DQZHAN技术讯：输电线路避雷器的基本原理与技术要求
1 线路避雷器的原理
1.1 定义
线路型避雷器主要用于交流输变电线路，是为了限制线路雷电过电压，提高线路耐雷水平，是降低系统因雷击故障引起的跳闸率专门设计的一种悬挂安装于输电杆塔上的避雷器。现在交流输电线路主要采用用复合外套金属氧化物避雷器。
复合外套金属氧化物避雷器为并联连接在线路绝缘子的两端，用于限制线路上的雷电过电压及(或)操作过电压之用的复合外套金属氧化物避雷器(以下简称线路避雷器)。金属氧化物避雷器(压敏避雷器)是以氧化锌(ZnO)基压敏电阻(非线性电阻)组成的。
1.2 分类
线路避雷器的分类如下避雷器分类图所示。从间隙特征上讲，线路避雷器大体上分为无间隙和有间隙避雷器两大类，有间隙避雷器又有外串间隙和内间隙之分，由于产品制造和运行方面的综合原因，内间隙避雷器在线路上几乎不用，因此有间隙线路避雷器通常是指外串联间隙避雷器。有间隙线路避雷器作为主流的线路避雷器，又有两种主要形式，即纯空气间隙避雷器和绝缘子支撑间隙避雷器，
无间隙线路避雷器主要用于限制雷电过电压及操作过电压;带外串联间隙线路避雷器由复合外套金属氧化物避雷器本体和串联间隙两部分构成，主要用于限制雷电过电压及(或)部分操作过电压。近十几年来，国内外采用带外串联间隙金属氧化物避雷器，大大提高了金属氧化物避雷器承受电网电压的能力，又具有更好的保护水平，因此EGLA(带外串间隙线路避雷器)是应用*广泛的线路避雷器，其基本构成如下图所示。
图 带串联间隙金属氧化物避雷器的基本构成
我国在20世纪90年代开发出了带脱离器的无间隙避雷器，35～500kV线路型避雷器均有多年应用经验，*长运行时间已有十多年之久，取得了良好的防雷效果。但是鉴于对安装于交通不便的野外特别是山区等，无间隙避雷器的维护是一个普遍的问题。另外，由于目前国内绝大多数脱离器的性能、质量和可靠性不好，屡次发生避雷器还是完好的脱离器却动作了，或者避雷器已损坏了但脱离器仍未动作的现象。鉴于这些原因，近些年的线路避雷器的安装应用普遍集中于有串联间隙避雷器上。
另外，线路避雷器按外套材料可分为瓷外套线路避雷器和合成外套线路避雷器;按电压等级又分为配电线路避雷器和输电线路避雷器;按功能又分为主要用于限制雷电过电压的线路避雷器和主要用于限制操作过电压的线路避雷器或兼有限制雷电过电压及操作过电压的线路避雷器。
1.3 非线性特性
氧化锌避雷器的特性主要是由材料的非线性特性决定。
氧化锌元件的非线性特性主要是由晶界层形成的，在低电场强度下其电阻率为1010~1011W˙m，而当电场强度达到106~107V/m时，其电阻率骤然下降进入低电阻状态。
2 线路避雷器的作用
2.1 避雷器的基本功能
避雷器应具有以下四种机能：
1)抑制过电压的机能;
2)冲击电流的通流机能;
3)从瞬时接地状态下自我恢复性能(续流遮断性能);
4)不发生不必要的动作。
避雷器的动作原理图
2.2 线路避雷器的保护范围
仿真线路段示意图
分两种情况来研究。
1)#3杆塔(已装设避雷器)顶部遭受雷击后，相邻杆塔是否有闪络风险。
2)雷击点在#3和相邻杆塔(未装避雷器)之间的地线上，相邻杆塔是否存在闪络风险。
当雷击点在装设避雷器的#3塔和相邻杆塔之间的地线上时，从下表列出了邻塔发生闪络的反击闪络电流的变化。
可以看出：随着落雷点离临塔越近，邻塔反击闪络电流降低，说明本塔装有线路型避雷器对于相邻塔的雷击保护作用不明显，因此可以说本塔装有避雷器并不能保护相邻塔。
2.3 线路避雷器的安装相别
1)110kV线路宜在三相均安装避雷器。
2)220kV线路接地电阻大于10Ω，或运行经验证明反击故障为主的线路(段)宜在三相均安装避雷器;否则，单回路可仅在两边相安装，同塔双回路可仅在两侧的上、中相安装。
3)500kV线路在接地电阻不满足设计要求时，应三相全部安装。否则，单回路可仅在两边相安装，同塔双回路可仅在两侧的上、中相安装。
2.4 其他
1)对于接地电阻很难降低的杆塔，可考虑加装三相线路避雷器。对于220kV线路，安装线路避雷器后，接地电阻要求满足20Ω以下即可。
2)安装线路避雷器的杆塔，可不须安装负角保护针。
3 线路避雷器的性能要求
3.1 机械性能
悬挂式安装时，应进行拉伸负荷试验：型式和抽样试验取避雷器自重的15倍，耐受60s不损坏。试验前后避雷器本体局放变化不大于10pC，局放量不大于10pC，直流参考电压变化不大于5%。
非悬挂式安装时，应进行抗弯负荷试验
注：线路避雷器本体在型式试验时，不是设计用于扭转负荷的，如果要受到扭转负荷，经供需双方同意，需要进行专门的试验。
3.2 避雷器放电电压性能要求
对避雷器应进行雷电冲击50%放电电压试验和工频耐受电压试验，其试验值应与线路绝缘水平相配合，以保证避雷器在雷电过电压下放电，而在工频过电压下不放电。典型推荐值见下表。
3.3 避雷器冲击伏秒特性
避雷器的冲击伏秒特性曲线应比被保护的绝缘子串的伏秒特性曲线至少低10%。
3.4 避雷器本体的局部放电
不应大于10pC。
3.5 避雷器本体的残压
3.6 电流冲击耐受
避雷器本体应通过2ms方波电流耐受试验、大电流冲击耐受试验以及大电流冲击负载试验。试验值如下表：
3.7 额定电压、标称放电电流
110kV、220kV和500kV线路避雷器的额定电压分别建议选择102kV、192kV和396kV;110kV、220kV标称放电电流建议选择10kA，500kV选择10kA或20kA。
1)避雷器额定电压是施加到避雷器端子间的*大运行工频电压有效值，选择避雷器额定电压时，仅考虑单相接地、甩负荷和长线电容效应引起的暂时过电压。
3.8 间隙距离
按如下2个原则确定串联间隙长度：
1)线路避雷器串联间隙距离应足够大，能承受避雷器所安装线路系统*大过电压。
2)线路避雷器串联间隙距离应足够小，使得雷击杆塔时线路避雷器能在绝缘子串闪络之前动作。
方法：
1)测试串联空气间隙U50、绝缘子放电电压U50，满足给定冲击配合系数条件下，确定串联空气间隙距离。
2)进一步试验验证选定间隙与绝缘子串的伏秒特性是否配合良好。
3)进行外串间隙氧化锌避雷器的工频耐受试验，验证是否大于系统的*大工频过电压。
计算方法：
绝缘子串U50%计算方法(IEC推荐公式)。
其中Us-t为伏秒特性绝缘子闪络电压(kV);L为绝缘子串长度(m);t为从雷击开始到闪络所经历的时间(μs)。在缺少实际试验数据的情况下，对于瓷绝缘子可取t=10μs对应的闪络电压值作为该绝缘串的U50%。
由于氧化锌非线性电阻的影响，线路避雷器(包括氧化锌阀片本体和串联外间隙)的50%雷电冲击放电电压比空气外间隙的数值高。线路避雷器50%雷电冲击放电电压可这样粗略估算：即线路避雷器50%雷电冲击放电电压约等于氧化锌阀片本体的直流1mA电压与串联外间隙的50%雷电冲击放电电压之和[15]。该值由生产厂家提供。
冲击配合系数 = 绝缘子串U50%/线路避雷器U50%
参考值如下：
4 线路避雷器的选型
4.1 避雷器结构形式
线路避雷器宜选择带串联间隙的避雷器。
在直线塔上宜选择纯空气间隙避雷器，在耐张塔上宜选择绝缘支撑间隙避雷器。
带绝缘支撑间隙避雷器结构的优点是间隙距离不受风偏的影响，安装较容易。而空气间隙避雷器在大风作用下，间隙距离会发生变化，电极形状必须制作成弧形，其优点是有间隙隔离系统运行电压，电阻片老化现象减轻。带绝缘支撑间隙避雷器的复合绝缘子本身有老化和维护的问题，故优选纯空气间隙避雷器。但由于纯空气间隙避雷器在耐张塔上不便安装，故耐张塔选用带绝缘支撑间隙避雷器。
带串联绝缘子间隙避雷器安装不需要外加支架，安装简单、方便;虽然带串联空气间隙避雷器有可靠性高、寿命长的优点，但是安装很复杂(加装支架且应沿导线方向伸出)，对于在耐张塔和特殊塔形安装非常困难。
4.2 线路避雷器的选型
带纯空气间隙
缺点：
1.空气间隙避雷器在大风作用下，间隙距离会发生变化
2.安装复杂，且需调整间隙
优点：
可靠性高、寿命长，即使避雷器故障，间隙 依然可以起到隔离作用
带绝缘子间隙
缺点：
复合绝缘子本身有老化和维护的问题
连接部位受力问题
优点：
安装容易
4.3 线路避雷器选点的影响因素
5 线路避雷器的安装
安装过程根据塔形的不同，采用不同的安装方式，除了避雷器本体外，还涉及到支架选择、安装、计数器安装、据带电体距离大小以及避雷器间隙的确定等。
5.1 直线塔线路避雷器的安装
直线塔使用空气间隙避雷器，安装应注意：
避雷器的位置
避雷器与被保护绝缘子的**距离
避雷器与带电体的距离
钢架的选择与安装
弧形电极的方向
间隙的尺寸
计数器的安装等
5.2 耐张塔线路避雷器的安装
耐张塔因无法实施安装纯空气间隙避雷器，仅能安装带绝缘子间隙避雷器，使用带绝缘子间隙避雷器，安装应注意：
安装点是否处于重冰区
安装点是否处于强风区
避雷器的位置、避雷器与被保护绝缘子的**距离、钢架的选择与安装、计数器的安装等(与纯空气间隙一致)
绝缘子的安装形式
避雷器一端通过铁塔接地，一端通过固定绝缘子间隙直接搭接在导线上，避雷器采用垂直下垂的方式。
直耐张塔安装避雷器示意
5.3 安装注意事项
1、线路避雷器在安装前应严格按照规程开展交接试验;
2、安装支架伸出距离应满足避雷器与被保护绝缘子的**距离大于*大间隙距离的要求，并留有一定裕度，防止避雷器对绝缘子金具放电，如220kV线路避雷器与接地体的空气距离不低于1.9m;
3、线路避雷器安装支架可采用两根角钢靠背双并斜担在杆塔塔头主横担上或者采用槽钢、角钢结合的方式，采用的槽钢、角钢型号应满足避雷器承力要求，如安装220kV线路避雷器采用两根角钢应不低于L63×6，若采用槽钢、角钢结合的方式，槽钢不低于10号;
4、线路避雷器安装时，为保障间隙距离的有效性，避雷器尾端弧形电极长轴方向应与下方导线垂直;
5、线路避雷器纯空气间隙安装时应满足要求;
6、线路避雷器的计数器应选择具有大盘径、粗指针的计数器，以易于塔下查看读取数据，安装时计数器面板朝下。计数器安装时，通过软导线与避雷器接地端子相连，计数器朝向主横担侧，也可安装在杆塔塔头主横担上靠近避雷器侧的位置(打孔)，但距避雷器的位置不应超过2m。
6 线路避雷器的运行维护
1)建立台账、运行记录并密切加以监视，雷雨季节及时记录雷击动作情况;同时还应建立必要的检修、试验、轮换制度，确保装置运行的可靠性。
2)结合线路检修进行的运行维护工作包括：
避雷器本体外观目测;串联间隙、上下电极测量和检查;高压电极和接地端连线检查;连接件检查;检查、记录计数器动作次数;检查在线或离线监测装置。
3)运行3~5年后的线路避雷器可进行抽样试验，抽样避雷器进行直流试验，如抽样避雷器试验不满足要求，要求对同批次避雷器加大抽样比例，如仍出现一支不合格，应扩大同批次避雷器试验，确定是否能够继续运行。
4)动作极为频繁(如20次)的避雷器应进行缩短周期进行直流试验，试验不合格应退出运行。
