帶串聯間隙配網線路避雷器間隙距離確定方法

徐肖偉，尹東，聶鼎，楊少鋒，牛力宵，李永卿，彭應超

（1. 云南電網有限責任公司云南電力科學研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司云南臨滄供電局，云南 臨滄 677099；3. 云南電網有限責任公司云南紅河供電局，云南 紅河 651400）

0 前言

用于線路防雷的避雷器類型有多種，例如多腔室避雷器、大通流避雷器、無間隙避雷器、帶串聯間隙避雷器，但歸結類型終為兩類：一種是帶串聯間隙或純間隙型，另一種是無串聯間隙型。

帶串聯間隙避雷器是由避雷器本體和外間隙串聯組成，避雷器本體只有在間隙放電時才承受雷擊過電壓和工頻電壓。正常運行不動作時，由于間隙的隔離作用，避雷器的電阻片不承擔任何電壓，也就無劣化問題，因此帶有串聯間隙避雷器具有可靠性高、壽命長等優點，在配網線路防雷上得到了大面積的應用，其中帶串聯間隙型的間隙距離直接決定了避雷器的防雷效果[1-4]。帶串聯間隙的避雷器在雷擊時應能可靠擊穿動作，而運行中配網線路使用的帶串聯間隙避雷器大多數僅給出了粗略的間隙距離，設備安裝時不同產品的間隙距離差距較大，帶來的后果就是無法保證避雷器正常動作，從而“放過”了一定數量的雷擊過電壓，造成雷擊侵入到線路末端的設備。

文獻[7]分析不同避雷器類型、不同桿塔沖擊接地電阻以及雷擊位置等對避雷器防護效果的影響并分析其保護范圍，提出需要每隔6～8基桿塔安裝一組避雷器的建議；文獻[8] 對比分析采用避雷線和避雷器對線路感應過電壓的防護效果，得出避雷器抑制過電壓效果更為明顯的結論；文獻[9]計算了避雷器安裝間距與線路閃絡降低百分數之間的關系曲線，建議每隔300 m 裝一組避雷器。上述文獻的研究為避雷器的安裝配置方式提供了參考指導建議，但仍存在較大的局限性：一是10 kV 線路以遭受感應雷為主，雷擊會導致附近的桿塔均可能發生雷擊閃絡，未加裝避雷器的桿塔會成為雷擊薄弱點，線路雷擊跳閘風險依然較高，在安裝密度上仍有待繼續優化；二是10 kV 線路避雷器大部分都帶有串聯空氣間隙，其防雷效果與安裝位置關系密切，放電間隙距離調節、金具安裝位置均成為防雷效果的關鍵影響因素。現有的文獻分析提供了理論的仿真分析[10-12]，但仍需要實測的試驗數據支持。

1 避雷器間隙距離確定原則

串聯間隙避雷器間隙距離的確定，需要滿足3 個條件：

1）雷電沖擊下，間隙應可靠動作，以保證被保護設備免于雷擊閃絡擊穿；

2）能夠耐受暫時過電壓和部分操作過電壓；

3）雷擊動作后，間隙間的工頻續流應在半個周波內遮斷。

對于條件（1），根據配網設備的雷電耐壓耐受水平比較，配電變壓器、電壓互感器、智能斷路器的雷電耐受均為負極性75 kV，針式絕緣子的雷擊耐受為120 kV，因此，間隙的雷電50%擊穿電壓U50應不大于75 kV，方可確保被保護設備；對于條件（2），由于工頻過電壓持續時間較長，其能量遠遠大于雷擊過電壓的能量，線路在間歇性接地故障時導致的弧光過電壓，其過電壓最高可達3～5 倍相電壓的工頻過電壓[5]，在諧振過電壓下，基頻諧振過電壓約3倍相電壓、高頻諧振過電壓最大為4～5 倍相電壓[6],由此可見，其過電壓幅值最高為28 kV，因此串聯間隙在28 kV 操作過電壓下不應動作，以避免較大工頻過電壓能量帶來避雷器的不必要的損壞。

2 串聯間隙距離的實驗分析

2.1 實驗裝置和方法

實驗采用400 kV 雷電沖擊發生器，試品為一可調間隙的串聯間隙避雷器，并聯一支P-20 型針式絕緣子。如圖1 所示。雷電發生器空載輸出的電壓波形為1.2/50 μs 標準雷電波，如圖2 所示。

圖1 雷電沖擊實驗裝置

圖2 標準雷電波輸出波形

圖3 系統結構

2.2 U50法確定間隙距離

對不同的間隙距離開展雷電沖擊實驗，采用高電壓領域常用的50%擊穿電壓法來確定不同間隙對應的正負極性雷電沖擊電壓值，選取6.6 cm、5 cm 兩個距離。實驗在高海拔2000 m實驗室進行，溫度范圍在14℃～18℃、濕度為35%，串聯間隙的球隙等效直徑為2.5 cm，試驗結果如表1 所示。

表1 不同的間隙距離對應的雷電沖擊電壓

典型的帶串聯間隙的避雷器在雷電沖擊試驗的波形如圖4 所示。

圖4 串聯間隙的避雷器在雷電沖擊試驗的波形

帶串聯間隙的避雷器在過電壓動作時，可關注兩個電壓值，一是間隙擊穿時的電壓峰值，由于間隙的時延特性，其擊穿時的電壓遠遠高于避雷器的殘壓值，即會出現一個幅值較高的尖峰，一旦間隙擊穿產生電弧，間隙兩極相當于短路，此時電壓值為避雷器閥片的殘壓，此類型避雷器內部有2 片閥片，其殘壓值約為21 kV，即擊穿后，其殘壓值穩定在21 kV，保護了其他設備的運行安全。

2.3 合適的間隙距離確定原則

以5 cm 的間隙距離可認為是較為合適的間隙距離。主要原因一是該距離下無論正負極性的過電壓，均可以限制正在75 kV 以下，可避免超過一次主設備出廠耐壓值的雷擊電壓在線路中傳播。二是該間隙下的工頻耐壓值為44 kV，遠高于系統中有可能產生的工頻過電壓，在安全的工頻過電壓下，該間隙可確保不會動作。

3 結束語

本文通過實驗分析了配網用帶串聯間隙線路避雷器的間隙距離確定方法，獲得以下結論：

1）帶串聯間隙避雷器在雷電沖擊下會有較高的擊穿電壓，由于空氣間隙的時延特性，其幅值主要由間隙距離決定，與避雷器閥片數量無關。

2）帶串聯間隙避雷器擊穿后的殘壓值，全部由避雷器閥片決定，與間隙距離無關。

3）帶串聯間隙避雷器的間隙距離選擇5 cm較為合適，該間隙下的U50電壓約為75 kV，可以較好地保護一次設備，又能隔離工頻過電壓，不至于引起避雷器的頻繁動作而損壞。