突破关键技术确保1000kV特高压避雷器可靠运行
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摘要：文章介绍了避雷器的结构及主要技术参数，阐述了1000kv特高压避雷器的关键技术：保护特性、老化特性、机械特性、电流分布、电压分布、能量吸收能力及瓷套的整体成型和噪声及表面电场强度的控制。
关键词：特高压；氧化锌避雷器；电压分布：抗震试验；压力释放能力；电场强度
中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1009 2374(2011)01-0064-02
随着我国经济的持续、高速发展，电力能源供求矛盾日趋尖锐。跨区域、大容量、长距离输电工程迎来了快速发展的时期。避雷器是电力系统中重要的保护设备，能够限制系统的过电压，降低系统的绝缘水平。广泛应用于各个电压等级的电力系统中，极大地提高了电力系统的稳定性。由于1000kV特高压系统电压等级很高，相关设备制造的体积和造价及其运行的可靠性，在很大程度上取决于系统的绝缘水平，因此研制性能优异的避雷器，对于建设技术先进、经济、运行可靠的特高压电网具有深远而重大的意义。
根据国家电网公司《1000kV系统用瓷外套无间隙金属氧化物避雷器技术规范》，抚瓷公司对1000Kv特高压系统用氧化锌避雷器进行设计、研制，对1000kV避雷器的关键技术：保护特性、老化特性、机械特性、电流分布、电压分布、能量吸收能力及瓷套的整体成型，噪声及表面电场强度的控制等多方面进行了分析、研究；结合我厂已生产供货的500、750kV避雷器技术特性，制定了1000kV超高压系统用的氧化锌避雷器的设计方案及生产工艺流程。
1 1000kV避雷器结构特点
避雷器总高13125mm，元件高度2360mm，瓷件为大小伞、伞下无棱光伞结构。最大外伞径φ750mm，总重7500kg。避雷器由5节相互独立元件串联组成，每节元件之间由垫板隔开，避雷器上部装有一均压环，下部通过绝缘底座与基础相固定。均压环为四环三层结构，材质为铝合金。最大环外径φ3660mm，下潜深度2300mm，铝管外径φ200mm。
避雷器元件内部采用φ136mm电阻片四柱并联结构，每节元件内的四柱电阻片由均流连接板将其分成5组；每组由8-9片串联4柱并联，以保证电流分布系数小于1 08。避雷器用瓷套内径m500mm，外径φ600mm：大伞伸出75ram、小伞伸出55mm、伞间距80mm，单节最小爬电距离6600mm，避雷器爬电距离不小于330000mm。
2 1000kV避雷器关键技术
2.1 高性能电阻片的应用
由于1000kV避雷器用电阻片对通流能力、伏安特性、压比性能等均要求较高，针对这些特点，采用了新的电阻片配方，配方组成上减少了影响通流能力的不良组分，合理优化各组分元素的添加量，制定合理的制作工艺，使配方各方面性能有了很大提高。
氧化锌电阻片直流1mA参考电压电位梯度的提高(每毫米240～260V)有效降低了电阻片的压比，增加了单个电阻片的能量吸收能力。电位梯度的提高减少了电阻片的数量，使避雷器的本体电容量增加，这对避雷器的电位均匀分布是有利的：
(1)氧化锌电阻片压比的降低，抚瓷公司依据现有氧化锌避雷器所用的高性能配方为基础再进行调整和完善，最垫达到了K20kA
(2)随着电阻片绝缘釉的水平及制造工艺的改进，电阻片的通流能力有明显改进，单片φ136mm电阻片可通过的2ms方波通流能力达到2500A以上，电阻片的单位体积吸收能量可达295J/cm3。
(3)通过改进避雷器电阻片的热处理等工序的工艺，结合调整配方，使电阻片的老化特性得到了改善。试验结果电阻片通过了荷电率为95％、时间1000h、温度115℃的加速老化试验，老化系数为0.8。
2.2 避雷器电位分布均匀
避雷器电压分布直接影响避雷器的使用毒命。由于避雷器的总高达到13米，这使其对地的杂散电流更不均匀，如何并联补尝电容，使其电压分布均匀就尤为重要。另一方面，由于采用高梯度电阻片使避雷器所需电阻片串联数量减少很多和四柱电阻片并联的结构，从而避雷器的本体的电容量大大增加，减小了杂散电流对避雷器本体的影响，这对避雷器的电位分布是有利的。这也是为什么1000kV进雷器的电位不均匀系数比500kV、750kV避雷器小的原因。
2006年10月在东北电科院户外试验场进行了避雷器的电位分布实测，试验方法为光纤一电流法。实验结论：K=0.068符合1000kV系统用瓷外套金属氧化物避雷器技术规范中带均压电容的避雷器电压分布不均匀系数不应大于0.15的要求。
2.3 电流分布均匀
为降低被保护设备的绝缘水平和避雷器高吸收能量的要求，避雷器设计成四柱电阻片柱并联的结构。由于采用多柱电阻片并联，能量在每个柱之间的平均分配是避雷器稳定运行的关键问题之一。电阻片制造工艺的因素，电阻片的伏安特性存在一定的差异。因此要保证避雷器整体的吸收能量必须使避雷器吸收的能量在各柱之间均匀分担。因为所有电阻片柱上的电压都相同，所以能量的分配等于电流的分配。由于制造的偏差，各柱之间的电流会有一定的差别，避雷器残压最低的柱会吸收比其它柱更多的能量，但通过大量的试验验证，电阻片配组时只要考虑每组电阻片U1mA值尽量相同(可控制在0.6％以内)，电流均匀分布系数β可控制在1.06以内。
2.4 避雷器通过地震烈度为8度的抗震试验
1000kV避雷器外形高大、自重达7500kg，设备的机械性能和抗震性能就显得尤为重要。产品所用瓷外套是由抚瓷公司自行研制的整体成型瓷套，瓷套外根径φ600mm，壁厚50mm最小可以承受抗弯强度300kN・m。2010年11月在中国建筑科学研究院试验基地进行了避雷器抗震试验。避雷器为无隔震结构，地震烈度8度水平加速度0.18g、垂直加速度0.12g，地震波为正弦、共振拍波。
2.5 避雷器具有可靠的压力释放能力
1000kv避雷器的压力释放结构吸收以往成熟的经验，采用了双面压力释放结构和大面积、低压强释放装置。在结构上采用了应力集中设计，增加了气体流通面积和加装隔弧筒，减小了动作时延，保证了避雷器压力释放装置可靠、准确的动作，使避雷器在任何意外及故障情况下，安全释放内部压力，不致引起和扩大事故效应，提高了产品的自保护性能。1000kv避雷器于2006年12月在西安高压电气研究所通过了大电流50kA 0.2s、25kA 0.2s、12kA O.2s和小电流800A 2s的压力释放试验。
2.6 避雷器的噪声及表面电场强度
随着电压等级的不断提高，噪声及电场干扰越来越受到重视。抚瓷公司避雷器采用φ200mm的大管径均压环有效的降低噪声及电场干扰。产品结构与西安交通大学进行避雷器表面场强及距地面1.5m最大场强计算验证。计算结果完全满足国网公司所提的标准，结论如下：
(1)在施加635kV最大相电压的情况下，均压环表面电场强度最大为11.2kV/cm在最下环。因此，均压环表面电场强度在最大运行相电压时是非常低的，不会产生电晕或者放电，因此是安全可靠的。
(2)各阀片承担电压是比较均匀的，避雷器阀片的电场强度最大值为0 79kV/cm，因此阀片的工作条件是安全可靠的。
(3)瓷套表面最大切向电场强度值为1.79kV/cm，小于4kV/cm。这对于瓷外套绝缘来说是能够避免闪络发生的，因此从瓷套的角度来讲，该氧化锌避雷器是可以安全可靠运行的。
(4)在目前的结构尺寸下，当此氧化锌避雷器正常运行时，在1.5m高处的电场强度最大值为9.356kV/m，满足了小于10kV/m的要求。
3 结论
通过对1000kv避雷器用高性能电阻片多处并联情况下的保护性能、老化性能、电流分布特性和产品整体的点位分布、抗震性能、压力释放、避雷器表面噪音和电场强度等方面的研究，掌握了1000kV避雷器用高性能电阻片的研制技术，能够研制出满足特高压交流系统用避雷器。
参考文献
[1]国家电网，公司.1000kV交流特高压试验示范工程主设备技术条件书IP-10[S].2006
[2]洱胜昌，郭洁.1000kV交流系统用氧化锌避雷器三维电场计算报告[R]2007.