关键词：过电压实用技术架空绝缘线路
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1引言
城市配电网络大量采用架空绝缘电缆线路，全国关于运行中的线路发生雷击断线和绝缘子击穿事故的统计数量呈急剧上升趋势。试验研究和实际事故原因分析证实：架空绝缘电缆线路雷电过电压闪络时，瞬间电弧电流很大但时间很短，仅在架空绝缘电缆绝缘层上形成击穿孔，不会烧断导线。但是，当雷电过电压闪络，特别是在两相或三相（不一定是在同一电杆上）之间闪络而形成金属性短路通道，引起数千安培工频续流，电弧能量将骤增。此时，由于架空绝缘电缆绝缘层阻碍电弧在其表面滑移，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点而在断路器动作之前烧断导线。[1,2]
对于裸导线，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面滑移，并在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前引起断路器动作，切断电弧。因此，裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘电缆。[1]
国家电力公司发输电输[2001]7号文件《城市电网架空绝缘导线应用研讨会纪要》中特别指出：宜使用架空绝缘线路过电压保护器来防止架空绝缘电缆雷击断线事故。
本文借鉴国内外新技术，提出一种的架空绝缘电缆过电压保护实用技术和装置，命名为架空绝缘线路过电压保护器。试验和实际运行考核证实：该技术和装置具有保护特性好、安装方便、免维护的特点，使用效果良好。图1所示实际运行现场。
图1实际运行现场
2技术参数
图2保护器结构示意图
图3保护器实物图
该保护器的设计思想如下：
2.1限流元件的额定电压
限流元件用于截断工频续流，因而必须认真考虑在工频过电压下流过限流元件的电流。对于10kV系统，工频过电压一般不超过1.1√3p.u.。我们把10kV系统用的保护器额定电压定为12.7kV，限流元件直流1mA参考电压应大于18kV[3]。这样在13.2kV工频过电压作用下，如果忽略串联间隙对于工频续流的影响，理论上流过避雷器的工频续流为0.1A，计算结果表明限流元件完全能够很好地切断工频续流。由于串联间隙对小电流具有很好的切断作用，因而流过限流元件的工频续流必然大大的低于0.1A。
2.3限流元通流能力估算
按照DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐，我国一般地区雷电流幅值超过I的概率为P=10（-I/88）。雷电流可能达到的幅值与地域、时间跨度相关。从产品的雷击损坏事故来看，地域范围并不重要，可以忽略不计；至于时间跨度，应该考虑产品预期寿命周期，20年是一个大家可以接受的时间。按DL/T620-1997的推荐，对于雷暴日Td=40的地区，每100km、每年的雷击次数NL=0.28×4h(h为架空线的平均高度，m，10kV线路h=10m)，则雷电流幅值超过I的雷击次数N1=1.12h×10（-I/88），时间跨度20年、每100km的雷击次数为N2=224×10（-I/88），以基杆间距为50m计算，则每基杆、20年的时间跨度雷电过电压超过U的次数为N=0.112×10（-I/88）。由此可以计算，10000基杆、20年的时间内，雷电流超过200kA的次数为6次，考虑到配电线路一般位于市区，周围有高大的建筑物和树木的屏蔽作用，可能的雷击次数一定大大小于6次，但从严考虑仍以6次计。
虽然感应雷电流幅值为200kA，但流过保护器的雷电流极少，按规程选择接地电阻30Ω，使用EMTP暂态计算程序，模拟计算结果为流过保护器的雷电流幅值不超过16kA。我们选用D3阀片，它能承受2次65kA的大电流冲击，若设计目标仅考虑200kA及以下的安全性，那么每基杆都安装保护器、20年内，保护器的雷击损坏率约为6/10000，其安全裕度是很大的。若每间隔一基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为1.2‰。而每间隔四基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为2.4‰。为保证保护器的安全运行，因而建议对人口密集地区或雷电易击区，每基杆安装一组保护器，这样20年内雷击损坏率为6/10000，而对于一般地区，则每隔3-5基杆安装一组保护器，则20年内雷击损坏率约为3‰。
同样根据计算[4]，10基杆之外雷电过电压通过保护器的电流已经非常小，其影响可以不计，因而保护器不能每间隔10基杆安装一组保护器，这样不但10基杆之外的雷电过电压不能消除，而且保护器的雷击损坏率为1.2，雷击损坏率太大。
2.3串联间隙
保护器的串联间隙距离关系到保护器的保护特性，要求满足：
（1）在雷电过电压作用下通过与绝缘子的合理配合，串联间隙应可靠动作，保证绝缘子不闪络；
（2）能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿；
（3）即使在污秽、安装偏置的情况下不明显改变间隙的放电特性。
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，串联间隙的距离越小越好，这样在雷电冲击下发生被保护绝缘子闪络而串联间隙不放电、保护失败的可能性越小。但是与(2)的要求相矛盾，因而间隙不是越小越好。若以绝缘子闪络率不超过5/100000为依据，按国标规定雷电冲击相对标准偏差0.03进行推算，要保证绝缘子闪络率要求，雷电过电压应小于0.88倍绝缘子50雷电冲击闪络电压，同理要保证保护器不动作概率小于5/100000，那么保护器串联间隙50雷电冲击闪络电压应小于0.88倍的雷电过电压。由此可知要保证保护器可靠动作而绝缘子不闪络，要求绝缘子50雷电冲击闪络电压至少要比串联间隙50雷电冲击闪络电压高出25.6以上，即绝缘配合系数应为1.256，这一绝缘配合系数与前苏联的绝缘配合系数一致[5]。
从能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿这一点来看，串联间隙应足够大，但这又与（1）相矛盾。以10kV为例，串联间隙应可靠耐受1.1√3p.u.，即13.2kV，它必须考虑各种不利的气候条件，如雨、雾、冰等，按照上面所述，绝缘配合系数必须大于1.256，再考虑海拔高度的影响，以海拔1km作为参考，应增加10，即绝缘配合系数为1.38。
至于污秽、安装偏置，在各种可能的情况下经多次试验得到如下结论：在一定的串联间隙，引流环与绝缘子间平均相距25mm下，污秽、安装偏置对放电特性没有太大的影响，可以不予考虑。
2.4操作过电压对保护器的影响
保护器在投入使用过程中，不可避免地要受到操作过电压的影响。对于10kV系统，最严重的情况是开断前系统已有单相接地故障，使用一般断路器操作时产生的过电压可能超过4.0p.u.,即39kV。也就是说，在最大操作过电压39kV下，串联间隙不能被击穿，保护器不应动作。
在考虑以上要求之后，对于PQ2绝缘子保护器技术指标与保护性能如下表：
表1保护器技术指标
额定电压
（kV）
2mS方波电流（A）
标称放电电流下残压（峰值，kV）
直流参考电压（kV）
12.7
≤150
≤36
18
表2保护器技术指标与保护性能
串联间隙
mm
工频放电电压（有效值，kV）
波前冲击放电电压（峰值，kV）
1.2/50μs冲击放电电压（峰值，kV）
100±5
≥50
≤200
≤110
3过电压保护器保护效果
通过对300支、七个易遭雷击断线地区试用保护器实际使用效果的跟踪，使用保护器后没有发生一起雷击断线事故。这足以说明架空绝缘线路过电压保护器保护效果良好，现在许多地区开始大批量地使用。
4结论
5．1该保护器可以有效防止架空绝缘电缆雷击断线事故，并且安装方便，20年内，保护器的雷击损坏率为6/10000。
5．2保护器的串联间隙的确定不仅要考虑串联间隙与绝缘子50的雷电冲击闪络电压的配合，而且要考虑工频过电压、操作过电压对保护器的影响。因而对不同的绝缘子保护器的串联间隙可能是不同的，以确保保护器的保护特性。
5．3保护器限流元件阀片直径的选择要通过对流过保护器限流元件的雷电流幅值及限流元件吸收雷电流能量进行仔细的校核进行确定。对于10kV系统，在每一基杆安装一组保护器，要求电杆接地电阻小于30Ω。
参考文献
1北京供电局中压架空绝缘线路防雷问题北京：北京供电局资料
2罗俊华、张锦秀等35kV及以下架空绝缘电缆过电压保护技术《高电压技术》2000年第3期
3电力行业标准DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，电力出版社，1997
4西安交通大学王秉钧金属氧化物避雷器水利电力出版社，1993
5水利电力部电力设备过电压保护设计技术规程SDJ7-79水利电力出版社，浙江省电力试验研究所，1997
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