摘要：文章對(duì)硅橡膠材料的優(yōu)異性能從機(jī)理上作出了解析，指出甲基是憎水性的根源，氫氧化鋁是耐電蝕的主體，防爆設(shè)計(jì)應(yīng)采用楔形嵌槽，并將Solidworks三維電場(chǎng)計(jì)算與光纖實(shí)測(cè)相結(jié)合尋找最佳電位分布。作者還對(duì)避雷器爬電比距的選擇提出新的觀點(diǎn)，分析了線路避雷器具備的優(yōu)缺點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：避雷器；雷擊閃絡(luò)；過電壓；硅橡膠；氧化鋅電阻片

    1、引言

    安全送電、防止因線路故障而跳閘是當(dāng)前輸變電工業(yè)的重要課題之一。雷擊引起線路絕緣子串閃絡(luò)及雷電波入侵變電站所造成的停電事故，在我國(guó)南方各省已占輸電線路閃絡(luò)事故的60%，特別是110kV線路，平原地區(qū)雷擊率為0.1~0.5次/100km·年，山區(qū)可達(dá)1~4次/100km·年[1]。加裝線路避雷器（MOA）是防止雷擊事故、減少跳閘率的有效方法之一[2]。

    日本、美國(guó)、俄羅斯已有許多應(yīng)用線路避雷器防止雷擊閃絡(luò)事故的成功報(bào)道。日本在20世紀(jì)90年代已有超過30000相77~500kV線路避雷器投入系統(tǒng)中使用，加裝線路避雷器后取得了良好的效果[3]。

    我國(guó)在此領(lǐng)域的研究起步較晚，這與硅橡膠復(fù)合外套技術(shù)在避雷器上的應(yīng)用起步較晚分不開。截至目前，已研究制造出多種類型110~500kV線路避雷器，共有7610相在系統(tǒng)中運(yùn)行，收到良好的效果。我國(guó)線路避雷器分有串聯(lián)間隙和無間隙兩大系列。與國(guó)際上的不同之處是目前無間隙線路避雷器占50%以上。

    2、線路避雷器設(shè)計(jì)技術(shù)

    無間隙線路避雷器的成功應(yīng)用得益于硅橡膠復(fù)合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV避雷器的質(zhì)量從260kg降至50kg以下，從而實(shí)現(xiàn)在桿塔上懸掛安裝。有串聯(lián)間隙線路避雷器由避雷器本體和外串聯(lián)間隙組成。本體與普通的復(fù)合外套避雷器相當(dāng)，外串聯(lián)間隙（放電間隙）由兩個(gè)環(huán)–環(huán)或棒–棒型放電電極組成。

    避雷器本體兩端采用金屬法蘭封口，內(nèi)部裝有非線性ZnO電阻片并用彈簧壓緊的環(huán)氧玻璃纖維布筒，其外部采用硅橡膠傘裙包封。這樣，避雷器大大減少了因“漏氣”而帶來的受潮問題。

    上、下法蘭設(shè)計(jì)了經(jīng)典的球頭、球窩，分別與高壓端、接地端連接。以2003年我國(guó)天生橋—廣州線投入使用的500kV有間隙線路避雷器設(shè)計(jì)為例，除秉承電站避雷器技術(shù)基礎(chǔ)外，還必須解決如下8點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問題：

    （1）優(yōu)良性能的硅橡膠復(fù)合外套

    采用硅橡膠等有機(jī)絕緣材料生產(chǎn)的避雷器復(fù)合外套必須具備耐天侯、抗紫外線、耐電蝕損等優(yōu)良性能。與瓷套相比，硅橡膠復(fù)合外套在重量、耐污性能上占有很大優(yōu)勢(shì)，詳見表1。復(fù)合外套可選用的材料、品種很多。

    （2）具備耐久性粘接技術(shù)

    避雷器在多年使用中要經(jīng)受引線拉力、線震、風(fēng)擺、冰雪等的作用。上、下法蘭與環(huán)氧玻璃纖維布筒的粘接部分是避雷器負(fù)載力傳遞區(qū)域，也是密封技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)。筆者認(rèn)為，采用高溫、高強(qiáng)度環(huán)氧澆合劑和倒錐形結(jié)構(gòu)是目前最成功的設(shè)計(jì)之一，實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。

    （3）對(duì)接口的包封技術(shù)

    包封硅橡膠復(fù)合外套上、下法蘭與環(huán)氧玻璃布筒連接的外露面是避雷器加強(qiáng)密封的良策，也是防止電蝕損的又一有效措施。目前許多國(guó)外同類產(chǎn)品在工藝上亦未能實(shí)現(xiàn)這樣的包封；但必須保證硅橡膠與法蘭各種金屬材料及熱處理后的鍍層之間有良好的粘合。此外，可在法蘭上增加一個(gè)下大上小的槽形結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)硅橡膠不出現(xiàn)脫膠的機(jī)械應(yīng)力。

    （4）防爆技術(shù)

    為取得良好的防爆性能可在模壓硫化傘裙前將環(huán)氧玻璃纖維筒加工出長(zhǎng)條梯形槽，并用專用楔形嵌件堵緊。梯形槽在避雷器故障時(shí)起排氣作用，楔形嵌件保證注塑時(shí)硅橡膠不至于進(jìn)入環(huán)氧玻璃纖維布筒內(nèi)腔。梯形槽的長(zhǎng)度、數(shù)量、防爆力須經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算及試驗(yàn)求得。該型避雷器在中國(guó)及俄羅斯都通過了40kA和800A的短路電流試驗(yàn)。

    （5）吸收能量校核

    有間隙線路避雷器由避雷器本體和外串聯(lián)間隙構(gòu)成。正常運(yùn)行工況下避雷器本體的荷電率為10%以下，它主要承受雷擊過電壓，因此對(duì)它的其他技術(shù)性能要求大為降低。避雷器電阻片承受雷擊過電壓的能力極強(qiáng)，直徑50mm的電阻片即能承受4/10ms、100kA大電流沖擊。

    （6）電位分布計(jì)算與調(diào)整

    330kV、500kV線路避雷器的突出技術(shù)問題是電位分布不均勻。與瓷套式避雷器不同，它是懸掛在空中的，必須采用三維電場(chǎng)、用有限元法計(jì)算其電位分布[5]。由于在結(jié)構(gòu)上不能采用外并電容的均壓措施。避雷器高度超過5m時(shí)，如不采取措施，其電位分布不均勻系數(shù)將達(dá)1.2，荷電率達(dá)98%。這將加速高場(chǎng)強(qiáng)處電阻片的老化。因此，通過SolidWorks三維設(shè)計(jì)及改善電位分布的設(shè)計(jì)，并通過改變均壓環(huán)的數(shù)量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV無間隙線路避雷器（5.4m高）電位分布不均勻系數(shù)限制在10.4%以下。

    （7）避雷器內(nèi)部負(fù)壓?jiǎn)栴}

    在避雷器整體模壓注射硅橡膠過程中，避雷器各部分均處于受熱狀態(tài)（100℃以上）。當(dāng)模壓硫化完成（即避雷器密封完成），冷卻后內(nèi)部將形成低氣壓。由“巴申曲線”可知，此時(shí)電阻片沿面閃絡(luò)電壓大為下降，有可能在較低電壓下?lián)p壞避雷器。這是生產(chǎn)廠家容易忽略的工藝技術(shù)問題。

    （8）影響間隙放電穩(wěn)定性的因素

    間隙放電電壓的穩(wěn)定性是避雷器保護(hù)性能的標(biāo)準(zhǔn)，棒－棒純空氣間隙與環(huán)－環(huán)帶絕緣子支撐間隙放電特性本身存在差異。前者是極不均勻電場(chǎng)，后者是稍不均勻電場(chǎng)；前者放電電壓稍低、分散性小，后者不僅分散性大，且受絕緣子污穢性能影響明顯，當(dāng)污穢引起漏電流且達(dá)到一定值時(shí)，它與避雷器本體漏電流形成一個(gè)“分壓器”，明顯地改變了整個(gè)避雷器電位分布，提高了避雷器放電電壓值，這是設(shè)計(jì)者必須給予充分考慮的。

    3、線路避雷器的試驗(yàn)

    與瓷外套避雷器不同，復(fù)合外套避雷器的外套采用有機(jī)高分子材料，它必須進(jìn)行許多驗(yàn)證其特性的試驗(yàn)[6]，如耐天侯試驗(yàn)、耐電蝕試驗(yàn)、耐鹽霧試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)的要求及試驗(yàn)方法大部分都已體現(xiàn)在IEC最新版本的標(biāo)準(zhǔn)中。

    （1）復(fù)合外套起痕和電蝕試驗(yàn)

    按比例制作了避雷器比例元件。霧室溫度20~25℃，鹽霧中NaCl含量為9.8kg/m3，以3.9L/m3·h速度噴向比例元件。同時(shí)將等比例持續(xù)運(yùn)行電壓Uc施加于比例元件上，持續(xù)時(shí)間1000h。試驗(yàn)期間無過流中斷，比例元件復(fù)合外套無起痕、裂縫和樹枝狀裂紋產(chǎn)生，傘裙未擊穿。

    （2）熱機(jī)試驗(yàn)及沸水煮試驗(yàn)

    該項(xiàng)試驗(yàn)用于驗(yàn)證避雷器在冷熱、機(jī)械力共同作用下法蘭與環(huán)氧玻璃纖維布筒結(jié)合部分粘合劑的性能，該項(xiàng)試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：

    1）比例元件在下列條件同時(shí)作用下進(jìn)行試驗(yàn)：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷熱循環(huán)，高低溫度至少保持8h，每一循環(huán)持續(xù)24h；②給比例元件施加50%額定拉伸負(fù)荷的負(fù)荷力。

    2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h后，立即放進(jìn)環(huán)境溫度的水溶液中浸泡24h，取出后在環(huán)境溫度空氣中靜放24h，直到表面干燥。

    （3）爬電比距的選擇

    硅橡膠的復(fù)合外套的耐污穢性能比瓷套高出66%。這是由硅橡膠的憎水性所決定的，憎水性來自硅橡膠分子中具有排斥水分子天性的甲基。試驗(yàn)結(jié)果表明：

    1）復(fù)合外套耐污穢性能遠(yuǎn)高于瓷套，但尚未取得定量的結(jié)論。

    2）復(fù)合外套提高的耐污性能可留給用戶、電力部門作為裕度考慮。因此，爬電比距的設(shè)計(jì)仍按瓷外套標(biāo)準(zhǔn)考慮。這一設(shè)計(jì)還受兩個(gè)外界因素影響：①復(fù)合外套比瓷套更容易提高爬電比距，但必須保證電弧最小距離（如110kV下≥1m）；②筆者認(rèn)為，兩類有串聯(lián)間隙避雷器選擇爬電比距應(yīng)有所不同：棒－棒純空氣有間隙避雷器本體爬距≥1.7cm/kV即可認(rèn)為是安全的，因?yàn)?，正常運(yùn)行電壓下避雷器本體幾乎不承受任何電壓值；環(huán)－環(huán)絕緣支撐有間隙避雷器，其爬距應(yīng)為避雷器本體爬距與支撐絕緣子爬距之和，作者建議，爬電比距應(yīng)分別規(guī)定，避雷器本體≥1.7cm/kV，支撐絕緣子≥1.7cm/kV，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行和雷擊瞬間不同工況下，兩者都需分別承受了幾乎100%的過電壓，避雷器總體爬電比距≥3.4cm/kV。

    4、兩種線路避雷器的比較

    我國(guó)無間隙線路避雷器的使用量超過有間隙線路避雷器，90%的330kV、500kV線路使用無間隙線路避雷器。無間隙避雷器在絕緣配合上，保護(hù)性能分散性小，僅僅取決于一條U-I特性曲線，保護(hù)裕度大。避雷器運(yùn)行事故率已低于0.03/100相·年以下，且無間隙線路避雷器限制操作過電壓的優(yōu)點(diǎn)是目前有間隙線路避雷器所不能達(dá)到的。表4列出兩種線路避雷器的技術(shù)要求及性能[6]。

    無間隙線路避雷器的運(yùn)行條件除滿足一般電站避雷器要求外，還應(yīng)滿足以下條件：

    （1）承受各種內(nèi)過電壓作用，特別在線路中段，內(nèi)過電壓值最高，過電壓出現(xiàn)頻率高，要求通流容量較大。

    （2）荷電率相對(duì)較高，與變電站內(nèi)避雷器不同，線路中段沒有限壓措施，電容效應(yīng)等都能引起電壓升高，線路避雷器荷電率較高。

    （3）線震、特強(qiáng)冷熱作用、風(fēng)擺、冰雪等可能破壞避雷器的密封。

    我國(guó)有間隙線路避雷器的外串聯(lián)間隙分兩大類：純空氣的棒–棒間隙，見圖1(b)；由復(fù)合絕緣子支撐的環(huán)–環(huán)間隙，見圖1(a)。其技術(shù)性能比較見表5[6]。目前我國(guó)使用后者的較多，主要是安裝方便的原因。

    5、免維護(hù)設(shè)計(jì)

    筆者認(rèn)為達(dá)到免維護(hù)需滿足如下條件：

    （1）生產(chǎn)高質(zhì)量避雷器，還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高無間隙線?（2）應(yīng)對(duì)避雷器加裝脫離器。

    （3）應(yīng)附加避雷器失效指示裝置。

    6、結(jié)論

    線路避雷器能夠有效地降低跳閘率，是目前中國(guó)避雷器發(fā)展方向之一。線路避雷器的設(shè)計(jì)必須解決多個(gè)特殊問題，本文提出的試驗(yàn)、計(jì)算、防爆設(shè)計(jì)、能量校核方法、閥片尺寸計(jì)算、電位分布計(jì)算方法都有一定的參考價(jià)值，并已在500kV線路避雷器中得到了應(yīng)用。本文系統(tǒng)地給出了110~500kV線路避雷器技術(shù)參數(shù)表，強(qiáng)調(diào)線路避雷器的爬電距離在本體部分、間隙部分都應(yīng)分別達(dá)到1.7cm/kV。比較了有間隙避雷器和無間隙避雷器，無間隙避雷器由于可靠性較高，具有保護(hù)裕度大、絕緣配合分散性小的優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)使用量上也占有一定的優(yōu)勢(shì)；有間隙避雷器中的純空氣間隙分散性較小，持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較高。此外，線路避雷器應(yīng)是免維護(hù)的。