CN102349206B - 避雷器和具有这种避雷器的输电线 - Google Patents

Abstract

一种用于保护电气设施或输电线的元件的避雷器包括由固体电介质制成的绝缘体、机械连接到所述绝缘体上的两个主电极以及两个或更多个中间电极，其中所述绝缘体优选为条状、带状或圆柱体形状。制成条状或圆柱体形状的中间电极设置在所述主电极之间，使得所述中间电极沿所述绝缘体的纵轴或者沿螺旋线相互偏移，并且可以在相邻电极之间形成放电通道。此外，所述电极位于所述绝缘体内，并且通过绝缘层与所述绝缘体的表面隔开。向所述绝缘体的表面开口的不通的或通的放电腔设置在各对相邻电极之间。腔的尺寸被选择为使得容易从所述腔到所述绝缘体的表面吹熄放电，从而提高放电电流熄灭的效率。在优选的变型中，避雷器具有用于降低放电电压的附加电极。还公开了使用所述避雷器的输电线的结构的不同变型。

Description

避雷器和具有这种避雷器的输电线

技术领域

本发明涉及一种用于保护电子设备和高压电力线(HEPL)免受雷电过电压危害的避雷器。这种避雷器例如可以用于保护高压装置、绝缘子和其他HEPL元件，还可以用于保护各种电气设施。

背景技术

已知存在一种用于限制电力线中的过电压的所谓的管型避雷器(参见High voltage techniques.Ed.D.V.Razevig，Moscow，″Energiya″Publishing House，1976，p.287)。该避雷器的主要元件通过由绝缘产气材料制成的管形成的。管的一端用金属盖堵住，金属盖上具有紧固到其上的内部棒电极。环形电极位于管的开口端。棒电极和环形电极之间的间隙被称为内间隙或灭弧间隙。一个电极接地，而第二个电极通过外部火花放电间隙(external sparkover gap)连接到电力线的导体。

雷电过电压导致两个间隙全都被击穿，从而冲击电流被分流到大地。在通过避雷器的过电压冲击终止之后，持续电流继续流动，使得火花通道(spark channel)转化为电弧通道。由于管内的替代电弧电流通道中的高温，发生剧烈放气，造成很强的升压。通过流向管的开口端，气体产生纵向吹风，从而电弧在第一次通过其零值时被熄灭。

在避雷器多次动作之后，管的放电腔消耗殆尽。避雷器停止正常运行，需要更换，这意味着维护成本增加。

已知还存在一种用于限制电力线中的过电压的避雷器，该避雷器基于两个金属棒之间形成的保护火花放电空气间隙的使用(参见Highvoltage techniques.Ed.D.V.Razevig，Moscow，″Energiya″PublishingHouse，1976，p.285)。该现有技术避雷器中的一个棒连接到电力线的高压导体上，而第二个棒连接到接地结构，例如电力线支撑物(例如电塔或电线杆)。在过电压的情况下，火花放电间隙击穿，从而雷电过电压电流被分流到大地，施加到设备上的电压迅速下降。以这种方式，既实现了雷电流的分流，又实现了过电压的限制。但是，单一间隙的灭弧能力很小，所以在过电压终止之后，电弧持续电流继续通过火花放电间隙流动。因此，必须启用断路装置来切断电流，这种切断是从该电力线接收电力的消费者非常不希望的发生的。

还存在一种已知的避雷器，其与上文所述的避雷器的不同之处在于，在第一主棒电极和第二主棒电极之间设置有第三中间棒电极(例如参见美国专利No.4,665,460，H01T 004/02，1987)。因此，不是形成单一的火花放电空气间隙，而是形成两个这样的间隙。该特征可以在某种程度上提高避雷器的灭弧能力，且在单相接地短路的情况下，可以在避雷器的辅助下，确保熄灭中等强度的持续电流(几十安培数量级)。但是这种避雷器不能熄灭超过100A的电流，该电流是在雷电过电压情况下两相接地短路或三相接地短路的典型电流。

可以介绍一种作为本发明最接近的现有技术的避雷器，其用于电气设施的元件或电力线的雷电防护，并且具有RU 2299508，H02H 3/22，2007中公开的所谓的多电极系统(MES)。该现有技术避雷器包括由固体电介质制成的绝缘体、机械连接到该绝缘体的两个主电极以及两个或更多的中间电极。设置在主电极之间的中间电极至少沿绝缘体的纵轴相互位移(mutually displaced)。其被配置为能够使每个主电极和邻近所述每个主电极的中间电极之间以及相邻的中间电极之间发生流注放电(streamer discharge)。

由于将主电极之间的距离分成多个火花放电间隙，与具有单一放电间隙或只具有几个这种间隙的设备相比，该避雷器具有更高的灭弧能力(例如参见A.C.Taev.Electric arc in low voltage apparatuses，Moscow，″Energiya″Publishing House″，1965，p.85)。

不过，这种现有技术避雷器的灭弧能力还不够高，因此其应用局限于电压等级6-10kV的HEPL的雷电防护。在更高电压等级的HEPL的雷电防护中，因为中间电极的数量和避雷器尺寸变得过大，因此难以使用这种避雷器。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有高可靠性、低制造和维护成本、低闪络电压(flashover voltage)和高电流灭弧效力的避雷器。这些特征可以使本发明的避雷器应用于更高电压等级的(20至35kV以及更高)HEPL的雷电防护，还可以提高电压等级3-10kV的避雷器的技术和经济特性。

换言之，本发明旨在提高可靠性并且简化避雷器的设计。

通过提供一种用于电气设施或电力线的雷电防护的避雷器来实现上文所指出的目的，所述避雷器包括由固体电介质制成的绝缘体、机械连接到所述绝缘体上的两个主电极以及两个或更多个中间电极，所述中间电极被配置为使每个主电极和与所述每个主电极相邻的中间电极之间能够发生放电(例如流注放电)，其中所述相邻电极位于所述主电极之间并且至少沿所述绝缘体的纵轴相互位移。在一些实施例中，相互位移的中间电极沿其排列的线可以与所述绝缘体的纵轴重合。根据本发明的避雷器的特征在于，所述中间电极位于所述绝缘体内部，并且通过具有超过所述放电通道的预先计算的直径D_k的厚度的绝缘层与所述绝缘体的表面隔开，其中相邻的中间电极之间形成多个放电腔(或凹洞)，所述放电腔向所述绝缘体的表面开口，其中所述放电腔在放电通道形成区域中的横截面面积S被选择为满足条件S＜D_κ·g，其中g为相邻的中间电极之间的最小距离。

取决于特殊避雷器实施例和所选择的避雷器制造技术，所述放电腔可以被配置为在所述绝缘体中形成的凹洞或通孔。这种凹陷或孔的横截面(即与放电腔的轴垂直的平面截出的截面)可以具有各种合适的形状，即圆形、长方形、狭缝形等等，使所述放电腔能够执行其功能(下文将会描述)。在一些实施例中，所述放电腔的横截面可以具有沿所述腔的深度变化的尺寸(即在绝缘体的表面方向上增加的尺寸)。

确保实现本发明的上述目的的重要条件在于所述放电腔尺寸的最优选择。更具体而言，应该根据避雷器的特殊应用来优选地选择决定相邻电极之间的最小距离g的放电腔长度，因为应用决定了避雷器的参数，例如要保护的结构类型、电压等级等等。例如，在用于保护中等电压等级的HEPL(6至35kV)免受雷击的避雷器中，可以在1mm至5mm的范围内选择g的值，而如果本发明的避雷器应该用于保护高电压等级和超高电压等级的HEPL，则应该增加g的值，并且优选地在5mm至20mm的范围内进行选择。

在一些避雷器实施例中，所述避雷器可以另外具有在每个主电极和与所述每个主电极相邻的中间电极之间形成的放电腔。

就配置绝缘体而言，优选地(特别是为了确保易于制造)将其形成为条状、带状或圆柱体的形状。通过由于所述绝缘体在所述放电腔向所述绝缘体的表面开口的区域中具有凸出部分而使用需要较少材料的避雷器实施例，可以额外地改进所述避雷器的成本参数。这种方案可以只在围绕所述放电腔的区域中提供所需的绝缘层厚度，而在这种区域之间的部分中，可以充分降低所述层的厚度。

为了确保避雷器易于制造，优选地将所述中间电极形成为平板或圆柱体的形状，例如由金属、石墨或碳纤维制成。

为了满足根据本发明的避雷器的低闪络电压的重要要求，提出令避雷器具有与主电极其中之一连接的附加电极，并且将该附加电极设置在所述绝缘体的与所述放电腔开口所向的表面相反的表面上，或者设置在所述绝缘体内。在后一种情况下，从设计考虑看来，令所述绝缘体具有中空部件并将所述附加电极设置在这种中空部件内可能是有利的。以这种方式配置，所述绝缘体的中空部件和所述附加电极两者都应优选地具有圆形横截面。这样就可以使用一根电缆来制造根据本发明的避雷器，所述电缆的芯和固体绝缘分别形成附加电极和绝缘体的中空部件，该电极和中空部件两者具有相同的长度。在通常情况下，所述附加电极的长度对应于所述主电极之间的距离的至少一半。所述附加电极和未与其连接的主电极之间的绝缘的电气强度被选择为大于预先计算的所述主电极之间的闪络电压。

所述中间电极可以嵌在形成所述绝缘体的一部分的绝缘材料的条带内。这种方案简化了所述中间电极沿最佳路径的设置。例如，包括电极的柔性条带可以以使得所述中间电极与所述绝缘体的纵轴平行设置的方式固定在所述绝缘体的中空部件的表面上。或者，具有中间电极的柔性条带可以在圆柱形中空部件的表面周围缠绕成螺旋形，使得所述中间电极沿具有螺旋形状的线相互位移。后一实施例可以增加所述避雷器的中间电极的总数，而不会增加其总长度，从而额外地提高了所述避雷器的灭弧能力。

在一可选实施例中，根据本发明的避雷器可以与现有技术的环型长闪络避雷器(LFAL)组合使用。在该实施例中，所述绝缘体的中空部件可以具有U形轮廓，其中所述第一主电极可被配置为围住中空部件的弯曲部分的金属管。所述第二主电极可以机械连接到所述绝缘体的中空部件的一端或两端，并且与所述附加电极电连接。在该实施例中，LFAL的金属棒起到附加电极的作用。因此，所述附加电极的长度等于所述绝缘体的长度。所述中间电极可以设置在所述绝缘体的一个臂或全部两个臂上。

本发明的另一目的在于提供一种电力线，所述电力线具有被配置用于低闪络电压和用于高灭弧能力的可靠的和低成本的避雷器，从而实现可靠的雷电防护。

通过提供一种电力线来实现该目的，该电力线包括：具有绝缘子的支撑物、通过紧固装置连接到所述绝缘子上的至少一个带电导体以及用于电力线的元件的雷电防护的至少一个避雷器。根据本发明，这种避雷器(优选地，多个这种避雷器中的每一个)被配置为根据本发明的避雷器。根据本发明的优选实施例，根据本发明的至少一个或每个避雷器的主电极的其中之一直接地或者通过火花放电间隙连接到要保护的电力线的元件上，而另一主电极直接地或者通过火花放电间隙接地。

如果根据本发明的电力线的带电导体位于保护绝缘层内，则该导体与所述电力线的绝缘子相邻并且位于所述避雷器的主电极之间的部分可以用作附加电极，而所述保护层的相应部分可以用作所述绝缘体的中空部件。在该实施例中，所述第一主电极被配置为设置在所述保护绝缘层部分上并且与所述导体部分的一端(即与所述附加电极)电连接的铠装夹具。所述第二主电极设置在所述保护绝缘层的(即所述绝缘体的中空部件的)表面上，并且与用于固定所述导体的金属紧固装置电连接。在该实施例中，所述避雷器的中间电极优选地嵌在附着在保护绝缘层的该部分的表面上的绝缘材料的条带内。

根据本发明的电力线的优选实施例之一使用的避雷器实施例的绝缘体和附加电极具有圆形横截面，其中所述避雷器的附加电极被配置为直接安装在所述避雷器上的绝缘子的棒。该避雷器实施例的绝缘体被配置为用于将所述绝缘子固定在所述棒上的常用类型的绝缘子帽。

附图说明

现在将参考附图，其中：

图1是具有扁平绝缘体的避雷器实施例的剖视正视图；

图2是图1所示的实施例的俯视图；

图3是图1所示的实施例的一部分的剖视正视图；

图4是图1所示的部分的俯视图；

图5是具有圆柱形绝缘体的根据本发明的另一避雷器实施例的剖视正视图；

图6是图5所示的实施例的俯视图；

图7是具有绝缘体的根据本发明的又一避雷器实施例的剖视正视图，所述绝缘体在放电腔向绝缘体的表面开口的区域中具有凸出部分；

图8是图7所示的实施例的俯视图；

图9是包括扁平绝缘体和附加电极的避雷器实施例的局部剖视正视图；

图10是图9所示的实施例的俯视图；

图11显示了图9所示的实施例的简化电路图的一部分；

图12显示了避雷器的电极之间的电压分布；

图13以剖视图显示了同时具有绝缘体和附加电极的避雷器实施例，所述附加电极的形状为具有圆形上端的圆柱体；

图14表示的是图13所示的实施例的修改，其中的中间电极排列成螺旋形；

图15显示了根据本发明的HEPL实施例，其包括被配置为使用绝缘帽和金属绝缘子棒的避雷器；

图16显示了一避雷器实施例，其包括均为环形的绝缘体中空部件和附加电极；

图17和图18分别为中间电极焊接在电缆部件(cable piece)的绝缘层内部的的避雷器实施例的正视图和俯视图；

图19显示了使用位于保护绝缘层内的导体的根据本发明的HEPL实施例。

具体实施方式

参考图1至图4，根据本发明的避雷器包括由诸如聚乙烯的固体电介质制成的细长扁平绝缘体1。第一主电极2和第二主电极3分别安装在绝缘体1的两端。由于这种设置，两个主电极机械连接到绝缘体上。m个中间电极4位于绝缘体1内。m的最小值等于二，而中间电极的最佳数目的选择取决于其特殊配置、预先计算的过电压以及其工作的其他条件。图1至图4所示的避雷器实施例包括5个中间电极4，其被配置为沿避雷器的纵轴(该轴连接主电极2和主电极3)相互位移的长方形板。每对相邻的中间电极4之间形成火花放电空气间隙，该间隙决定了相邻电极之间的距离(沿连接所述相邻电极的线测量)。根据本发明，火花放电间隙的长度不应小于如下文所述根据避雷器工作的特殊条件选择的电极4之间的最小距离g。每个这样的火花放电间隙位于向绝缘体1的表面开口的放电腔5内。

为了保护高压设施或电力线，避雷器的一个主电极(例如第一主电极2)直接或通过火花放电间隙连接到设施或电力线的高压元件，例如线路导体(图1至图4中未显示)，以便与要保护的电气元件并联连接，例如与绝缘子(图1至图4中未显示)并联连接。通过避雷器的另一主电极，例如第二主电极3，避雷器直接或通过火花放电间隙接地。

当过电压冲击击中避雷器时，放电在避雷器中从第一主电极2向第二主电极3发展，导致中间电极4之间的火花放电间隙相继击穿。取决于放电发展的条件，该放电可以是不同类型的，即例如流注放电、雪崩放电或先导放电。为了确保更好地理解本发明及其具体实施方式，下面只考虑使用流注放电的本发明的实施例，尽管本发明完全适用于其他放电类型。在其开始和发展的过程中，火花通道6以超音速扩大。在下文中将会详细描述到，如果中间电极之间所形成的火花放电腔5的体积被制造得足够小，则放电的发展将导致腔内产生高压。在该高压的作用下，中间电极之间所形成的火花放电通道6被驱向绝缘体的表面(如图1和图3示意性显示的)，然后从腔内被送入到避雷器周围的空气中。由于导致中间电极之间的通道延长的这种吹熄作用，全部通道的总电阻将会增加。作为结果，避雷器本身的总电阻也将增加，这会限制雷电过电压冲击电流。在雷电过电压冲击终止之后，工作频率电压保持施加到避雷器上。但是由于避雷器具有大电阻，放电通道将会在中间电极之间分成多个基本通道，放电被熄灭，无法支撑自身。

为了获得高熄灭效率，应该根据放电的预先计算的特性(特别地，根据放电电流及其陡度，以及预先计算的放电直径)来选择根据本发明的避雷器的参数，特别是诸如下列参数：被放电腔5隔开的相邻电极之间的最小距离g以及放电开始区域中的放电腔5的宽度和绝缘层的厚度b。如下文所示，基于从避雷器的用途对避雷器的要求，即避雷器将要保护的高压设备或HEPL的元件的特性和使用条件，可以充分准确地估计放电直径。

更具体而言，当选择用于HEPL保护的避雷器的设计参数时，需要考虑到，取决于雷电是击中高压电力线附近还是直接击中所述电力线，避雷器功能可以有两种实质上不同的机制。

第一种机制对应于保护HEPL免受感应过电压，即当雷电击中HEPL附近时所产生的过电压。这种过电压的特征在于不超过300kV的相对有限的幅度以及很短的持续时间(大约2至5μs)。电流的幅度大约为1至2kA，而脉冲前沿处的电流导数di/dt在0.1至2kA/μs的范围内。如实验室实验所示，对于该机制和流注型放电而言，火花放电间隙的最佳长度处于0.1至2mm的范围内。只有对于中等电压等级的电力线，即对于6至35kV HEPL而言，感应过电压才是危险的，感应过电压是这些电力线雷击断电的主要原因。由于HEPL支撑的高度相对较小，直接雷击(DLS)是非常罕见的事件。因此，为了保护HEPL元件免受感应过电压，有利的是使用具有g＝0.1-2mm的避雷器。

接地良好的单立物体处的DLS所造成的雷电流可能达到100kA以上，放电持续时间为50至1000μs，脉冲前沿处的电流导数di/dt达到20kA/μs。HEPL线路导体处的DLS理论上能够造成高达10MV的电压。但是，由于支撑物之间的有限距离(50至100m)以及电力线相对较低的绝缘水平(100至300kV)，被并联电连接到每个绝缘子的避雷器保护的中等电压等级的HEPL处的DLS导致启动几个支撑物上的避雷器。因此，雷电流在几个支撑物之间分支，额外地在支撑物处分支为与每个电流相位关联的避雷器之间的三个分量。在现场测量中发现，通过一个支撑物的电流不超过20kA。对于这种电流水平，优选的是将被放电腔分隔的相邻电极之间的最小距离g增加到4-5mm，以便避免电极的熔融金属所形成的导电通道的发展。

在高压等级(110-220kV)HEPL中，支撑物之间的距离在200至300m范围内，而绝缘水平对应于500-1000kV。因此，在DLS的情况下，通过一个或多个支撑物的避雷器来执行雷电流的分流，从而通过一个避雷器的电流不超过40kA。由于这一原因，优选地在5-10mm的范围内选择这种HEPL中的g的值。

在超高压等级(330-750kV)的HEPL中，支撑物之间的距离达到400至500m，而绝缘水平对应于2000-3000kV。因此，在DLS的情况下，单一支撑物的避雷器或者只是被雷电击中的某个相的一个避雷器参与雷电流的分流。在这种情况下，通过一个避雷器的电流可以达到60至100kA。对于这种类型的HEPL而言，优选地在10至20mm的范围内选择g的值。

鉴于以上数据，当根据本发明的避雷器用于保护中等电压等级的HEPL的元件时，优选地在0.1至5mm的范围内选择被放电腔分隔的相邻电极之间的最小距离g。在根据本发明的避雷器用于保护高电压等级或超高电压等级的HEPL的元件的的情况下，优选地在5mm至20mm的范围内选择距离g。

可以基于下列考虑来估计放电腔的横截面面积S和绝缘厚度b。

可以根据S.I.Braginsky所提出的公式(参见High voltagetechniques：Textbook for Universities Ed.G.S.Kuchinsky，St.Petersburg，″Energoatomizdat″，2003，p.88)来确定正常条件下用于在空气中放电的流注通道(streamer channel)的估计半径r_κ：

$r_{\mathrm{\κ}}\≈\mathrm{0,1}{\left(\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\right)}^{\frac{1}{3}}{t}^{\frac{5}{6}},---\left(1\right)$

其中t为时间，单位为秒；di/dt为电流脉冲上升率，单位为安培/秒。

下表包括对于各个最具代表性的di/dt和t的值，根据公式(1)计算的半径r_κ的值。可能会注意到，通道半径r_κ及其直径D_k＝2r_κ分别为时间的函数，这意味着其随着时间而增加。计算数据按对应于流注通道半径的逐渐增加的顺序排列。

表.r_κ的初始值和计算结果。

所表示的t的值对应于避雷器应用的最具代表性的情况下的脉冲前沿持续时间：1)感应过电压(当雷电击中电力线附近时)；2)在线路导体处直接雷击的情况下反复击中；3)HEPL处的雷击，接着是绝缘(例如绝缘子堆)的反向闪络；4)HEPL导体处的直接雷击。表中所示的di/dt值同样对应于上述情况。

显然，当估计用于流注(或其它类型的)放电的通道的半径(直径)时，可以使用针对避雷器的应用和/或针对根据本发明的避雷器的特殊实施例(例如，针对放电腔的特殊形状或者中间电极的特殊设计)进行优化的不同的计算公式或实验方法。但是，实验室实验已经证实，几乎对于所附权利要求范围内的避雷器的所有实施例，基于公式(1)的计算都得到可接受的结果。

为了确保放电期间在放电腔内产生超压，应满足特定的条件。下面将关于具有被配置为平板的中间电极并且具有平行六面体形状的放电腔的避雷器实施例(参见图1)来研究这些条件。流注放电源于相邻中间电极上的与最大场强相对应的那些点(在图1的实施例中，这样的点与中间电极的角重合)之间。当流注发展时，放电通道以超音速从其轴开始径向扩大。如果流注通道直径变得大于放电腔深度h，即

D_κ＞h＝b+a，(2)

其中b为绝缘层的厚度，a为电极的厚度，则放电开始在腔外沿放电腔的壁移动，该移动有助于冷却，因此有助于放电的熄灭。因此断定，有助于熄灭的最小绝缘厚度被定义为：

b＝D_κ-a，(3)

其中a为电极厚度。绝缘厚度b越大，流注通道扩大过程中所产生的吹风越强，随之而来的通道冷却和熄灭也会越强烈。因此，为了提高熄灭可靠性，b的值优选地被选择为超过估计通道直径D_k。

另一方面，越来越大的b值导致对放电腔壁越来越大的气体压强，这可能会导致避雷器毁坏。当根据其应用和所使用的材料制定具体的避雷器实施例时，通过计算和/或实验可以确定最佳绝缘厚度b。但是，令电极厚度a取大约1mm的值，使用公式(3)和上表中的数据可以确定该厚度b处于1mm至大约35-40mm的范围内。

流注通道纵截面的估计面积对应于D_κ·g。如果放电腔宽度小于D_k，使得

S＜D_κ·g，(4)

在其直径达到估计值D_k之前，流注将会跨越整个放电腔宽度。换言之，流注放电将覆盖放电腔的整个横截面面积S。作为结果，流注通道将在放电腔外部被吹熄，这会导致熄灭加速。

通过在(4)中代入直径D_k＝2r_κ的适当值，其中流注通道半径r_κ的值取自上表(r_κ＝0.5-18mm，g＝0.1至20mm)，可以容易地确定放电腔的横截面面积的具体值和可能的范围：

S≤2r_k·g＝2(0,5÷18)·(0,1÷20)＝0,1÷720≈0,1÷700mm²(5)。

在某些方面，火花放电熄灭机制类似于上文的背景技术部分中描述的管型避雷器内的电弧放电的熄灭机制，但是存在的重要差异在于电弧(具有大约20,000℃的温度)在管型避雷器内燃烧相对较长的时间(高达10ms)。这种电弧烧毁产气管的管壁，热破坏过程中形成的气体吹到放电通道外部。在根据本发明的避雷器中，当雷电过电压冲击终止时，立刻发生火花放电熄灭，冲击的平均持续时间为大约50μs，即比电弧燃烧的持续时间小大约三个数量级。此外，流注通道温度不超过5,000℃，因此其比电弧温度小大约四倍。由于这两个因素，根据本发明的避雷器不存在腐蚀，即使在该避雷器多次启动之后也是如此。

避雷器应用的下列变型是与实际使用相关的：

1)用于保护中等电压等级(MV)6-35kV的HEPL免受感应过电压危害(参见上表第1行和第2行)；

2)在使用雷电防护钢缆的情况下，用于保护高电压等级(HV)110-220kV和超高电压等级(SHV)330-7500kV的HEPL免受反向闪络的危害(参见上表第5行和第6行)；

3)在未使用雷电防护钢缆的情况下，用于保护高电压等级110-220kV和超高电压等级(SHV)330-7500kV的HEPL免受输电线导体处直接雷击(参见上表第3、4和7、8行)以及反向闪络(参见上表第5行和第6行)。

当设计避雷器时，应考虑避雷器在特定等级的HEPL中的最重要的使用条件，即电流脉冲上升率di/dt的最大值以及时间t。因此，当设计用于保护6-35kV HEPL免受过电压危害的避雷器时，在计算中应使用上表的第2行中所表示的数据(分别为t＝2μs和r_κ＝1,8mm)。此外，根据本发明，当电压处于其最大值时，优选地应当令绝缘层的厚度b大于通道直径D_k，例如b＞D_k＝2r_κ＝2·1,8＝3,6mm。根据本发明的放电腔的横截面面积S应被选择为S＜D_κ·g＝2·3,6＝7,2mm²。例如，具有圆形横截面的放电腔应具有直径

实验研究显示，在用于根据变型1的应用的实施例中，即用于保护10kV HEPL和20kV HEPL免受感应过电压危害，可以分别选择下列避雷器参数：多个放电腔m＝50；g＝2mm；b＝4mm；d＝3mm；S＝7mm²(实施例1)以及m＝150；g＝3mm；b＝4mm；d＝3mm；S＝7mm²(实施例2)。

还应注意的是，在根据本发明的避雷器中，关于被放电腔分隔的相邻电极之间的最小距离，只对最小绝缘厚度和放电腔的最大横截面面积存在限制。因此，通过在充分大的范围内改变上述参数以及放电腔的形状，可以对避雷器应用的特殊变型优化避雷器设计。

图5和图6显示了具有圆柱形绝缘体1和从中间电极4延伸到绝缘体1的上表面和下表面的放电腔5的避雷器实施例。因此，放电腔5被配置为绝缘体1中所形成的贯通开口，以确定中间电极4之间的空气放电间隙。放电腔的横截面可以具有长方形形状(如图1至图4所示)、圆形形状(如图6所示)或一些其他的形状。图5和图6所示的实施例比图1至图4所示的实施例更易于制造，因为其允许在制造过程中采用所使用的材料的高效水磨切割(hydroabrasive cutting)，该切割确保快速和准确地形成贯通开口。

在贯通放电腔中(向绝缘体的两个表面开口)，放电腔扩大时腔内产生的压强小于腔为凹洞状(只向绝缘体的一个表面开口)时的腔内压强；由于这一原因，这种腔内的放电通道速度以及进而的熄灭效率不像其它类型的腔那么高。但是，这种腔具有更高的功能可靠性，因为放电腔由于超压而受到破坏的可能性较低。这同样适用于狭缝状腔。狭缝状腔具有较低的熄灭效率，但是其电动力学强度(即忍受大电流的能力，例如在线路处的DLS的情况下)较高。由于这一原因，放电腔的型号和形状的适当选择应取决于避雷器的预期用途(例如，用于防御感应过电压或者防御DLS)以及制造技术和成本考虑。

图7和图8显示了具有形状为柔性条带的绝缘体1的避雷器实施例，其在放电腔5向绝缘体1的表面开口的区域中具有凸出部分，中间电极4被配置为圆形金属或石墨垫圈。该实施例的特征在于最经济地利用用于制造绝缘体1的绝缘材料。事实上，只需要在放电腔向绝缘体的表面开口的区域中确保所需要的决定放电腔沿放电腔轴的尺寸的绝缘厚度b。

图9和图10显示了具有扁平绝缘体1并且具有附加电极7的避雷器实施例。第一主电极2将连接到高压电力线的元件，例如被施加高压电位的线路导体；第二主电极3连接到具有零电位的地。在该实施例中，作为中间电极4之间的放电腔5的补充，在主电极2、3中的每一个和与其相邻的中间电极4之间形成附加放电腔。附加放电腔的配置可以类似于中间电极之间的放电腔。但是，在根据本发明的避雷器的一些实施例中，考虑到这种附加放电腔中的放电通道长度可能超过其余的放电腔中的类似通道的长度，可以修改这些附加放电腔的参数。

附加电极7电连接到第二主电极3，因此也具有零电位。因此，主电极2和主电极3之间施加的高压也施加到第一主电极2和附加电极7之间。选择扁平绝缘体1的宽度，以使沿扁平绝缘体的上下表面上的电极2和电极7之间的最短距离的电气强度高于主电极2和主电极3之间的电气强度。应以这样的方式选择用于制造绝缘体1的材料绝缘特征及其厚度：使得沿所述距离的电气强度高于避雷器的主电极2和主电极3之间的闪络电压。这是确保如下情形的必要条件：在过电压的情况下放电将从主电极2经由中间电极4之间的火花放电间隙发展到第二主电极3，而不是直接在主电极2和附加电极7之间发展。由于附加电极的存在，该避雷器实施例的特征在于低闪络电压，从而可以将过电压限制到非常低的程度。参考图11和图12来解释附加电极影响闪络电压的方式。

图11显示了图9所示的避雷器实施例的基本电路图的一部分，该部分包括第一主电极2、相邻的中间电极4和附加电极7。电极2和电极4之间以及电极4和电极7之间分别存在电容C₁和电容C₀。这些电容是串联连接的，其中在过电压的冲击下，当电压U施加到避雷器上时，电压U₁将施加到电容C₁，因此施加到第一主电极2和相邻的中间电极4之间的火花放电间隙上。可以根据下式以相对单位来确定U₁值：

$\frac{U_1}{U}=\frac{1}{1+\frac{C_1}{C_0}}.$

由于中间电极4上面向附加电极7的表面积的相对较大的尺寸，以及由于固体电介质的介电常数ε实质上高于空气介电常数ε₀(通常，ε/ε₀≈2÷3)，因此中间电极4和附加电极7之间的电容(即该中间电极和地之间的电容)实质上高于该电极和主电极2之间的电容：C₀＞C₁，以及分别地，C₁/C₀＜1。

当值C₁/C₀处于C₁/C₀＝0.1÷1的范围内时，电压U₁处于U₁＝(0.50÷0.91)U的范围内。因此，当避雷器被电压U冲击时，该电压的主要部分(至少多于一半)将施加到电极2和电极4之间的第一火花放电间隙上。在该电压U₁的冲击下，所述间隙击穿，从而最接近主电极2的中间电极4获得与主电极2相同的电位，而与第一个中间电极相邻的下一个中间电极获得电位U₀。于是，火花放电间隙击穿的物理图像重演。以这种方式，中间电极之间的间隙的分级(即相继)闪络发展，形成火花放电。由于放电间隙击穿的分级特征，确保了避雷器的启动总体上所需的低闪络电压。

图13显示了形状为具有圆形上端的圆柱体的绝缘体1的避雷器实施例。该实施例的绝缘体1包括中空圆柱形部件和具有圆形端部的固体部件。位于绝缘体1的中空部件内部的附加电极7的形状也是具有圆形上端的圆柱体。避雷器的第一主电极2通过火花放电空气间隙10连接到HEPL的线路导体9。在导体9的过电压的情况下，闪络起初越过火花放电间隙10形成；作为结果，第一主电极2上被施加高压。避雷器随之而来的工作与上文参考图1至图4所描述的工作相同。

图14显示了具有沿经过细长绝缘体1的中空部件表面附近的螺旋线排列的中间电极4的避雷器实施例，其中附加电极7(与第二主电极3连接)位于中空部件内部。这种设置可以比图13所示的上一实施例为避雷器提供更多数量的中间电极4，以这种方式，可以进一步提高避雷器的灭弧能力。根据该实施例(还根据上下文所述的其他实施例)，中空部件和附加电极两者优选地至少在中间电极所处的区域中具有圆形横截面。这种横截面简化了中间电极4在绝缘体1的表面上的均匀分布，并且可以在任意径向方向上使用相同厚度的绝缘层。

图15显示了根据本发明的HEPL实施例，其包括具有绝缘帽和绝缘子中使用的类型的金属棒的避雷器。该避雷器实施例类似于图13和图14所示的实施例，但是与它们的不同之处在于，使用HEPL的绝缘子12来代替火花放电间隙10。因此，在该实施例中，避雷器的附加电极7还充当将HEPL绝缘子固定在其上的棒。避雷器的绝缘体1还充当将HEPL绝缘子安装到棒上时通常使用的类型的帽的聚合物绝缘。与图13和图14所示的实施例相同，绝缘体的中空部件和附加电极两者都具有圆形横截面。为了简化避雷器的制造，其第一主电极2可以具有与中间电极4相同的设计。

在HEPL的线路导体9上的过电压的情况下，放电13起初沿绝缘子12的表面发展，从而在第一主电极2上施加高压。接着发生中间电极4之间的间隙的分级闪络。因此，避雷器以与上文所述相同的方式工作。

由于避雷器的元件执行HEPL紧固装置的功能，因此该实施例的特征分在于小尺寸和低成本。

图16显示了安装在环型长闪络避雷器(LFAL)的臂上的图7和图8的避雷器实施例(参见俄罗斯专利No.2096882，November 17，1995，H01 T4/00，还有G.V.Podporkin，G.V.Sivaev.Modern lightningprotection of overhead distribution power lines with long-spark lightningarresters rated for 6，10kV，《Electro》，2006，No.1，pp.36-42)。

LFAL由弯曲以形成环并被由高压聚乙烯形成的绝缘层11覆盖的金属棒构成。绝缘环的端部固定在紧固夹具上，LFAL通过该紧固夹具连接到安装在HEPL的支撑物(未显示)上的绝缘子的棒上。围绕绝缘层的金属管位于环的中部，并且通过火花放电空气间隙连接到线路导体。

避雷器的工作是基于利用蠕缓放电效应，该效应确保越过避雷器表面的大长度冲击闪络，从而防止冲击闪络转化为工作频率的电弧。

当在线路导体中形成感应雷电冲击时，导体和避雷器的金属管之间的火花放电空气间隙将会击穿，从而会在金属管和形成环的金属棒之间的绝缘上施加电压，棒处于与HEPL支撑物相同的电位。

由于所施加的冲击电压，将会经由环臂的一端或两端沿环绝缘的表面从金属管(即从第一主电极2)到避雷器夹具(到第二主电极3)发展蠕缓放电。由于蠕缓放电效应，避雷器的伏秒特性处于绝缘子的类似特性以下，从而处于雷电过电压条件以下，闪络产生为越过避雷器，而不是绝缘子上。

在冲击雷电流通过之后，放电熄灭，而不会变成电弧，因此防止短路、导体破坏以及HEPL断电。

当将LFAL与本发明的避雷器组合使用时，例如与根据图7和图8所示的实施例配置的避雷器组合使用时，通过金属管和LFAL夹具分别执行第一主电极2和第二主电极3的功能，而通过绝缘层11和LFAL的金属棒分别形成绝缘体的中空部件和附加电极(在该实施例中两者都具有U形轮廓)。中间电极嵌在LFAL的一个臂上的中空部件周围螺旋缠绕的条带内。

如果在过电压条件下使用这种LFAL和根据本发明的避雷器的组合，则中间电极之间的间隙的分级闪络在比只使用LFAL时更低的电压下产生。此外，与只使用LFAL不同，在电力频率下的电流经过零值之前确保放电的有效熄灭。因此，LFAL与根据本发明的避雷器的组合具有比典型的LFAL更小的尺寸和更高的效率，此外还可以用于更高等级的电压。

图17和图18显示了使用电缆技术制造的避雷器实施例。使用一根具有固体绝缘的适当电缆作为制造避雷器的原料，其中固体绝缘和电缆芯分别形成绝缘体1的中空部件和附加电极7。金属线或金属带被置于这种电缆部件的表面上，然后涂覆又一固体绝缘层(例如先挤出，然后将新的层焊到电缆绝缘上)。以这种方式，形成避雷器的绝缘体，绝缘体由具有覆盖电缆绝缘的附加绝缘层的电缆绝缘(形成中空部件)构成。之后，在绝缘体1中制造放电腔5(即通过钻孔或铣削(milling))，这些腔形成中间电极4之间以及(优选地)主电极2、3和与其相邻的中间电极4之间的放电间隙。放电腔将具有圆形横截面(如果通过钻孔制造的话)，或者具有长方形(例如狭缝状)横截面(如果通过铣削制造的话)。为了获得更紧凑的中间电极布置并且减小避雷器尺寸，所述金属带或金属线可以缠绕成螺旋形，类似于图16所示的实施例中所使用的布置。在狭缝状腔的螺旋形布置的情况下，可以检查与螺旋的相邻圈相对应的腔不朝向彼此。实验发现，在不满足该条件的情况下，当吹熄放电腔时，放电通道可能会合并为位于绝缘体上方的空气中的公共通道，这种合并导致避雷器的灭弧能力急剧下降。因此，相邻圈中的狭缝状放电腔应关于彼此额外地线性平移或旋转。

为了简化避雷器的制造，金属线或金属带可被替换为由碳纤维制成的导电帘线(conducting cord)或导电带。这种替换使得对放电腔进行钻孔或铣削的步骤明显更加容易执行。所描述的实施例的特征不仅在于其技术效果，而且还在于高机械强度。

图19显示了HEPL的一部分，其具有受保护导体并且具有为该特殊HEPL优化的避雷器实施例。由某种导电材料(例如钢筋混凝土、钢等)制成的支撑物14支承绝缘子12，具有保护绝缘层16的导体9在金属紧固装置15的帮助下固定在绝缘子12上。具有与紧固装置15的电接触并且充当图7和图8的避雷器实施例的第二主电极3的夹具置于导体上。第一主电极2被配置为铠装夹具。确保避雷器固定在导体上的该夹具与导体9的芯电接触，从而该芯位于主电极2和主电极3之间的部分也充当避雷器的附加电极7。内部嵌有避雷器的中间电极的条带固定(即螺旋缠绕)在保护绝缘层16位于主电极之间的部分上，该部分具有避雷器的绝缘体的中空部件的功能。

当过电压施加到导体9上时，首先越过绝缘子12发生闪络，从而紧固装置连同第二主电极3将具有地(即零)电位，而导体9和铠装夹具(第一主电极2)将分别处于过电压电位以下。这意味着过电压将施加在第一主电极2(铠装夹具)和第二主电极3(夹具)之间，该过电压将导致主电极2、3和中间电极4之间的所有间隙的完全闪络(down-the-line flashover)。作为结果，导体9的芯通过铠装夹具、通过中间电极4之间的间隙、通过第二主电极3、通过紧固装置15以及通过越过绝缘子12的放电通道电连接到接地支撑物14，从而雷电过电压电流将沿该路径流动到大地。在雷电冲击结束之后，放电电流熄灭，而不会转到电弧阶段，线路继续工作，不会断电。

已通过实验证实了根据本发明的避雷器的作业能力，在实验过程中试验了特别为该用途制造的额定10kV的两种类型的避雷器：1)环型长闪络避雷器，LFAL-10，具有环状中间电极；以及2)LFAL-10，不具有这种环，但在LFAL-10的一个臂周围缠绕根据本发明的避雷器实施例(图16所示)。所试验的设备具有下列主要特征：

《Sevkabel′》工厂(St.Petersburg，Russia)制造的PIGR-8型电缆具有9mm直径的铝芯以及4mm的聚乙烯绝缘层；

臂的长度(从金属管边缘到夹具边缘)为800mm；

中间电极4被配置为具有9mm的外径和1mm的厚度的垫

圈；其嵌在由硅橡胶制成的条带内；

中间电极的总数等于50；

被放电腔分隔的相邻电极之间的距离被选择为g＝2mm(上文解释了为该实施例选择这种距离的原因)；

每个放电腔具有直径d＝3mm和高度b＝4mm(因此，所试验的根据本发明的避雷器实施例对应于上文所述的用于避雷器的第一应用变型1的实施例1)；

图3所示的避雷器以30mm的螺距缠绕在LFAL-10臂的其中之一周围(即缠绕在上文所述的电缆部件周围)，从而避雷器在电缆部件上覆盖30cm的长度，该长度大约为LFAL-10臂的长度的三分之一。

该试验显示，这两种避雷器(具有环的标准LFAL-10以及装备了根据本发明的避雷器的LFAL-10)都能够保护HEPL绝缘子免受雷击放电的危害；但是，具有环的LFAL-10将持续电弧电流熄灭到零电流值(因此电流流动中存在3-5ms的停顿)，而根据本发明的避雷器在雷电过电压(仅持续5-30μs)结束之后立即熄灭电流，线路导体处的电压下降到正常工作值。这意味着避雷器在不在电流流动中引入任何停顿的情况下运行，当为对电源的中断敏感的电子设备(即计算机)供电时，这一点是非常重要的。根据本发明的组合避雷器的重要优点在于，其总尺寸几乎比现有技术型避雷器LFAL-10的总尺寸小三倍；此外，本发明的避雷器可以被设计成用于高压等级。

因此，根据本发明的电流分流设备具有充分扩大的适用范围以及充分提高的功能可靠性。放电通道熄灭随着中间电极数目的增加而增加。另一方面，这种在保持放电间隙的总长度不变的同时中间电极数目的增加导致避雷器的总尺寸和成本的增加。因此，应根据避雷器的具体预期应用来确定避雷器的最佳设计，这当中要遵循上述说明中介绍的准则，考虑诸如将要保护的安装或设备的类型、电压等级、所需的保护级别等等的基本参数。

根据本发明的避雷器的上述实施例和修改以及为使用这种避雷器而配置的电力线仅仅是为了阐明其设计和操作原理而描述的。本领域技术人员应当明确的是，可以对上述示例进行多种改进、修改和变化，所有这些都在所附权利要求的范围内。例如，如果避雷器的电极之间的放电不以流注的形式发展，而是以其他的形式发展，例如以雪崩放电或先导放电的形式，则在确定估计放电直径时可以使用一些适当的公式，相邻电极之间的最小距离的优选值可能产生修改。

Claims (28)

1.一种用于电气设施的元件的雷电防护的避雷器，所述避雷器包括由固体电介质制成的绝缘体、机械连接到所述绝缘体上的两个主电极以及设置在所述主电极之间并且至少沿所述绝缘体的纵轴相互位移的两个或更多个中间电极，所述中间电极被配置为使每个主电极和与所述每个主电极相邻的中间电极之间以及相邻的中间电极之间能够发生放电，其特征在于，所述中间电极位于所述绝缘体内部，并且通过具有超过所述放电的通道的预先计算的直径D_k的厚度的绝缘层与所述绝缘体的表面隔开，其中相邻的中间电极之间形成多个放电腔，所述放电腔向所述绝缘体的表面开口，其中所述放电腔在放电通道形成区域中的横截面面积S被选择为满足条件S＜D_k·g，其中g为相邻的中间电极之间的最小距离。

2.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，相邻的中间电极之间的最小距离被选择在1mm至5mm的范围内。

3.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，相邻的中间电极之间的最小距离被选择在5mm至20mm的范围内。

4.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器具有在每个主电极和与所述每个主电极相邻的中间电极之间形成的附加放电腔。

5.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述放电腔被配置为所述绝缘体中形成的长方形或圆形开口。

6.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述放电腔被配置为所述绝缘体中形成的狭缝。

7.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述放电腔被配置为所述绝缘体中形成的贯通开口。

8.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体为条状。

9.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体为带状。

10.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体为圆柱体形状。

11.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体在所述放电腔向所述绝缘体的表面开口的区域中具有增加的厚度。

12.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述中间电极的形状为平板或圆柱体。

13.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述中间电极是由石墨或碳纤维制成的。

14.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，相互位移的中间电极沿与所述绝缘体的纵轴重合的线排列。

15.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，相互位移的中间电极沿与所述绝缘体的纵轴平行的线排列。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体内或所述绝缘体的与所述放电腔开口所向的表面相反的表面上设置有附加电极，所述附加电极与所述主电极其中之一连接，其中所述附加电极的长度对应于所述主电极之间的距离的至少一半，其中所述附加电极和未与所述附加电极连接的另一主电极之间的绝缘的击穿强度超过预先计算的所述主电极之间的闪络电压。

17.根据权利要求16所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体包括中空部件，其中所述附加电极置于所述中空部件内。

18.根据权利要求17所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体的中空部件和所述附加电极具有圆形横截面。

19.根据权利要求18所述的避雷器，其特征在于，相互位移的中间电极沿其排列的线为螺旋线。

20.根据权利要求17所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体另外包括附着在所述中空部件的表面上的条带，其中所述中间电极嵌在所述条带内。

21.根据权利要求20所述的避雷器，其特征在于，所述条带在圆柱形中空部件的表面周围缠绕成螺旋状。

22.根据权利要求21所述的避雷器，其特征在于，所述附加电极和所述绝缘体的中空部件分别被形成为一根电缆的芯和绝缘层。

23.根据权利要求22所述的避雷器，其特征在于，所述绝缘体的中空部件具有U形轮廓，其中所述附加电极和所述中空部件具有相等的长度，所述主电极其中之一被配置为围住所述中空部件的弯曲部分的金属管，另一主电极机械连接到所述中空部件的一端或两端，并且与所述附加电极电连接，其中所述中间电极设置在所述绝缘体的一个臂或全部两个臂上。

24.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于所述电气设施为电力线。

25.一种电力线，包括：具有绝缘子的支撑物、通过紧固装置连接到所述绝缘子上的至少一个带电导体以及用于电力线的元件的雷电防护的至少一个避雷器，其特征在于，所述至少一个避雷器被配置为根据权利要求1至24中任一项所述的避雷器。

26.根据权利要求25所述的电力线，其特征在于，所述至少一个避雷器的所述主电极其中之一直接地或者通过火花放电间隙连接到要保护的电力线的元件上，其中另一主电极直接地或者通过火花放电间隙电接地。

27.根据权利要求26所述的电力线，其特征在于，所述带电导体位于保护绝缘层内，所述避雷器的第一主电极被配置为设置在所述保护绝缘层上并且电连接到所述带电导体上的铠装夹具，所述避雷器的第二主电极设置在所述保护绝缘层的表面上并且与用于将所述带电导体固定到所述电力线的绝缘子上的金属紧固装置电连接，所述绝缘体包括中空部件，其中所述中空部件和所述避雷器的附加电极分别被配置为所述保护绝缘层的一部分和所述带电导体的一部分，所述中空部件和所述附加电极两者都位于所述主电极之间，其中所述避雷器的中间电极嵌在附着在所述中空部件上的条带内。

28.根据权利要求25所述的电力线，其特征在于，所述绝缘子设置在所述避雷器上，其中所述绝缘体的中空部件和所述避雷器的附加电极具有圆形横截面，其中所述附加电极被配置为绝缘子的棒，而所述绝缘体被配置为适合于将所述绝缘子固定在所述棒上的绝缘子帽。

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