配电线路避雷器分频式脱离器动作特性数值分析

李炜，杨廷方，张磊，刘志勇，曾程

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

配电网的雷害事故占整个电力系统事故的70%～80%[1-2]。工程中通常装设氧化锌避雷器来提高线路的耐雷水平[3-4]。当避雷器绝缘受损时，不易被发现，还会引起线路接地故障。如果安装了脱离器，则其会在避雷器绝缘受损时动作，及时切除线路接地故障，并方便运维人员识别，及时消缺，大大提高运维人员的工作效率[5]。文献[6]提出了一种新型脱离器结构。该结构解决了脱离器外壳机械强度不足和易老化的缺点，但在冲击电流下有可能误动。文献[7]采用耦合电容、空爆管和放电间隙提出了一种新型RBT型热爆式脱离器，实现了工频电流和冲击电流的分流，但该脱离器为分体式结构，安装不方便，易产生事故隐患。文献[8]提出的热激发器结构的脱离器也能实现分流，但该脱离器采用的双金属片一旦失去弹性或者电流比较小时，会导致脱离器拒动。

本文基于反时限原理，采用双球隙设计了配电线路避雷器的分频式脱离器。该脱离器采用电感与大球隙并联，另在电感支路里设计了小球隙与电阻并联。在冲击或高频电流下，泄漏电流流过大球隙，脱离器不动作。在工频或低频电流下，泄漏电流流过电感支路。此时若泄漏电流大于40 mA且小于0.5 A，则电阻发热使脱离器动作；若泄漏电流大于0.5 A，则小球隙击穿使脱离器动作。解决了常规脱离器在冲击或高频电流下易误动、工频或低频电流下易拒动的问题。且工频或低频电流越大，脱离器动作速度越快。有助于对配电线路及时消缺，提高运维人员的工作效率。

1 常规脱离器分析

常规脱离器的结构如图1所示。当避雷器绝缘良好时，其泄漏电流小，并经过电阻元件入地，放电间隙（球隙）不动作。当雷电流流过避雷器时，电阻元件压降增大，间隙放电，雷电流通过放电间隙入地，脱离器不动作。当避雷器绝缘受损时，其泄漏电流大[9]。此时大的泄漏电流经过热爆器，热爆器动作，使避雷器与地线脱离。

图1 常规脱离器结构Fig.1 The structure of the conventional disconnector

目前常规脱离器存在如下问题：（1）当避雷器长期故障运行时，电阻会因为一直承受高温而被烧坏，致使电阻支路开路，造成脱离器拒动。（2）当雷电流流过避雷器时，若电流过大也会使热爆器动作，从而引起脱离器误动。

2 分频式脱离器设计及仿真

2.1 分频式脱离器原理及结构

为了解决常规脱离器存在的问题，本文基于反时限原理，提出一种采用双球隙结构的分频式脱离器，如图2所示。大球隙与小球隙相比，其间隙距离更宽，半径更大，通流容量更大，击穿电压更高。

图2 分频式脱离器结构Fig.2 The structure of the frequency-dividing disconnector

图2中分频式脱离器利用电感与大球隙并联，实现了泄露电流的同路分频。当雷电流通过避雷器时，由于电流频率较高，一般高于5 000 Hz，会使图2 中电感L的压降UL很高并超过大球隙的击穿电压UG1，从而使大球隙击穿。于是泄露电流经大球隙入地。而电感L支路由于没有电流经过，故脱离器不动作。当避雷器的泄露电流为工频或低频时，由于频率低，此时电感压降UL小，并且小于UG1，故大球隙未击穿。因此泄漏电流经电感L支路入地。此时当工频泄漏电流小于40 mA时，由于电流太小，不足以引爆热爆器，致使脱离器不动作。但当工频泄漏电流大于40 mA而小于0.5 A时，这意味着避雷器的绝缘已经开始受损。由于此时泄漏电流幅值还不算大，故电阻R压降UR会小于小球隙的击穿电压UG2。这样小球隙没有击穿，而泄漏电流流过电阻R，通过电阻发热会引爆热爆器。当工频泄漏电流大于等于0.5 A时意味着避雷器内部绝缘严重受损[10-11]。此时UR会大于UG2，使小球隙击穿放电。小球隙放电的电弧热量会引爆热爆器，使避雷器脱离。如果避雷器绝缘受损越严重，则泄漏电流的幅值就越大。其会使小球隙击穿越快，并且小球隙放电的电弧热量也会越大。这将使热爆器的动作更快。这样就实现了分频式脱离器的反时限动作特性。为了提高脱离器动作的可靠性，考虑到避雷器表面污秽等外部环境也可能导致工频泄漏电流上升[12]，故将热爆器动作的工频泄漏电流门槛值设置为40 mA。又根据现场避雷器绝缘损害的数据统计以及为了与小球隙击穿电压值相配合，分频式脱离器将避雷器的绝缘受损程度按照其工频泄漏电流为0.5 A时进行分级。另外，若脱离器只采用电阻发热动作方式，则当避雷器泄露电流过大时，电阻会因为高温而被烧坏，致使电阻支路开路，造成脱离器拒动[13]。传统的脱离器就有该问题[14]。如果脱离器加上小球隙击穿动作方式，则当避雷器泄露电流过大时，UR会大于UG2，使小球隙击穿放电。这样由于小球隙分流，电阻就不会被烧坏。因此就不会有脱离器因支路开路而发生拒动的问题。分频式脱离器采用这2种动作方式相结合，使得脱离器动作更加可靠。

2.2 分频式脱离器的数值仿真

2.2.1 分频式脱离器的仿真模型

利用电磁暂态仿真程序ATP-EMTP，设计的分频式脱离器的仿真模型如图3所示。

图3 脱离器仿真模型Fig.3 The simulated model of disconnector

在图3模型中，电流源用来模拟故障避雷器的泄漏电流。工频电流采用AC source模块。雷电流采用Heidler type 15模块，波头和幅值可调。大、小球隙均为闪络触发，用压控开关来模拟[15]。雷电流频率范围主要为 6 250～1 000 000 Hz[16]，本文根据最低雷电流频率及电网实际运行情况，设置了雷电流频率的下限值为5 000 Hz。图3中L、R的大小与各个球隙的击穿电压有关。

2.2.2L对各球隙电压的影响分析

当R为10 Ω时，通过仿真得到不同电感L在不同频率下与大球隙电压关系如图4所示。

图4 电感L对大球隙电压的影响Fig.4 Effect of L on the voltage of large sphere gap

由图4可见：当泄漏电流频率在20～200 Hz时，大球隙电压小且电感L对大球隙电压影响不大；当泄漏电流频率在200～5 000 Hz时，电感L对大球隙电压影响较大，但这不会使大球隙击穿；当频率大于5 000 Hz时，同频率下大球隙电压随电感L的增大而增大。当频率高于5 000 Hz时，L呈现高阻抗状态，会使大球隙电压达到其击穿电压UG1，进而发生球隙击穿。这也意味着分频式脱离器可通过大球隙和电感L，使得冲击电流与工频泄漏电流能可靠分流，实现不同频率电流的同路分频机制。另由图3可知小球隙的电压为电阻R的压降，与电流频率无关。

2.2.3R对各球隙电压的影响分析

当L为10 mH时，通过仿真得到不同频率下R与大球隙电压关系如图5所示。

图5 R对大球隙电压的影响Fig.5 Effect of R on the voltage of large sphere gap

由图5可见：当泄漏电流频率在20～200 Hz时，同频率下大球隙电压随R的增大而增大；当频率在200～2000 Hz时，同频率下大球隙电压变化较小；当频率大于5 000 Hz时，同频率下大球隙电压不随R的变化而变化。另外由图3可知小球隙两端电压与R的变化成正比。

2.2.4 各球隙击穿电压的取值

脱离器内部温升主要取决于电阻R的功率和阻值。目前电阻R的制造水平难以同时满足大功率、高阻值且体积较小的要求。在现场试验中发现选择电阻R为小功率，阻值为10 Ω时，其体积、功率以及发热均能满足试验要求。通过对图4和图5的仿真得到，R为10 Ω，L为10 mH，且泄露电流的频率为5 000 Hz时，大球隙的击穿电压UG1为3 240 V。在该电压下，避雷器动作时的冲击泄露电流能使大球隙可靠动作。而小球隙的击穿电压UG2为5 V时，当工频电流大于等于0.5 A时，小球隙亦能可靠击穿。

2.3 分频式脱离器的动作特性仿真

分频式脱离器经过ATP仿真分析，仿真波形如图6及图7所示。图6给出了当避雷器通过2.6/50 μs雷电流时，分频式脱离器的电流、电压响应曲线。由图6a)可知，当雷电流流过避雷器时，大球隙支路电流很大而L支路电流很小，可忽略。由图6b)可知，当不同的雷电流10 kA、8 kA、5 kA、3 kA 流过避雷器时，由于当大半球间隙被击穿，L-R支路近似被短接，故小半球间隙电压接近零。

图6 雷电流下分频式脱离器电流电压波形Fig.6 Voltage and current waveforms of the frequencydividing disconnector by lightning current

图7 工频电流下分频式脱离器波形Fig.7 Voltage and current waveforms of the frequencydividing disconnector in power industry current

图7给出了当避雷器发生绝缘受损且通过工频泄漏电流时，分频式脱离器的电流、电压响应曲线。由图7a)可以看出，当工频泄漏电流流过避雷器时，大球隙的电流仅有微安级。由于大球隙未击穿，故电流都从L支路中通过。由图7b)当避雷器发生绝缘受损时，会有大于40 mA的工频泄漏电流产生。可以看出，泄漏电流越大，小球隙击穿速度越快。因此电弧产生的热量达到热爆器动作热量的时间也越短，故脱离器动作速度也越快。由此说明分频式脱离器具有反时限动作特性。

由图6、图7波形可见，当避雷器流过雷电流时，脱离器大球隙击穿，脱离器不动作。当避雷器流过工频泄漏电流时，脱离器小球隙击穿，脱离器动作。且当泄漏电流越大，脱离器动作越快。分频式脱离器具有反时限动作特性。

3 分频式脱离器动作性能的测试

搭建分频式脱离器动作性能测试平台如图8所示[17-18]。

图8 动作性能测试原理Fig.8 Schematic diagram of action performance test

其中，Cb为倍压回路电容；S为整流硅堆；Re为充电保护电阻；Rm为直流电阻分压器；C为主电容器；L为调波电感；R为调波电阻；Sp为放电球隙；D为脱离器。

该测试平台采用倍压整流充电方式，使用主放电电容及支架如图9所示。四只主电容改为两并两串，所有电容器外壳并联接充电架中压端。

图9 脱离器测试平台Fig.9 Disconnector test platform

试验过程中分别对分频式脱离器进行了冲击电流和工频电流测试[19-20]。在测试中发现，冲击电流通过避雷器时，脱离器均不动作。工频电流通过避雷器时，脱离器可靠动作，其安秒特性曲线如图10所示。

图10 工频电流下反时限安秒特性曲线Fig.10 Inverse time and ampere-second characteristic curve in power frequency current

由图10的波形可知，分频式脱离器具有反时限特性。当故障避雷器流经工频电流时，泄漏电流越大，脱离器动作越快，且当工频电流大于100 A时，脱离器动作时间仅为毫秒级。

4 工程应用

该分频式脱离器已在某抽水蓄能电站的35 kV线路上应用。该电站有一条35 kV线路与相邻县城的35 kV变电站相连，用作备用电。该线路全线为架空线路，共有117级杆塔，线路全长为30 km。该线路所经区域多为强雷电区，经常发生雷击跳闸事故。自2017年该线采用分频式脱离器以来，线路避雷器的故障率大大下降，线路跳闸率也大大下降。现场脱离器的安装如图11和图12所示。表1为2016—2018年该线路的线路接地原因以及线路跳闸次数统计。从表1中可以看出，分频式脱离器使用后，因避雷器绝缘导致的线路接地故障率降低到了0，线路的跳闸次数也从13次降到了5次，在所处的强雷区里，取得了明显的效果。

图11 脱离器安装过程Fig.11 Installation process diagram of disconnector

图12 脱离器安装完成Fig.12 Installation completion diagram of disconnector

表1 线路接地原因统计表Table 1 Test results of frequency divider in power frequency current

表1表明，采用分频式脱离器后，线路不再由于避雷器绝缘受损出现接地情况。这样不仅避免了事故的扩大还避免造成更大范围的损失，从而进一步降低了巡线人员以及检修人员对避雷器维护的工作量，提高了电力系统的运维效率。

5 结论

（1）该脱离器采用电感与大球隙并联，实现了泄漏电流的同路分频机制。当雷电流流过避雷器时，由于当大球隙被击穿，L支路近似被短接，故小球隙电压只有微伏级，脱离器不动作。当工频泄漏电流流过避雷器时，且避雷器工频泄漏电流大于40 mA时，大球隙的电流仅为微安级。由于大球隙未击穿，电流都从L支路中通过，并引起小球隙击穿放电，引爆热爆器，从而实现避雷器迅速脱离。因此分频式脱离器根据流过避雷器电流的大小和频率不同，通过不同支路间隙的动作，可靠保证脱离器不会误动和拒动。

（2）利用电阻并联小球隙，实现了脱离器可靠动作。在泄漏电流频率低于5 000 Hz的区段内，当电流小于0.5 A时，采用电阻发热动作；当电流大于0.5 A时，采用小球隙击穿动作。

（3）分频式脱离器具有反时限特性。当故障避雷器流经工频电流时，泄漏电流越大，脱离器动作越快，且当工频电流大于100 A时，脱离器动作时间仅为毫秒级。

（4）现场运行结果表明了分频式脱离器的有效性和可靠性。