新型避雷器脱离装置用脱离器的研究

引言

脱离器作为避雷器的一种常规附件,与避雷器串联使用。当避雷器出现异常故障时,若避雷器中流过的工频短路电流过大,则会让脱离器动作,接地端脱开,避雷器退出系统运行,以避免出现线路短路跳闸现象,阻止事故进一步扩大,且给出清晰可见的问题避雷器脱离标记,方便维护人员及时发现问题设备并进行维修或更换。脱离器作为有效的脱离手段已被应用于各种避雷器。在欧洲、美国、日本等发达国家及地区的电力系统中,避雷器用脱离器的应用相比国内起步早,且发展更为迅速,配电类避雷器及线路悬挂式避雷器均安装了脱离器。目前在国内,脱离器仍未大范围应用在各个区域和领域内。

目前,国内35kV及以下电压等级各型避雷器在农网、电厂、地铁和变电所等关键场所已经广泛应用:对于无间隙线路避雷器,由于安装地点多为城郊、野外、山区等交通不便利、人烟稀少的区域,巡检代价高、维护成本大,即便有新的巡检方式,如无人机、在线远传等,也由于避雷器的重要程度不高和检验手段不多等因素,需要更加免维护的保障。

近年来,对于脱离器在线路避雷器上的应用需求,已经不局限于35kV及以下电压等级,而是逐渐扩展到高电压等级。国内目前已有不少带脱离器的避雷器在运行,但因成本和制造水平的原因,在使用过程中出现了很多问题,不能完全满足使用要求。基于此,本文着重介绍了一种新型脱离器。

1当前脱离器存在的主要问题

脱离器安装的效果是在避雷器发生故障时防止事故的进一步恶化,且有利于对设备的完好程度进行辨识。目前,在国内的实际应用过程中发现脱离器存在运行可靠性不够高的问题,其中典型的可靠性问题有:拒动作(即避雷器发生故障但脱离器未发生脱离）、误动作(即避雷器完好而脱离器发生脱离）等。经过分析,常见故障的主要原因有以下几个方面:

(1）脱离器的密封性能。胶合面漏水、外壳龟裂、电极气孔、受力后外壳或粘接面破损都会对脱离器的密封性能造成影响,导致水分或水蒸气进入。通过脱离器泄放过电压能量时内部的水分会被加热而瞬间汽化,因此产生水锤效应,脱离器脱落导致误动作。

(2）脱离器外壳质量欠佳。其外壳多使用塑料外壳或胶木,经长时间日晒和雨水侵蚀会出现外壳老化情况,导致开裂,外壳与金属电极胶合的环氧树脂出现裂缝,密封性能下降。

(3）脱离器机械强度不满足长期使用要求。脱离器在安装过程和运行时需要耐受一定的机械力,重点是安装过程中脱离器的抗扭强度和长期运行时的拉伸强度。抽样数据表明,许多脱离器在承受安装时的正常扭矩后,内部间隙结构及尺寸就会发生变化,电气性能也会相应受影响。另外,常规安装方式下脱离器受到线路运行的舞动和风摆影响,在紧固连接的状态下,外壳会因机械应力的累计作用发生破裂。

(4）脱离器内部的间隙结构设计不合理,承受多次大电流后,间隙烧毛后发生拒动。

(5）动作电流设置不可控。流过脱离器的电流仅为毫安级时脱离器发生动作(当避雷器在户外淋雨时,其漏电流可达到毫安级）,会出现避雷器未损坏时脱离器发生脱离的误动作。

2新型脱离装置用脱离器的研制

2.1脱离装置结构

本文论述的脱离器用于新型脱离装置,新型脱离装置由连接板A、支撑绝缘子、连接板B、连接板C、颜色标记及脱离器组成(图1）。脱离装置可用于330kV及以下电压等级的线路避雷器产品,分散性小,安装方便,机械性能可靠,脱离标记明显,而脱离装置的主要电气元件为脱离器,脱离器的性能对脱离装置有关键性作用。

2.2现行标准对脱离器性能的要求

在现行的脱离器标准中,如《交流电力系统金属氧化物避雷器用脱离器》(NB/T42059一2015）和《交流无间隙金属氧化物避雷器》(GB/T11032一2020）均对脱离器的基本性能提出了要求:

(1）电气耐受性能。脱离器的常规使用条件与避雷器完全相同,使用过程中若避雷器不发生损坏,脱离器就不应发生动作,脱离器在持续运行电压下或承受各种正常过电压时,不应发生动作,耐受各种冲击电流的能力应与避雷器相同。标准中的规定为:脱离器和避雷器的要求一样,必须通过动作负载和额定重复转移电荷两项试验,而其中动作负载试验包含了较为重要的大电流冲击耐受试验,以上试验就是模拟避雷器正常工作时需能耐受的工况。

(2）机械性能。脱离器应具备一定的机械性能,包括耐受额定拉伸负荷、额定弯曲负荷和扭转负荷。《交流电力系统金属氧化物避雷器用脱离器》(NB/T42059一2015）中分别给出了三类机械强度需满足的最低指标或计算方式,分别为不低于1000N的拉伸负荷、不低于500N的弯曲负荷以及不低于20N·m的扭转负荷。

(3）动作性能。避雷器出现问题(典型的为出现工频故障电流）时,脱离器应具有良好的动作特性,就是能够准确、及时、可靠地动作,避免发生恶性事故。脱离器发生脱离后,脱离点应有明显、安全的绝缘距离,避免高压端与地之间无法耐受工频电压而发生二次短路事故。安秒特性试验是验证脱离器动作性能的重要试验。

(4）密封性能。脱离器在实际运行过程中与被串联避雷器具备同样的外部环境,因此,脱离器须耐受与避雷器相同的密封条件。在结构设计中,尤其需要考虑因密封不良带来的潮气浸入,继而引起脱离器性能劣化造成的误动作。标准中以温度循环和密封试验进行考核。

2.3新型脱离装置用脱离器的性能指标和结构

2.3.1新型脱离器的性能指标

依据2.2中的标准,提出了新型脱离器的性能参数:

(1）额定重复转移电荷:28。

(2）大电流耐受(动作负载）:100Ck。

(3）弯曲负荷:5A0N:拉伸负荷:1000N:扭转负荷:

20N·m。

(4）温度循环和密封试验。

(5）动作试验(20/200/800k）。

2.3.2新型脱离器的结构

根据以上因素,设计新型脱离器结构如图2所示,其等效电路图如图3所示。

2.3.3新型脱离器的特点

新型脱离器具备以下特点:

外壳采用特种脆性金属,可以保证良好的机械性能,同时设置薄弱点,可以有效脱离:

(2）内部采用特制的线性电阻元件,具备可控的安秒特性:

(3）间隙设置电应力分散通口,可以避免放电应力集中带来的短路问题。

3新型脱离器试验方案及结论

根据上述对新型脱离器提出的性能要求,按所提性能指标对脱离器进行了试验,试验结果如表1所示。

从脱离器的试验结果来看,其各项性能满足设计需要,额定重复转移电荷满足330CV无间隙线路避雷器的能量要求,适用于33ACV及以下线路电压等级的无间隙避雷器。特制的脆性金属壳体提高了其机械性能,同时又满足

温度循环和密封性能的要求,试验结果均合格,为新型脱离装置可靠运行提供了保证。

文中所述新型脱离装置已成功在330kV线路上加装并带电运行,具体如图4所示。

图4  新型脱离装置安装示意图

4结语

本文从结构原理入手,对现有脱离器存在的不足加以研究,在现有脱离器电气和机械原理的基础上,从结构设计方面加以优化、创新,研制出了满足额定重复转移电荷2C、大电流耐受l00kA、弯曲负荷500N、拉伸负荷l000N、扭转负荷20N·m的新型脱离器,并通过满足330kV电压等级的避雷器需要的性能试验,可广泛应用于实际工程需要。

新型脱离器在现有脱离器结构的基础上改进了材料,增加了配件,这将带来成本的增加,但其提高了产品的可靠性,达到了免维护状态。同时,建议相关行业参与者和使用单位提高对脱离器的重视程度,这对于能否广泛使用质量可靠的脱离器,提高避雷器乃至线路运行的稳定性非常重要。

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