CN106920606B - 一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器，所述避雷器包括竖直方向依次串接的单元节，所述单元节包括外部的绝缘套管和安装在所述绝缘套管内的金属氧化物电阻片；所述避雷器的底部单元节两端并联有控制单元，所述控制单元包括控制器以及并联的间隙和快速开关；所述快速开关和所述间隙均与控制器相连；所述控制器检测所述避雷器两端的电压，并根据检测到的电压值同时触发所述间隙导通和所述快速开关合闸，当所述间隙导通时或所述快速开关合闸后，所述底部单元节被短接。本发明提供的避雷器可在维持现有避雷器用金属氧化物电阻片性能参数不变的基础上，降低避雷器残压，提高避雷器的保护水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种避雷器，具体涉及一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器。
背景技术
从超高压(330kV～750kV)输电系统开始，操作过电压对输变电设备的绝缘水平已经起着控制作用，随着系统电压等级的升高，影响越来越大，须将操作过电压倍数限制的越来越低。在超、特高压输电系统中，空气间隙的操作冲击放电电压呈现饱和特性，操作过电压水平对输变电设备的造价和制造难度影响更大，因此，深度降低操作过电压倍数、合理选取设备绝缘水平是十分必要的。
避雷器是电力系统过电压保护的主要装置。避雷器电阻片从早期以碳化硅(SiC)为主要原料发展到现今以氧化锌(ZnO)为主要原料，避雷器的性能在几十年间得到了极大的提高，应用范围越来越广。
特高压常规金属氧化物避雷器由避雷器本体和安装在避雷器本体顶部的均压环组成。其工作原理是利用金属氧化物电阻片高电压下呈现低阻值的特性，通过避雷器本体来释放过电压能量，将系统过电压水平限制到较低数值。
近年来，研究人员通过改进金属氧化物电阻片的配方和生产工艺，研制出了性能更优越的高性能金属氧化物电阻片，其中日本东芝公司研制的电阻片性能处于世界领先水平，主要指标为：能量吸收能力为300J/cm3，标称电流下压比1.55，允许荷电率92％，电位梯度200～600V/mm。但在特高压系统中，仅靠采用高性能电阻片的避雷器，仍无法将操作过电压水平限制到规定的数值。
对于特高压交流输电系统，目前主要是应用金属氧化物避雷器、断路器加装合闸电阻两种措施：
(1)金属氧化物避雷器和断路器加装合闸电阻两种措施联合使用。两者共同作用可将系统的最大相对地2％统计操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。但是，由于合闸电阻在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足，断路器加装合闸电阻后机构复杂，大大增加断路器的运行风险，同时断路器加装合闸电阻后成本增加较多，电力系统运行部门和制造厂商均倾向于在系统条件允许情况下断路器不采用合闸电阻。
(2)当两个特高压变电站之间的线路较短时，将避雷器额定电压降低，也可以将系统操作过电压限制在1.6p.u.～1.7p.u.。例如，某特高压线路段仅为60km，如果不采用断路器加装合闸电阻，仅采用金属氧化物避雷器将操作过电压限至标准允许的范围内，须将金属氧化物避雷器的额定电压从目前的828kV降至804kV(额定电压降低了3％)，避雷器的荷电率将从目前的0.77升高至0.79。但再长一点的线路，即使将避雷器额定电压降至804kV也无法满足要求。例如某特高压线路长度为85.5km，采用804kV的避雷器仅能将沿线过电压降至1.74p.u.，仍然无法满足要求，必须将避雷器的额定电压降至更低，甚至需降至762kV(额定电压降低了8％)才能满足要求。此时避雷器的长期运行荷电率将从目前的0.77升高至0.83，从而使避雷器电阻片在正常运行下的老化速度加快，可靠性裕度大大降低。而且使用762kV避雷器的前提条件还必须是将系统工频过电压限制在母线侧1.2p.u.、线路侧1.3p.u.，使用条件极其受限。
在改进避雷器电阻片性能研究的同时，研究人员也试图在避雷器的结构上寻找新突破，以提高避雷器的保护性能。80年代开始，国内、外的研究人员曾对金属氧化物避雷器串、并联放电间隙的情况进行过探讨和研究，但限于间隙放电电压的分散性很难解决，避雷器工作可靠性差。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器。
本发明提供的技术方案是：一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器，所述避雷器包括竖直方向依次串接的单元节，所述单元节包括外部的绝缘套管和安装在所述绝缘套管内的金属氧化物电阻片；其改进之处在于：所述避雷器的底部单元节两端并联有控制单元，所述控制单元包括控制器以及并联的间隙和快速开关；所述快速开关和所述间隙均与控制器相连；所述控制器检测所述避雷器两端的电压，并根据检测到的电压值同时触发所述间隙导通和所述快速开关合闸，当所述间隙导通时或所述快速开关合闸后，所述底部单元节被短接。
优选的，当所述控制器检测到避雷器两端的电压大于或等于1257.2KV时，所述控制器同时触发所述间隙导通和所述快速开关合闸；所述快速开关的合闸时间为15-20ms；所述快速开关合闸完毕后经过25ms时间，所述控制器向所述快速合闸开关发送分闸触发信号，触发所述快速开关分闸关断。
优选的，所述外部绝缘套包括瓷柱和瓷柱两端的法兰盘；所述避雷器的整体呈底部单元节的瓷柱横截面直径最大，顶部单元节的瓷柱横截面直径最小的塔形结构，在等荷载条件下每个单元节底部产生的应力一致。
进一步，所述瓷柱的内部中间具有圆柱形空心部分，用于容纳金属氧化物电阻片，且在其内部充有绝缘气体；所述绝缘气体为氮、二氧化碳或干燥空气中的任意一种。
进一步，所述瓷柱的外部具有间隔排列的大伞和小伞；大伞伸出的水平距离为75mm，小伞伸出的水平距离为60mm，距离最近的两个大伞最低点之间的距离为75mm。
进一步，所述法兰盘的内侧开有与法兰盘同中心的瓷柱安装孔，所述瓷柱安装孔的孔壁上涂覆有沥青层，所述瓷柱的两端分别通过水泥胶合剂胶合在瓷柱安装孔内；所述瓷柱两端的胶合部位也涂覆有沥青层；所述瓷柱安装孔的孔壁上设有多个与所述瓷柱安装孔同中心的环状凸起。
进一步，所述瓷柱顶部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径比值等于或大于0.40；所述瓷柱底部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径的比值等于或大于0.45。
优选的，所述金属氧化物电阻片的底部与单元节的底部法兰盘采用直接压接方式固定，其顶部与单元节的顶部法兰盘之间设置有处于压缩状态的按压弹簧。
进一步，所述底部法兰盘与所述顶部法兰盘上对应设有竖直方向贯穿所述法兰盘的固定孔；所述金属氧化物电阻片周围设置有竖直方向的两端分别贯穿所述底部法兰盘的固定孔和所述顶部法兰盘的固定孔的支撑杆；所述支撑杆通过螺钉和密封垫固定在所述固定孔内。
进一步，所述避雷器的整体高度小于11.6m。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
1)本发明提供的技术方案将高强度特高压避雷器与间隙触发控制技术、快速开关技术、测量控制技术结合起来，可深度降低特高压输电系统用金属氧化物避雷器的残压，提高避雷器的保护水平和运行可靠性，是一种高性能的过电压保护装置。
2)本发明提供的间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器适用于特高压输电系统的过电压保护，其优异的保护性能允许系统降低电力设备和输电线路绝缘水平，减少输电成本；对于特高压输电系统，在维持现有电力设备和输电线路绝缘水平不变的前提下，允许取消断路器的分、合闸电阻，经济效益十分显著。
3)金属氧化物避雷器的整体呈塔形结构，其底部单元节横截面直径最大，顶部单元节横截面直径最小，在等荷载条件下每个单元节底部产生的应力一致；与现有避雷器结构设计相比，避雷器破坏负荷可达65kN以上，大大提高了避雷器的抗震能力。
4)金属氧化物避雷器的迎风面积小，产生的风荷载小。采用塔形结构设计，有效降低了顶部单元节的迎风面积，从而大幅降低风荷载产生的弯曲负荷，抗弯强度可提高30％以上。
5)瓷柱与法兰盘的粘接部位采用沥青层，该沥青层具有被挤压缓冲的作用，在制作过程中，顶部法兰盘、底部法兰盘和瓷柱会出现不同的收缩率，沥青层可承受这种挤压，从而避免在制作过程中的挤压破损现象，瓷柱与法兰盘采用水泥胶合剂胶合，提高了瓷柱与法兰盘的机械连接强度。
6)瓷柱安装孔的孔壁上设有多个与瓷柱安装孔同中心的环状凸起，可避免长期使用后，顶部法兰盘和底部法兰盘出现松动现象，提高了法兰盘与瓷柱的机械连接强度。
7)瓷柱顶部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径的比值不小于0.40；瓷柱底部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径的比值不小于0.45；通过提高胶合剂在竖直方向上的高度，有利于充分发挥每个单元节瓷柱的应力，提高避雷器的整体抗震性能。
8)避雷器的整体高度小于11.6m，通过降低避雷器的整体高度，可提高避雷器的抗震性能和抗弯性能，但是由于避雷器整体高度受到外部绝缘套爬电距离的限制，因此外部绝缘套的瓷柱外部具有间隔排列的大伞和小伞；大伞伸出的水平距离为75mm，小伞伸出的水平距离为60mm，距离最近的两个大伞最低点之间的距离为75mm；通过优化设计伞群，可降低避雷器高度。
附图说明
图1为本发明提供的间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器的整体结构示意图；
图2为图1中避雷器的瓷柱结构示意图；
图3为图2中伞群的放大图；
图4为法兰盘与瓷柱的连接结构示意图；
图5为瓷柱内部金属氧化物电阻片的结构示意图。
其中1-间隙；2-控制器；3-瓷柱；4-法兰盘；5-均压环；6-大伞；7-小伞；8-螺孔；9-环状凸起；10-水泥胶合剂；11-金属氧化物电阻片；12-支撑杆；13-按压弹簧；14-快速开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供的间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器的整体结构如图1所示。所述避雷器包括竖直方向依次串接的单元节，所述单元节包括外部的绝缘套管和安装在所述绝缘套管内的金属氧化物电阻片；所述避雷器的底部单元节两端并联有控制单元，所述控制单元包括控制器2以及并联的间隙1和快速开关14；所述快速开关14和所述间隙1均与控制器2相连；所述控制器2检测所述避雷器两端的电压，并根据检测到的电压值同时触发所述间隙1导通和所述快速开关14合闸，当所述间隙1导通时或所述快速开关14合闸后，所述底部单元节被短接。
控制器2的控制方法如下：
(1)在系统正常运行或系统过电压幅值未超过设定触发阈值U0时，避雷器的所有单元节共同承受系统电压和过电压。
(2)当系统过电压幅值超过触发阈值U0时，控制器2发触发信号，间隙1G击穿导通(0ms)，底部单元节被短接，由避雷器的其他单元节承担系统过电压，避雷器的残压值变为其他单元节的残压，较常规整个避雷器的残压值大大降低，从而提高了避雷器的过电压保护水平。由于间隙1的通流能力较差，控制器在发送触发信号给间隙1的同时，还发送触发信号给快速开关14，将与间隙1并联的快速开关14合闸，将操作冲击电流和随后出现的工频续流转移至快速开关14，使间隙1熄弧。快速开关14的合闸时间约为15～20ms，即第15～20ms时刻，快速合闸完毕。快速合闸完毕后约25ms，即第40～45ms时刻，高幅值的操作过电压已经过去，控制器发送分闸命令给快速开关14，约50～60ms后，快速开关14完全分闸，即第90～105ms时刻，控制过程结束，仍然由避雷器的所有单元节共同承受系统电压或过电压。
U0可设定为1.4p.u.(对于特高压交流输电系统1.0p.u.＝1100*√2/√3＝898kV)，这是因为标准GB/Z 24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》规定，特高压交流输电系统的工频过电压不宜超过下列数值：线路断路器的变电站侧1.3p.u.；线路断路器的线路侧1.4p.u.(持续时间不大于0.5s)。可控避雷器安装在断路器线路侧，为保证避雷器吸收的能量不超过其能量耐受范围，间隙1的起始动作电压须躲开工频最大过电压，即U0设定为1.4p.u.。
为了提高避雷器的抗震性能和抗弯性能，本发明提供的避雷器采用等应力设计原则，对每个串联的单元节的瓷柱3分别进行设计：底部单元节的瓷柱3横截面直径设计最大，顶部单元节的瓷柱3横截面直径设计最小，以使避雷器的整体呈塔形结构，在等荷载条件下每个单元节底部产生的应力一致。
塔形结构设计是等应力设计原则的必然选择。避雷器顶部质量在地震时将在其下部产生应力，且一般上部质量越大，在下部产生的地震应力也就越大。另一方面，运行中避雷器的弯曲负荷主要来自于风荷载，且上部元件上作用的风压力也会作用到。塔形结构设计是指上部单元节的瓷柱3在满足内部空间的条件下尽可能减小瓷柱3直径和壁厚，从而降低顶部质量。下部单元节的瓷柱3在生产工艺和生产技术允许范围内，尽可能选取较大的瓷柱3直径和壁厚。
如图2-5所示，所述外部绝缘套包括瓷柱3和瓷柱3两端的法兰盘4；所述瓷柱3的内部中间具有圆柱形空心部分，用于容纳金属氧化物电阻片11，且在其内部收容有绝缘气体；所述绝缘气体为氮、二氧化碳或干燥空气中的任意一种。所述瓷柱3的外部具有间隔排列的大伞6和小伞7；每个大伞6的结构设计完全一致，每个小伞7的结构设计完全一致。
降低避雷器的整体高度有利于提高其抗震性能，也有利于提高避雷器的整体弯曲性能，但避雷器整体高度受外套爬电距离的限制。本实施例通过优化瓷柱3外部的伞群，将避雷器整体瓷件高度控制在11.6m以内。具体优化后的伞形结构如图3所示：大伞6伸出的水平距离为75mm，小伞7伸出的水平距离为60mm，距离最近的两个大伞6最低点之间的距离为75mm；上方大伞6与下方小伞7最低点之间的竖直间距为34mm；上方小伞7与下方大伞6最低点之间的竖直间距为41mm。
所述瓷柱3用高铝质材料制作；所述法兰盘4用高强度铸铝合金制成；
如图4所示，所述法兰盘4的内侧开有与所述法兰盘4同中心的瓷柱安装孔，所述瓷柱安装孔的孔壁上涂覆有沥青层，所述瓷柱3的两端分别通过水泥胶合剂10胶合在瓷柱安装孔内；所述瓷柱3两端的胶合部位也涂覆有沥青层。沥青层具有被挤压缓冲作用，在制作过程中，顶部法兰盘4、底部法兰盘4和瓷柱3会出现不同的收缩率，沥青层可以承受这种挤压，从而避免在制作过程中的挤压破损现象，而且采用水泥胶合剂10，可增加法兰盘4与瓷柱3的机械连接强度。
所述瓷柱安装孔的孔壁上设有多个与所述瓷柱安装孔同中心的环状凸起9，能够避免长期使用后，顶部法兰盘4和底部法兰盘4出现的上下松动现象。
水泥胶合剂10高度越大，越有利于充分发挥单元节瓷柱3的应力。本实施例中，所述瓷柱3顶部水泥胶合剂10在竖直方向上的高度与对应瓷柱3外部直径的比值不小于0.40；所述瓷柱3底部水泥胶合剂10在竖直方向上的高度与对应瓷柱3外部直径的比值不小于0.45。
所述顶部法兰盘4和所述底部法兰盘4的四角处还分别设置有螺孔8，用于上下两个单元节之间的连接固定。
瓷柱3内部金属氧化物电阻片11为在竖直方向依次堆叠圆柱状电阻片，结构如图5所示，金属氧化物电阻片11的底部与单元节的底部法兰盘4采用直接压接方式固定，其顶部与单元节的顶部法兰盘4之间设置有处于压缩状态的按压弹簧13。通过按压弹簧13使得上下电阻片之间相互紧压，形成一个固有稳定的芯体。
为了进一步加强瓷柱3内部金属氧化物电阻片11的稳定性，在所述底部法兰盘4与所述顶部法兰盘4上对应设有竖直方向贯穿所述法兰盘4的固定孔；所述金属氧化物电阻片11周围设置有竖直方向的两端分别贯穿所述底部法兰盘4的固定孔和所述顶部法兰盘4的固定孔的支撑杆12；所述支撑杆12通过螺钉和密封垫固定在所述固定孔内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器，所述避雷器包括竖直方向依次串接的单元节，所述单元节包括外部的绝缘套管和安装在所述绝缘套管内的金属氧化物电阻片；其特征在于：所述避雷器的底部单元节两端并联有控制单元，所述控制单元包括控制器以及并联的间隙和快速开关；所述快速开关和所述间隙均与控制器相连；所述控制器检测所述避雷器两端的电压，并根据检测到的电压值同时触发所述间隙导通和所述快速开关合闸，当所述间隙导通时或所述快速开关合闸后，所述底部单元节被短接；
当所述控制器检测到避雷器两端的电压大于或等于1257.2kV时，所述控制器同时触发所述间隙导通和所述快速开关合闸；所述快速开关的合闸时间为15-20ms；所述快速开关合闸完毕后经过25ms时间，所述控制器向所述快速合闸开关发送分闸触发信号，触发所述快速开关分闸关断；
所述金属氧化物电阻片的底部与单元节的底部法兰盘采用直接压接方式固定，其顶部与单元节的顶部法兰盘之间设置有处于压缩状态的按压弹簧；
所述底部法兰盘与所述顶部法兰盘上对应设有竖直方向贯穿所述法兰盘的固定孔；所述金属氧化物电阻片周围设置有竖直方向的两端分别贯穿所述底部法兰盘的固定孔和所述顶部法兰盘的固定孔的支撑杆；所述支撑杆通过螺钉和密封垫固定在所述固定孔内；
所述外部绝缘套包括瓷柱和瓷柱两端的法兰盘；所述避雷器的整体呈底部单元节的瓷柱横截面直径最大，顶部单元节的瓷柱横截面直径最小的塔形结构，在等荷载条件下每个单元节底部产生的应力一致；
所述瓷柱的内部中间具有圆柱形空心部分，用于容纳金属氧化物电阻片，且在其内部充有绝缘气体；所述绝缘气体为氮、二氧化碳或干燥空气中的任意一种；
所述瓷柱的外部具有间隔排列的大伞和小伞；大伞伸出的水平距离为75mm，小伞伸出的水平距离为60mm，距离最近的两个大伞最低点之间的距离为75mm；
所述法兰盘的内侧开有与法兰盘同中心的瓷柱安装孔，所述瓷柱安装孔的孔壁上涂覆有沥青层，所述瓷柱的两端分别通过水泥胶合剂胶合在瓷柱安装孔内；所述瓷柱两端的胶合部位也涂覆有沥青层；所述瓷柱安装孔的孔壁上设有多个与所述瓷柱安装孔同中心的环状凸起；
所述瓷柱顶部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径比值等于或大于0.40；所述瓷柱底部水泥胶合剂在竖直方向上的高度与对应瓷柱外部直径的比值等于或大于0.45。
2.根据权利要求1中所述的间隙开关并联控制型高强度金属氧化物避雷器，其特征在于：
所述避雷器的整体高度小于11.6m。
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