李丽兰，李珊珊，刘政波

（1.郑州铁路职业技术学院，郑州 450000； 2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

基于多腔避雷器和绝缘子避雷器的架空输电线路防雷保护

李丽兰1，李珊珊1，刘政波2

（1.郑州铁路职业技术学院，郑州 450000； 2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

阐述了关于多腔避雷器以及具有绝缘子和避雷器两者性能的新型避雷器的一系列研究进展和实际野外运行经验。得出结论：MCS系统主要用于保证雷电过电压冲击放电后的灭弧动作能够顺利完成；MCS系统为开发简单高效的避雷器提供了可能；作者成功开发出了多腔绝缘子避雷器，该避雷器将MCS安装在绝缘子圆盘周围，且没有对绝缘子性能造成任何折损。运用这些新型设备保护6～40.5 kV的架空线，可在不使用避雷线的情况下防御感应过电压和直击雷的侵袭。在过去6年的实际运行经验中，MCS展现了其高效性和可靠性。

绝缘子－避雷器；防雷保护；多腔避雷器；多腔灭弧系统；架空输电线；电弧

0 引言

多间隙系统在结合非线性电阻来制作避雷器方面有比较成功的应用[1]，例如碳化硅避雷器（SiC），该避雷器广泛应用于变电站一次电气设备的保护；然而由于这类带限流间隙的避雷器无法承受直击雷的冲击，因此不适用于架空输电线路的防雷保护[2]。

笔者对多腔系统的避雷器（MCA）进行了研究，并且研制出适用于6～35 kV的新型避雷器试验室样机——绝缘子－避雷器（MCIA）。该避雷器结合了避雷器和绝缘子两者的性能，其基础构架是悬式玻璃绝缘子，一般是将多腔系统装配在玻璃、陶瓷或者复合绝缘子上。加入多腔系统之后，可在不折损绝缘子绝缘能力的情况下使绝缘子同时具备避雷器的性能。实际运行中，使用避雷器来保护架空输电线路之后可以完全淘汰架空避雷线，因此输电杆塔的高度、重量以及建造成本也将大大降低，并且具有较好的防雷性能，显著降低雷击事故，从而减少开关跳闸带来的损失和维修成本。因此研究一种具有避雷器功能的绝缘子是非常有前瞻意义的。

1 多腔系统（MCS）

多腔避雷器和多腔绝缘子避雷器的基础部分都是多腔系统，其原理见图1。它包含有大量安装在硅橡胶边沿上的电极，在相邻硅橡胶电极之间打有空腔作为微型气体放电腔室，当雷电过电压冲击避雷器时，两个电极之间的气穴就会被击穿，并且在两电极之间体积很小的空腔内部发生放电[3]，由此产生的巨大压力将电弧放电通道由空腔内部压向绝缘体表面并且进入避雷器周围的空气中。在这种灭弧动作以及拉长放电通道的双重作用下，电弧放电通道的电阻上升，从而限制了雷电冲击产生的冲击电流[4]。

图1 多腔系统（MCS）Fig.1 Multi-chamber system （MCS）

2 样品试验，试验设备和实验步骤

对具有不同钢电极结构、不同极间距和不同空腔参数的多腔装置进行了试验。试验中发现多腔装置使用球形电极（直径10 mm）以及0.5 mm极间距时具有较好的性能见图1。为了测试多腔装置的续流灭弧效率，笔者搭建了一个由频率为50 Hz的振荡器以及雷电冲击电压发生器构成的试验平台。其电路原理图见图2。

图2 试验设备电路原理图Fig.2 Circuit diagram of test facility

为了使试品动作，该试验装置通过一个电阻Rg向避雷器施加250 kV的输出电压Ug，交流电压 由震荡频率接近50 Hz的容感振荡电路（L0，C0）提供。电压为Uch时，能量首先储存在电容量为70 uF的电容C0中。在避雷器S0受到雷电过电压冲击并且动作时，加在避雷器上面的工频电压由振荡电路L0，C0提供，试品（多腔系统）通过R和电抗器L与振荡回路相连接。其中电抗器L的作用是当电弧在恢复电压频率下熄灭时将多腔系统与电容隔离开。电阻Rg的作用是模拟避雷器安置于架空线上时的回路电阻，比如杆塔塔基电阻。

笔者在Rg取得0和10 Ω两种情况下进行了试验，当Rg取值为0时，相当于雷电直击架空线并且造成相对相短路，当Rg取值为10 Ω时，代表非直击雷（例如：安装在中压系统架空线上不同电极和不同相上的避雷器所受感应雷过电压和闪络的情况）。

恢复电压频率由电感线圈Lf和电容Cf决定。MCS上的电流和电压由电容分压器C1和C2检测得到，电流和电压信号经由一个分流电阻Rsh通过电缆传输至数字记忆示波器。

试验步骤：首先对电容器组和冲击电压发生器充电，冲击电压发生器放电会导致多腔系统和辅助避雷器发生击穿，此时，雷电冲击和交流电压同时作用于多腔系统，随着雷电冲击结束，避雷器上仅剩工频电压。其试验参数设置如下：C0=700 μF；L0=14 mH；L=2.7 mH； R=0.10 Ω；Lf=0.2 mH；Cf=50 nF；Rsh=0.01 Ω；C1=1 000 pF；C2=1 000 nF （C2/C1）=1 000；Rg=0..200 Ω；C0=0.5..6.5 μF。

试验过程中所记录的电压和电流波形图见图3。图3中，t1为加以交流电压和雷电冲击的时刻；t2为雷电冲击灭弧时刻；t3为电力续流灭弧时刻。

3 试验结果分析

图3 电力续流灭弧试验：电压、电流、电阻波形图（安装有100个电极MCS）Fig.3 Voltage，current and resistance oscillograms in power follow current quenching tests of MCS with 100 electrodes

试验结果显示：1）冲击息弧（见图3（a）和图3（b））还是过零息弧（见图3（c）、3（d）和 3（b））息弧动作以后的电压并没有马上被截断，而且还保留较大的残余电压；2）在过零灭弧过程中，残余电压是残留在电弧通道Ur·arc中的电压降。在冲击灭弧过程中，残余电压是指残留在火花放电通道Ur·sp中的电压降；3）试验发现残余电压Ur·sp随着多腔系统中的空腔数量的上升呈线性增长并且实际中与电阻Rg的取值关系不大，即Ur·sp的值与不同等级的冲击电流无关（电流等级从0.4～3 kA），同时与感应过电压的特性也无关。

根据试验结果能够对不同等级电压条件下所使用的避雷器中需要安装的多腔系统数量给以评估。在35 kV系统中（最大操作过电压为42 kV）架空线安装40个MCS足以满足要求，其残余电压Ur·sp的值在 2.5～3 kV。

多腔系统进行了电动力学稳定性测试，测试所使用的电流冲击参数为4/10 μs和65/100 kA。试验中多腔系统试验机能够承受住65 kA的过电流，这说明多腔系统能够满足直击雷条件下的电动力冲击耐受要求。

综上所述，这类多腔系统的设计之初是用于防御感应过电压并且在防御直击雷方面也将会有积极的作用。一种专门设计用于防御直击雷的避雷器设备见图4（安装位置见图1）。其电极尺寸加大、空腔的形状设计为沟槽型，该设计能够消除相邻灭弧腔之间的交叉喷弧现象并且由此提升了耐久性。

图4 直击雷避雷 器（DLS）上使用的多腔系统Fig.4 Multi－chamber system （MCS） system for DLS arresters

4 多腔系统配套设备

MCA－35（35 kV多腔系统避雷器）仅由避雷器构成其参数见表1。

表1 避雷器和绝缘子避雷器技术参数Table 1 Technical features of arresters and insulators arresters

4.1 多腔避雷器MCA-35

35 kV系统所用的MCA的基本组成 （见图5）：多腔系统，一个玻璃支杆，以及一个用于保证避雷器与绝缘子维持完好装配联结状态的栓帽，避雷器安装在绝缘子栓帽与导体之间，放电空腔位于绝缘子终端电极与导体之间（间隙大小为 4～8 cm[5－7]，对应线路操作过电压为4.6～12 kV以及6..8～24 kV）。雷电过电压会首先击穿空气放电间隙，之后是避雷器的MCS，从而正如第2节中所述那样能够保证续流的消失。

图5 用于6～35 kV等级架空线过电压保护的MCA－35Fig.5 MCA－35 （SAi20z） for induced overvoltage protection of 6～35 kV overhead lines

MCA－20拥有40个放电空腔，能够用于防御6至35 kV等级系统架空线路遭受感应过电压的冲击。如图6所示，每一相架空线的架线绝缘子处安装一个避雷器[8]。在这种情况下由感应雷过电压造成的多项故障所带来的交流续流，其通路将纳入杆塔接地电阻电路一同分析。由于架线极接地电阻额外电阻的存在限制了续流的大小，从而提升了避雷器的灭弧效率[9－10]。

图6 防御感应过电压的避雷器安装方法Fig.6 Arrester arrangement for protection against induced overvoltages

4.2 玻璃多腔绝缘子避雷器

运用MCIA使得保护任意电压等级的架空线免遭雷击事故成为可能：随着电压等级的上升，增加每一串中的MCS单元数，由此电压等级越高，对应的绝缘子避雷器灭弧能力越强。如图7所示，35 kV系统至少每串使用3个MCIA，110 kV系统至少使用7个，220 kV至少使用13个。

玻璃多腔绝缘子避雷器MCIA中，MCS安装在悬式玻璃绝缘子玻璃圆盘周围5/6圆周的范围上（见图8）MCS左端和右端空缺出来的放电空腔电极留作改装Sig使用（见图9）在导体与最下端MCIA以及接地构件和最上端MCIA之间有金属电极。

图7 架空线上使用的MCIA串Fig.7 MCIA string on the overhead lines

图8 35 kV架空线以及上述所有线路感应过电压保护和直击雷保护所使用的玻璃MCIA（SIg）Fig.8 Glass MCIA （SIg） for induced and DLS overvoltage protection of 35 kV and above overhead lines

图9 MCIA（SIg）试验Fig.9 MCIA （Slg） in tests

当MCIA承受过电压时，气隙首先被击穿，之后是MCS。雷电过电流由一个MCIA流向另一个。图9展示了MCIA和MCIA串在过零电进行灭弧试验的照片。随着过电压加到导体上即加到靠近它的低一级馈入电极之上时[11－13]，低一级火花放电间隙发生击穿、过电压加到MCS上。随后MCS动作，较高电极和MCS终端的放电间隙发声闪络，过电压涌入第二个绝缘子[14－15]，之后以此类推。综上所述，MCIA串动作之后，雷电过电流经由杆塔流向大地。整个过程中在电弧过零熄灭时架空线路保持正常运行，既没有发生断路，也没有发生重合闸动作。

5 结语

成功开发了多腔绝缘子避雷器，该避雷器将MCS安装在绝缘子圆盘周围，且没有对绝缘子性能造成任何损害；MCS系统为开发简单高效的避雷器（MCA）提供了可能；理论上来说，应用玻璃MCIA（SIg）能够保证架空线路在遭遇感应雷和直击雷过电压时的可靠性；试验证明在过去的6年中，MCS展现出了良好的性能。MCS新型保护设备（MCA和MCIA）在实际使用中展现出了其高效性和可靠性。

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Overhead Transmission Lines Lightning Protection by Multi-Chamber Arresters and Insulator-Arresters

LI Lilan1，LI Shanshan1，LIU Zhengbo2
（1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical College，Zhengzhou 450000， China； 2.Xuji Croup Corporation，Xuchang 461000， China）

This paper represents the results of research， development and field experience of multichamber arresters and insulators that combine characteristics of insulators and arresters.The main results are as follows:MCSs have been developed to ensure Arc extinguishing action completed successfully after a lightning overvoltage impulse；MCSs make it possible to develop simple， and efficient arresters（MCA）；Multi－chamber insulator－arrester have been developed， comprising production insulators and MCSs that are mounted over the perimeter of the insulating body without adversely affecting the insulating properties of insulators..Application of these devices allows to protect overhead transmission lines rated at 6 to 40，5 kV and above from induced overvoltage and direct lightning strokes without usage of shielding wire.Over past 6 years，MCS have shown its efficiency and reliability.

insulators－arresters；lightning protection；multi－chamber arresters；multi－chamber system；overhead transmission lines； arc

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.021

2016－10－19

李丽兰 （1979—），女，硕士，讲师，主要研究方向：铁路信号，电力自动化。