刘青花 张福林
保定电力修造厂 河北 保定 071062
随着电力工业的迅速发展，输电线路覆盖面的不断扩大，超高压输电线路的延伸，因雷击输电线路而引起的跳闸事故日益增多，经济损失巨大。为了减少输电线路累计跳闸事故，提高输电线路供电的可靠性，保定电力修造厂与清华大学、华北电力集团公司超高压局共同研制了一种重量轻、体积小、防污性能好、热稳定性能优越、不易受潮、运输安装维护方便的复合绝缘避雷器(下称SGMOA)新产品。该产品经国家电力公司电力设备及仪表检验测试中心的全面型式试验，各种性能指标均达到设计要求，产品通过专家评审，已挂网运行。
1 总体结构的设计及技术参数的选择
1.1 总体结构的设计
避雷器整体结构由本体和串联外间隙构成。避雷器本体分2节，串联外间隙连接在避雷器本体的下方。运行时，避雷器整体悬挂在线路杆塔横担上，用软线与线路导线连接。其结构特点如下：
(1) 水扩散试验检验合格的环氧玻璃纤维筒，挤压上硅橡胶护套，并粘上伞裙。
(2) ZnO电阻片装入已经挤压上硅橡胶护套的环氧玻璃纤维筒内，在真空状态下灌胶，在一定的温度下固化构成避雷器本体。
(3) 串联外间隙由2个环状电极固定在一段复合绝缘子上，间隙距离按照避雷器与线路绝缘子(串)的绝缘配合原则经试验确定。
1.2 主要技术参数的确定
目前，在线路杆塔顶部安装使用SGMOA，虽然在国外已有10多年研究历史，也见过有关试验技术数据的报道，但至今没有统一技术条件，为此在研制SGMOA时必须首先对其技术参数加以分析确定。
(1) 本体荷电率的选择
荷电率是SGMOA的最重要技术参数。在选择过程中SGMOA因有串联间隙隔离作用，尽量改善SGMOA本体的保护特性。考虑到只有在雷击动作后，串联间隙尚未熄弧时，系统的运行电压才作用于SGMOA本体，而且作用时间极为短暂，通常不超过1～2个工频周波，因此可以把SGMOA荷电率选择高一些，参照国外SGMOA的荷电率，所研制的500 kV带SGMOA的荷电率初步确定为0.9左右。
(2) 本体阀片直径的选用
SGMOA阀片直径选取，需考虑雷击杆塔出现的雷电电流幅值，在此取300 kA，而杆塔接地电阻值应按实际线路杆塔出现最高值70 Ω来考虑。利用EMIP暂态计算程序，通过对SGMOA本体流经的雷电流和吸收的雷电能量进行模拟计算，其流经阀片电流幅值不超过26 kA，阀片吸收能量为0.66 kJ/kV，如采用D7饼状ZnO阀片 ，按标准规定，可以耐受工频2次65 kA冲击大电流试验，阀片的雷电吸收能量及极限能量分别为3 kJ/kV和9.2 kJ/kV，其泄放雷电电流和吸收雷电能量不但满足SGMOA本体最大工况要求，而且还有一定安全裕度。
(3) 串联间隙的距离选择
SGMOA的间隙距离应在SGMOA设计时进行初选。500 kV输电线路杆塔悬垂绝缘子串长一般选择4 088 mm( 相当28片XP-16型绝缘子)，它的50%雷电冲击闪络电压一般为2 310 kV，如果雷电冲击配合间隙系数按1.2 56选取，那么SGMOA的50%雷电冲击放电电压最高值不应超过1839 kV，考虑到SGMOA的结构尺寸，选取适当的串联间隙距离。经试验，50%雷电冲击放电电压最高值为1 735 kV，其雷电冲击配合间隙系数大于1.256，符合要求。
(4) 本体爬电距离的确定
SGMOA运行地区的污秽等级一般为0～Ⅰ级，很少出现Ⅱ级，其外绝缘爬电比距应按14.5～20 mm/kV选取 ，但SGMOA本体只在雷过电压动作后，切断工频续流前，才承受1～2个周波工频电压的作用，因此SGMOA本体外绝缘的工频闪络电压有所提高，其爬电比距可降低无间隙避雷器的60%，按比值选取SGMOA本体的最大爬电比距为12 mm/kV，考虑到应有一定裕度，本体的实际爬电比距为16 mm/kV。
2 串联间隙复合绝缘避雷器输电线路电气性能及试验
2.1 避雷器在操作冲击电压作用下的特性
在避雷器外间隙距离为1.8 m，操作冲击波形为250/2 500 μs条件下，对避雷器正常和短路故障状态时承受操作过电压的能力进行了试验，试验结果见表1。
500 kV紧凑型线路计算最大操作过电压为1.8(p.u.)，即808 kV。在海拔1 000 m及以下地区，由试验结果表明，避雷器在故障状态下完全耐住880 kV的操作过电压。
2.2 避雷器短时工频电压试验
在避雷器外间隙距离为1.8 m条件下，对避雷器短时工频电压进行试验，试验结果见表2。
试验结果表明：该避雷器耐受住14倍工频过电压，10 s，修正到海拔1 000 m时，试验电压为484 kV。
2.3 串联间隙复合绝缘避雷器输电线路耐雷水平
SGMOA是杆塔上的防雷设备，需对其防雷效果及杆塔电阻值对耐雷水平的影响加以分析计算，才能够合理使用。通过昌房500 kV输电线路接地电阻值较高的杆塔(安装了SGMOA)的实际计算，其耐雷水平的提高及接地电阻对耐雷水平影响的趋势图1所示。
从图1可以看出接地电阻值超过15 Ω无SGMOA的杆塔，其耐雷水平小于174 kA，而且随着杆塔接地电阻增高耐雷水平明显降低。安装SGMOA的杆塔虽然随着电阻值增大耐雷水平有所降低，但都远高于规定的耐雷水平，即高电阻的杆塔其耐雷水平为规定耐雷水平的1.15倍以上。与杆塔接地电阻值相同而无SGMOA的杆塔耐雷水平相比，其接地耐雷水平提高2.5倍以上。
3 串联间隙复合绝缘避雷器的机械性能
避雷器本体分为2节，每节的功能部件ZnO电阻片通过压簧组装在外有硅橡胶伞套的环氧玻璃纤维筒内，筒内空隙采用真空灌封、固化工艺形成整体，两端金具用粘接剂与环氧玻璃纤维筒粘牢。避雷器本体2节间采用螺栓连接，避雷器本体上节上端插头金具与杆塔连接，下节下段通过球头金具与串联外间隙相连。避雷器串联外间隙由2个环状电极固定在一段复合绝缘子上(采用目前生产的220 kV线路用的复合绝缘子)，其安装长度根据间隙距离要求确定，该复合绝缘子上端采用球窝与避雷器本体下节球头连接。
3.1 本体支撑部件的结构尺寸
避雷器本体的支撑部件为环氧玻璃纤维筒，环氧玻璃纤维筒用作避雷器在运行中抗拉、抗弯和ZnO电阻片的机械防护、支撑部件。
已知避雷器本体所用ZnO电阻片的直径为75 mm，选用长度为926 mm，内径为80 mm的环氧玻璃纤维筒，因此ZnO电阻片芯柱与环氧玻璃纤维筒内壁缝隙约为2.5 mm(以使灌封胶流动，达到ZnO电阻片芯柱与环氧玻璃纤维筒内壁密封粘接的要求)。在环氧玻璃纤维筒内壁(圆周方向)均布3条竖肋，以保证ZnO电阻片组装过程中的定位。
3.2 本体支撑部件的机械性能校核
该避雷器系悬挂式，所以在运行中只承受拉伸负荷。而且避雷器在运行中，除本身自重和冰载外，不承受任何机械载荷，因此，有关技术条件中规定，避雷器的额定拉伸负荷取为避雷器本身自重的15倍，所以避雷器的额定拉伸负荷取为40 kN。避雷器本体支撑部件环氧玻璃纤维筒的外径和壁厚是根据以上要求确定的。拉伸试验结果表明，所用的环氧玻璃纤维筒的根部额定拉伸负荷只是根部破坏压应力的40%，而且破坏发生在环氧玻璃纤维筒与端部金具的粘接处。
一般情况下，该避雷器不会承受弯曲载荷的作用，但考虑到运行中悬挂金具可能出现的“卡住”现象，环氧玻璃纤维筒可能承受弯曲载荷的作用。校核结果表明，在覆冰厚度2cm，风速35 m/s时，其根部弯曲应力为破坏应力的3.1%。
500 kV带串联间隙的复合绝缘避雷器已通过全部型式试验，并已通过专家评审鉴定，于1999年10月在北京500 kV紧凑型线路昌房线挂网运行，运行效果良好，受到用户的好评。
4 结束语
(1) 接地电阻值高的杆塔安装SGMOA可以限制雷击杆塔时绝缘子上的电压差升高，从而有效防止由于反击引起的线路跳闸故障。
(2) SGMOA其结构及运行状况与目前有成熟运行经验和标准的无间隙避雷器不同。因此在研制过程中应对其技术性能参数加以分析确定，确保SGMOA的性能质量。
(3) SGMOA本体的爬电比距考虑了其动作过程中实际承受工频电压作用时间短暂这一因素。
(4) 计算分析表明SGMOA可以明显提高线路耐雷水平。
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