新型避雷器脫離裝置用脫離器的研究

引言

脫離器作為避雷器的一種常規(guī)附件,與避雷器串聯(lián)使用。當(dāng)避雷器出現(xiàn)異常故障時(shí),若避雷器中流過的工頻短路電流過大,則會(huì)讓脫離器動(dòng)作,接地端脫開,避雷器退出系統(tǒng)運(yùn)行,以避免出現(xiàn)線路短路跳閘現(xiàn)象,阻止事故進(jìn)一步擴(kuò)大,且給出清晰可見的問題避雷器脫離標(biāo)記,方便維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題設(shè)備并進(jìn)行維修或更換。脫離器作為有效的脫離手段已被應(yīng)用于各種避雷器。在歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)的電力系統(tǒng)中,避雷器用脫離器的應(yīng)用相比國(guó)內(nèi)起步早,且發(fā)展更為迅速,配電類避雷器及線路懸掛式避雷器均安裝了脫離器。目前在國(guó)內(nèi),脫離器仍未大范圍應(yīng)用在各個(gè)區(qū)域和領(lǐng)域內(nèi)。

目前,國(guó)內(nèi)35kV及以下電壓等級(jí)各型避雷器在農(nóng)網(wǎng)、電廠、地鐵和變電所等關(guān)鍵場(chǎng)所已經(jīng)廣泛應(yīng)用:對(duì)于無間隙線路避雷器,由于安裝地點(diǎn)多為城郊、野外、山區(qū)等交通不便利、人煙稀少的區(qū)域,巡檢代價(jià)高、維護(hù)成本大,即便有新的巡檢方式,如無人機(jī)、在線遠(yuǎn)傳等,也由于避雷器的重要程度不高和檢驗(yàn)手段不多等因素,需要更加免維護(hù)的保障。

近年來,對(duì)于脫離器在線路避雷器上的應(yīng)用需求,已經(jīng)不局限于35kV及以下電壓等級(jí),而是逐漸擴(kuò)展到高電壓等級(jí)。國(guó)內(nèi)目前已有不少帶脫離器的避雷器在運(yùn)行,但因成本和制造水平的原因,在使用過程中出現(xiàn)了很多問題,不能完全滿足使用要求?；诖?本文著重介紹了一種新型脫離器。

1當(dāng)前脫離器存在的主要問題

脫離器安裝的效果是在避雷器發(fā)生故障時(shí)防止事故的進(jìn)一步惡化,且有利于對(duì)設(shè)備的完好程度進(jìn)行辨識(shí)。目前,在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)脫離器存在運(yùn)行可靠性不夠高的問題,其中典型的可靠性問題有:拒動(dòng)作(即避雷器發(fā)生故障但脫離器未發(fā)生脫離）、誤動(dòng)作(即避雷器完好而脫離器發(fā)生脫離）等。經(jīng)過分析,常見故障的主要原因有以下幾個(gè)方面:

(1）脫離器的密封性能。膠合面漏水、外殼龜裂、電極氣孔、受力后外殼或粘接面破損都會(huì)對(duì)脫離器的密封性能造成影響,導(dǎo)致水分或水蒸氣進(jìn)入。通過脫離器泄放過電壓能量時(shí)內(nèi)部的水分會(huì)被加熱而瞬間汽化,因此產(chǎn)生水錘效應(yīng),脫離器脫落導(dǎo)致誤動(dòng)作。

(2）脫離器外殼質(zhì)量欠佳。其外殼多使用塑料外殼或膠木,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間日曬和雨水侵蝕會(huì)出現(xiàn)外殼老化情況,導(dǎo)致開裂,外殼與金屬電極膠合的環(huán)氧樹脂出現(xiàn)裂縫,密封性能下降。

(3）脫離器機(jī)械強(qiáng)度不滿足長(zhǎng)期使用要求。脫離器在安裝過程和運(yùn)行時(shí)需要耐受一定的機(jī)械力,重點(diǎn)是安裝過程中脫離器的抗扭強(qiáng)度和長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的拉伸強(qiáng)度。抽樣數(shù)據(jù)表明,許多脫離器在承受安裝時(shí)的正常扭矩后,內(nèi)部間隙結(jié)構(gòu)及尺寸就會(huì)發(fā)生變化,電氣性能也會(huì)相應(yīng)受影響。另外,常規(guī)安裝方式下脫離器受到線路運(yùn)行的舞動(dòng)和風(fēng)擺影響,在緊固連接的狀態(tài)下,外殼會(huì)因機(jī)械應(yīng)力的累計(jì)作用發(fā)生破裂。

(4）脫離器內(nèi)部的間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,承受多次大電流后,間隙燒毛后發(fā)生拒動(dòng)。

(5）動(dòng)作電流設(shè)置不可控。流過脫離器的電流僅為毫安級(jí)時(shí)脫離器發(fā)生動(dòng)作(當(dāng)避雷器在戶外淋雨時(shí),其漏電流可達(dá)到毫安級(jí)）,會(huì)出現(xiàn)避雷器未損壞時(shí)脫離器發(fā)生脫離的誤動(dòng)作。

2新型脫離裝置用脫離器的研制

2.1脫離裝置結(jié)構(gòu)

本文論述的脫離器用于新型脫離裝置,新型脫離裝置由連接板A、支撐絕緣子、連接板B、連接板C、顏色標(biāo)記及脫離器組成(圖1）。脫離裝置可用于330kV及以下電壓等級(jí)的線路避雷器產(chǎn)品,分散性小,安裝方便,機(jī)械性能可靠,脫離標(biāo)記明顯,而脫離裝置的主要電氣元件為脫離器,脫離器的性能對(duì)脫離裝置有關(guān)鍵性作用。

2.2現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脫離器性能的要求

在現(xiàn)行的脫離器標(biāo)準(zhǔn)中,如《交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器用脫離器》(NB/T42059一2015）和《交流無間隙金屬氧化物避雷器》(GB/T11032一2020）均對(duì)脫離器的基本性能提出了要求:

(1）電氣耐受性能。脫離器的常規(guī)使用條件與避雷器完全相同,使用過程中若避雷器不發(fā)生損壞,脫離器就不應(yīng)發(fā)生動(dòng)作,脫離器在持續(xù)運(yùn)行電壓下或承受各種正常過電壓時(shí),不應(yīng)發(fā)生動(dòng)作,耐受各種沖擊電流的能力應(yīng)與避雷器相同。標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定為:脫離器和避雷器的要求一樣,必須通過動(dòng)作負(fù)載和額定重復(fù)轉(zhuǎn)移電荷兩項(xiàng)試驗(yàn),而其中動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)包含了較為重要的大電流沖擊耐受試驗(yàn),以上試驗(yàn)就是模擬避雷器正常工作時(shí)需能耐受的工況。

(2）機(jī)械性能。脫離器應(yīng)具備一定的機(jī)械性能,包括耐受額定拉伸負(fù)荷、額定彎曲負(fù)荷和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷?！督涣麟娏ο到y(tǒng)金屬氧化物避雷器用脫離器》(NB/T42059一2015）中分別給出了三類機(jī)械強(qiáng)度需滿足的最低指標(biāo)或計(jì)算方式,分別為不低于1000N的拉伸負(fù)荷、不低于500N的彎曲負(fù)荷以及不低于20N·m的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷。

(3）動(dòng)作性能。避雷器出現(xiàn)問題(典型的為出現(xiàn)工頻故障電流）時(shí),脫離器應(yīng)具有良好的動(dòng)作特性,就是能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠地動(dòng)作,避免發(fā)生惡性事故。脫離器發(fā)生脫離后,脫離點(diǎn)應(yīng)有明顯、安全的絕緣距離,避免高壓端與地之間無法耐受工頻電壓而發(fā)生二次短路事故。安秒特性試驗(yàn)是驗(yàn)證脫離器動(dòng)作性能的重要試驗(yàn)。

(4）密封性能。脫離器在實(shí)際運(yùn)行過程中與被串聯(lián)避雷器具備同樣的外部環(huán)境,因此,脫離器須耐受與避雷器相同的密封條件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,尤其需要考慮因密封不良帶來的潮氣浸入,繼而引起脫離器性能劣化造成的誤動(dòng)作。標(biāo)準(zhǔn)中以溫度循環(huán)和密封試驗(yàn)進(jìn)行考核。

2.3新型脫離裝置用脫離器的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)

2.3.1新型脫離器的性能指標(biāo)

依據(jù)2.2中的標(biāo)準(zhǔn),提出了新型脫離器的性能參數(shù):

(1）額定重復(fù)轉(zhuǎn)移電荷:28。

(2）大電流耐受(動(dòng)作負(fù)載）:100Ck。

(3）彎曲負(fù)荷:5A0N:拉伸負(fù)荷:1000N:扭轉(zhuǎn)負(fù)荷:

20N·m。

(4）溫度循環(huán)和密封試驗(yàn)。

(5）動(dòng)作試驗(yàn)(20/200/800k）。

2.3.2新型脫離器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上因素,設(shè)計(jì)新型脫離器結(jié)構(gòu)如圖2所示,其等效電路圖如圖3所示。

2.3.3新型脫離器的特點(diǎn)

新型脫離器具備以下特點(diǎn):

外殼采用特種脆性金屬,可以保證良好的機(jī)械性能,同時(shí)設(shè)置薄弱點(diǎn),可以有效脫離:

(2）內(nèi)部采用特制的線性電阻元件,具備可控的安秒特性:

(3）間隙設(shè)置電應(yīng)力分散通口,可以避免放電應(yīng)力集中帶來的短路問題。

3新型脫離器試驗(yàn)方案及結(jié)論

根據(jù)上述對(duì)新型脫離器提出的性能要求,按所提性能指標(biāo)對(duì)脫離器進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從脫離器的試驗(yàn)結(jié)果來看,其各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)需要,額定重復(fù)轉(zhuǎn)移電荷滿足330CV無間隙線路避雷器的能量要求,適用于33ACV及以下線路電壓等級(jí)的無間隙避雷器。特制的脆性金屬殼體提高了其機(jī)械性能,同時(shí)又滿足

溫度循環(huán)和密封性能的要求,試驗(yàn)結(jié)果均合格,為新型脫離裝置可靠運(yùn)行提供了保證。

文中所述新型脫離裝置已成功在330kV線路上加裝并帶電運(yùn)行,具體如圖4所示。

圖4  新型脫離裝置安裝示意圖

4結(jié)語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)原理入手,對(duì)現(xiàn)有脫離器存在的不足加以研究,在現(xiàn)有脫離器電氣和機(jī)械原理的基礎(chǔ)上,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面加以優(yōu)化、創(chuàng)新,研制出了滿足額定重復(fù)轉(zhuǎn)移電荷2C、大電流耐受l00kA、彎曲負(fù)荷500N、拉伸負(fù)荷l000N、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷20N·m的新型脫離器,并通過滿足330kV電壓等級(jí)的避雷器需要的性能試驗(yàn),可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程需要。

新型脫離器在現(xiàn)有脫離器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了材料,增加了配件,這將帶來成本的增加,但其提高了產(chǎn)品的可靠性,達(dá)到了免維護(hù)狀態(tài)。同時(shí),建議相關(guān)行業(yè)參與者和使用單位提高對(duì)脫離器的重視程度,這對(duì)于能否廣泛使用質(zhì)量可靠的脫離器,提高避雷器乃至線路運(yùn)行的穩(wěn)定性非常重要。

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