硅橡胶线路避雷器设计技术

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线路避雷器设计技术  
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/ |! K' r. r2 x# R  J% h    无间隙线路避雷器的成功应用得益于硅橡胶复合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV避雷器的质量从260kg降至50kg以下，从而实现在杆塔上悬挂安装。有串联间隙线路避雷器由避雷器本体和外串联间隙组成。本体与普通的复合外套避雷器相当，外串联间隙（放电间隙）由两个环–环或棒–棒型放电电极组成。  
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" o: C& B# C4 s* m    避雷器本体两端采用金属法兰封口，内部装有非线性ZnO电阻片并用弹簧压紧的环氧玻璃纤维布筒，其外部采用硅橡胶伞裙包封。这样，避雷器大大减少了因“漏气”而带来的受潮问题。  
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    上、下法兰设计了经典的球头、球窝，分别与高压端、接地端连接。以2003年我国天生桥—广州线投入使用的500kV有间隙线路避雷器设计为例，除秉承电站避雷器技术基础外，还必须解决如下8点关键技术问题：  

    （1）优良性能的硅橡胶复合外套  

    采用硅橡胶等有机绝缘材料生产的避雷器复合外套必须具备耐天侯、抗紫外线、耐电蚀损等优良性能。与瓷套相比，硅橡胶复合外套在重量、耐污性能上占有很大优势，详见表1。复合外套可选用的材料、品种很多。  

+ W! Y3 {4 O! J0 t: r    （2）具备耐久性粘接技术  

( l: O& |  F9 N# r& Y9 O    避雷器在多年使用中要经受引线拉力、线震、风摆、冰雪等的作用。上、下法兰与环氧玻璃纤维布筒的粘接部分是避雷器负载力传递区域，也是密封技术的薄弱环节。笔者认为，采用高温、高强度环氧浇合剂和倒锥形结构是目前最成功的设计之一，实践也证明了这一点。  
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. c$ t. O( g' L    （3）对接口的包封技术  

9 z! c# {6 a2 G4 w3 m    包封硅橡胶复合外套上、下法兰与环氧玻璃布筒连接的外露面是避雷器加强密封的良策，也是防止电蚀损的又一有效措施。目前许多国外同类产品在工艺上亦未能实现这样的包封；但必须保证硅橡胶与法兰各种金属材料及热处理后的镀层之间有良好的粘合。此外，可在法兰上增加一个下大上小的槽形结构，以增强硅橡胶不出现脱胶的机械应力。  
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4 p/ u+ I- X1 E* T- O! V" o    （4）防爆技术  

    为取得良好的防爆性能可在模压硫化伞裙前将环氧玻璃纤维筒加工出长条梯形槽，并用专用楔形嵌件堵紧。梯形槽在避雷器故障时起排气作用，楔形嵌件保证注塑时硅橡胶不至于进入环氧玻璃纤维布筒内腔。梯形槽的长度、数量、防爆力须经严格计算及试验求得。该型避雷器在中国及俄罗斯都通过了40kA和800A的短路电流试验。  
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, C8 S4 B! P) \5 e    （5）吸收能量校核  
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" U; A3 r" t/ _& H9 u9 N* S    有间隙线路避雷器由避雷器本体和外串联间隙构成。正常运行工况下避雷器本体的荷电率为10%以下，它主要承受雷击过电压，因此对它的其他技术性能要求大为降低。避雷器电阻片承受雷击过电压的能力极强，直径50mm的电阻片即能承受4/10ms、100kA大电流冲击。  

    （6）电位分布计算与调整  

    330kV、500kV线路避雷器的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式避雷器不同，它是悬挂在空中的，必须采用三维电场、用有限元法计算其电位分布[5]。由于在结构上不能采用外并电容的均压措施。避雷器高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98%。这将加速高场强处电阻片的老化。因此，通过SolidWorks三维设计及改善电位分布的设计，并通过改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV无间隙线路避雷器（5.4m高）电位分布不均匀系数限制在10.4%以下。  
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    （7）避雷器内部负压问题  

+ K# Q5 t+ S& Z" ~4 U    在避雷器整体模压注射硅橡胶过程中，避雷器各部分均处于受热状态（100℃以上）。当模压硫化完成（即避雷器密封完成），冷却后内部将形成低气压。由“巴申曲线”可知，此时电阻片沿面闪络电压大为下降，有可能在较低电压下损坏避雷器。这是生产厂家容易忽略的工艺技术问题。  
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    （8）影响间隙放电稳定性的因素  

8 v  b: E) c* T: r: I. w& M" h    间隙放电电压的稳定性是避雷器保护性能的标准，棒－棒纯空气间隙与环－环带绝缘子支撑间隙放电特性本身存在差异。前者是极不均匀电场，后者是稍不均匀电场；前者放电电压稍低、分散性小，后者不仅分散性大，且受绝缘子污秽性能影响明显，当污秽引起漏电流且达到一定值时，它与避雷器本体漏电流形成一个“分压器”，明显地改变了整个避雷器电位分布，提高了避雷器放电电压值，这是设计者必须给予充分考虑的。
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. M8 w! M: x' h4 x0 R; K线路避雷器的试验  
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    与瓷外套避雷器不同，复合外套避雷器的外套采用有机高分子材料，它必须进行许多验证其特性的试验[6]，如耐天侯试验、耐电蚀试验、耐盐雾试验等。这些试验的要求及试验方法大部分都已体现在IEC最新版本的标准中。  
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3 J1 t2 s4 c, q4 i* P    （1）复合外套起痕和电蚀试验  

    按比例制作了避雷器比例元件。雾室温度20~25℃，盐雾中NaCl含量为9.8kg/m3，以3.9L/m3·h速度喷向比例元件。同时将等比例持续运行电压Uc施加于比例元件上，持续时间1000h。试验期间无过流中断，比例元件复合外套无起痕、裂缝和树枝状裂纹产生，伞裙未击穿。  

: b. d& J0 B! H    （2）热机试验及沸水煮试验  

& h" _2 A$ q0 w! M9 ^. O5 w  M1 j6 C    该项试验用于验证避雷器在冷热、机械力共同作用下法兰与环氧玻璃纤维布筒结合部分粘合剂的性能，该项试验分两步进行：  

    1）比例元件在下列条件同时作用下进行试验：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷热循环，高低温度至少保持8h，每一循环持续24h；②给比例元件施加50%额定拉伸负荷的负荷力。  
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    2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h后，立即放进环境温度的水溶液中浸泡24h，取出后在环境温度空气中静放24h，直到表面干燥。  

    （3）爬电比距的选择  
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好资料学习了！