35KV 线路避雷器性能分析及优化设计

1、35KV 线路避雷器性能分析及优化设计 摘要摘要：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

2、出 35kV 复合外套无间隙金属氧化物避 雷器的参数，并用 CAD 作出其基本结构图。 关键词关键词：线路避雷器参数 绝缘子 无间隙 金属氧化物避雷器 Performance analysis and optimization design of 35KV line arrester Abstract：35kV lines are an important part of the distribution network in China, and lightning accidents is the main reason of power system fault. Therefore,

3、there are far- reaching implications 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 th

4、e line arrester and so on. Also 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 electr

5、ical characteristics of the 35kV 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-ga

6、p metal oxide surge arrester and draw the chart with CAD. Keywords: line arrester parameters insulator non-gap metal oxide surge arresters 目 录 摘 要 .III ABSTRACT .IV 第 1 章绪论.1 1.1 输电线路防雷保护.1 1.1.1输电线路防雷保护的目的及意义.1 1.1.2输电线路防雷保护的发展过程.1 1.1.3输电线路防雷保护的主要措施.2 1.2 避雷器的分类.3 第 2 章 避雷器的工作环境 .4 2.1 雷电的形成及电气参数.

7、4 2.2 避雷器的正常使用条件.5 2.3 承受的长期机械力.5 第 3 章 避雷器的参数 .7 3.1 输电线路的雷击跳闸率.7 3.2 雷闪过电压.8 3.2.1 直击雷过电压.8 3.2.2 感应雷过电压.9 3.2.3 雷闪过电压的危害.10 3.3 绝缘配合.11 3.4 避雷器的电气特性.12 3.5 避雷器的选型.13 3.6 绝缘子的类型及其特性.16 第 4 章 避雷器的设计 .19 4.1 避雷器的命名.19 4.2 氧化锌避雷器特性分析.21 4.2.1ZnO 材料特性 .21 4.2.2氧化锌避雷器的优点.22 4.2.3氧化锌避雷器局部放电原因的结构分析.22 4.

8、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 .24 5.1 设计计划书.24 5.2 避雷器设计说明.26 5.3 设计总结.29 参考文献 .31 致谢 .33 附录 .34 第 1 章绪论 1.1 输电线路防雷保护 1.1.1 输电线路防雷保护的目的及意义 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

9、。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

10、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。20 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

11、 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。 火 花 间 隙 火 花 间 隙 阀 片 磁 吹 间 隙 阀 片 阀 片 SiC ZnO SiC 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： (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

12、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。 雷电放电 避雷线 雷 电 过电压 线路绝缘 冲击电路 工频电弧 提高耐雷 水平措施 降低建弧率 的措施 短 电 路 跳 闸 自动重合闸 供电中断 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

13、引起的故障3。经过多年的研究创新，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： 线 路 避 雷 器 外 串 间 隙 无 间 隙 绝 缘 支 撑 件 间 隙 纯 空 气 间 隙 线 路 避 雷 器 瓷外套线路避雷 器 按功能 按电压等级 按外套材料 限制操作过电压 限制雷电过电压 输电线路避雷器 配电线路避雷器 合成外套线路避 雷器 限制雷电及操作 过电压 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。

14、第第 2 2 章章避雷器的工作环境避雷器的工作环境 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，i 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)lg 88 L I P 上式中为雷电流幅值（kA），P 为雷电流超过的概率。 L I L I 在幅值以

15、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1 4 s40 s/ t didt 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2.6 s 度为/ t didt (2-2)/ 2.6 tL diI kAs dt 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 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

16、 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) 4 100/100 1000 b bh NT 次公里年 式中 线路受雷击次数；N 两避雷线间距离，m；b 避雷线平均高度，m，无避雷线时取为最上层导线高度； b h 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T 电日，即 T=

17、40。 2.2 避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 kV 3.81.94284100

18、210288468 最大允许水平拉力 N 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) 2 0 2 9.8 16 v FaS 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。 第第 3 3 章章避雷器的参数避雷器的参数 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

19、： (3-1) 0.75 4.514 %E 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个雷电日，每100km有避雷线的线路落雷次数为。如果0.6 b Nh 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，0.6Ngh g b 1 I 1 I 1 P 建弧率为，则100km线路每年雷击杆塔的跳闸次数为： 1 n (3-2) 11 0.6 b nh g P (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P 0.6 b NPh P 为，

20、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 2 I 2 I 2 P 次数 2 n (3-3) 22 0.6 b nhP P (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0.0121slm 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) 1212 0.6/100 b nnnhgPP P A次公里年 3.2 雷闪过电压 电力系统内电气设备由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

21、，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 gt L b L 代替。 考虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可略去雷电通道波阻的影响。由于避雷 线的分流作用，流经杆塔的电流将小于雷电流。 gt i L i (3-5) gtL ii 其中

22、称为分流系数。塔顶点位可由下式计算 td u (3-6) gt L tdchgtgtch Lgt di di uRiLR iL dtdt A 以代入，则塔顶电位的幅值为 2.6 LL diI dt td U (3-7) 2.6 gt tdLch L UIR 其中为雷电流幅值。 L I (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p 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p 过地区的地形地貌等因素有关，且山区的绕击率是平原

23、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，/ 2 d Z d Z 0 0 ZL j Z ii ZZ 流经雷击点的雷电流波为 Z i (3-8) 0 / 2 1 L Z d i i Z Z 导线上电压为，则 d u (3-9) 0 0 22 dd dZL d ZZ Z uii ZZ 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

24、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)25/ d UIhs 式中-雷电流幅值，kA；I -导线平均悬挂高度，m； d h -雷击点至线路的距离，m。s 从上式可以看出感应过电压的幅值与雷电流的幅值 I 和导线平均高度成正比， d h 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

25、电线路，大多存在近距离落雷，此时的感应过电压为7： (3-11) d UahkV 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 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

26、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

27、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 50 U 50 U 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

28、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，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

29、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 1mA U 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8/ 20 s 额定残压）与工频参考电压之比。通过冲击大电流时的残压低，直接反映

30、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 1.2 m u1000s 1.3 m u100s 1.4 m u10s 最大允许工作电压 m u (7) 保护比 氧化锌避雷器的保护比 K 定义为： (3-12) = K 额

31、定残压压比 最大长期工作电压峰值荷电率 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。 1 g 2 g 1 r 2 r C R 图 3-2 氧化锌串联间隙原理图 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

32、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，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 1 s 2 s 图 3-3 管

33、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 2 工作母线 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

34、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

35、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/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。

36、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”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

37、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

38、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

39、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

40、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

41、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

42、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，从而降低了污秽地区绝缘 子的运行维护费用。 4) 不易

43、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。 第第 4 4 章章避雷器的设计避雷器的设计 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)

44、 结构特征代号 W无间隙； 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

45、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，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。

46、 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

47、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

48、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。 4.2.2 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

49、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 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

50、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

51、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

52、式避雷器在间隙击穿后，它的端电 压具有一定数值的电压降而不会降为零，该压降是雷电流流过非线性电阻时产生的， 称为残压。残压的大小决定了避雷器的保护水平。管型避雷器动作时电压是一个截 波，然后持续几十毫秒（几个周波）存在着高频振荡电压。 不同类型避雷器有不同构造的熄弧装置。阀式避雷器的间隙依靠与其串联的非 线性电阻片的配合把续流限制在一定的数值以下，使电弧熄灭。而管型避雷器内部 装有产气材料，当雷电流通过时会产生大量的高压气体，以此将电弧吹断。 避雷器的恢复过程就是指在它的间隙中去游离的过程。在这一过程中，充满在 间隙气体中的离子和自由电子迅速消失，绝缘强度在几毫秒内得到恢复，这时间隙 再度处于

53、绝缘状态，保证了电网的正常运行17。 无间隙氧化锌避雷器的限压作用是靠ZnO电阻片来实现的ZnO电阻片的伏安 特性曲线非常优越，在工作电压下，泄漏电流只有毫安数量级，而且基本上是容性 分量，接近绝缘状态。过电压发生时，电阻变得极小，便于释放能量。能量释放之 后，电阻片又自行恢复到最初的高阻状态。由此可见，氧化锌避雷器在工作中是不 产生电弧的，它工作的全过程只包括限压和恢复两个步骤。 第第 5 5 章章避雷器设计计划书及设计图纸避雷器设计计划书及设计图纸 5.1 设计计划书 (1) 额定电压 避雷器额定电压的选取一般电力系统的暂过电压为基础，通常按单相接地同时 甩负荷条件规定避雷器的额定电压，根

54、据近些年无间隙氧化锌避雷器在国内的实际 运行情况，GB11032交流无间隙金属氧化物避雷器标准中额定电压值进行选取， 35kV 系统用避雷器额定电压取 51kV。 (2) 绝缘配合和避雷器和保护水平 避雷器的绝缘配合和保护水平在 GB11032 中有详细的分析和规定，以 35kV 系统电站和配电型避雷器的分析计算为例，在输变电设备中变压器价格昂贵，而其 中雷电冲击绝缘水平最低，可以此为绝缘配合设计依据。 无间隙金属氧化物避雷器的保护水平完全由它的残压决定，其雷电过电压保护 水平是下列两项数值中的较高者。a.陡波冲击电流下的最大残压除以 1.15；b.8/20 标称放电电流下的最大残压。 对氧化

55、锌避雷器而言，其陡波冲击电流下的残压一般不超过标称放电电流下残 压的 1.15 倍，因此绝缘配合主要考虑标称放电电流下的保护水平。按 GB311 有关 规定，35kV 变压器雷电冲击绝缘水平为 200kV，绝缘配合系数取 1.5。 本次设计避雷器保护水平的最高值按 GB11032 所规定的最高值选取，由于变 压器等电气设备的基本绝缘水平已确定，在保证一定的绝缘配合裕度之后，避雷器 的保护水平（残压值）也随之确定，过份降低避雷器残压对保护设备已失去意义， 反而会降低避雷器本身的运行可靠性，因此，我们按 GB11032 选取残压，而对于 并联电容器保护用避雷器，主要考虑操作冲击的绝缘保护，由于操作

56、冲击保护水平 较低，其标称雷电冲击保护水平实际低于电站型避雷器，考虑到非有效接地系统避 雷器运行条件比较苛刻，需要避雷器有较高的参考电压和额定电压，设计中避雷器 的残压接近普阀式避雷器，但由于没有间隙，对某些操作限制上有很好的效果，优 于普阀式避雷器，同时由于没有了间隙，避雷器性能稳定，检修维护量也小了很多。 (3) 容量特性 1) 标称放电电流 根据 GB11032，本次设计标称入电电流为 5kA。 2) 大电流冲击耐受特性 大电流冲击耐受主要考核避雷器在更大的雷电流下的稳定性，特别是考核阀片 侧面绝缘的防外闪能力，按 GB11032 的修订意见，本次设计的大电流冲击耐受提 高到 65kA。

57、 3) 2000s 方波电注冲击耐受 避雷器在线路合闸，重合闸，切事空载长线和并联电容器组及在弧光接地等情 况下要吸收操作过电压能量，对中性点非有效接地系统，GB11032 规定进行 2000s 的方波冲击电流试验。 4) 结构设计 氧化锌避雷器的整体结构的设计主要考虑机械强度，密封性能，内部连接方式， 外形结构，防爆结构，伞套爬距等，结构设计上主要参考了国内外其它厂家的产品 进行设计和改进，产品的结构设计见产品图纸，根据避雷器实际运行情况的调查分 析，绝大部分避雷器引起故障的原因是因为密封不良而造成，因此本次设计特别是 产品的密封结构上进行了独特的改进，复合外套避雷器采用了定位密封和双重密封

58、。 5) 特性参数 从以上计算，可以提出本次设计的氧化锌避雷器的主要技术参数，产品的其它 性能均按 GB11032 的要求规定要求。 6) 水平比较 本次设计的氧化锌避雷器，能量容量（通流容量）大，2ms 方波通流为 400A（56 阀片），优于国内大多数厂家的水平，达到国内先进水平，在保护水 平上，按 GB11032 设计，相当于国内大多数厂家的氧化锌避雷器水平，但就避雷 器的残压比而言，也已达到办先进水平，优一般厂家，我们不降低避雷器的保护水 平，主要在希望尽量提高避雷器的参考电压，以利于避雷器的本身的安全可靠运行， 由于运行的避雷器故障大多出在密封问题上，这次在密封设计上进行了独到的改进

59、， 更利于避雷器的安全运行，本次设计的氧化锌避雷器老化好，暂过电压耐受能力强， 在一相接地情况下仍可长时间连续工作，可能随 3 倍以上的谐振和弧光接地过电压 的作用，运行可靠性高，避雷器吸收操作过电压的能力已接近磁吹避雷器的保护水 平，远优于 FS、FZ 型普阀式避雷器。 5.2 避雷器设计说明 (1) 间隙选择18 在线路避雷器长期的研究生产和使用中，人们发现了有间隙线路避雷器存在一 些缺陷，由于复合绝缘子的雷电耐压水平低于瓷绝缘子，在发生雷击时被保护的复 合绝缘子仍有可能发生闪络。降低间隙雷电放电电压的适应度可以缩小放电间隙的 放电距离，但是会造成操作电压幅值较高，流过避雷器本体元件的操作

60、过电压电流 就会增大，则需要选用大尺寸的电阻片，但是会直接提高生产成本。 目前国内使用的串联间隙避雷器瓷环主要是电阻性瓷环和电容性瓷环。电阻性 瓷环是以陶瓷为基体，在外表面涂上高电阻的釉面，里面和端面涂上银粉的的接触 面和电极，具有放电稳定的特点。但是发热大，容易热崩溃，而且在高频的时候无 法配合。电容器瓷环就是采用瓷体本身做结构和电性能载体，在高频下可以很好的 配合，但分散性大。述两种间隙都容易受杂散电容的影响，影响避雷器的动作参数。 从 20 世纪末，我国开始开发研制无间隙线路避雷器，并取得较好的运行效果。 现在普遍采用硅橡胶复合外套金属氧化物避雷器。它可以较易地装设在杆塔上，给 避雷器在