综合来看,根据雷电引起绝缘导线断线的机理,相应的预防措施主要是“疏通”和“封堵”。所谓“疏导”,就是将绝缘子附近的绝缘导线部分露出,使工频电弧根部转移或固定在专用金具上燃烧,从而保护导线不被烧伤。例如,在芬兰,闪络保护夹用于剥除绝缘子和导体连接处的绝缘层;瑞典和美国在绝缘子两侧的绝缘导线上剥去一段绝缘层,装上灭弧夹;日本绝缘子处导体绝缘层剥离,采用放电钳绝缘子。“疏通”的方法操作简单,投资少,但部分裸露,有密封和绝缘缺陷;另外,线夹装置往往存在抗震性能差的问题,风一吹,在线路上舞动,经常会发生故障。所谓“阻断”,就是防止雷击闪络后工频连续电流起弧。例如,在日本,大量使用过电压保护器,即具有串联环外间隙的金属氧化物避雷器。
经济发达国家使用架空绝缘导线输配电由来已久,积累了大量运行经验。为了降低不断上升的雷击断线事故率,先后采取了多种预防措施和方法,具体如下:
(1)架空避雷针在空旷地区,处理架空绝缘配电线路的感应过电压,传统方法是同杆架设架空避雷线,投资较大。但由于配电线路设计绝缘水平较低,雷击架空避雷线后极易造成反击闪络,仍会造成工频持续电流熔断绝缘导线。因此,这种方法目前在国外很少使用。
(2)氧化锌避雷器近年来,人们利用氧化锌避雷器的非线性电阻特性和快速阻断工频续流的特性,广泛应用于线路中限制雷电过电压,但其保护范围较小。除此之外,绝缘层之所以一定要破损,可能会导致水进入绝缘的导体线芯,从而导致氧化锌避雷器导体弧垂的电化学腐蚀和断线。同时,在工频电压下,可能造成氧化锌阀片老化,增加运行维护。
这种方法具有良好的防护效果,在日本、美国、加拿大等国家得到了应用。通过巨额投资。
(3)夹紧绝缘子东京电力公司采用放电钳绝缘子,防止绝缘电线被雷电击穿。即在绝缘线的固定位置剥离绝缘层,安装专门设计的金属线夹,设置引弧放电间隙。当雷击闪络引起工频续流时,工频续流会在金属线夹上点燃,直到线路跳闸熄灭工频续流,从而避免烧毁绝缘子,熔断绝缘导线。但也存在一些缺点,如更换绝缘线的投资成本高,需要打破绝缘层,可能导致绝缘线芯进水,在导线下垂和断线处产生电化学腐蚀。
(4)增长闪络路径增加闪络路径和降低工频电弧率是防止架空绝缘线路遭雷击断线的另一种方法。俄罗斯国家电力公司首先提出了长闪络间隙保护方法。在横担上安装U形绝缘闪络路径,使U形头与绝缘导体之间的冲击放电电压低于绝缘子的冲击放电电压。当雷电过电压发生时,该间隙先于绝缘子击穿闪络,并沿绝缘闪络路径发展。如果绝缘路径设计得足够长,可以防止工频续流建弧,切断工频续流,但如何保持间隙,如何与同塔其他线路保持标准距离的问题一直没有解决。
(5)提高线路绝缘水平。用硅橡胶绝缘横担代替配电线路中的瓷绝缘子,会提高整条线路的绝缘水平,雷电引起的工频续流由于爬电距离大,也不能建弧。但是投资高,改造工程大。
(6)绝缘线路雷电过电压保护器近年来,日本、澳大利亚、美国和欧洲等一些雷电多发国家已在架空绝缘线路上广泛应用线路过电压保护器。该装置利用外部间隙形成氧化锌限流元件的外部放电间隙。当线路发生雷电过电压时,外部间隙先放电,雷电流经氧化锌限流元件而被释放,而工频续流被氧化锌限流元件切断,从而防止架空绝缘线路被雷电击穿。该方法已在多个国家推广应用四年,有效防止了雷击断线事故的发生,受到多个国家的广泛欢迎。它正在逐步取代上述预防措施。
在本技术方案中,无间隙避雷器和绝缘线路过电压保护器具有较好的应用效果,得到了广泛的应用。
下面进一步讨论两种技术方案。无间隙避雷器
无间隙避雷器用于线路防雷时,避雷器直接与导线连接,是电站避雷器技术的延续,具有可靠吸收冲击能量、无放电延时的优点(另一种是通过空气间隙与导线连接的无间隙避雷器,在雷电流作用时只承受工频电压,可靠性高,使用寿命长)。
而无间隙避雷器长期遭受工频电压,还要间歇性遭受雷电过电压和工频续流,避雷器容易老化,因此故障较多。由于避雷器与导线直接相连,当避雷器发生故障时,可能会影响线路的正常供电。
线路绝缘雷电过电压保护器线路过电压保护器的限流元件与线路绝缘子并联。当杆塔或避雷线遭受雷击时,雷电流产生的高电位使线路保护器的串联间隙动作,降低塔臂与导线之间的电位差,保证绝缘子不会再次闪络,从而避免线路跳闸和停电。串联间隙动作后,限流元件本体的残压不仅被限制在远低于绝缘子内的闪络电压,还能在雷电电压后的系统工频电压下自行熄灭工频连续电流,保证正常供电。
该设备具有以下优点:①线路正常运行时,过电压保护器不承受连续工频工作电压的影响,限流元件电阻阀板在“静止”状态下的充电率可较高,雷电冲击残压可相应降低;
②只有当限流元件在一定幅度的雷电过电压作用下串联间隙动作时,限流元件本体才处于工作状态,因此其外绝缘水平(绝缘护套的爬电距离)可以低于无间隙避雷器。
③在正常设计的线路上,有足够的承受操作过电压的能力,可以选择间隙大小来避免操作过电压的作用,这样可以大大减轻限流元件操作负荷试验的压力。
④由于不锈钢引流环串联间隙的隔离作用,即使限流元件电阻劣化,也不会影响线路的正常运行。
事实上,有关数据表明,到1999年1月,日本已有超过47000个不同电压等级的过电压保护器在运行。显然,日本大量采用了线路过电压保护器来提高输电线路的防雷水平,并取得了良好的运行效果。