可控放电线路型过电压保护器试验研究

Test Research on Discharge controllable Over Voltage Protector for Overhead Line

沈国平^[1] 张锦秀^[1] 袁检^[1] 罗彦^[2]

[1] 上海市电力公司 （上海，200020）

[2] 武汉雷泰电力新技术有限公司 （武汉，430070）

摘  要：基于气体放电流注理论以及非线性伏-安特性有效抑制过电压机理，将可控放电的主动防雷技术和非线性抑制过电压技术相结合，创新研发一种全新概念的可控放电线路型过电压保护器。该保护器由2个非线性限流元件、1个引流环和1个可控放电针组成。当线路上产生较高过电压，导线可能对绝缘子放电时，保护器的引流环首先将放电电流引向非线性限流元件 并迅速截断电弧通道。作为主动防雷措施，当雷云先导逼近线路并形成很高的电场时，可控放电针尖将产生大量电荷迎向雷云先导，阻止雷电绕击导线。因此，该保护器可有效地防止架空线路因雷电过电压、感应过电压和操作过电压而发生断线和跳闸等突发性运行故障，保障线路安全可靠运行。并采取雷电冲击电压、雷电冲击伏秒特性等试验研究方法，确定保护器的串联间隙长度，优化保护器绝缘配合和性能参数设计。研究结果表明：可控放电线路型过电压保护器一方面能够有效防止雷电对线路发生绕击雷害，且克服了避雷针等保护措施存在的招雷、引雷的缺陷，主动保护作用更有效、更安全、更可靠；当架空输配电线路由于雷击、操作等任何原因产生暂态过电压，甚至发生绝缘子闪络，该保护器借助于闭合引流环和非线性可控放电限流元件，始终保护架空输配电线路避免发生断线、跳闸等运行故障。

ABSTRACT The creation of combining discharge controllable technique of forward lightning protection with nonlinear technique of restrain over voltage together is taken to design and develop a new model discharge controllable over voltage protector for overhead line based on disemboguement theory of air-discharge and nonlinear V-A character of current limit unit in this paper. The new model protector is made up of two nonlinear current limit units, a current guiding ring and a controllable discharge needle . Once surge over-voltage formed on the overhead insulated lines due to any reason and air-discharge taking place along the surface of line insulators, the current guiding ring of this protector conducts the surge current into ground through the nonlinear current limit units firstly and shut off the arc path rapidly. As a forward lightning protection, the controllable discharge needle of this protector inducts upward crowd charges to attract this lighting forerunner and release surge current through the nonlinear current limit units at once when the lighting forerunner approaching the lines round the shield zone of the overhead grounding line and formed higher electromagnetic field.. Therefore, the over voltage protector effectively prevent over head line from line melted down and line switch off faults caused by over voltage because of lighting striking on the line and line breaker operating.. The over head lines may operate more safely and more reliably when the protector installed on. In the paper, lightning impulse test and V-s character test of lightning impulse were applied to confirm the length of gap in series and optimize proper insulation and technical parameters of the protector.. The test research results proved that the discharge controllable over voltage protector can not only effectively prevent over head line from retraced lighting striking but also effectively prevent over head line from melted down and switch off faults caused by any reason. Comparing with other over voltage protecting techniques, its capability of forward lightning protection and cutting off power frequency current as well as restrain over voltage is more effectively, more reliably and more safely.

关键词：可控放电  过电压保护器、非线性限流元件、串联间隙、避雷针

Key words  Discharge controllable  Over voltage protector  Nonlinear current limit unit  Gap in series   Lightning rod

0 引言

35kV配电系统中，通常采取同杆架设架空避雷线的防雷措施对35kV架空绝缘线路进行防雷屏蔽保护，架空绝缘线上的感应电压将降低(1-k)倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数乘以冲击系数。该措施可以降低直接雷和感应电磁脉冲在架空线路上所产生的雷电过电压，减少绝缘子闪络、设备损坏和雷击跳闸故障。但是，一方面架空避雷线投资较大，且容易对线路形成反击；另一方面，在线路两侧，架空避雷线存在较大范围的屏蔽失效区，架空避雷线对侧向雷电先导的引雷能力较弱。且杆塔保护角越大，侧面雷电先导的定位越高，架空避雷线出现的屏蔽失效区域也越大。在保护角相同时，导线电压越高、导线电磁场越强，先导对导线的绕击几率越高，避雷线的屏蔽效果也越差，如图1和图2所示。[1-5]

图1 不同电压导线电磁场对定位高度的影响

Figure 1 Located Height Affected by Electromagnetic Field of different voltage lines

图2 避雷线屏蔽失效区域

Figure 2  Shield Invalid Zone of Over-head Grounding Line

因此，架设架空避雷线后，35kV架空绝缘线路仍然容易发生感应雷、绕击雷造成的绝缘导线断线和断路器跳闸的运行故障。本文基于国内外先后应用的线路过电压保护技术和成功运行经验，将可控放电的主动防雷技术和非线性抑制过电压技术相结合，创新研发一种全新概念的可控放电线路型过电压保护器，并采取试验研究方法，优化选取绝缘配合和性能参数设计，成功地应用于35kV架空绝缘线路防止雷电过电压、感应过电压和操作过电压发生断线和跳闸等突发性运行故障，保障线路安全可靠运行[6-9]。

1 技术创新

为了防止线路过电压故障，国内外先后采用了多种防止雷害事故的技术措施，如钳位绝缘子、放电金具、非线性过电压保护器和可控放电避雷针、避雷器等等[10-14]。其中：非线性过电压保护技术和可控放电避雷针技术相对成熟、应用范围比较广泛。理论研究和试验研究结果表明：非线性过电压保护技术具有能够有效截断工频续流、有效抑制雷电过电压，不承受工频电压，免维护等优异性能；可控放电避雷针作为主动防雷技术，具有保护范围大、绕击率低、放电电流小、感应过电压低等诸多优点。

如图1和图2架空输配电线路发生雷击的特征分析，由于架空避雷线的保护范围存在屏蔽失效区，对于已进入杆塔侧面的雷电先导，架空避雷线已不能对导线进行屏蔽保护。由击距公式：              （1）

  （2）

式中，为雷电流幅值，kA；为先导的击距，m， 为绕击最大击距，m；为避雷线平均高度，m；为导线平均高度，m，为避雷线保护角。

可以看出：由输电线路导、地线平均高度、，以及保护角所决定的绕击最大击距，在杆塔本身固有参数已知的条件下，使临界绕击雷电流复幅值和杆塔屏蔽失效区域也随之确定[15-18]。此时，如果采取侧向可控放电避雷针对已确定的最大绕击击距条件下的杆塔绕击暴露区域给以有效屏蔽，就能达到主动防止雷电绕击的目的。

在应用主动防雷技术的同时，引入非线性过电压保护技术作为暂态过电压第二重保护， 当架空线路上不论何种原因引起过电压导致闪络时，如果将电弧形成的金属性短路通道引向非线性限流元件，并由该元件迅速截断电弧和截断接踪而来的数十kA工频续流，就能实现防止线路因雷电直击或感应过电压、操作过电压引发的跳闸和断线等运行故障。

基于上述分析和气体放电流注理论以及非线性伏-安特性有效抑制过电压机理，可控放电线路型过电压保护器构成如图3所示，安装示意图如图4示意。

	1、  架空绝缘导线 2、  横担绝缘子 3、  横担 4、  连接金具 5、  引流环 6、  限流元件1 7、  限流元件2 8、  可控放电针针头 9、  架空避雷线 10、地线 11、电杆

图3 过电压保护器构成示意图

Figure 3  Structure of Discharge Controllable Over Voltage Protector

图4 过电压保护器安装示意图

Figure 4  Installation of Discharge Controllable Over Voltage Protector

主动防雷：放电针头8和非线性限流元件6和7串联后接地，作为可控放电避雷针，并将其水平安装在架空绝缘线路的侧面以弥补架空避雷线保护屏蔽失效区域的防雷范围。当线路周围雷电活动形成的空间电场强度较低，或者雷电先导没有足够逼近架空绝缘线路时，限流元件处于截断状态，放电针头处于电位浮动状态，与周围大气电位差较小，不发生电晕放电，亦即不招雷、不引雷；一旦周围雷云电场强度上升至可能会对保护器所保护的线路发生雷闪时，施加在限流元件上的电压升高到其动作电压时，限流元件瞬间变成有效接地体，放电针针尖电场瞬间上升数百倍，针尖附近空气迅速放电，形成很强的上升电荷脉冲，迎接雷云先导，将雷电能量通过限流元件直接引向大地泄放，避免雷云对线路发生闪击，有效地防止雷云对线路发生绕击。

快速截断工频续流、抑制过电压：在限流元件6的顶端水平固定一引流环5，在绝缘导线1和引流环5之间形成串联空气间隙。当架空绝缘线路发生过电压闪络时，串联间隙首先被击穿，过电压直接作用在限流元件上，暂态电流通过限流元件迅速流向大地；当暂态电流瞬间释放以后，加在串联间隙上的电压值降低至限流元件额定电压值以下，限流元件在瞬间恢复成高阻状态。由于氧化锌非线性伏-安特性和陡波特性，始终将过电压限制在设计电压之下，并快速截断金属性电弧短路通道和工频续流，有效保护线路和电气设备免受过电压击穿或损坏，同时，有效防止架空绝缘导线因工频续流弧根高温而熔断。

综上所述，可控放电线路型过电压保护器具有主动防雷和抑制过电压、快速截断工频续流等多重保护功能：一方面，有效防止雷电对线路发生绕击雷害，且克服了现有避雷针和消雷器等各种保护措施普遍存在的招雷、引雷的缺陷，主动保护作用更有效、更安全、更可靠；另一方面，不论架空输配电线路由于雷击、操作等任何原因产生暂态过电压，甚至发生绝缘子闪络，该保护器借助于闭合引流环和非线性可控放电限流元件，始终保护架空输配电线路避免发生断线、跳闸等运行故障。

2 试验研究

根据DL/T 815-2002《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》标准规定，保护器的设计原则是同时满足：（1）在雷电过电压作用下，保护器应可靠动作，保证绝缘子不闪络；（2）能够可靠耐受最大工频过电压而保护器不击穿；（3）即使在污秽、间隙安装偏置的情况下不明显改变保护器的放电特性。

从满足雷电过电压作用下串联间隙应可靠动作的要求来看，串联间隙的长度应由线路绝缘配合确定的雷电冲击50%放电电压值来确定，保护器的最小间隙长度由保护器的操作冲击耐受电压、间隙的灭弧电压及间隙的工频耐受电压来确定。保护器的雷电冲击50%放电电压约等于串联间隙的雷电冲击50%放电电压与限流元件的直流1mA参考电压之和，两者偏差在10%范围内。保护器本体的直流1mA参考电压为60kV，保护器的正极性雷电冲击50 %放电电压小于240kV，那么串联间隙的正极性雷电冲击50%放电电压大约为180kV。在66kV以下交流系统中，线路最高操作过电压不超过4.0p.u.。根据标准GB311.1的规定，50%冲击放电电压应不低于额定冲击耐受电压乘以1/（1-1.3z），z取0.06。其操作冲击50%放电电压为145kV。设保护器的操作冲击50%放电电压约等于串联间隙的操作冲击50%放电电压与限流元件的直流1mA参考电压之和，偏差在10%以内，则串联间隙的操作冲击50%放电电压约为85kV。试验结果证实：当间隙长度小于280mm时，间隙正极性雷电冲击50%放电电压小于180kV；当间隙长度大于90mm时，间隙操作冲击50%放电电压大于85kV。因此，保护器串联间隙的选取范围为90mm～280mm，考虑现场安装、气候、污秽等情况，经过多次冲击放电试验验证，串联间隙长度优选值为：210±10mm。同时，通过对环形、棒形和水平线形三种不同形状、不同串联间隙、不同绝缘子并联间隙的引流环进行冲击放电试验比较和优化，试验结果证实：选取环形引流装置，且串联间隙在90mm～280mm范围之内, 与绝缘子并联间隙在70mm～110mm 范围之内时，能够准确引弧、保护性能较好。试验现场如图5所示。

图5 雷电冲击50%放电电压试验

Figure 5  50% Lightning Impulse Discharge Voltage Test

保护器雷电冲击放电的伏秒特性（放电时延1μs～10μs）试验结果如图6所示。

图6 雷电冲击伏秒特性曲线

Figure 6  V-s Character of Lightning Impulse Test

图6试验研究表明：保护器雷电冲击正、负极性伏秒特性曲线平坦，比被保护的绝缘子低10%以上。该保护器的放电特性满足线路绝缘配合的要求，可在全伏秒特性曲线段上与绝缘子配合。

3  结论

3.1 可控放电线路型过电压保护器采用主动防雷技术和抑制过电压技术相结合的技术多重保护措施，能够满足架空绝缘线路过电压保护要求，可以有效地防止雷电过电压、感应过电压和操作过电压引起输配电线路发生运行闪络故障、断线故障和跳闸故障。

3.2可控放电线路型过电压保护器一方面能够有效防止雷电对线路发生绕击雷害，且克服了避雷针等保护措施存在的招雷、引雷的缺陷，主动保护作用更有效、更安全、更可靠；另一方面，当架空输配电线路由于雷击、操作等任何原因产生暂态过电压，甚至发生绝缘子闪络，该保护器借助于闭合引流环和非线性可控放电限流元件，始终保护架空输配电线路避免发生断线、跳闸等运行故障。

3.3可控放电线路型过电压保护器的串联间隙的确定不仅取决于串联间隙与绝缘子50%的雷电冲击闪络电压的配合，同时，还应考虑工频过电压、操作过电压对保护器的影响。

3.4可控放电线路型过电压保护器安装时无需破坏导线绝缘层，正常状态下无须承载运行电压，运行安全可靠、且免维护。

参考文献

 [1] 王惠忱，雷电绕击机理分析[J]，《高电压技术》1999年第3期

Huishen Wang,  “Mechanism of  Lightning Shielding Failure ”,  High Voltage

Engineering  , Vol .25, No.3,  1999 .

[2] 王惠忱，全屏蔽防雷装置[J]，《东北电力技术》1997年第5期

[3] 王惠忱，500kV单相绝缘子不全闪络的原因分析[J]，《东北电力技术》1998年第11期

[4] 文武、陈玉、裴金勇等，多导体配电线路感应雷过电压分析[J]，《高电压技术》2006年8期

Wu Wen, Zipin Li, et al, “Analysis of Lightning Induced Voltage on Multiconductor Distribution Lines”, High Voltage Engineering , Vol .32, No.8,  2006

[5] 黄文武、于波等，几种避雷线屏蔽性能分析模型的计算探讨，《高电压技术》2006年11期

Wenwu Huang, Jianwu Jiang, et al,  “Calculation and Analysis of Several Lightning Shielding Models” High Voltage Engineering , Vol. 32, No.11,  2006 .

[6]  曹宏裕、王凯睿、罗彦等,  架空绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治[J], 高电压技术, 2004年第30卷  增刊 pp37-38.

     Cao Hongyu, Wang Kairui, Luo Yan et al, The Prevention from Trip and Broken of Overhead Insulation lines by Lightning[J], High Voltage Engineering, 30(136) 37-38 , 2004.

[7]   罗俊华、聂定珍、张锦秀等，  35kV及以下架空绝缘电缆过电压保护技术[J]  高电压技术, 2000年,第26卷，第3期，  pp40-43. 

Luo Junhua, Nie Dingzhen, Zhang Jinxiu et al, Overvoltage Protection Technology of Insulated Overhead line Up to 35 kV [J], High Voltage Engineering, 26(3) 40-43, 2000.

[8] 何计谋、洪波等，输电线路保护用有串联间隙避雷器间隙特性的研究，《电瓷避雷器》2006年第4期

[9] 郭秀慧、李志强等，输电线路绕击防护新措施，《高电压技术》2005年第7期

Xiuhui Guo, Zhiqiang Li, Guanjun Qian, “New Measure of Lightning Shielding of Transmission Lines “High Voltage Engineering , Vol. 31, No.7,  2005 .

[10] 罗俊华、聂定珍、袁淳智、张锦秀等， 配电型支柱式复合外套氧化锌避雷器运行经验[J]， 高电压技术， 2000年，第26卷，第5期， pp68-75

    Luo Junhua, Nie Dingzhen, Yuan Chunzhi, et al, Operation Experience of Zinc Oxide Surge Arrester Used in Distribution as Post Insulator [J], High Voltage Engineering, 26(5) 68-75 , 2000.

[11] 许颖， 3-35kV 架空线路防雷保护[J], 中国雷电及防护， 2003年，第3期，pp4-7

     Xu Ying, Lightning Protection about 3-35kV Overhead Line[J], Lightning and Protection in China, 2003 (3), 4-7

[12] 陈维江、孙昭英、綦海昌等， 防止10kV架空绝缘导线雷击断线用放电钳位柱式复合绝缘子的研究[J]， 电网技术， 2005年，第29卷，第16期，pp 49-51.

Chen Weijiang, Sun Zhaoying, Qi Haichang, et al, Development of Clamping Post Composite Insulators to Prevent Breakage of 10kV Overhead Insulation-covered Conductor Caused by Lightning Stroke[J], Power System Technology, 29 (16), 49-51, 2005.

[13] 陈维江、孙昭英、周小波等， 防止10kV架空绝缘导线雷击断线用防弧金具研究 [J], 电网技术，2002年，第26卷，第9期，pp25-29.

Chen Weijiang, Sun Zhaoying, Zhou Xiaobo, et al, Development of Arc-protection Hardware Against Lightning-caused Breaking of covered Conductor in 10kV Distribution networks[J],  Power System Technology, 26 (9), 25-29, 2002.

[14] 郭秀玲、裴长生、苑红霞、郭若颖等，城网架空线路的适用化设计[J], 电力学报，2003年第18卷第3期，pp205-207

     Guo Xiulin, Pei Changsheng, Yuan Hongxia, et al, Applicable Design of City Distribution Line [J],  Journal of Electric Power, 18 (3), 2003.

[15] 张纬钹、何金良、高玉明，《过电压防护及绝缘配合》，清华大学出版社

[16] 陈维贤等，《电网过电压教程》，武汉水利电力大学，中国电力出版社

[17] 肖重金、罗俊华、李敏， 架空输电线路闪络断线事故原因辨析[J]， 高电压技术， 2001年，第27卷，第3期 pp83-84

     Xiao Zhongjin, Luo Junhua, Li Min, Analysis of Overhead line Breakdown Accidents [J],  High Voltage Engineering, 27(3) 83-84, 2001.

[18]  林智敏，万幸倍，上海城市架空绝缘配电线路防雷技术措施的技术经济比较[J] ，高电压技术， 2004年,第30卷，第9期，pp73-74

  Lin Zhimin, Wan Xinpei,  Economical Technique Comparison of Lighting Protection Methods in Shanghai. [J], High Voltage Engineering,  30 (9),  pp 73-74,  2004