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kV送电线路ZnO避雷器的应用与实效 车培勇
（宁波电业局，浙江宁波315010）
摘 要：介绍了线路型金属氧化物避雷器在宁波电网两条110 kV送电线路上的应用，并总结了两年来的运行情况，比较分析了安装避雷器前后线路耐雷水平和应用效果，认为线路型避雷器是送电线路有效的防雷措施，为线路型避雷器
在高压送电线路上的推广应用积累了运行经验。
关键词：金属氧化物；避雷器；送电线路；防雷
0问题的提出
高压输电线路故障跳闸的一个重要原因是雷击故障。宁波电网1998～2001年110 kV及以上线路故障跳闸统计表明，雷击故障跳闸达到了50％～60％。减少送电线路的雷击故障跳闸已成为送电线路安全运行的一个突出问题，是电网运行部门一项十分重要的任务。
分析近年来的雷击跳闸记录，发现雷击跳闸率最高的是110 kV沥石线和丹石线，仅1998、1999两年跳闸就达14次，其中沥石线8次，丹石线6次，占同期整个宁波电网110 kV及以上送电线路雷击跳闸的43．8％，对电网的安全运行造成了严重影响。如何减少这两条线路的雷击跳闸，成为一个焦点问题。
kV丹石线长30．3 km，拉线塔和自立塔混合使用，共89基，其中70％为山地，全线采用双避雷线，直线塔采用XSH－110／70型合成绝缘子，耐张塔8片XWP2－7防污绝缘子。
kV沥石线长52．2 km，拉线塔和自立塔混合使用，共156基，85％为山地，全线采用双避雷线，直线塔采用7片XWP－
7、XWP－10和8片LXP－7绝缘子，耐张塔8～9片LXP－7，8片XWP－7和9片XWP－10绝缘子。
丹石线和沥石线均处于象山县东南地区的沿海山地，按《浙江电网污区分布图》属Ⅱ－Ⅲ级污秽
区。两线路投运以来，由于路径地形地貌和当地气象条件较为恶劣，雷击故障一直来较多。为降低线路雷击跳闸率，在1998年前已经采取了降低接地电阻，安装防雷多针系统等措施。从两线路的接地电阻测试情况看，除个别杆塔外均符合设计和规程要求，但雷击故障仍然频发，装有多针装置的杆塔仍遭雷击。于是，借鉴国内外的成功经验，考虑在这两条高雷击跳闸率的110 kV路线上应用线路型金属氧化物避雷器（ZnO避雷器）作为线路的防雷措施。1线路型避雷器的基本原理以及应用情况
用于送电线路防雷的避雷器并联于线路绝缘子串旁，通过保护绝缘子串，提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，达到防雷目的。线路型避雷器分为带串联间隙和无串联间隙两种结构类型。
带串联间隙型避雷器与导线通过空气间隙来连接，间隙击穿电压低于绝缘子串的闪络电压，正常时避雷器处于“休息”状态，不承受工频电压的作用，只在一定幅值的雷电过电压作用下串联间隙动作后避雷器本体才处于工作状态，因此具有电阻片的荷电率较高，雷电冲击残压降低，可靠性较高，运行寿命较长等特点。无串联间隙型避雷器直接与导线连接，利用避雷器电阻的非线性特性保护绝缘子串，与带串联间隙型相比具有吸收冲击能量可靠，无放电延时的优点。同时，为防止避雷器本身故障时影响线路正常运行，无间隙避雷器一般装有故障脱落装置。
国外如美国和日本从20世纪80年代开始将避雷器应用于送电线路上，取得良好效果。有关资料显示［3］，我国从90年代中后期开始在送电线路使用避雷器来提高耐雷水平，降低线路雷击跳闸率，如广东、四川等地的高压线路应用避雷器都取得较为理想的效果。理论和工程实验都表明安装线路避雷器作为送电线路的防雷措施是可行而且是有效的。但我省此前尚无110 kV送电线路上应用线路型避雷器方面的运行经验。2线路避雷器及其安装位置选择
宁波电网线路避雷器选用的是宁波镇海国创高压电器公司生产的HY20CX－84／244型带串联间隙和HY10WX－120／334TL带脱离装置的无间隙线路型金属氧化锌避雷器，其主要技术参数见表1。
从表1的技术参数可见，两种型号的线路型ZnO避雷器在伏－安特性、暂态电压承受能力、耐污能力以及密封性能方面，能满足110 kV线路的运行和防雷要求。而且，无间隙型避雷器的脱离装置其工频故障电流下的动作特性、耐受电流冲击和动作负载不动作能力均较好，能保证避雷器故障时不影响线路的正常运行，实现免维护。
避雷器安装地点的选择，主要针对易雷击杆塔和区段。分析两条线路近年来查到的雷击故障点分布，发现雷击杆塔主要是两个区域。丹石线集中在83～85号塔之间，地形地貌特征为线路右边相侧为山峰、左边相侧为空旷的山谷或水库，故障点主要在左边相和中相，位于山顶附近的84号塔左相和中相分别故障4次和3次，相邻的85号塔左相和中相也各有3次故障闪络。沥石线故障点分布相对较广，但7～21号塔区段故障占了一半以上，故障点主要在两边相绝缘子，中相绝缘子闪络较少，该易击区域的地形地貌特征为连续跨越多个山峰，跨越较大，最大一档达879 m。为此，将此两个易雷击的区段作为线路避雷器的安装地段，并按故障点情况确定安装避雷器的杆塔。
丹石线除83～85号塔外，相邻的82、86号塔耐雷水平也较低（见表3），因此82、86号塔也考虑在两边相安装避雷器。沥石线由于易击段范围较大，故考虑故障的7、8、11、12、15、20、21号等7基杆塔安装避雷器，同时对位于顶峰两侧山腰，从地形地貌分析易遭雷击的13、17号塔也予加装，两线路共确定14基杆塔安装线路避雷器。
考虑到安装费用及线路中相负角保护的特点，一般只在每基杆塔的两边相安装避雷器，结合雷击故障相别情况，丹石线83～85号以及沥石线8号 地貌有可能为绕击雷，为防绕击在上述4基杆塔上每相均安装避雷器［1］。
为积累运行经验，视安装地点杆塔结构，分别使用带间隙和带脱离装置的无间隙避雷器。实际安装时丹石线以带间隙型避雷器为主，沥石线以无间隙型避雷器为主，共安装线路ZnO避雷器32支，其中带间隙12相、无间隙20相。
线路避雷器的安装地点和类型见表2，安装分装用支架将避雷器外挑，带串联间隙型用支架将避雷器外挑并吊高后与绝缘子串并接。
（2）对杆塔的中相，直接用支架将避雷器固定在导线与杆塔之间。
（3）对耐张塔边相，采用将避雷器固定于横梁与跳线间方法。
另外，线路避雷器的安装应充分考虑风速的影响，对支架结构按线路设计要求进行相应校核。
3线路避雷器运行情况及效果
32相线路型ZnO避雷器自2000年6月起分批投入运行，从投入运行以来的情况看，运行情况良好，避雷器动作记录累计已达39次，防雷效果较为理想。安装线路避雷器以来，110 kV丹石线未发生雷击跳闸，线路避雷器已记录动作20次。110kV沥石线只在今年3月21日发生一次雷击跳闸，雷击故障点为远离避雷器安装区域的86号杆，线路避雷器动作19次。线路避雷器的动作次数见表2。在此期间，处于同一区域的110 kV线路多次发生雷击跳闸，35 kV送电线路的雷击跳闸率仍较高。
参照DL／T620－1997标准的线路耐雷水平计算参数、方法，线路加装线路型避雷器前雷击杆塔时的耐雷水平计算数据见表3。表中数据表明，安装避雷器前线路的总体耐雷水平是比较低的。丹石线由于使用合成绝缘子、避雷线、塔型等因素，耐雷水平明显偏低。其中84、85号塔又因接地电阻较大，耐雷水平很低，致使在特定的地形地貌和气象环境下雷击闪络频发。沥石线的总体耐雷水平尚可，有的杆塔如11、15号塔超过了100 kA，线路雷击跳闸的主要原因应是地形地貌和当地气象条件较恶劣，雷电活动强烈的所致。如15号塔耐雷水平已达169 kA，但因其处于山顶的特殊地形地貌而仍遭雷击闪络。
安装避雷器后，线路的耐雷水平有了较大提高，一般地三相安装避雷器的耐雷水平将提高3～3．6倍，两边相安装的将提高1．6～2倍［2］。取三相安装避雷器的耐水平提高3倍，两边相安装避雷器的耐雷水平提高1．8倍，杆塔达到了100 kA及以上的耐雷水平，大大提高了线路的防雷能力。
综合两条送电线路安装线路避雷器前后耐雷水平的比较、避雷器动作情况和线路的实际运行效果，可以看到通过应用线路避雷器，提高了线路的防雷水平，大幅降低了线路的雷击跳闸，收到了预期的理想效果。4结语
（1）从宁波电网两条110 kV线路的工程应用结果看，线路避雷器在110 kV送电线路的实际应用效果是较为理想的，是一种有效的防雷措施。（2）由于价格成本问题，送电线路大量使用线路型ZnO避雷器的技术经济比较有待论证，但对雷击跳闸率较高的线路，根据地形地貌地质和气象情况，在易雷击段或雷击频繁的杆塔，使用避雷器来提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率无论从技术上还是经济上都是完全可行的。
（3）国产线路型避雷器的运行可靠性虽尚需长期的运行考验，但从两年的运行情况看，两种类型的线路型ZnO避雷器运行可靠。
（4）由于线路型ZnO避雷器分有间隙和无间隙，在具体的选择上应注意避雷器与绝缘子串的绝缘配合问题，如合成绝缘子串与带串联间隙避雷器的配合裕度，即避雷器雷电冲击放电电压与绝缘子串U50％的配合［3］。
（5）110 kV送电线路应用避雷器取得的良好成效，为在其他高雷击跳闸率高压送电线路的推广使 用积累了经验，将对降低送电线路的故障跳闸率，提高电网运行可靠性起到积极作用。参考文献 ［1］苏胜新，等．线路用避雷器应用中的几个关键问题［J］．电瓷避雷器，2000，（4）：3－9．
［2］陈水明，何金良，等．110 kV输电线路采用氧化锌避雷器提高耐雷水平的研究［J］．中国电力，1998，（11）：12－15．
［3］包建强，等．高压线路加装避雷器可减少线路雷击跳闸率［J］．电力设备，2002，9（1）：70－73．
对采用重锤来改善直线杆塔绝缘子串风偏的看法
在送电线路设计中，对直线杆塔绝缘子串进行风偏校验以确保带电部分对杆塔构件保持足够的安全间隙是一个重要的环节。特别是对于山区或地形起伏较大的地方，直线杆塔很容易出现在内过电压、外过电压或工频电压条件下由于绝缘子串风偏而导致带电部分对塔身、砼杆拉线或横担等间隙距离不够的情况。对于上述情况的处理，设计人员往往采取在悬垂线夹下安置重锤的办法来抑制绝缘子串的风偏。从表面上看该方法简便可行，但经过详细的计算和分析，我们对采用安装重锤来改善绝缘子串风偏有不同的看法。公式推导
当线路没有小转角且忽略由于导线悬点不成直线所引起的分力时，直线杆塔的绝缘子串受力情况可用如图1所示。
由图可得，绝缘子串风偏角为：
式中 φ———绝缘子串风偏角，（°）；
Fj———绝缘子串风荷载，Fj＝9．806 65 Av2／16，N；
A———绝缘子串受风面积，m2，单裙绝缘子每片取0．03 m2，双裙绝缘子每片取0．04 m2，金具零件按加一片绝缘子计； v———相应内过、外过或工频电压风速，m／s；
Fd———相应内过、外过或工频电压风速条件下导线的风荷载，N； Gj———绝缘子串重力，N； Gd———导线垂直荷载，N；
n———每相导线分裂数。Fd和Gd由以下公式计算：
Fd＝Lh g4 S，Gd＝Lv g1 S；
又
Lv＝Lh－α（σ／g1），所以 Gd＝Lh g1 S－α×σ×S．
式中 Lh，Lv———杆塔的水平档距和垂直档距，m；
g1，g4———导线自重比载和导线风压比载，N／（m·mm2）； S———导线截面积，mm2；
α———杆塔高差系数；
σ———相应内过、外过或工频电压条件下的导线应力，N／mm2。
所以，绝缘子串风偏角φ为：
在定位的时候，为了直观检查直线杆塔绝缘子串风偏是否满足要求，从而便于控制直线杆塔的高度，可以用直线杆塔的最大允许高差［h］把绝缘子串最大允许风偏角［φ］反映出来。
杆塔高差h可用如图2表示（为方便比较，图中高差规定为正值）。
文献［1］第200页公式（3－3－10）有：
式中 h1，h2———分别为杆塔两侧的悬挂点高差，m，当邻塔悬挂点高时取正值，反之取负值；
h———N1至N3悬挂点连线到N2悬挂点之间的垂直距离，m。
综合（1），（2）两式，可得
h＝［（Gj－Fj／tanφ）／（2nSLh）＋g1－g4／tanφ×L1 L2／2σ．（3）
把绝缘子串外过电压、内过电压或行动电压条件下最大允许风偏角［φ］代入（3）式，即得直线杆塔的最大允许高差［h］为：
［h］＝［（Gj－Fj／tan［φ］）／（2 nSLh）＋g1－g4／tan［φ］×L1 L2／2σ．（4）实例分析
以下举一220 kV工程所用Z3铁塔进行实例分析。
原始数据见表1～表3。
断面定位图如图3所示。
由图3和（4）式可计算出N02塔实际高差h和三种情况下的最大允许高差［h］，如表4所示。
由表4计算结果可看出，中相实际高差h＝14．17 m＞［h1］＝11．88 m。这就说明，当内过电压有风时，N02中相绝缘子串的实际风编角φ1将超过最大允许风偏角［φ1］，应采取有效的措施。
现就以安装重锤的方法试图解决。
按文献［1］第692页公式（8－2－7）可计算出在上述各参数情况下需安装重锤片数为4（计算过程略），高度为295 mm。重锤型号按文献［2］第274页选取。此时，重锤总重W＝662．93 N。根据上述直线杆塔的最大允许高差［h］的推导过程可知，绝缘子串安装重锤后的最大允许高差［h′］为
［h′］＝［（Gj＋2 W－Fj／tan［φ′］）／（2 nSLh）＋g1－g4／tan［φ′］］×L1 L2／2σ．（5）
式中
W———重锤总重，N；
［φ′］———安装重锤后的最大允许风偏角，（°）。
现假设安装重锤后，绝缘子串的最大允许风偏角［φ′］＝［φ］，由（5）式可算出［h1′］＝14．26 m。此时，N02中相绝缘子串在内过电压有风情况下的临界允许高差［h1′］大于实际高差h。即：
［h1′］＝14．26 m＞h＝14．17 m．
表面上，N02中相绝缘子串在安装重锤后的风偏已经被控制在安全范围内了。但实际上，由于重锤是一个带电体，在线路运行中，它始终带电，这就缩小了带电体对塔头构件的空气间隙，从而导致中相绝缘子串在安装重锤后的最大允许风偏角［φ′］＜［φ］，如图4所示。图中只表示出内过电压有风的情况，实线表示未安装重锤的绝缘子串风偏，虚线表示安装重锤后的绝缘子串风偏（为了更好地表示出角度的变化，图中角度并不代表真实角度）。经过计算和画间隙圆，此时中相绝缘子串在内过电压有风情况下最大允许风偏角［φ1′］＝39．74°。
把［φ1′］＝39．74°代入（5）式，即可得［h1″］＝14．05 m。
现比较一下内过电压有风情况下中相绝缘子串在安装重锤前后的高差：
实际高差h＝14．17 m；未安装重锤最大允许高差［h1］＝11．88 m；安装重锤后最大允许高差［h1″］＝14．05 m。
分析以上数据可说明，当悬垂绝缘子串风偏不安全时，采用安装重锤的方法在一定程度上能改善风偏效果，这反映在［h1″］＞［h1］上，但仍未满足［h1″］＞h这一风偏安全条件。所以，实际上绝缘子串的风偏仍未能得到真正的控制。结论
笔者对其它类型的杆塔都作此类的计算和分析，结果亦表明：采用安装重锤来改善直线杆塔绝缘子串风偏虽然有一定的效果，但总体来看并不十分理想。另外，考虑到送电线路往往运行时间较长，气象有时比设计时考虑还要恶劣，施工安装又可能存在一定的偏差，我们也应该把风偏裕度适当增大些。所以，在送电线路设计中，不应盲目采用重锤来抑制直线杆塔绝缘子串风偏。解决方法
既然采用安装重锤来改善绝缘子串风偏的效果不太理想，那么，在线路设计中碰到这类问题的时候，还有哪些方法可以解决呢？首先，应考虑通过调整杆塔位置、杆塔型式或杆塔高度使绝缘子串风偏控制在安全范围内；其次，将单联绝缘子串改为双联V型绝缘子串也是行之有效的方法；第三，改变绝缘子串的悬挂与组装型式、缩短绝缘子串的摆动长度等措施均可改善绝缘子串风偏。另外，通过技术经济比较，亦可将该直线杆塔改为耐张杆塔，从而使绝缘子串风偏问题不复存在。
参考文献：
［1］能源部东北电力设计院．电力工程高压送电线路设计手册［M］．北京：水利电力出版社，1991．
［2］董吉谔．电力金具手册［M］．北京：水利电力出版社，1987． ［3］云南工业大学．高压架空线路设计基础［M］．北京：水利电力出版社，1993．
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