摘要：试验研究10kV线路避雷器外间隙的放电特性，并分析不同结构对绝缘配合的影响。
关键词：外间隙（串联火花间隙）；线路避雷器动作时的行波；不同空气间隙的伏-秒特性；绝缘配合
一、10kV线路避雷器与其外间隙的功能简述,
线路避雷器的工作原理是当超强雷电击中输电线路时，避雷器的外间隙放电形成了雷电流经过其内部阀片对地的通道，限制了过电压在一定的水平之下，同时阀片吸收大部分雷电的能量，使携带剩余能量的雷电过电压行波的破坏力被削弱，不足以造成线路沿线绝缘子闪络。外间隙在线路运行时起着线路电位与地的隔离作用
这类外间隙是以空气为介质的火花间隙，不同的结构形式，对放电的稳定性和分散性对避雷器的保护特性有极大的影响。纵观现行国内外10kV线路避雷器的外间隙，有角形、圆环形和固定式（棒-棒）等几种典型构造。
（1）圆环形结构，固定在绝缘子顶端的导线和固定在避雷器主体顶部螺栓金属圆环分别是上、下两个电极，构成了空气介质的外间隙，圆环直径为200mm.它的特点是电弧在风力作用下易于沿圆环快速移动并被拉伸长度，从而很快自熄。
（2）间隙固定式结构。它的外间隙位于避雷器主体的底部，上电极与其内部阀片连接，下电极接地，构成的外间隙在出厂前固定并进行了工频放电电压的测试。避雷器主体顶部用导体与绝缘子顶端的导线连接，于是将避雷器接入了配电线路。
二、线路避雷器动作波形分析与外间隙放电特性的试验研究
雷电波经过线路避雷器动作释放一部分能量后，剩余部分继续以行波方式传输，它的电压波形可用两个物理量描述，即波形前方的尖峰等于线路避雷器外间隙放电时被限制的雷电压峰值，雷电流与阀片电阻乘积称之为残压的较平缓电压波。该行波的尖峰由外间隙特性决定，具有一定的随机性。残压则与击中线路的雷电流大小概率相关。安装在变电站内避雷器的条件不同，线路避雷器安装的线路没有架空地线的屏蔽，它到雷击点的距离很近，所以雷电行波极少衰减，线路避雷器动作时通过的雷电幅值比电站避雷器的大，其值大小与线路绝缘子的耐雷水平、杆塔接地电阻等因素有很大关系。我国标准GB/T32520-2016《交流1kV以上架空输电和配电线路用带外串联间隙金属氧化物避雷器》规定，对10kV系统的线路避雷器选用配电避雷器对应幅值5kA和10kA、波形8/20μs冲击电流的残压作为绝缘配合的基准。鉴于氧化锌电阻优异的非线性特性，如图2所示，在大电流5kA-10kA区段的电阻值（用残压表示）基本稳定不变，所以标准中规定5kA和10kA的残压均不大于40kV。鉴于支柱绝缘子50%冲击放电电压耐受强度为110kV,标准规定了线路避雷器外间隙50%放电电压不超过100kV,以此做为二者的绝缘配合，所以对绝缘子的保护效果取决于避雷器外间隙放电电压。
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图2氧化锌电阻和碳化硅电阻的伏-安特性曲线 图3试验室用雷电冲击电压施加线路避雷器动作时其两端的电压波形
为描述上述行波的特点，在试验室中可对一线路避雷器施加使用雷电冲击电压，将其外间隙击穿，即避雷器动作，这时记录下两端的电压波形，作为示例，图3是一台YH5CX-17/50型线路避雷器在施加负极性雷电冲击电压动作的示波图。对于波形后部分的曲线，它是冲击电压发生器放电电流流经避雷器阀片产生的残压，该残压对应的电流虽约为数十安，但从图2的曲线观察到，由于氧化锌电阻的残压在10A至103A区段里是由平坦的饱和状态到略有增高的形状，因此图3中数安对应的残压部分可以近似地模拟高达数千安雷电流产生的残压形态。
由示波图可见，放电尖峰远高于残压，它是决定与线路绝缘子绝缘配合的关键。而作为空气介质的火花间隙又有其固有的放电分散性，不同结构决定着该分散程度的大小，对于冲击系数大的间隙结构，虽然有同样的统计值50%放电电压但极有出现更高放电尖峰的可能性，一旦它高于100kV，便无法避免绝缘子的闪络。所以，研究不同电极结构的放电规律，对生产制造、用户选型和获得可靠的保护效果都有一些参考意义。
我们用的1.2/50μs负极性标准雷电冲击电压对几种不同间隙结构线路避雷器实测的记录，因为国内外的统计资料，负极性约占雷击总量85%的缘故。
试验时，对冲击电压发生器输出的波头时间略加调整，以观察串联间隙在预放电时间约1至2μs的放电特性，因为空气火花间隙固有的特性是其放电分散性在这一区段最大。测试结果如下：
（1）圆环形间隙结构线路：外间隙的工频放电电压40kVrms，雷电冲击放电电压/预放电时间（kV/μs）为60.6/0.8，64.1/1.2，64.1/1.0，73.4/1.4，73.4/1.2，64.1/0.8，74.7/1.1，64.1/1.0，59.8/0.8，64.1/0.9，65.8/1.0，65.8/1.4，68.3/1.2，61.5/1.1，64.1/1.1，64.1/1.2，64.1/1.2，64.1/1.3
（2）角形间隙结构线路：外间隙的工频放电电压36kVrms，雷电冲击放电电压/预放电时间（kV/μs）为60.6/0.8，60.6/0.7，58.9/1.0，64.1/1.0，60.6/1.1，64.1/1.1，64.1/1.1，64.1/1.1，64.4/1.0，64.1/0.8，59.8/1.1，64.1/1.3，59.8/1.4，59.8/1.4，59.8/1.1，59.8/1.1，59.8/1.3，59.8/1.1，63.6/1.3，60.6/1.1
（3）固定式间隙结构线路：外间隙的工频放电电压30kVrms，雷电冲击放电电压/预放电时间（kV/μs）为71.7/1.3，73.4/1.1，73.4/1.1，73.4/1.5，76.9/1.1，76.0/1.1，73.4/1.2，72.6/1.7，72.6/1.2，72.6/1.4，72.6/1.4，72.6/1.4，72.6/1.5，71.7/2.0，71.7/1.8，71.7/2.0，71.7/2.3，71.7/1.9
3讨论与分析
（1）从实测结果看来，国内常见的10kV线路避雷器所采用的几种外间隙都能可靠地满足与绝缘子绝缘配合的技术要求。鉴于试验所用的几种外间隙的工频放电电压不同，为对其放电分散性进行比较，应用了冲击系数β的概念，即β=冲击放电电压/工频放电电压峰值。结果是：
圆环形间隙βmax=1.324,βmin=1.060，Δβ=0.264
角形间隙βmax=1.268，βmin=1.160;,Δβ=0.108
固定式间隙βmax=1.817,βmin=1.695.Δβ=0.132
这表明圆环形间隙具有较大的分散性，这与它的环形体积大，易于受外界影响产生晃动有关系。
(2)为保持线路避雷器具有符合要求的保护特性与稳定性，安装时必须严格按照说明书上的间隙距离进行调整，在安装完成后必须锁紧紧固件，对圆环状电极尤应加以注意。防止外间隙尺寸的变化，冲击电压超过绝缘配合的数值，在雷电袭击时，发生线路绝缘闪络，开关跳闸停电事故。
参考文献
[1]熊泰昌，电力避雷器，第一版，中国水利电力出版社，2013年6月.
[2]解广润，电力系统过电压，第一版，水利电力出版社，1985年6月.
论文作者:董建洪
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
标签：避雷器论文; 外间论文; 线路论文; 电压论文; 雷电论文; 间隙论文; 绝缘子论文; 《电力设备》2019年第20期论文;