统中中性点任何一种接地方式，以保证我局所辖瑞安地区配电网线路的安全运行。
二、设计思路和原则
避雷器是一种并联在电气设备上的保护设备，用来限制过电压以保护与其并联的电气设备。其所起作用是线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙在击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，在过电压下间隙被击穿接地，放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。
然而在我局项目前期所开展的调研工作过程中，不难发现在实际的10kV架空配电线路及配电变压器上安装的传统型氧化锌避雷器存在下述使用缺陷：
1）氧化锌避雷器的密封问题
氧化锌避雷器密封老化问题，主要是所采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速电阻片的劣化而引起爆炸。
2）电阻阀片抗老化性能差
当氧化锌避雷器运行在其产品寿命的后期，电阻阀片劣化造成泄漏电流上升，甚至造成与瓷套内部放电，当放电严重时避雷器内部气体压力和温度急剧增高，引起氧化锌避雷器本体爆炸；当内部放电不太严重时，则引起电力系统永久性单相接地故障。
3) 瓷套污染
由于工作在室外的氧化锌避雷器，瓷套受到环境粉尘的污染，特别是设置在冶金厂区内变电所，由于粉尘中金属粉尘的比例较大，故给瓷套造成严重的污染而引起污闪或因污秽在瓷套表面的不均匀，而使沿瓷套表面电流也不均匀分布，势必导致电阻阀片中电流IMOA的分布不均匀（或沿电阻阀片的电压分布不均匀），使流过电阻阀片的电流较正常时大1～2个数量级，造成附加温升，使吸收过电压能力大为降低，也加速了电阻片的劣化。
4) 高次谐波
随着冶金企业大吨位电弧炉、大型整流、变频设备的应用及轧钢生产的冲击负荷等影响，使电网上的高次谐波值严重超标。由于电阻阀片的非线性，当正弦电压作用时，还有一系列的奇次谐波，而在高次谐波作用时就更加速了电阻阀片的劣化速度。
5) 抗冲击能力差
氧化锌避雷器多在操作过电压或雷击条件下发生事故，其原因是因电阻阀片在制造工艺过程中，由于其各工艺质量控制点控制不严，而使电阻阀片的耐受方波冲击能力不强，在频繁吸收过电压能量过程中，加速了电阻阀片的劣化，失去了自身的技术性能。
由此导致传统避雷器挂网运行过程中经常出现故障率高、易污闪、易脱离、操作有风险等问题，这不但增加了运行维护人员的工作量，也使其失去了对10kV配电线路应有的保护功能，致使发生故障时只能将停电范围扩大，甚至在严重的情况下会越级到变电所10kV出线总断路器跳闸，造成全线路停电的重大事故。
鉴于上述传统避雷器挂网运行现状，我局着重从以下几个方面展开了新型防爆自动脱离避雷器应用及关键技术项目的研究工作：
新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器结构设计及工作原理的研究
我局通过该项目所设计研制的新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器，采用如下图（1）所示的结构：
图（1）结构设计图
其工作原理如下：
当新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器老化时，流过阀片的工频电流不断增大，致使阀片的发热大于散热，温度不断升高，并通过金属导热体传给焊料，此时焊料的温度不断升高，最后接近熔化状态，在储能弹簧作用下，接地螺栓自动跌落，从而使其退出电网运行，避免粉碎性爆炸和电力系统永久性接地事故的发生。
当新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器遭强雷击或其它原因引起阀片瞬间部分、全部损坏或引起阀片侧面闪络时，工频续流电流通过其（因合金焊料响应时间长来不及熔化，故其脱离功能失效）在阀片柱及绝缘筒之间将产生高温高压气体，将其底盖冲破，接地线自动跌落，从而完成了防爆自动脱离的任务，确保了配电网的安全运行。
基于我局相关项目研发人员对传统避雷器从在结构、工作原理等技术上进行创新改进，新型防爆自动脱离型金属氧化物避雷器在防污、防止无故障脱落、防止操作不安全等方面较传统避雷器有非常大的性能提高，从而使其切实成为10kV配电线路和配电变压器等电力设备的保护装置，大幅度减少发生故障时的停电范围与停电时间，相应的提高了我局对用户的供电可靠性。
（3）新型防爆自动脱离避雷器应用及关键技术项目关键技术的研究
我局相关技术人员在整个项目开展过程中，所涉及的关键技术如下：
1） 因避雷器的外套电压分布受使用条件、环境的影响非常大，故我局项目团队成员在设计研制其外部结构时除考虑其直接放电距离和爬电距离外，还考虑到其外部电压分布均匀的问题，从而形成独特GE材料的硅橡胶一次成型的伞群状结构。
2） 我局项目团队研发成员在设计研制可带电更换避雷器的内部结构时，充分考虑到其内部闪络问题，故专门在其芯体与外套之间设计留有一条足够大的空隙，作为其闪络通道，在增强其防爆自动脱离可靠性的同时使阀芯的电位分布更趋于合理。
3） 可带电更换避雷器外部爬电比距大于34mm/kV，闪络电压大于200kV，同时我局项目团队研发成员在设计其芯体时，将其闪络电压值设定在60～75kV之间，故在任何强雷击（大于65kV）作用下都不会发生外部闪络，即两端的电位差均小于75kV。
4） 避雷器在遭遇强雷电袭击时，其内芯体将发生损坏、闪络。我局项目团队研发成员利用这一特性，将产气材料融入可带电更换避雷器的芯体当中，继而在上述情况下会产生高温高压气体，而压力释放处在高温高压气体作用下将被冲破，随之地线脱落（也有可能因压强上升快，其下端外套破裂，底盖和地线在高压强作用下而脱落），由此可带电更换避雷器自动脱离电力系统运行，保证了其后变压器及其它相关重要电力设备的安全运行。
5） 避雷器在经过长期运行后，芯体会老化，漏电流将不断增大，当增大到毫安级时会引起芯体发热。我局项目团队研发成员利用这一特性，设计可带电更换避雷器的芯体采用负温度系数的非线性电阻，即当温度升高时，其电阻值迅速下降，这就导致芯体漏电流迅速增大，其温度也将大幅度升高，继而将热传递给事先设计好的老化脱落机构，使其特殊焊料温度迅速升至熔点，接地螺栓将在储能弹簧的作用下而脱离避雷器（此种现象称避雷器老化脱离），致使可带电更换避雷器自动脱离电力系统运行，避免出现永久性接地故障的问题。
6） 阀片作为避雷器的核心元件，直接影响避雷器的电气性能。故我局项目团队研究成员在消化吸收原有阀片生产技术工艺的基础上，分别从以下方面对阀片的结构与技术性能进行了改进创新：
6.1 压比：按照国标“GB11032-2000”中规定的电气性能参数10kV交流系统避雷器用
33阀片压比为1.9～2之间即可满足其要求。而新型避雷器采用的
33阀片压比均达到1.8以下的同时仍能够大大提高直流1mA残压，从而使阀片在电网的持续运行电压下，其可靠性、老化性都有所提高。
6.2 大电流冲击通流容量：对10kV电压等级的避雷器，国标“GB11032-2000”规定，大电流冲击通流容量要达到65kA。而新型避雷器采用的
33阀片在出厂试验中均以大电流冲击通流容量为80kA进行逐一试验，从而确保其都满足大电流冲击通流容量的要求。
6.3 2ms方波通流容量：国标“GB11032-2000”规定，对10kV电压等级的避雷器，配电型2ms方波通流容量为75A，电站型为150A。而新型避雷器采用的
33阀片在出厂试验中分别以2ms方波200A、250A进行试验筛选，大大超过国标要求，从而确保其都满足2ms方波通流容量的要求。
三、技术特点
由我局所开展的新型防爆自动脱离避雷器应用及关键技术研究项目着重对传统避雷器进行全面的技术创新，其要点如下：
（1）可带电更换避雷器和脱离器、压力释放装置构成一个整体。脱离器在电力系统中性点任何接地方式下，在长期运行老化或者遭受强雷击损坏时都能可靠动作，有效防止避雷器粉碎性爆炸和永久性接地故障发生。
（2）可带电更换避雷器整体安装在一个支架上，当其因故障可靠动作后，相应的接地线、底盖及螺栓也一起跌落，此时便可直接带电操作用绝缘棒完成更换工作。
（3）可带电更换避雷器采用性能优良的非线性阻片，使其具有残压低、通流容量大、响应时间快、陡坡特性平坦且在任何雷电流下两端电压差都低于75kV。
（4）可带电更换避雷器支架绝缘子和外套都采用合理的伞型结构，从而大幅度提高其外绝缘闪络电压（均达到150kV以上），避免其发生闪络现象。
（5）可带电更换避雷器绝缘子和外套都采用全新GE材料的硅橡胶一次压制成型，具有较高的耐电腐蚀性、耐老化性、憎水性及防污性。
四、研究内容
（1） 新型防暴自动脱离方法（原理）的研究与论证；
（2） 研究设计独立的电压闪络通道，以增强防爆自动脱离的可靠性，以及使阀芯的电位分布更趋于合理；
（3） 利用避雷器在遭遇强雷电袭击时，其内芯体将发生损坏、闪络的特性，研究设计产气材料融入其芯体的原理结构，以产生高温高压气体，而压力释放处在高温高压气体作用下将被冲破，随之地线脱落，由此完成自动脱离电力系统运行的任务，保证了其后变压器及其它相关重要电力设备的安全运行；
（4） 利用避雷器在经过长期运行后，芯体会老化，漏电流将不断增大，当增大到毫安级时会引起芯体发热的特性，研究设计负温度系数的非线性电阻原理结构，致使阀片迅速升温，继而引起其特殊焊料迅速升至熔点，接地螺栓将在储能弹簧作用下而迅速脱离，由此完成老化自动脱离电力系统运行的任务，避免出现永久性接地故障的问题。
五、 推广前景
由于传统的避雷器的技术缺陷，造成线路停电事故多发，在线路停电时，往往造成上万户居民停电，影响城市运行、影响正常的生产、生活秩序。更换为改进的新型防爆自动脱离氧化锌避雷器能够采用避雷器阀片传热使焊料熔化，以达到自动脱离的目的，同时当其遭强雷击或其它原因引起阀片瞬间部分、全部损坏或引起阀片侧面闪络时，产生高温高压气体冲破底盖，接地线亦自动跌落，继而克服了现有避雷器的技术缺点，从而能彻底解决避雷器因不能脱离电力系统引起爆炸或发生电力系统永久性接地事故的问题，并在运行过程中做到免维护、免检修，适用于电力系统中中性点任何一种接地方式，进而减少停电范围与停电时间，以保证我局所辖地区配电网线路的安全运行，提高我局对用户的供电可靠性，减少对用户的影响，社会效益是巨大的。
通过可带电更换防爆自动脱离避雷装置应用及关键技术研究项目的整体实施，杜绝造成大面积的停电或停电时间过长的现象，预计试运行线路地区的重要配电设备及相关线路起到了有效保护，并对故障区间进行了及时隔离，进而有效解决避雷器因不能脱离电力系统引起爆炸或发生电力系统永久性接地事故的问题，并在运行过程中做到免维护、免检修，以达到大幅度提高该地区线路供电的可靠性，减少对用户的影响。
论文作者:叶铁丰,郑明,陈伟,潘锡杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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