高海拔地区线路避雷器的结构和参数优化探讨研究

高海拔地区线路避雷器的结构和参数优化探讨研究

尹俊 , 张弛 , 吴昊 , 邱宗奎

四川电力设计咨询有限责任公司 , 四川 成都 610041

摘 要：本文阐述了线路避雷器的选型和典型安装方式，对两种常见避雷器安装方式优缺点进行比较分析，提出高海拔地区避雷器结构和材质的优化措施。根据规程规范修正，并结合西藏地区多个工程设计运行经验，提出高海拔地区线路避雷器的主要参数取值。

关键词：线路避雷器；结构；参数；优化

1 引言

西藏电网地处高海拔地区，平均海拔3000米以上，位于A及B1雷区，总体雷暴日不高，但分布有高山峡谷、高山湖泊、雪山冰川、河流沼泽等多种地形地貌，部分区域地形起伏大，加之气象条件恶劣，容易形成复杂多变的雷电灾害^[1]。以西藏昌都地区为例，2019年和2020年，110kV、220kV输电线路发生雷害故障跳闸22次，500kV输电线路发生雷害跳闸6次，严重影响电网安全。

为提升线路工程雷电防御水平，减少后期线路运维工作量，常用的主要手段之一为在输电线路上加装避雷器^[2]。本文研究了线路避雷器的典型结构和主要安装方式，同时对线路避雷器的技术参数进行高海拔修正，另外提出了高海拔条件下得结构和材质优化措施。

2 线路避雷器的选型

(a) (b)

图1 线路避雷器结构

国内生产的线路避雷器基本为避雷器本体加串联间隙方式^[3]。串联间隙主要有两种，一种是支撑绝缘子间隙，另外一种是纯空气间隙。相应的避雷器叫做：串联绝缘子支撑间隙型避雷器和串联纯空气间隙型避雷器，见图1。两种避雷器各有优缺点。

3 线路避雷器的典型结构和安装方式

3.1 串联绝缘子支撑型避雷器典型结构和安装方式

以阿里联网工程220kV线路避雷器为例，串联绝缘子支撑型避雷器结构如图1(a)所示。

图2 串联绝缘子支撑型避雷器典型安装照片

避雷器上端通过夹具与铁塔横担钢材连接，夹具为L型夹具，可直接夹持在铁塔钢材上，计数器也安装在夹具上。绝缘子支撑型避雷器的间隙是指支撑绝缘子两端间隙环之间的距离，该间隙距离根据安装点海拔高度提前确定，厂家生产时直接按间隙值加工，支撑间隙一次成型。串联绝缘子支撑型避雷器典型安装照片如图2所示。

3.2 串联空气间隙型避雷器典型结构和支撑安装方式

串联空气间隙型避雷器一般安装在直线塔上，安装避雷器的位置可以是直线塔边相也可以是中相。避雷器本体通过避雷器支架悬挂于导线上方，确保导线无风偏情况下避雷器末端电极中心位于导线正上方，安装完成后，避雷器本体需呈铅垂状态。

以阿里联网工程220kV线路避雷器为例，串联空气间隙型避雷器结构如图1(b)，安装照片如图3所示。

图3 串联空气间隙型避雷器典型安装照片

3.3 两种避雷器结构和安装方式比较

3.3.1 串联绝缘子支撑型避雷器优缺点

串联绝缘子支撑间隙型避雷器优点是安装方便，不受环境制约，串联绝缘子支撑间隙型避雷器上端挂于铁塔横担构件上，挂点位置可随意调节，下端通过悬垂线夹与线路导线相连，安装方便。和避雷器本体相连的均压环与导线带电部分，支撑绝缘子和塔身的间隙距离都可以灵活调整，容易满足要求。

缺点是支撑绝缘子连接部分受力问题和复合绝缘子本身有老化问题。支撑绝缘子为芯棒结构，若安装在高海拔、高寒地区，遇特别重的覆冰后担可能出现弯曲变形的情况；同时复合绝缘子无法避免有老化、寿命短的问题。

3.3.2 串联空气间隙型避雷器优缺点

串联空气间隙型避雷器采用空气间隙作为避雷器的放电间隙，为自然的空气间隙，不受覆冰等环境因素影响，也不存在老化隐患，运行可靠，维护检修方便，是最理想的避雷器安装方式。缺点是避雷器尾部电极对导线的空气间隙距离受地形（导线下倾）、铁塔结构影响，耐张塔安装时空气间隙距离难以满足要求，一般只能在直线塔上安装。

4 线路避雷器结构和材质优化措施研究

针对上述问题，本文从避雷器的金具连接、支撑绝缘子的性能方面进行研究，提出以下优化措施。

4.1 复合绝缘子芯棒加强

支撑绝缘子为芯棒结构，可采取加粗芯棒的方式进行抗弯曲设计，芯棒加粗后，可提高承受覆冰荷载能力。

复合绝缘子的芯棒一般采用FRP玻璃钢，玻璃钢以环氧树脂等合成脂为基体，以玻璃纤维或其他制品作增强材料形成一种纤维强化塑料，具有优质的拉伸、耐撕裂性能。在运行过程中，棒芯既要承受导线拉力，又要起到内绝缘作用。根据国内厂家调研，目前110kV-500kV避雷器用复合绝缘子的芯棒直径一般为18mm、18mm和24mm；可加粗为24mm、24mm和30mm。具体可根据线路避雷器的安装地区覆冰情况进行优化调整。

4.2 伞裙材质优化

伞裙是外绝缘的组成部分，以硅橡胶为主要材料，通常添加其他成分高温硫化形成混炼胶，必须具备优异的憎水、抗老化和耐电腐蚀性能。在高海拔地区，紫外线特别强烈，复合绝缘子的伞裙可能出现龟裂或脆化，目前高海拔地区复合绝缘子使用量较小，使用年限也不长，运行经验还不足。

近年来，青海、西藏地区一些高海拔输电线路陆续采用了复合绝缘子，电力公司、制造厂家和设计院都在复合绝缘子抗紫外线辐射方面进行了一些研究，根据一些研究成果，可考虑在复合绝缘子材料中添加纳米颗粒等材料来提高耐辐射能力，具体效果有待试验和运行进一步验证，在今后的复合绝缘子设计和科研过程中，应做进一步的深入研究。

4.3 金属材质优化

线路金具主要采用Q235、Q345R和#35等材料。Q345R材料具有较好的低温冲击性能，一般在大吨位板材金具中使用；35CrMo合金结构钢材料在低温至-110摄氏度时，扔具有较高的静电度、冲击韧度及较高的疲劳强度，具有良好的耐低温和耐磨损性能，各方面均强于#35钢材。

因此，对支撑绝缘子的连接金具全部采用高强度、耐高寒材料，一般制件用Q345R，锻造件采用新材料35CrMo。同时对与支撑绝缘子连接的铝质均压环、球头挂环和碗头挂板采用整锻碗头制造，并按海拔高度修正均压环管径。

4.4 连接金具优化

避雷器本体和支撑绝缘子连接处长期受力，受风、冰等环境影响可能发生脱落，为此，将常规的连接金具WS-7改为带抱箍护套的WS-7G型，可避免运行过程中发生脱落的情况。

图4 避雷器本体和支撑绝缘子连接处的WS-7型金具

5. 避雷器的主要参数及高海拔修正

根据《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》^[4]（DL/T 815-2012），线路避雷器的主要参数为：避雷器本体雷电冲击放电电压、本体工频耐受电压、避雷器本体复合外套的雷电冲击电压和工频耐受电压以及间隙距离。

根据《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》^[4]（DL/T 815-2012），应对带间隙的整只避雷器进行雷电冲击50%放电电压试验，雷电冲击50%放电电压试验用来确定避雷器间隙的最大距离。当设备安装在海拔高度高于1000m时，实际施加到设备外绝缘的耐受电压应在上表1的基础上进行海拔修正^[5]，海拔修正公式如下：

对复合外套的绝缘耐受性能，根据《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》^[4]（DL/T 815-2012），带间隙避雷器本体复合外套的绝缘耐受电压值，雷电冲击电压取避雷器本体残压值的1.4倍，工频耐受电压取雷电冲击保护水平的0.88倍。另外，也需进行高海拔修正，海拔修正公式如下：

避雷器的间隙距离由避雷器制造厂家根据试验确定，避雷器型式试验项目中即包括雷电冲击放电电压试验和雷电冲击伏秒特性试验以及工频耐受试验。根据试验数据确定各海拔范围内各电压等级的间隙距离。

根据川藏联网、藏中联网、阿里联网等工程高海拔试验积累的试验数据，各海拔范围内110kV-500kV避雷器串联间隙取值如下：

表4 各电压等级带间隙避雷器各海拔范围下间隙距离值统计（以往工程）

注：括号外数据为串联绝缘子支撑间隙取值，括号内数据为纯空气间隙距离取值。

6 结束语

本文阐述了串联支撑绝缘和串联空气间隙两种线路避雷器的典型结构和安装方式，对满足高海拔条件下防低温、抗覆冰、防紫外线辐射等方面要求，对线路避雷器的结构和材质提出了优化措施建议，对高海拔地区线路避雷器的优化设计具有参考和指导意义。

根据规程规范，提出了海拔3000-5500m高海拔地区线路避雷器的雷电冲击放电电压、工频耐受电压修正公式。根据以往工程设计取值，结合已有试验数据和已有工程运行经验，采用线性推算，得出海拔3000-5500m条件下的避雷器推荐间隙距离取值，对输电线路工程线路避雷器的设计也提供了指导和参考。

参考文献

[1] 陈秀娟, 夏潮, 殷禹, 等. 川藏联网工程500kV高海拔输电线路的耐雷水平[J]. 高电压技术, 2016, 42(05):1535-1540.

[2] 邹建章, 张宇, 胡京, 等. 220kV带串联间隙线路避雷器保护性能研究[J]. 高压电器, 2016, 52(10): 148-152.

[3] 王春杰, 祝令瑜, 汲胜昌, 等. 高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J]. 电瓷避雷器, 2010, {4}(03):35-46.

[4] GB 311.1-2012, 绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则[S]. 中华人民共和国国家标准, 2012.

[5] DL/T 815-2012, 交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器[S]. 电力标准, 2012.

作者简介

尹俊（1981），大学本科，高级工程师，从事输电线路设计方面的工作；

张驰（1973），大学本科，高级工程师，从事输电线路设计方面的工作；

吴昊（1982），硕士研究生，高级工程师，从事输电线路设计方面的工作；

邱宗奎（1984），硕士研究生，工程师，从事输电线路设计方面的工作。