500kV带串联间隙复合绝缘避雷器结构性能参数的选择特点

１引言随着电力工业的迅速发展，输电线路覆盖面不断扩大，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，据国内外输电线路故障在近十几年来的分类统计表明，由于雷击引起的输电线路的跳闸次数占输电线路总故障跳闸次数的５０％～７０％，尤其是在多雷、土壤电阻率高，地形复杂地区的输电线路雷击事故率更高，这将给社会带来巨大的经济损失。

为了减少输电线路雷击跳闸事故，提高输电线路供电的可靠性，一般采用的是减少避雷线屏蔽角，增加绝缘子绝缘长度、多重屏蔽、双回路差接绝缘和降低杆塔接地电阻等技术措施，这些措施中唯有降低杆塔接地电阻值是最为灵活，较为经济，容易实施，效果明显的一种手段，但对经过山区和长距离的输电线路，难免会遇到土壤电阻率高的地段，故使降低杆塔接地电阻值较为困难，所以对这些杆塔采用带串联间隙复合绝缘避雷器（ＳＧＭＯＡ）是防止雷害，提高线路耐雷水平的最有效方式。

目前，变电站所采用瓷套避雷器因其重量、防爆、热稳定、受潮、破碎及防污性能等问题，很难在线路杆塔上安装使用，为此，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出重量轻、体积小、防污性能好、热稳定优越、不易受潮、运输安装维护方便的ＳＧＭＯＡ，产品经国家电力集团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。

２串联间隙复合绝缘避雷器防止雷害的性能特点众所周知，电力系统各种电压等级输配网中，每条线路的升、降压站的出、入口都装设避雷器，这些避雷器主要使线路雷电在导线感应波及变电站电器绝缘设备的过电压限制在一定范围内，从而使避雷器达到防雷效果。

但随着输电线路电压等级的提高，雷击高杆塔概率相应增多，当雷击接地电阻值高的杆塔顶部时，杆塔顶部出现瞬间电位与导线雷感应电位叠加工频电压幅值之差，大于杆塔顶部悬挂绝缘子的５０％雷电冲击闪络电压数值时，绝缘子发生闪络造成固定绝缘子导线与杆塔之间短路。

由此将引起升压站开关跳闸，输电线路出现停电事故。

如果在该杆塔顶部与绝缘子并联装设ＳＧＭＯＡ，当雷击杆塔顶部时，杆塔顶部出现电位与导线雷感应电位叠加工频电压幅值之差上升到ＳＧＭＯＡ动作电压时，ＳＧＭＯＡ动作而限制瞬间电位差继续上升，避免绝缘子闪络，从而达到防止输电线路雷击跳闸事故。

３串联间隙复合绝缘避雷器的技术参数确定目前，在本世纪内电力系统普遍安装使用防雷和限制操作过电压的保护设备，绝大多数都是选用无间隙避雷器，这种结构的避雷器，在国内外通过几十年来反复研制和多年来的运行考验，是电力系统较为成熟防止各种过电压保护设备，它的性能参数及技术要求都以标准形式加以确定执行，但对超高压输电线路杆塔顶部安装使用的ＳＧＭＯＡ，虽然在国外已有十几年研究历史，也见过一些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必须首先对其技术参数加以分析确定。

３．１串联间隙复合绝缘避雷器本体的荷电率选择荷电率是ＳＧＭＯＡ最重要技术参数，在选择过程中要慎重考虑，对于中性点接地超高压系统所采用无间隙避雷器来说，考虑到产品运行可靠性、运行寿命、热稳定以及电位分布等众多因素，一般荷电率都是控制在０．８以下，而现在研制的ＳＧＭＯＡ，因有串联间隙隔离作用，所以尽量改善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在ＳＧＭＯＡ本体上，而且作用时间极为短暂，通常不超过１～２工频周期，由此可以把ＳＧＭＯＡ荷电率选择高一些，参照国外ＳＧ－ＭＯＡ常采用的荷电率，所研制５００ｋＶＳＧ－ＭＯＡ的荷电率初步确定为０．９左右。

３．２串联间隙复合绝缘避雷器本体所采用阀片直径的选用避雷器的功能部件是阀片，阀片直径的大小直接关系到雷电流通过ＳＧＭＯＡ时阀片的通流能力。

阀片的通流能力包括流经阀片雷电流幅值及阀片吸收雷电能量两种参数，对于输电线路杆塔安装ＳＧＭＯＡ所采用阀片直径选取，应按较高接地电阻值进行选取，有关雷击杆塔出现的雷电流幅值，虽然国外近４千次实测及过电压保护规程的建议，超过１００ｋＡ雷电流幅值是极为少见的［１］，但由于ＳＧＭＯＡ功能部件阀片的重要性及留有裕度，雷击杆塔出现雷电流幅值应取３００ｋＡ，至于杆塔接地电阻值应按实际线路杆塔出现最高值７０Ω来考虑，以此利用ＥＭＴＰ暂态计算程序，通过对ＳＧＭＯＡ本体流经的雷电流和吸收雷电能量进行模拟计算，其流经阀片电流幅值不超过２６ｋＡ，阀片吸收能量为０．６６ｋＪ／ｋＶ［２］，如采用Ｄ７饼状ＺｎＯ阀片按标准规定，可以耐受工频２次６５ｋＡ冲击大电流试验，阀片的雷电吸收能量及极限吸收能量分别为３ｋＪ／ｋＶ和９．２ｋＪ／ｋＶ，其泄放雷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，何况ＳＧＭＯＡ本体实际是选择比Ｄ７直径更大的阀片，其安全裕度将更大，动作性能质量更能得到保证。

３．３串联间隙复合绝缘避雷器串联间隙的距离选择ＳＧＭＯＡ的串联间隙距离直接关系到ＳＧＭＯＡ的保护特性，要求ＳＧＭＯＡ的串联间隙距离，既要在雷过电压作用下应与绝缘子的合理配合来保证绝缘子不闪络，也要应在雷电动作后线路出现工频过电压情况下，在１～２工频周期内切断工频续流，同时还应满足线路出现最高操作过电压不击穿的要求。

３．３．１串联间隙复合绝缘避雷器确保线路绝缘子不闪络雷电冲击配合间隔系数的确定ＳＧＭＯＡ如果在线路杆塔上遭受雷击时应可靠动作，从而不使绝缘子发生闪络，那么就要求ＳＧＭＯＡ与绝缘子之间存在雷电冲击配合间隔系数，其值一般都是以设备的５０％雷电冲击闪络电压试验数值加以确定，若以国外输电线路绝缘子运行事故率不超过十万分之五的信息反映为依据，按国标规定雷电冲击相对标准偏差δ＝０．０３进行推算，要保证上述绝缘子闪络事故概率要求，其绝缘子雷电冲击耐受电压应小于０．８８倍的绝缘子的５０％雷电冲击闪络电压值，同理要保证ＳＧＭＯＡ不动作概率应小于十万分之五，那么，ＳＧＭＯＡ雷电冲击闪络电压应大于１．１２倍的ＳＧＭＯＡ５０％雷电冲击放电电压值，由此要保证雷电杆塔ＳＧＭＯＡ可靠动作而绝缘子不会发生闪络，要求输电线路上的绝缘子５０％雷电冲击闪络电压值至少要比ＳＧＭＯＡ的５０％雷电冲击放电电压值高出２５．６％以上，既雷电冲击配合间隔系数应为１．２５６以上，该雷电冲击配合间隔系数与美国有关ＳＧＭＯＡ试验研究结果的雷电冲击配合间隔系数１．２５相近［３］。

３．３．２串联间隙复合绝缘避雷器串联间隙距离初选ＳＧＭＯＡ的间隙距离具体数值，虽然应该依据ＳＧＭＯＡ实际试验所得数值加以确定，但在ＳＧＭＯＡ设计时还必须进行初选，确定其范围从而简化试验选择次数，５００ｋＶ输电线路杆塔悬垂绝缘子串长一般选择４０８８ｍｍ（相当２８片ＸＰ－１６型绝缘子），它的５０％雷电冲击闪络电压一般为２３１０ｋＶ［４］，如果雷电冲击配合间隙系数按１．２５６倍选取，那么ＳＧＭＯＡ的５０％雷电冲击放电电压最高值不应超过１８３９ｋＶ，考虑到ＳＧＭＯＡ的结构尺寸，选取适当距离的串联间隙ＳＧ－ＭＯＡ，其经试验５０％雷电冲击放电电压最高值才为１７３５ｋＶ［５］，其雷电冲击配合间隙系数大于１．２５６倍，符合要求。

３．３．３串联间隙距离为适当数值复合绝缘避雷器操作过电压耐受的校核ＳＧＭＯＡ在投入运行过程中，应保证在线路出现各种操作过电压作用时不动作，就是在ＳＧＭＯＡ运行过程中出现极为少见的阀片故障情况下，也不应出现间隙放电现象。

当串联间隙为适当数值的ＳＧＭＯＡ阀片出现故障的情况下，其５０％操作冲击放电电压值约为１１７０ｋＶ［５］，如果按国际规定操作冲击相对偏差δ＝０．０６进行推算，保证小于千分之二操作冲击过电压作用ＳＧＭＯＡ动作的概率，其ＳＧＭＯＡ的操作冲击耐受电压应低于０．８２倍的５０％操作冲击放电电压值，即９５９ｋＶ，而５００ｋＶ输电线运行过程中，可能出现最高操作冲击过电压的幅值一般不超过运行工频最高电压幅值的２倍，即８９９ｋＶ，该值还低于ＳＧＭＯＡ操作冲击耐受电压值的１．０７倍，也有一定裕度。

３．３．４串联间隙距离为适当数值复合绝缘避雷器工频续流性能的校核ＳＧＭＯＡ遇雷击杆塔动作后的瞬间，都有可能要承受线路运行出现各种工频过电压的作用，这要求ＳＧＭＯＡ应在１～２工频周期切断最高工频过电压的工频续流，对于安装在接地电阻值高杆塔上的ＳＧＭＯＡ，它在雷击杆塔动作后瞬间作用电压应按线路实际出现过电压状况加以考虑，５００ｋＶ电力系统容量大，电网结构紧密，都是采用双环网双端供电方式。

通过研制的ＳＧＭＯＡ所悬挂昌房５００ｋＶ线路模拟计算表明，线路运行过程中可能出现最高工频过电压为１．３２倍最高运行电压，是线路一侧单相接地故障三相跳闸的情况下，在线路末端出现的。

这种过电压在５００ｋＶ线路上是极少见的，况且雷击杆塔避雷器动作后瞬间又遇到这种过电压作用的概率是极低，更何况ＳＧＭＯＡ不可能安装在线路两侧末端的杆塔上，因此作用ＳＧ－ＭＯＡ的过电压应低于１．３２倍最高运行电压，参照国外已有多年运行经验的５００ｋＶＳＧＭＯＡ过电压选用的具体数值，作用在ＳＧＭＯＡ的过电压选取１．２４倍最高运行电压，即３９４ｋＶＳＧＭＯＡ是用在线路接地电阻值高的杆塔上作为限制大气过电压的保护设备，这些杆塔一般情况下都分布在远离城镇区段或地形复杂的山区，属于０～Ⅰ污秽等级地区，很少有Ⅱ级污秽等级区域，由此分析ＳＧＭＯＡ切断工频续流能力时，除了计算ＳＧＭＯＡ本体阀片的泄漏电流值，还要考虑ＳＧＭＯＡ本体外绝缘污秽表面爬电电流值，如果在Ⅰ级污秽地区运行串联间隙距离为适当数值的ＳＧＭＯＡ，其外绝缘污秽表面达到０．０６ｍｇ／ｃｍ２最高盐密时［６］，遭受雷电杆塔动作后瞬间又出现最高工频过电压３９４ｋＶ的作用情况下，ＳＧＭＯＡ能在１／４工频周期切断工频续流［５］，远低于ＳＧＭＯＡ设计要求的１～２工频周期切断续流规定。

就是超过Ⅱ级污秽等级最高盐密０．１２ｍｇ／ｃｍ２的情况下，ＳＧＭＯＡ能在１．１８７倍工频过电压作用下的３／４工频周期切断工频续流［３］，也低于设计要求。

４串联间隙复合绝缘避雷器本体爬电距离的确定ＳＧＭＯＡ运行地区的污秽等级一般都是０～Ⅰ级，很少出现Ⅱ级，其外绝缘爬电比距应按１４．５ｍｍ／ｋＶ～２０ｍｍ／ｋＶ选取［７］，但ＳＧＭＯＡ本体只在雷过电压动作后，切断工频续流前，才承受工频电压的作用，而且作用时间极短，只有１～２工频周期，由此ＳＧ－ＭＯＡ本体外绝缘的工频闪络电压有所提高，一般ＳＧＭＯＡ的外绝缘最小爬电比距可降低无间隙避雷器的６０％［２］，按比值选取ＳＧＭＯＡ本体的外绝缘最大爬电比距为１２ｍｍ／ｋＶ，就能满足运行要求，考虑到应有一定裕度，串联间隙本体的实际爬电比距确定为１６ｍｍ／ｋＶ。

５串联间隙复合绝缘避雷器提高输电线路的耐雷水平ＳＧＭＯＡ是安装在电阻值较高杆塔上，起着防止雷击杆塔引起绝缘子闪络的作用，这就必须对ＳＧＭＯＡ投入运行的防雷效果及杆塔电阻值对耐雷水平的影响加以分析计算，才能够恰如其分合理的使用，更能充分发挥ＳＧＭＯＡ性能，通过研制ＳＧＭＯＡ安装在昌房５００ｋＶ输电线路接地电阻值较高的杆塔的实际计算，其耐雷水平的提高及接地电阻值对耐雷水平影响趋势如下图所示。