新型避雷器脱离装置用脱离器的研究
郝东新 王森 李伟 蔺斯源 赵琨
摘 要：对脱离器的使用环境和运行状况进行了简单介绍，并阐述了脱离器的运行原理和现有脱离器存在的主要问题，讨论问题产生的原因，针对这些原因，结合相关标准和实际需要，确定了一种新型脱离装置用脱离器的各项性能指标。基于上述指标进行设计和试制，随后对提出的性能指标进行了相关试验验证，确保了设计结构的可靠性。
关键词：脱离器;热爆式;避雷器;安秒特性;密封特性
0 引言
脱离器作为避雷器的一种常规附件，与避雷器串联使用[1]。当避雷器出现异常故障时，若避雷器中流过的工频短路电流过大，则会让脱离器动作，接地端脱开，避雷器退出系统运行，以避免出现线路短路跳闸现象，阻止事故进一步扩大，且给出清晰可见的问题避雷器脱离标记，方便维护人员及时发现问题设备并进行维修或更换。脱离器作为有效的脱离手段已被应用于各种避雷器。在欧洲、美国、日本等发达国家及地区的电力系统中，避雷器用脱离器的应用相比国内起步早，且发展更为迅速，配电类避雷器及线路悬挂式避雷器均安装了脱离器。目前在国内，脱离器仍未大范围应用在各个区域和领域内[2-3]。
目前，国内35 kV及以下电压等级各型避雷器在农网、电厂、地铁和变电所等关键场所已经广泛应用;对于无间隙线路避雷器，由于安装地点多为城郊、野外、山区等交通不便利、人烟稀少的区域，巡检代价高、维护成本大，即便有新的巡检方式，如无人机、在线远传等，也由于避雷器的重要程度不高和检验手段不多等因素，需要更加免维护的保障。
近年来，对于脱离器在线路避雷器上的应用需求，已经不局限于35 kV及以下电压等级，而是逐渐扩展到高电压等级。国内目前已有不少带脱离器的避雷器在运行，但因成本和制造水平的原因，在使用过程中出现了很多问题，不能完全满足使用要求[4]。基于此，本文着重介绍了一种新型脱离器。
1 當前脱离器存在的主要问题
脱离器安装的效果是在避雷器发生故障时防止事故的进一步恶化，且有利于对设备的完好程度进行辨识。目前，在国内的实际应用过程中发现脱离器存在运行可靠性不够高的问题，其中典型的可靠性问题有：拒动作（即避雷器发生故障但脱离器未发生脱离）、误动作（即避雷器完好而脱离器发生脱离）等[5]。经过分析，常见故障的主要原因有以下几个方面：
（1）脱离器的密封性能。胶合面漏水、外壳龟裂、电极气孔、受力后外壳或粘接面破损都会对脱离器的密封性能造成影响，导致水分或水蒸气进入。通过脱离器泄放过电压能量时内部的水分会被加热而瞬间汽化，因此产生水锤效应，脱离器脱落导致误动作。
（2）脱离器外壳质量欠佳。其外壳多使用塑料外壳或胶木，经长时间日晒和雨水侵蚀会出现外壳老化情况，导致开裂，外壳与金属电极胶合的环氧树脂出现裂缝，密封性能下降。
（3）脱离器机械强度不满足长期使用要求。脱离器在安装过程和运行时需要耐受一定的机械力，重点是安装过程中脱离器的抗扭强度和长期运行时的拉伸强度。抽样数据表明，许多脱离器在承受安装时的正常扭矩后，内部间隙结构及尺寸就会发生变化，电气性能也会相应受影响。另外，常规安装方式下脱离器受到线路运行的舞动和风摆影响，在紧固连接的状态下，外壳会因机械应力的累计作用发生破裂。
（4）脱离器内部的间隙结构设计不合理，承受多次大电流后，间隙烧毛后发生拒动。
（5）动作电流设置不可控。流过脱离器的电流仅为毫安级时脱离器发生动作（当避雷器在户外淋雨时，其漏电流可达到毫安级），会出现避雷器未损坏时脱离器发生脱离的误动作[6]。
2 新型脱离装置用脱离器的研制
2.1 脱离装置结构
本文论述的脱离器用于新型脱离装置，新型脱离装置由连接板A、支撑绝缘子、连接板B、连接板C、颜色标记及脱离器组成（图1）。脱离装置可用于330 kV及以下电压等级的线路避雷器产品，分散性小，安装方便，机械性能可靠，脱离标记明显，而脱离装置的主要电气元件为脱离器，脱离器的性能对脱离装置有关键性作用。
2.2 现行标准对脱离器性能的要求
在现行的脱离器标准中，如《交流电力系统金属氧化物避雷器用脱离器》（NB/T 42059—2015）和《交流无间隙金属氧化物避雷器》（GB/T 11032—2020）均对脱离器的基本性能提出了要求：
（1）电气耐受性能。脱离器的常规使用条件与避雷器完全相同，使用过程中若避雷器不发生损坏，脱离器就不应发生动作，脱离器在持续运行电压下或承受各种正常过电压时，不应发生动作，耐受各种冲击电流的能力应与避雷器相同[7]。标准中的规定为：脱离器和避雷器的要求一样，必须通过动作负载和额定重复转移电荷两项试验，而其中动作负载试验包含了较为重要的大电流冲击耐受试验，以上试验就是模拟避雷器正常工作时需能耐受的工况。
（2）机械性能。脱离器应具备一定的机械性能，包括耐受额定拉伸负荷、额定弯曲负荷和扭转负荷。《交流电力系统金属氧化物避雷器用脱离器》（NB/T 42059—2015）中分别给出了三类机械强度需满足的最低指标或计算方式，分别为不低于1 000 N的拉伸负荷、不低于500 N的弯曲负荷以及不低于20 N·m的扭转负荷。
（3）动作性能。避雷器出现问题（典型的为出现工频故障电流）时，脱离器应具有良好的动作特性，就是能够准确、及时、可靠地动作，避免发生恶性事故。脱离器发生脱离后，脱离点应有明显、安全的绝缘距离，避免高压端与地之间无法耐受工频电压而发生二次短路事故。安秒特性试验是验证脱离器动作性能的重要试验[8]。
（4）密封性能。脱离器在实际运行过程中与被串联避雷器具备同样的外部环境，因此，脱离器须耐受与避雷器相同的密封条件。在结构设计中，尤其需要考虑因密封不良带来的潮气浸入，继而引起脱离器性能劣化造成的误动作。标准中以温度循环和密封试验进行考核[9]。
2.3 新型脱离装置用脱离器的性能指标和结构
2.3.1 新型脱离器的性能指标
依据2.2中的标准，提出了新型脱离器的性能参数：
（1）额定重复转移电荷：2 C。
（2）大电流耐受（动作负载）：100 kA。
（3）弯曲负荷：500 N;拉伸负荷：1 000 N;扭转负荷：20 N·m。
（4）温度循环和密封试验。
（5）动作试验（20/200/800 A）。
2.3.2 新型脱离器的结构
根据以上因素，设计新型脱离器结构如图2所示，其等效电路图如图3所示。
2.3.3 新型脱离器的特点
新型脱离器具备以下特点：
（1）外壳采用特种脆性金属，可以保证良好的机械性能，同时设置薄弱点，可以有效脱离;
（2）内部采用特制的线性电阻元件，具备可控的安秒特性;
（3）间隙设置电应力分散通口，可以避免放电应力集中带来的短路问题。
3 新型脱离器试验方案及结论
根据上述对新型脱离器提出的性能要求，按所提性能指标对脱离器进行了试验，试验结果如表1所示。
从脱离器的试验结果来看，其各项性能满足设计需要，额定重复转移电荷满足330 kV无间隙线路避雷器的能量要求，适用于330 kV及以下线路电压等级的无间隙避雷器。特制的脆性金属壳体提高了其机械性能，同时又满足温度循环和密封性能的要求，试验结果均合格，为新型脱离装置可靠运行提供了保证。
文中所述新型脱离装置已成功在330 kV线路上加装并带电运行，具体如图4所示。
4 结语
本文从结构原理入手，对现有脱离器存在的不足加以研究，在现有脱离器电气和机械原理的基础上，从结构设计方面加以优化、创新，研制出了满足额定重复转移电荷2 C、大电流耐受100 kA、弯曲负荷500 N、拉伸负荷1 000 N、扭转负荷20 N·m的新型脱离器，并通过满足330 kV电压等级的避雷器需要的性能试验，可广泛应用于实际工程需要。
新型脱离器在现有脱离器结构的基础上改进了材料，增加了配件，这将带来成本的增加，但其提高了产品的可靠性，达到了免维护状态。同时，建议相关行业参与者和使用单位提高对脱离器的重视程度，这对于能否广泛使用质量可靠的脱离器，提高避雷器乃至线路运行的稳定性非常重要。
[参考文献]
[1] 交流无间隙金属氧化物避雷器：GB/T 11032—2020[S].
[2] 弥璞，李凡，王保山.一种新型热爆式脱离器的研究及目前脱离器存在問题分析[J].电瓷避雷器，2002（3）：43-46.
[3] 曾南华.热爆型避雷器脱离器故障分析[J].企业科技与发展，2010（18）：56-58.
[4] 梁守荣.浅谈带热爆式脱离器氧化锌避雷器在架空线路的应用[J].机电信息，2018（21）：39-40.
[5] 严晓光，朱艳梅.避雷器用脱离器原理及存在问题分析[J].电瓷避雷器，2012（3）：101-104.
[6] 刘洋，查显光，周志成，等.热爆式避雷器用脱离器运行故障原因分析[J].电气技术，2013（3）：75-77.
[7] 王保山，彭向阳，熊易，等.避雷器用脱离器运行状况及性能要求分析[J].高电压技术，2012，38（11）：2942-2948.[8] 赵冬一，胡淑慧，李凡，等.金属氧化物避雷器用脱离器的关键技术研究及标准制定的建议[J].电瓷避雷器，2012（5）：64-69.
[9] 闫文奕，张潇哲，王志清，等.热爆式脱离器性能及试验方法研究[J].电瓷避雷器，2011（4）：46-51.
收稿日期：2021-05-20
作者简介：郝东新（1992—），男，陕西渭南人，工学硕士，工程师，研究方向：电力一次设备不停电状态检测。
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