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500kV惠汕线路采用复合绝缘外套避雷器的研究

作者：钟定珠　来源：500kV惠汕线路　时间：06-06-16　加入收藏

摘要　通过广东省500kV惠汕线的工程实际情况，说明在线路上安装复合绝缘外套避雷器能有效地限制操作过电压，达到取消合闸电阻、安全经济运行的目的。并介绍了西安电瓷研究所和广东省电力试验研究所共同研制的500kV复合绝缘外套避雷器的特点。
　　关键词　避雷器　线路　合闸电阻

　　0　引言

　　长期以来，避雷器一直是电力系统限制大气过电压的主要措施。氧化锌避雷器的发明，使得避雷器也担负起限制操作过电压的重担。近年来，经过科技工作者的努力，在一些较短的500kV线路两端安装氧化锌避雷器，取消了价格昂贵、可靠性不佳的合闸电阻。但是在较长线路的中部，操作过电压水平较高，无法用线路两端的避雷器保护，还需要用合闸电阻。合成绝缘外套(硅橡胶)避雷器的出现，使得在线路上悬挂避雷器成为实际可行，进一步扩大了避雷器使用范围。

　　1　广东惠汕线工程

　　为了解决粤东电网的稳定性和向粤东送电，需要架设一条281km的500kV线路从惠州站到汕头站。惠州站是连接增城站和核电站的500kV枢纽站。导线采用4×400mm²钢芯铝线，500kV变电站一般都是采用一个半开关结线。目前惠汕线一条线路就需4台断路器装设合闸电阻。带合闸电阻的断路器可靠性也不理想。广东省从1992年和1993年之间投运的沙增线等7条500kV线路，线路长度为50～140km，经过充分论证都没有采用带合闸电阻的断路器。5年多运行经验表明，没有发生合闸或重合闸过电压引起的绝缘事故。但能不能在线路中部安装避雷器来限制操作过电压，首先需要进行操作过电压的计算。

　　2　惠汕线操作过电压计算

　　2.1　线路最大操作过电压的统计
　　为了全面分析各种条件下的操作过电压，电力部电力科学研究院和广东省电力设计院对惠汕线各种条件下操作过电压进行了计算^［1］。避雷器在惠州侧采用420kV额定电压(实际选用444kV)，在汕头侧采用444kV额定电压。惠州和汕头侧还考虑了高压电抗器及汕尾和揭阳装避雷器的情况。计算的部分结果见表1。统计操作次数为100次，线路两端各装一组120Mvar高抗。1997年运行方式下，断路器不装合闸电阻，只在线路两侧加装避雷器。合闸、单相重合闸的最大统计操作过电压为1.96倍；三相重合闸最高达2.32倍。如果在揭阳再加装一组避雷器，最高过电压为1.90倍。如果断路器有400Ω的合闸电阻，则最严重的三相重合闸也只有1.69倍。

　　2.2　线路操作过电压的闪络率
　　线路的闪络率目前尚无明确标准，根据有关标准和参考文献，认为应满足下列条件才能满足运行需要：
——沿线操作统计过电压不超过2.0倍。
——在任何操作过电压波头下，闪络率<2%。

表1　1997年方式下惠州—汕头操作过电压计算结果

序号	运行方式	操作地点	MOA型号和安装位置				沿线最大统计操作过电压/p.u			备注
序号	运行方式	操作地点	惠州	汕尾	揭阳	汕头	合闸	单相重合闸	三相重合闸	备注
1*	1997年大方式	惠州					1.42	1.35	1.72	惠州和汕头侧各装一台120Mvar高抗
2			420			444	1.96	1.85	2.24
3			420		444	444	1.88	1.80	2.28
4			420	444		444	1.96		2.32
5			420	444	444	444	1.88		2.26
6*		汕头					1.40	1.37	1.68
7			444			420	1.82	1.57	2.10
8			444		444	420	1.82	1.57	2.08
9			444	444		420	1.76		1.94
10			444	444	444	420	1.76
11*	1997年小方式	惠州					1.39	1.28	1.69
12			420			444	1.96	1.78	2.40
13			420		444	444	1.88	1.76	2.28
14*		汕头					1.54	1.40	1.82
15			444			420	1.92	1.73	2.18
16			444		444	420	1.90	1.73	2.14
17	1997年大方式	惠州	420			444	1.96			汕头侧装一台150Mvar高抗
18	1997年大方式	惠州	420		444	444	1.88
19	1997年小方式	汕头	420		444	444	1.86
20	1997年小方式	汕头	444		444	420	1.94

*表示该算例中断路器有400Ω合闸电阻。

　　过电压沿线分布见图1。图中a、b、c、d、e曲线分别为：a—惠州、汕头有MOA；b—惠州、揭阳、汕头有MOA；c—惠州、汕尾、汕头有MOA；d—惠州、汕尾、揭阳、汕头有MOA；e—断路器有400Ω合闸电阻。从图1可知，在汕头侧合闸，过电压倍数较小；而在惠州侧合闸，过电压较高。避雷器装在汕尾时(揭阳没有装)，线路尾部的过电压和两头装时差不多；而在揭阳装或汕尾、揭阳装时，线路尾部过电压才有所下降。广东系统近期内不采用三相重合闸，而单相重合闸比合闸过电压低，最高过电压为合闸过电压。

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(a) 惠州合闸

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(b) 汕头侧合闸
图1　惠州-汕头合闸操作最大过电压沿线分布

　　最后设计这组避雷器放在^#164塔，塔型为JT11—27转角塔，距离汕头60km，距离惠州221km。最高过电压低于1.90倍。

　　考虑绝缘子为28片，海拔<500m，250μs和500μs两种波头，在1997年运行方式下，惠汕线仅在线路两侧装有MOA时，除个别方式较低外，其余为3.7%～4.7%；在揭阳装一组避雷器时，合闸闪络率在波头250μs的条件下最大为1.31%。在波头500μs的条件下为0.087%。

　　2.3　操作过电压下避雷器的能耗
　　考虑揭阳加装一组避雷器，最高过电压时，通过各组避雷器最大电流为1331A，最大能耗为819kJ。而444kV避雷器能耗为5700kJ，只有允许能耗的14%。

　　3　复合绝缘外套氧化锌避雷器的主要技术参数和特点

　　为了满足惠汕线工程需要和300km以内500kV线路可取消断路器的合闸电阻，西安电瓷研究所和广东省电力试验研究所共同研制了500kV复合绝缘外套的氧化锌避雷器^［2］，其主要技术参数为：
——额定电压444kV(rms)
——最大持续运行电压350kV(rms)
——标称放电电流10kA
——残压1μs，陡波冲击电流10kA，<1137kV
8/20μs雷电冲击电流10kA,<1015kV
8/20μs雷电冲击电流20kA,<1106kV
操作波冲击电流2kA,<900kV
——避雷器机械负荷试验　1min 100kN
——线路放电试验电压等级　4级
——爬电比距不<25mm/kV
——总重量405kg(一相)
——结构高度5400mm
其特点为：
　　a) 产品重量轻、具有较高机械负荷强度
　　由于采用复合绝缘外套避雷器，整只避雷器可以轻巧悬挂在铁塔上而不需要改变铁塔的设计。本次工程避雷器安装在JTU—27型转角塔上，作为跳线绝缘子使用，避雷器能承受1min 100　kN的拉力后通过局部放电试验，只要稍微改换^#20标记的球头和球窝就能达1min 160　kN机械负荷试验，可以兼作直线杆的绝缘子使用。
　　b) 简化避雷器结构取消并联均压电容
　　一般的500kV避雷器都采用并联电容均压。采用电容器均压无疑要增大避雷器的重量和体积，而且可能降低避雷器的可靠性，增加杆塔悬挂的复杂性。经过多次计算和3次实际测量，决定采用不同直径的5个均压环，阀片的最大不均匀系数为11.45%，满足了阀片的荷电率要求。
　　c) 产品具有较高的耐污能力
　　避雷器的爬距设计要求>25mm/kV，产品实测为27.5mm/kV。在实验室按GB1103—89附录中推荐的《　人工污秽试验方法》分别进行　0.03mg/cm²、 0.06mg/cm²及0.1mg/cm²的人工污秽试验。在3个不同盐密的污秽试验过程中及相应的U_c下，产品的阻性电流约在500　μA左右。在0.03mg/cm²
盐密时，观察不到外伞起弧桥接的现象，即使在0.1mg/cm²盐密时，起弧桥最多也只能贯通2～4个伞，用红外热像仪观察试品表面最高温度为50℃左右。由试验可见，硅橡胶避雷器的防污能力提高了几倍。
　　d) 避雷器的密封结构
　　由于避雷器同时考虑作为绝缘子使用，并承受一定的拉力，这给密封结构设计带来了一定困难。密封问题又是保证产品质量的关键问题。作为避雷器的受力元件—绝缘芯棒，在受力时会伸长变形，就有可能使阀片产生局放或破坏密封。为了解决这个问题，在避雷器上、下端采用不同的密封结构，产品在型式试验中拉伸负荷为100　kN时间1min，外观检查无任何异常。拉伸负荷试验前局放为15　pC，试验后局放为16　pC。热机和沸水煮试验是在比例单元进行的型式试验，试验前和试验后分别进行局放、直流参考电压和0.75直流参考电压下泄漏电流试验。试验结果如表2所示。

表2　热机和沸水煮试验前后的对比试验

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