专利名称：架空线路并联间隙防雷保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于电力架空线路的防雷保护装置，尤其是用于110kV、220kV电力架空线路的防雷保护装置。
背景技术：
架空送电线路防雷一直是电力工作者努力探讨的课题。近年来，电网中由雷电引起的故障仍占很大比例，包括雷击闪络后的工频续流损坏绝缘子及其金具，导致线路事故。雷电故障仍然是影响电网安全的重要因素之一。
架空送电线路现有的防雷措施，如架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘等，其核心思想是尽可能地提高线路的耐雷水平，减少雷击跳闸率。这些防雷措施可归纳为“堵塞型”防雷保护方式。对于我国早期电网网架薄弱、(油)开关性能差的实际情况，防雷保护采用上述方式是合适的。近年来，我国电网快速发展，网架结构越来越强；随着技术进步，变电站已大量使用SF6开关，继电保护微机化，重合闸装置获得普遍使用，为研制新的防雷保护方式提供了有利的条件，此时若仍仅沿用原有的防雷保护方式，已显得保守和片面。另外，安装线路型避雷器的方式，成本很高，不可能普遍采用。
实用新型内容为了在架空线路遭受雷击时，保护绝缘子免受工频续流电弧的灼烧，本实用新型提出了一种架空线路并联间隙防雷保护装置。
本实用新型针对我国110kV、220kV架空线路的实际情况，进行了大量的摸索性试验，设计出多种可用于悬垂绝缘子串(瓷、玻璃)和耐张绝缘子串的架空线路并联间隙防雷保护装置和安装金具。在进行了大量的试验研究及计算分析工作后，使之实用化、工程化以及产品的设计系列化，以便工程上可根据绝缘子串片数以及耐雷指标来选择并联间隙的尺寸。其次，并联间隙部分与绝缘子串之间的连接，也尽量方便、实用，并满足对尺寸的要求。
根据本实用新型，提供一种架空线路并联间隙防雷保护装置，其中，该并联间隙防雷保护装置包括绝缘子串和接地侧电极、导线侧电极，所述接地侧电极、导线侧电极连接在所述绝缘子串两端，并在所述接地侧电极、导线侧电极之间构成以空气为绝缘介质并与所述绝缘子串并联的保护间隙，并使得所述保护间隙的长度小于所述绝缘子串的串长，从而在所述架空线路遭受雷击时，所述并联间隙中形成放电通道。
本实用新型的架空线路并联间隙防雷保护装置是在绝缘子串两端连接一对金属电极(又称招弧角/引弧角)，电极之间就构成了以空气为绝缘物并与绝缘子串并联的保护间隙。保护间隙的长度小于绝缘子串的串长，因而其雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压。在架空线路遭受雷击时，保护间隙将首先放电，接续的工频电弧在电动力和热应力作用下，通过并联间隙所形成的放电通道，被引导至电极端头，固定在电极端头上燃烧，并最终借助电动力沿电极端头吹开，从而保护绝缘子免于电弧烧灼。
“并联间隙防雷”这一防雷方式的核心是允许线路有一定的雷击跳闸率，但重合闸能够成功，无永久性故障。通过采用接地侧电极、导线侧电极形成的间隙与绝缘子串并联，接闪雷电并疏导工频电弧。
接地侧电极、导线侧电极形成的并联间隙与绝缘子串的接地侧和线路侧的联接，使它们分别具有相同的电位，在架空线路遭受雷击时，保护间隙将首先放电。本实用新型设计的并联间隙防雷保护装置结构简单、安装方便，电极材料与直径能够耐受大电流电弧多次灼烧。从技术原理、经济性以及市场容量几个角度来看，采用并联间隙作为架空送电线路的防雷保护措施是对现有防雷保护措施的有力补充，有着广阔的应用前景。
图1是110kV架空线路悬垂绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图；图2A和图2B分别是110kV架空线路悬垂绝缘子串并联间隙防雷保护装置的接地侧电极的示意图及其组装图；图3是联体结构的110kV导线侧电极的示意图；图4是分体结构的110kV导线侧电极的示意图；图5是220kV架空线路悬垂绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图；图6是联体结构的220kV导线侧电极的示意图；图7是分体结构的220kV导线侧电极的示意图；图8是架空线路耐张绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图；图9是110kV耐张绝缘子串的导线侧电极的示意图；图10是220kV耐张绝缘子串导线侧电极的示意图；图11是50％雷电冲击放电试验的布置图；以及图12是工频电弧试验布置图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本实用新型的并联间隙防雷保护装置，其中相同或相似的部件用相同或相似的标号来表示。
图1是110kV架空线路悬垂绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图，其中绝缘子串2按照110kV架空线路的设计，由不同片数的瓷或玻璃悬式绝缘子串联而成，绝缘子串2的串长用Z0表示。接地侧电极6和导线侧电极7的材料均为Q235碳素结构钢，接地侧电极、导线侧电极的钢棍直径M在13-25mm之间。接地侧电极6由形状完全相同的两部分组成并对称地固定在绝缘子串2的两边，其中每部分接地侧电极的内端部与绝缘子串2接地侧的球头挂环1相连接，接地侧电极6的外端部(即，远离绝缘子串2的一端)至绝缘子串中心线的距离用Xc表示，接地侧电极6短接绝缘子串的高度用Yc表示。接地侧电极、导线侧电极之间的最短距离即保护间隙的长度用Z表示。
为了避免接地侧电极6与球头挂环1之间的相对运动，球头挂环1中部的截面设计成菱形，如图2B所示，接地侧电极6的与之对应的连接端也设计成相应的形状。接地侧电极6的外端部略微上翘，上翘弧度由R1表示，如图2A所示，该图中所示出的接地侧电极称为针型接地侧电极。
再返回图1，导线侧电极7本身呈左右对称形状，其中部通过联板4与绝缘子串2在导线8侧的碗头3及悬垂线夹5相连接。导线侧电极7的外端部至绝缘子串中心线的距离用Xp表示，导线侧电极短接绝缘子串的高度用Yp表示。
图3是图1中所使用的联体结构的110kV导线侧电极示意图，而图4是图1中所使用的分体结构的110kV导线侧电极示意图。其中，110kV导线侧电极的外端部设计为球形，球径r约为20-40mm。
图5是220kV架空线路悬垂绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图，其中绝缘子串2按照220kV架空线路的设计。由于其结构基本与图1中描述的110kV架空线路并联间隙防雷保护装置相似，因此，在此省去对其中相同或相似部分的详细描述。由于导线侧电极7的外端部的形状随电压等级而不同，该220kV架空线路并联间隙防雷保护装置的导线侧电极7具有与图1中不同的形状。
图6和图7分别具体示出了图5中所使用的联体结构和分体结构的220kV导线侧电极的示意图，其中，220kV架空线路并联间隙防雷保护装置的导线侧电极7的外端部分为两叉。两支叉的夹角A不大于90度，分叉的长度b大约是Xp的1/2-1/3。顶部收成一个豁口，豁口的距离d约在25-35mm之间。
图8是架空线路耐张绝缘子串并联间隙防雷保护装置的外形结构图(图中具体以架空线路耐张双绝缘子串为例)，其中绝缘子串2按照110kV及220kV架空线路的设计，由不同片数的瓷或玻璃悬式绝缘子串联而成，绝缘子串2的串长用Z0表示。架空线路的耐张绝缘子串是水平安装的，接地侧与导线侧电极处于同一高度。接地侧电极6和导线侧电极7的材料均为Q235碳素结构钢，电极的钢棍直径M在13-25mm之间。接地侧电极6和导线侧电极7都使用分体结构并只位于绝缘子串的上方，其内端部分别通过形状相同的联板4联接在绝缘子串两端。接地侧电极6的外端部至绝缘子串中心线的距离用Xc表示，接地侧电极6短接绝缘子串的高度用Yc表示。导线侧电极7的外端部至绝缘子串中心线的距离用Xp表示，导线侧电极短接绝缘子串的高度用Yp表示。接地侧电极、导线侧电极之间的最短距离即保护间隙的长度用Z表示。
接地侧电极6的外端部略微上翘，上翘弧度由R1表示，如图2A所示。
图9是图8中所使用的110kV耐张绝缘子串导线侧电极的示意图。其中，导线侧电极的外端部设计为球形，球径r约为20-40mm。
图10是图8中所使用的220kV耐张绝缘子串导线侧电极示意图。由于导线侧电极7的外端部的形状随电压等级而不同，220kV耐张绝缘子串导线侧电极7具有与图9中不同的形状，其中，导线侧电极7的外端部分为两叉。两支叉的夹角A不大于90度，分叉的长度b大约是Xp的1/2-1/3。顶部收成一个豁口，豁口的距离d约在25-35mm之间。
尽管以上参考附图具体描述了本实用新型的架空线路并联间隙防雷保护装置，但本领域普通技术人员可以理解也可以对其中的具体实施例进行不脱离本实用新型原理的改变，例如，图1中的接地侧电极由对称的两部分构成，但接地侧电极也可以只由其中的一部分构成，此时导线侧电极也使用相应一部分的形式，只要在接地侧电极、导线侧电极之间构成以空气为绝缘介质的保护间隙，并使得所述保护间隙的长度小于所述绝缘子串的串长即可。同时也可以根据实际线路需要，将边相接地侧电极、导线侧电极之间构成的并联间隙装在导线的外侧。
此外，尽管110kV和220kV架空线路并联间隙防雷保护装置的导线侧电极具有上述不同的形状和组合，但上述并联间隙防雷保护装置均由绝缘子串和接地侧电极、导线侧电极组成，接地侧电极、导线侧电极连接在所述绝缘子串两端，并在接地侧电极、导线侧电极之间构成以空气为绝缘介质并与所述绝缘子串并联的保护间隙，并使得所述保护间隙的长度小于所述绝缘子串的串长。因而其雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，在架空线路遭受雷击时，保护间隙将首先放电，从而保护绝缘子免于电弧烧灼。
在本实用新型的上述描述中，接地侧电极的尺寸要求表示为XC、YC，导线侧电极的尺寸要求表示为XP、YP。XC为接地侧电极外端部到绝缘子串中心线的距离，约在300-500mm之间，YC接地侧电极短接绝缘子串的高度，其不超过500mm。XP为导线侧电极外端部到绝缘子串中心线的距离，约在300-500mm之间，YP为导线侧电极短接绝缘子串的高度，其不超过500mm。上导线侧电极之间的最短距离即保护间隙的长度用Z表示，使得Z＝Z0-(YC+YP)。YC、YP的尺寸，即接地侧和导线侧电极分别短接绝缘子串的高度，应根据绝缘子串的实际片数以及预期的雷击跳闸率指标，并通过雷电冲击放电试验与跳闸率核算来确定。
如前所述，因为保护间隙的长度Z小于串长Z0，在架空线路遭受雷击时，保护间隙将首先被击穿。但为了避免因装设并联间隙而导致线路雷击跳闸率大幅度增加，Z/Z0一般不应小于75％。按此原则设计的电极，YC、YP的尺寸一般不超过500mm。在架空线路悬垂绝缘子串中，上述的接地侧电极、导线侧电极通常以与导线呈平行的方式安装，导线侧电极为左右对称的联体结构，如图3及图6所示；有时根据实际线路的需要，边相的接地侧电极、导线侧电极要装在导线的外侧，大致与导线方向垂直的方式安装，此时导线侧电极和接地侧电极只是联体结构的一半，如图4和图7所示，该安装方式的不同之处在于，其与绝缘子串和线夹的连接板垂直于电极，其它尺寸和形状均相同。
下面通过具体的实验来进一步说明本实用新型的架空线路并联间隙防雷保护装置的实施效果。
1. 50％雷电冲击放电试验该试验是为了检验在雷电冲击作用下，闪络是否都在并联间隙上，能否有效地定位工频电弧路径。
50％雷电冲击放电试验的布置图见图11。图中各部件分别是冲击电压发生器G、示波器S、阻容分压器D、模拟横担H、并联间隙B。
试验结果表明，50％雷电冲击放电均发生在并联间隙上，通过对试验数据的计算得到的雷击跳闸率满足工程的要求。试验及计算结果见表1及表2。
表1 110kV电压等级雷电冲击电压(U50)与雷击跳闸率
表2 220kV电压等级雷电冲击电压(U50)与雷击跳闸率
2.工频电弧试验该试验是为了检验雷击闪络后的工频续流电弧弧根能否固定在(或转移到)并联间隙上燃烧，即并联装置的引弧能力、引弧速度以及保护绝缘子免于烧伤的效果。
工频电弧试验的布置图见图12。图中各部件分别是电源P、变压器T、开关K、K1、K2，电抗器L1、电流互感器CT、并联间隙B。
110kV间隙的试验短路电流幅值为25kA，持续时间0.2s，220kV间隙的试验短路电流幅值为31.5kA，持续时间0.17s，在两种情况下各进行多次合闸短路工频电流燃弧试验。
在试验现场用高速摄像机记录试验过程。结果表明，安装并联间隙装置后，电弧弧根可固定在(或转移到)电极上燃烧，能有效地保护绝缘子免于工频电弧烧灼。
3. 110kV、220kV架空线路带并联间隙的电压分布与电场计算为了确认并联间隙防雷保护装置对110kV、220kV架空线路绝缘子串的电压分布与电场的影响，本文进行了计算。
110kV无间隙和带间隙绝缘子串的电压分布数据见表3、表4。
表3 110kV无间隙和带间隙绝缘子串的电压分布数据
表4 220kV无间隙和带间隙绝缘子串的电压分布数据
从上述计算结果可以看出带并联间隙绝缘子串导线侧的绝缘子承受的电压低于无间隙的情况，说明间隙起到了一定的均压作用。另外从电场分布看，带间隙绝缘子串场强的最大值出现在间隙端部，远大于绝缘子伞裙中的场强和绝缘子串中空气间隙的场强，说明间隙不但起到了改善绝缘子电压分布的作用，更重要的是能起到导弧作用。
尽管已对本实用新型进行了描述，但上述描述只是为了说明的目的，本实用新型不限于上述结合附图的具体描述，本领域普通技术人员可以对其进行不脱离本实用新型精神的各种改变，而本实用新型的保护范围由后附的权利要求书来限定。
权利要求1.一种架空线路并联间隙防雷保护装置，其特征在于，该并联间隙防雷保护装置包括绝缘子串(2)和接地侧电极、导线侧电极(6、7)，所述接地侧电极、导线侧电极连接在所述绝缘子串两端，并在所述接地侧电极、导线侧电极之间构成以空气为绝缘介质并与绝缘子串并联的保护间隙，并使得所述保护间隙的长度(Z)小于所述绝缘子串的串长(Z0)，从而在所述架空线路遭受雷击时，所述并联间隙中形成放电通道。
2.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述绝缘子串(2)为悬垂绝缘子串，所述的接地侧电极(6)与所述绝缘子串接地侧的球头挂环(1)连接；而所述导线侧电极(7)则通过一个联板(4)与所述绝缘子串导线侧的碗头(3)以及悬垂线夹(5)连接。
3.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述绝缘子串(2)为悬垂绝缘子串，接地侧电极由形状相同的两部分构成，所述导线侧电极本身为左右对称的形状。
4.根据权利要求2所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述球头挂环截面形状为菱形，与其连接的所述接地侧电极的连接部分设计成对应的形状。
5.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述接地侧电极的外端部到所述绝缘子串中心线的距离(XC)在300-500mm之间，所述接地侧电极短接绝缘子串的高度(YC)不超过500mm，所述导线侧电极外端部到绝缘子串中心线的距离(XP)在300-500mm之间，所述导线侧电极短接绝缘子串的高度(YP)不超过500mm。
6.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，用于110KV架空线时所述导线侧电极的外端部为球形，球径(r)在20-40mm之间。
7.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述绝缘子串为耐张绝缘子串，所述的接地侧电极(6)与所述导线侧电极(7)分别通过联板(4)设置在绝缘子串的上方。
8.根据权利要求7所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述绝缘子串为耐张双绝缘子串。
9.根据权利要求1所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，用于220KV架空线时所述导线侧电极的外端部分为两叉，两分叉之间的夹角不大于90度。
10.根据权利要求9所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，每个所述分叉的长度(b)是所述导线侧电极外端部到绝缘子串中心线的距离(XP)的1/2-1/3。
11.根据权利要求10所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述导线侧电极的外端部收成一个豁口，所述豁口距离(d)在25-35mm之间。
12.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，接地侧电极、导线侧电极的钢棍直径在13-25mm之间。
13.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，保护间隙的长度与绝缘子串(2)的串长的比值(Z/Z0)不小于75％。
14. 根据权利要求1-6和9-11中任一权利要求所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，所述接地侧电极、导线侧电极以与导线(8)呈平行的方式安装。
15.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的并联间隙防雷保护装置，其特征在于，接地侧电极(6)的外端部上翘。
专利摘要本实用新型涉及一种用于架空线路的并联间隙防雷保护装置，其包括绝缘子串(2)和接地侧电极、导线侧电极(6、7)，所述接地侧电极、导线侧电极连接在所述绝缘子串两端，并在所述接地侧电极、导线侧电极之间构成以空气为绝缘介质并与所述绝缘子串并联的保护间隙，并使得所述保护间隙的长度(Z)小于所述绝缘子串的串长(Z0)，从而在所述架空线路遭受雷击时，所述并联间隙中形成放电通道。接地侧电极、导线侧电极形成的并联间隙与绝缘子串的接地侧和线路侧的联接，使它们间分别具有相同的电位，在架空线路遭受雷击时，保护间隙将首先放电。本实用新型设计的并联间隙装置结构简单、安装方便，电极材料与直径能够耐受大电弧多次灼烧。
文档编号H02H9/04GK2687923SQ20042000129
公开日2005年3月23日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者陈维江, 孙昭英, 李国富, 吴毓红, 梁宝生, 张学军, 冯金玲, 唐世宇, 李明贵, 於建龙, 廖福旺, 包建强, 黄连壮, 王丽, 刘振国 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司电网建设分公司, 重庆市电力公司, 广西电力试验研究院, 福建省电力有限公司, 福建省电力试验研究院, 浙江省电力公司, 辽宁电力勘测设计院, 四平线路器材厂