1、35KV线路避雷器性能分析及优化设计摘要：35kV线路是我国配电网的重要组成部分，而雷击事故是造成电力系统故障的主要原因。对35kV线路避雷器的应用研究和设计显得尤为重要。本文介绍了输电线路防雷保护的发展过程及当前主要的防雷措施，避雷器的发展过程、工作原理、主要参数、线路避雷器种类等。说明了现有三种避雷器的型式及其工作原理，并介绍当前主要的三种绝缘子类型。对现有避雷器的工作环境及性能进行分析，探讨串联间隙的主要缺陷，深入分析35kV避雷器的电气特性，对避雷器型式和材料的选择及主要参数进行优化。根据最新相关参数的国家标准，通过对各种材料及避雷器选型的筛选比较，设计出35kV复合外套无间隙金属氧化
2、物避雷器的参数，并用CAD作出其基本结构图。关键词：线路避雷器参数 绝缘子 无间隙 金属氧化物避雷器Performanceanalysis and optimization design of 35KVline arresterAbstract：35kV lines are an important part of the distribution network in China, and lightning accidents is the main reason of power system fault. Therefore, there are far-reaching implic
3、ations on the research and design of the 35kV line surge arrester. This article describes the development process of the transmission line lighting protection and lightning protection measures, the development process, working principle, the main parameters, types of the line arrester and so on. Als
4、o describes the existing three types of arrester and the working principle, and describes the three types of the insulator. To analyze the working environment and performance of existing arrester , explore the major drawback of the series gap , depth analysis the electrical characteristics of the 35
5、kV arrester , optimize the type , materials and the main parameters of the arrester .According to the latest national standards relevant parameters ,through screening of various materials and lightning arrester selection, designed the parameter of 35 kV polymeric non-gap metal oxide surge arrester a
6、nd draw the chart with CAD.Keywords: line arrester parameters insulator non-gap metal oxide surge arresters51目 录摘 要IIIABSTRACTIV第1章绪论11.1输电线路防雷保护11.1.1输电线路防雷保护的目的及意义11.1.2输电线路防雷保护的发展过程11.1.3输电线路防雷保护的主要措施21.2避雷器的分类3第2章避雷器的工作环境42.1雷电的形成及电气参数42.2避雷器的正常使用条件52.3承受的长期机械力5第3章避雷器的参数73.1输电线路的雷击跳闸率73.2雷闪过电压83
7、2.1直击雷过电压83.2.2感应雷过电压93.2.3雷闪过电压的危害103.3绝缘配合113.4避雷器的电气特性123.5避雷器的选型133.6绝缘子的类型及其特性16第4章避雷器的设计194.1避雷器的命名194.2氧化锌避雷器特性分析214.2.1ZnO材料特性214.2.2氧化锌避雷器的优点224.2.3氧化锌避雷器局部放电原因的结构分析224.3避雷器工作原理23第5章避雷器设计计划书及设计图纸245.1设计计划书245.2避雷器设计说明265.3设计总结29参考文献31致谢33附录3435kV线路避雷器性能分析及优化设计第1章 绪论1.1 输电线路防雷保护1.1.1 输电线路防雷
8、保护的目的及意义输电线路是电力系统的大动脉，输送电力的同时，与发电机、变压器以及用电设备组成电力系统。电力工业与国民经济、人民生活的关系及其密切。电能供应不足或中断，将直接影响国民经济计划的完成和人民的正常生活。对某些用户甚至引起产品报废、设备损坏以及危机人身安全等严重后果。由于输电线路长度大，分布面广，地处狂野，易受雷击。配电线路耐雷水平普遍较弱，再加上网络复杂、构架结构多样等自身特点，一旦遭遇雷击，极易导致线路原件的损坏，甚至会造成整条线路跳闸的恶性事故1。同时，雷击线路时自线路入侵变电所的雷电波也是威胁变电所的主要因素。1.1.2 输电线路防雷保护的发展过程1930年以前，由于输电线路电
9、压等级较低，所以主要目的为防止感应雷，因此主要采取装设地线，减小线路上的感应过电等防雷手段。至20世纪中期，学者对雷电有了进一步的认识，已经系统归纳了表征雷电的参数，并开始意识到高等级电压输电线路，如110kV、220kV、特高压输电线路发生跳闸的主要原因是直击雷，由此，研究方向的转变为如何有效防止雷电直击输电线路，使导线得到更好保护。多年的实践证明，直击雷过电压是线路发生跳闸，引发事故的主要原因，感应过电压一般不会造成绝缘子串的闪络。因此，大多数国家都对雷电进行了大量的观察研究，并由此基础提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法。最早的避雷器出现于19世纪，为羊角形间隙，用于架空线路。2
10、0世纪初期，出现了铝避雷器，以及随后出现的管式避雷器。到50年代，随着防雷保护认识的深入，碳化硅避雷器问世了。同时，由于美国输电线路发生了很多的绝缘闪络事故，引发了极大的争论，因此研究人员对之前得到的研究数据和防雷计算方法重新进行了评估，促进了输电线路的防雷研究发展。至70年代，金属氧化物避雷器问世，而至今使用最多的是氧化锌避雷器，这种避雷器具有无续流残压、高效等优点，它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用，被公认为是理想的避雷器。图1-1 避雷器的发展过程1.1.3 输电线路防雷保护的主要措施为了减少雷击事故的发生，在地方上都已采取相应的避雷措施，主要的防雷措施主要有：(
11、1) 架设避雷线，降低雷击线路的几率和雷击杆塔以及避雷线在遭受雷击后反击导线的概率，以及降低雷击塔顶时的电位。(2) 安装耦合地线，利用地线与导线之间的耦合作用以提高耦合系数，以达到更高的耐雷水平。(3) 优化避雷线的保护角，降低绕击导线的概率。(4) 减小杆塔的接地电阻，从而提高线路耐雷水平。(5) 加强线路调爬、低零值绝缘子检测、清抹和增加绝缘子数量等办法。图1-2 常用的线路防雷措施1.2 避雷器的分类线路避雷器是一种以降低瞬态雷电冲击时绝缘子雷电闪络危险从而保护电力线路的避雷器2。线路避雷器运行时，与绝缘子并联，当发生雷击事故时，能有效地防止雷电直击线路和绕击输电线路而引起的故障3。经
12、过多年的研究创新，避雷器在结构、功能、使用范围等方面呈现出多样化的发展趋势。在结构上，主要可分为无间隙和带串联间隙避雷器4。如图1-2所示： 图1-3线路避雷器分类 图1-4线路避雷器的种类一般情况下，线路避雷器是复合外套避雷器。此外线路避雷器还可以根据保护电流、标称电流等进行分类。第2章 避雷器的工作环境2.1 雷电的形成及电气参数电力系统中的大气过电压主要是由雷电放电所造成的。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，地面上水蒸气上升至半空遇冷凝结成冰晶，在特定的条件下形成雷云（挟带正电的小冰晶形成“正雷云”，反之形成“负雷云”），带有电荷的雷云之间或雷云和地之间产生急剧放电的一种自然现象。雷
13、电流是一非周期冲击波，其幅值与气象、自然条件等有关，是个随机变量，只有通过大量实测才能正确估计其概率分布规律，一般用下式表示。 (2-1)上式中为雷电流幅值（kA），P为雷电流超过的概率。在幅值以前的一段雷电流波形称为波头，幅值后至波形衰减到原先波形的一段称为波尾。雷电流的波头和波尾皆为随机变量，对于中等强度以上的雷电流，波头一般在范围内，其平均波尾约。雷电流陡度随着雷电流幅值的增加而增加，因此波头变化不大，一般取波头为。可得雷电流的平均上升陡度为 (2-2)雷电日是指一年中有雷电的日数，在一天或一小时内只要听到雷声就作为一个雷电日或一个雷电小时。一般采用多年平均值年平均雷电日来表示一个地区的
14、雷电日数，以减少年份雷电日的变化所带来的影响。在我国，少雷区是指年平均雷电日不超过15日的地区，多雷区为年平均雷电日超过四十日的地区，超过九十日的地区叫强雷区。雷云对地放电的频率可用地面落雷密度来表示。是指每个雷电日每平方公里的地面上的平均落雷次数5。一般取为0.07次、平方公里雷电日。输电线路高出地面有阴雷作用，会将线路两侧一定宽度内的地面落雷吸引到线路上来。线路年平均遭受雷击的次数可按下式计算： (2-3)式中 线路受雷击次数； 两避雷线间距离，m； 避雷线平均高度，m，无避雷线时取为最上层导线高度； 线路经过地区年平均雷电日数，对不同雷电日地区均应换算到40雷电日，即T=40。2.2 避
15、雷器的正常使用条件 标准避雷器在户外正常使用，需要满足下列条件： (1) 环境温度不高于+40，不低于-40； (2) 太阳光的辐射； (3) 海拔不超过1000 m； (4) 电源的频率不小于48 Hz，不超过62 Hz； (5) 长期施加在避雷器上的工频电压应不超过避雷器的持续运行电压； (6) 地震烈度7度及以下地区； (7) 最大风速不超过35 m/s。2.3 承受的长期机械力 避雷器在下述机械负荷共同作用下，应能保证可靠运行。 (1) 避雷器顶端承受导线的最大允许水平拉力F1，其值按表2-1规定。 避雷器额定电压有效值kV3.81.94284100210288468最大允许水平拉力N
16、147294490,9809,801,470表2-1 最大允许水平拉力F1(2) 作用于避雷器上的风压力F2应按式2-4计算： (N) (2-4)式中：v0最大风速，m/s； S避雷器的迎风面积 (应考虑表面覆冰厚度2 cm),m2； a空气动力系数，它依风速大小而定。当v035 m/s时，a=0.8。 第3章 避雷器的参数3.1 输电线路的雷击跳闸率由于冲击闪络转为工频电弧的概率与弧道中的平均电场强度以及闪络瞬间工频电压的瞬时值和去游离条件有关，因此将此概率定义称为建弧率，以表示： (3-1)其中E为绝缘子串的平均运行电压梯度，kV（有效值）/m。(1) 雷击杆塔时的跳闸率假定每年有40个雷
17、电日，每100km有避雷线的线路落雷次数为。如果雷电击杆率为g，那么一年内每100km装有避雷线线路雷击杆塔的次数为次，若雷击杆塔时的耐雷水平为，雷电流幅值超过的概率为，建弧率为，则100km线路每年雷击杆塔的跳闸次数为： (3-2)(2) 绕击跳闸率设绕击率为，100km线路每年绕击次数为，绕击时的耐雷水平为，雷电流幅值超过的概率，建弧率为，则每100km线路每年的绕击跳闸次数 (3-3)(3) 线路雷击跳闸率若避雷线与导线在档距中央处的空气间隙距离，则雷击避雷线档距中央时击穿事故通常不会发生，则其跳闸率基本为零。因此，线路雷击跳闸率n为： (3-4)3.2 雷闪过电压 电力系统内电气设备由
18、于遭受雷电击直击或者由雷电感应所引起的过电压，称为雷闪过电压或大气过电压，又称为外部过电压，也就是大气过电压由直击雷和感应雷过电压引起的。大气过电压的幅值，取决于雷电流的大小、雷击点的距离、电气设备的高度、有无屏蔽等因素。3.2.1 直击雷过电压雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压。其极性与雷电流的极性相同为负。(1) 雷击杆塔塔顶时的过电压当雷击杆塔塔顶时，雷电通道中的负电荷与杆塔及避雷线上的正感应电荷迅速中和形成雷电流，雷电流一部分沿塔杆向下运动，另一部分沿输电线路沿两侧避雷线向相邻塔杆运动。工程近似计算中，将杆塔和避雷线以集中参数电感和来代替。考虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可略去雷电
19、通道波阻的影响。由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流。 (3-5)其中称为分流系数。塔顶点位可由下式计算 (3-6)以代入，则塔顶电位的幅值为 (3-7)其中为雷电流幅值。(2) 绕击时的过电压图3-1 保护角即使装设避雷线路等防雷措施，雷电仍可能绕过避雷线而直击线路，称为绕击率，一旦出现这种情况，则往往会引起线路绝缘子串的闪络。通过资料的查验及实验，与避雷线路对边相导线的保护脚（如图2.1），杆塔高度h及线路通过地区的地形地貌等因素有关，且山区的绕击率是平原地区的3倍，相当于保护角增大8度。绕击时雷击点阻抗为（为导线波阻抗），根据雷电流，流经雷击点的雷电流波为 (3-8)导线上电
20、压为，则 (3-9)3.2.2 感应雷过电压感应雷过电压是指雷电击中线路、设备的附近地面，在放电过程中由于空间磁场剧烈变化使电气设备或线路因电磁感应引起的过电压。35kV线路一般都都不装设避雷线，且绝缘子耐受水平普遍较低（一般不高于200kV），当导线附近遭到雷击，产生感应过电压，在感应过电压的作用下，产生绝缘子闪络。严重时，两相绝缘子同时闪络，造成相间短路，引起系统跳闸。感应过电压遵循65m原则，即雷击点距输电线路的距离大于65m时，产生的感应过电压为6： (3-10)式中-雷电流幅值，kA；-导线平均悬挂高度，m； -雷击点至线路的距离，m。从上式可以看出感应过电压的幅值与雷电流的幅值I和
21、导线平均高度成正比，与雷击点距离成反比，雷击点距离越近，感应过电压越高，导线平均高度越高，对地电容越小，感应过电压就越高。当雷击距离s65m时，由于线路吸引，多数雷击于线路本身，对于一般无避雷线的输电线路，大多存在近距离落雷，此时的感应过电压为7： (3-11)3.2.3 雷闪过电压的危害 雷闪过电压主要有以下两点危害8：(1) 直接雷过电压的幅值可达上千千伏以上，很显然，大多数击于输电线或电器设备上的雷都会产生闪络，可能导致火灾或者爆炸。但对于高压配电线路，一般都有厂房或者高建筑物的屏蔽，所以遭受直接雷的几率较小。(2) 感应雷过电压的幅值一般都不超过500kV，因而在35kV及以上电压的输
22、电线上，静电感应不易导致闪络。但是当此感应电压在线路上流动，会产生很大的热量，熔化导体，同时会有强大的机械效应产生，造成线路横担或杆塔的损坏，极大的破坏了送点线路。如果过电压冲击波沿导线侵入变电所的变压器绕组或厂房内的高压电动机定子绕组，则会造成严重的绝缘性破坏。3.3 绝缘配合绝缘配合的原则按系统中出现的各种电压和保护装置的特性雷确定设备绝缘水平，即进行绝缘配合时，应全面考虑设备造价、维修费用以及故障损失三个方面，力求取得较高的经济效益。变电所中电气设备、绝缘子串和空气间隙的雷电冲击强度、雷电过电压下的绝缘配合，以避雷器雷电保护水平为基础进行配合。配合时，对非自恢复绝缘采用惯用法，对自恢复系
23、统仅将绝缘强度作为随机变量。(1) 无间隙氧化锌避雷器根据线路能量和出现的过电压的大小以及系统可能出现的内过电压的幅值，进行绝缘参数配合计算，再根据GB11032-2000交流系统用无间隙金属氧化物避雷器、GB311.1-1997高压输变电设备的绝缘配合和DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合确定所要设计的避雷器的基本电气参数，再确定产品的外形尺寸和结构。(2) 串联间隙金属氧化物避雷器通过对PQ3-20绝缘子值的试验和计算，根据确定避雷器的1.2/5冲击放电电压及其他配合参数，再依据GB311.1-1997高压输变电设备的绝缘配合和DL/T620-1997交流电气装置的过
24、电压保护和绝缘配合然后再确定产品的外形尺寸和间隙结构。(3) 线路防雷型避雷器比较无间隙氧化锌避雷器结构简单、安装方便、保护距离大、保护范围广，但是避雷器出现故障时，就会导致系统停电事故的发生，可靠性不高。带间隙氧化锌避雷器平时不带电，与无间隙避雷器相比具有更好的抗化性能，使用寿命更长，即使避雷器本体发生损坏，由于空气间隙的隔离作用，同时避雷器本体可以带电更换，不会影响系统的正常运行，与无间隙避雷器相比具有更好的可靠性。3.4 避雷器的电气特性(1) 额定电压指短时间内允许加载在避雷器上最大工频电压的有效值。在系统中出现短时工频电压升高时，此电压直接作用在氧化锌阀片上，只要其值不超过额定电压，
25、避雷器就能可靠地限制雷电过电压或操作过电压。它相当于阀型避雷器各种特性的基准参数。(2) 最大长期工作电压指允许长期加载避雷器上的系统最大工作相电压（有效值）。(3) 工频参考电压工频参考电压又称起始动作电压、转折电压。指氧化锌阀片伏安特性曲线上由小电流区转入击穿区所对应的电压值。避雷器从该点电压开始限制过电压，电流值将随电压增加而迅速增加。通常以流过1mA的工频阻性电流分量峰值或直流电流时，避雷器上的工频电压峰值来定义工频参考电压，其值约为最大长期工作电压峰值的105%115%。(4) 压比指氧化锌避雷器通过额定冲击放电额定冲击放电电流下得残压（简称额定残压）与工频参考电压之比。通过冲击大电
26、流时的残压低，直接反映为压比小，说明避雷器的保护性能好，当前避雷器的压比约为1.62.0。(5) 荷电率指最大长期工作电压峰值与工频参考电压之比。它表征单位电阻片上的电压负荷。目前一般采用45%75%的荷电率。在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，一般采用低荷电率；在中性点直接接地系统中，选用高荷电率。荷电率高低也是决定避雷器老化快慢的直接因素。(6) 工频耐受特性我国规定氧化锌避雷器在如下时间内耐受下列工频过电压的倍数最大允许工作电压(7) 保护比氧化锌避雷器的保护比K定义为： (3-12)所以，压比越小，表明通过冲击大电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。图3-2 氧化锌串联间隙原理图
27、3.5 避雷器的选型(1) 管型避雷器9管型避雷器实质上是一个能自动熄弧的保护间隙，如图3-3所示。它有两个互相串联的间隙，一个在大气中称为外间隙S2，其左右是隔离工作电压避免产气管被流经管子的工频泄露电流所烧坏；另一个间隙S1装在管内，称为内间隙或灭弧间隙，其电极一为棒电极3，另一为环形电极4。管由纤维、塑料或橡胶等产气材料制成。雷击同时击穿内外间隙，雷电经过间隙流入大地；过电压消失后，内外间隙的击穿状态将由导线上的工作电压所维持，此时流经间隙的工频电弧电流为工频续流，其值为管型避雷器安装处的短路电流，工频续流电弧的高温，使管内产生大量气体，其压力可达数十以至上百个大气压，气体从开口端喷出，
28、强烈地吹动电弧，使其在工频续流第一次经过零值时熄灭。这就是管型避雷器自动熄弧的特点，但是当间隙被击穿后是直接接地，将会有截波产生，不能用来保护有绕组的设备。因此目前管型避雷器使用范围较小，一般用于保护输电线路的个别地段，如跨距较大处或者变电所的进线段。1-产气管；2-胶木管；3-棒形电极；4-环形电极；5-动作指示器；-内间隙；-外间隙图3-3 管型避雷器(2) 阀型避雷器阀型避雷器的基本元件为间隙和非线性电阻，间隙与非线性电阻（又称阀片）相串联，如图所示：1间隙；2电阻阀片图3-4 阀型避雷器原理结构图在电力系统正常运行时，间隙将电阻阀片与工作母线隔离，防止由母线的工作电压在电阻阀片中产生的
29、电流烧坏阀片。当系统中出现过电压且其幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，由于间隙放电的伏秒特性低于被保护设备的冲击耐压强度，从而使设备得到保护。间隙击穿后，冲击电流通过阀片流入大地，由于阀片的非线性特性，电流越大电阻越小，故在阀片上产生的压降（称为残压）将得到限制，使其低于被保护设备的冲击耐压，保护设备。当过电压消失后，间隙中由工作电压产生的工频电弧电流（称为工频续流）仍将继续流过避雷器，此续流受阀片电阻的非线性特性所限制，使其小于80A，间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断。(3) 氧化锌避雷器氧化锌避雷器由具有较好的非线性“伏安”特性的氧化锌电阻片组装而成。当工作在正常电压下，由于具
30、有极高的电阻而呈绝缘状态，在雷电过电压作用下，则呈低电阻状态，泄放雷电流，使与避雷器并联的电气设备的残压，被抑制在设备绝缘安全值以下，待有害的过电压消失后，迅速恢复高电阻而呈绝缘状态，从而有效地保护了被保护电气设备的绝缘免受过电压的损害10。它与阀型避雷器相比具有动作迅速、通流容量大、残压低、无续流、对大气过电压和操作过电压都起保护作用、结构简单、可靠性高、寿命长、维护简单等优点。1) 使用条件a.适用户内或户外；b.环境温度不高于+40，不低于-40；c.海拔高度不超过2000m（Y5C型不超过1000m），高原型不超过3500m；d.交流系统的频率范围为4862Hz；e.最大风速为35m/
31、s；f.地震烈度为8度以下；g.引线拉力为299N，35kV以上产品为490N。2) 结构简介1.27kV以下产品用上下铁壳盖及密封橡皮圈将氧化锌阀片密封在瓷套内，内部装有弹簧将阀片压紧，以防止内部雷件移动，并保证雷件之间可靠的电气连接。41kV以下产品由避雷器元件、顶盖、底座组成。避雷器元件内部装有氧化锌阀片，阀片用四根拉杆固定，弹簧压紧。避雷器通常带有压力释放装置，当避雷器在负载超过规定或者发生意外损坏造成内部压力上升时，当压力上升到某一个规定值时，压力施放装置动作，排出气体，防止瓷套爆炸。3.6 绝缘子的类型及其特性(1) 玻璃绝缘子玻璃绝缘子是在20世纪30年代中期，由英国采用“钢化”
32、工艺方法制成问世的，至今已有60多年历史，其在射界范围内有着日益广泛的应用。从长期的生产使用资料中可以看到玻璃绝缘子有如下特性11：1) 零值自破、便于检测。即具有缺陷的玻璃绝缘子自破后伞盘全部脱落，只要在地面上观测即可，无需登杆逐片检测。不像陶瓷绝缘子需要检测通过配备检测仪器定期登杆或登塔检测，降低工作量及维护费用。2) 耐电弧和耐震动性能好。玻璃绝缘子在运行时遭受雷电烧伤后的新表面仍为光滑的玻璃体，并有钢化内应力保护层，因此，它仍具有足够的绝缘性和机械强度。3) 寿命长不易老化。根据电力部门部分地区输电线路上的玻璃绝缘子进行的定期取样检测，通过分析所积累的采样数据，表明了运行35年后的玻璃
33、绝缘子的机电性能与出厂时基本一致，未出现老化现象。4) 主电容量大，电压分布均匀。玻璃的相对介质常数78，使玻璃绝缘子的主电容量较大，从而使玻璃绝缘子的电压分布比瓷绝缘子均匀，降低了无线电干扰、减少电晕损耗并且延长玻璃绝缘子寿命，并通过实践数据反应了这一点。5) 强度高、尺寸小、重量轻。钢化给予玻璃外层压应力，使其平均抗拉强度比退火玻璃提高5倍，比电瓷提高2倍左右。玻璃件的这种内应力，足以抵御在正常使用条件下玻璃可能遭受的热火机械冲击。玻璃绝缘子能够承受的最大永久性应力仅仅因铁帽和钢脚的强度而受到限制，金属附件的破坏往往先于玻璃件的损坏。试验证明：几乎所有的拉力试验中，遭到破坏的部位都是在铁帽
34、或钢脚上，而不是在玻璃上。玻璃的介电常数大于瓷的介电常数，在保证相同的机械强度和相同的击穿电压前提下，能取得最小的厚度，所以可以减小绝缘子的尺寸，并且玻璃绝缘子比同类瓷绝缘子的尺寸小，壁薄且均匀，因而绝缘子比较轻。6) 不可击穿。由于玻璃件是一个致密的整体，几乎是不可击穿的。一般钠钙玻璃的介电强度为13501700kV/cm，约为陶瓷的3.8倍。7) 热稳定性好。玻璃绝缘子接近于绝缘子所用的水泥及金属附件的热膨胀系数，所以相互匹配良好，对绝缘子的正常工作和使用寿命来说具有极大的意义。(2) 瓷绝缘子电瓷作为一种传统的无机绝缘材料，能耐受不利的大气环境和酸碱污秽等的长期作用而不受侵蚀，具有良好的
35、绝缘性能、耐候性和耐热性，抗老化性好，具有足够的电气和机械强度。因此电瓷被广泛地应用于电力系统中。至今，同玻璃绝缘子、复合绝缘子相比，瓷绝缘子仍然是电力系统中使用最广泛的绝缘子。瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度大得多。普通上釉电瓷试样的抗压强度达到50kN/cm，抗弯强度不低于8kN/cm，抗拉强度却只约3kN/cm。不上釉的瓷，表面粗糙容易开裂，机械强度要低10%20%。瓷件截面积增加，机械强度要降低。电瓷的机械强度与其受力情况以及结构形状，即附件的结构和组装方法有关系。为了使电瓷有较高的机械强度，设计时应尽可能使瓷承受压应力。(3) 复合绝缘子复合绝缘子主要结构一般由伞裙护套、玻璃
36、钢芯棒和端部金具三部分组成。相较于传统的玻璃绝缘子和瓷绝缘子，复合绝缘子主要有以下几个优点：1) 湿闪污闪电压高。复合绝缘子优异耐湿污性能主要是由于有机复合材料低能表面的憎水性。在小雨、大雾、露、融雪、融冰等恶劣气象条件下，有分离的水珠形成在复合绝缘子表面，而不是连续的水膜，由于污层的低导电性，泄露电流会是一个较小的值，一般不会发生较强烈的局部电弧，即使局部电弧发生后，一般也不会进一步扩大导致外绝缘闪络。硅橡胶材料还有一个独有的特性，复合绝缘子运行一段时间至表面积污，憎水性可迁移到污层表面，在相同污秽度下，其污闪电压可达到相同泄露距离瓷绝缘子的两倍以上12。2) 强度高，重量轻。复合绝缘子的强
37、度重量比很高。其中玻璃钢芯棒优异的机械性能决定了复合绝缘子的机械强度，目前使用最多的是拉伸强度可达1000Mpa以上的玻璃钢引拔棒，而芯棒密度却只有2g/cm左右，因此具有很高的强度，约为优质碳素钢的510倍。同时作为伞裙材料的硅橡胶密度也不到2g/cm，因此复合绝缘子整体的重量很轻。而玻璃绝缘子和瓷绝缘子的抗拉强度仅为90Mpa和40Mpa。在相同电压等级下，复合绝缘子的重量仅为瓷绝缘子的1/71/10。3) 运行维护简便。有机外绝缘耐污闪性能优异，可以大幅度地提高了电力系统运行的稳定。当复合外套工作在污秽地区不需要像瓷绝缘子及玻璃绝缘子一样定期清扫，并且不存在普通悬式瓷绝缘子的零值检测问题
38、从而降低了污秽地区绝缘子的运行维护费用。4) 不易破碎，防止意外事故。复合绝缘子有较强的耐冲击性，从而减少在安装、运输过程中造成的意外损坏13。第4章 避雷器的设计4.1 避雷器的命名产品型号主要由产品型式（系列）、结构特征、使用场所、设计序号、特征数字以及附加特征代号的汉语拼音字母组成，如图4-1所示14。附加特性代号避雷器额定电压标称放电电流下残压设计序号（用阿拉伯数字表示）使用场所结构特征标称放电电流产品型式图4-1 避雷器的命名(1) 产品型式代号金属氧化物避雷器的产品型式代号由一至二个字母组成。如：Y瓷绝缘外套金属氧化物避雷器；YH复合外套金属氧化物避雷器。(2) 结构特征代号W无
39、间隙；C避雷器有串联间隙；B避雷器有内部并联间隙。(3) 使用场所代号使用场所代号主要表示避雷器的使用场所或系统中性点的接地方式。S适用于配电；Z适用于发变电站；R适用于保护电容器组；X适用于线路避雷器；CX线路避雷器有外部串联间隙；O适用于油浸式；L用于直流。(4) 设计序号对于变压器、旋转电机、低压系统、电机中性点保护的避雷器，包括中性点直接接地的避雷器，均不采用使用场所代号予以表示。当产品结构特征、使用场所及特征数字均相同，但其外形尺寸、安装尺寸、内部结构或其他特性不同时，需要在产品型号上区别时，则使用设计序号，并按产品开发时间顺序依次排列，以阿拉伯数字表示。设计序号即不表示产品的先进性
40、也不代表制造厂。(5) 特征数字特征数字由避雷器最重要的特性参数表示，其一经确定，按照GB11032及其他有关避雷器产品标准可确定其他相应的特性参数。对于金属氧化物避雷器，此特征数字由两部分组成，在斜线上方为避雷器的额定电压值（单位为kV），斜线下方为避雷器标称放电电流下得残压值（单位为kV）。如图4-2所示：避雷器额定电压标称放电电流下残压图4-2 特征数字表示方式(6) 附加特征代号为了表示避雷器所适用的特殊环境条件和系统接地方式而附加的代号。J系统中性点有效接地；W重污秽地区；G高海拔地区。4.2 氧化锌避雷器特性分析4.2.1 ZnO材料特性与SiC电阻片相比，ZnO拥有极其优异的非
41、线性，它在正常工作下接近绝缘状态，无需，无需再用火花间隙将电源和电阻片隔开，所以可制成无间隙避雷器，由此导致了它们具有一系列碳化硅避雷器所没有的优点。主要优点如下：(1) 压波进入时，碳化硅避雷器间隙中的气体需要经过统计时延、放电形成时间等一共约零点几秒甚至几微秒的时间，间隙才会被击穿，开始释放过电压能量。由高压工程理论可知，来波陡度愈大，有间隙避雷器的伏秒特性曲线愈陡峭。氧化锌避雷器没有间隙，它的伏秒特性曲线仅由材料固有性质决定，因而曲线上翘的程度比前者小。陡波头冲击电流通过ZnO电阻时，残压值升高幅度较小，因而氧化锌避雷器在陡波头冲击电压和冲击电流作用时，能给设备绝缘提供更大的保护裕度，这
42、是ZnO电阻的另一个特性。(2) 在释放过电压能量以后，ZnO电阻立即恢复到高阻状态，工频续流由温度升高的电阻片的阻值所决定，续流值仅为毫安级。这不但减轻了避雷器的动作负拔，延长了它的使用寿命，而且对系统的影响也极微。(3) 单位面积ZnO电阻片的通流能力约等于SiC电阻片的4倍，具有更好的释放操作过电压能量的能力，可满足超高压系统绝缘配合的需要。(4) 可制成地下电缆系统、直流输电、气体绝缘电站（GIS）组合电器，旋转电机、电容器组和严重污秽地区所需的理想的过电压保护电器。(5) 避雷器结构简化，内部零件大为减少，不但降低了出现故障的概率，而且还有利于制造厂实现生产自动化，提高效益。4.2.
43、2 氧化锌避雷器的特点研究表明氧化锌避雷器的有点突出15-16：(1) 有完善的防雷功能，也就是对雷电的陡坡和幅值有限压的保护作用。(2) 防雷保护作用时不会造成电力网接地或相间短路故障。(3) 作用时不会有短路电流或工频续流等工频能源的浪费。(4) 动作特性长期运行稳定，不受暂态过电压的危害。(5) 有连续雷电冲击保护能力。(6) 外形尺寸较小，小型化轻量化更便于室内手车柜使用。(7) 具有20年以上的使用寿命。(8) 能附带脱离器监察运行状况，当其出现故障时会自动退出运行。4.2.3 氧化锌避雷器局部放电原因的结构分析导致避雷器产生局部放电的自身原因有材料和结构设计两方面：(1) 材料因素
44、电阻片本身存在缺陷产生局部放电。由于电阻片在制作过程中，不可避免地要产生气隙、夹层等缺陷，缺陷的存在必然造成局部放电。内部存在缺陷的电阻片，其通流能力必然小于无缺陷的电阻片，电阻片的这种缺陷在进行通流能力筛选时只要选取合适的筛选电流大多数可以挑选出来。组装避雷器时所选用的绝缘杆、隔弧筒等绝缘部件的内部缺陷产生局部放电。对于绝缘材料来说，在生产过程中，由生产所需原材料的质量、生产条件、生产工艺等各方面的因素不可避免地造成绝缘部件的内在缺陷。这些缺陷可以由避雷器生产厂在元器件进厂检验时以及避雷器生产厂对绝缘部件生产厂的质量保证体系运行情况进行检查来进行消除。(2) 绝缘结构由于氧化锌避雷器结构的特
45、殊性，它不同于其他电工产品，是由氧化锌电阻片、隔弧筒、调整高度的金属调整垫块、弹簧、金属夹板、绝缘杆、绝缘外套等组成。其中电阻片和绝缘部件之间由于设计不合理或装配工艺不完善而产生的局部放电。4.3 避雷器工作原理过电压波沿线路侵入电气设备，会对设备的绝缘造成极大的危害，所以，必须将其限制在安全的范围内，使设备能够承受。这种过电压波通常是由于输电线附近雷电活动而产生的感应过电压，也可能是由于系统中设备启动或退出运行，或者运行方式改变等操作引起的操作过电压，也有可能是雷电直击线路引起的过电压。本文通过分析阀式避雷器和氧化锌避雷器限制雷电过电压的过程来更好阐明避雷器的工作原理。避雷器一般接在导线与大地之间，以释放过电压的能量。避雷器的工作过程一般可以分为以下三步：限压、熄弧和恢复。其限压作用首先是靠间隙来实现的。其工作过程是：在正常情况下，避雷器处于截止状态；当过电压波超过避雷器规定动作电压，避雷器立即导通，限制过电压的幅值。雷电流在通过火花间隙（简称间隙）时，其通道中的导线会产生流向大地的工频电流（称续流），将雷电流引入大地后，需将续流切断。随后避雷器恢复了绝缘状态。阀式避雷器在间
