多室避雷器和绝缘体避雷器的架空线防雷外文翻译资料

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多室避雷器和绝缘体避雷器的架空线防雷

Georgij V. Podporkin, Senior Member, IEEE, Evgeniy Yu Enkin, Evgeniy S. Kalakutsky, Vladimir E. Pilshikov, and Alexander D. Sivaev

摘要：报道了结合绝缘子和避雷器特点的多室避雷器和绝缘子的研究与开发。 这些装置在不使用屏蔽线的情况下保护额定在3至35 kV及以上的架空电力线路免受感应过电压和直接雷击。

关键词：绝缘子避雷器，防雷，多重避雷器，架空电力线，电等。

一、引言

多个火花放电间隙对架空线的防雷具有悠久的历史。例如，在1886年开发了齿轮式避雷器（具有多个平行间隙的避雷器），用于保护2 kV电报系统[1]。在[2]等方面，建议在架空电线上安装几个系列间隙。这些解决方案的主要问题是其淬火能力有限。他们被发现在功率跟随电流的高值时效率不高。

一种独特的设备，包括铺设在木杆或十字架表面上的金属垫，也就是所谓的“达尔弗特”[3]，由于木材的气体产生特性，提高了淬火能力，但其应用领域仅限于具有木材的架空线交叉或极点。

Multigap系统成功地与已知的用于保护变电站设备的二氧化碳碳化硅（SiC）避雷器[4]中的串联非线性电阻结合使用;然而，由于这些间隙避雷器不能承受直接的雷击，所以它们不适用于架空线的防雷。

多电缆系统也被用作电磁辐射器（飞机雷达天线的保护壳体）上的分流器[5]。

[6]提出了具有基于爬电放电效应的多电极系统的长期避震器。虽然它们可以用于中压（MV）架空线的雷电保护，但它们相当大的尺寸使其不适合于高压（HV）应用。

近年来，本文的作者已经开发了具有多功能系统（MCS）的主动发展装置，成功地生产了新的10至35kV避雷器以及“多功能绝缘子”（MCIA），它们具有特点和功能，并且具有重要功能和功能.MICI的应用可以确保任何电压额定值：线路电压越高，串联中的单位数越多，因此额定电压越高，并且灭弧容量越高越好。

具有避雷器属性的绝缘子的各种设计是可能的。 MCIA通常是配有MCS的生产玻璃，瓷器或复合绝缘子。MCS的安装将绝缘子的特性赋予绝缘体，绝缘能力不会降低。因此，MCIA在架空线路上的应用使得屏蔽线冗余，而极点或塔架的高度，重量和成本下降。以较低的总体成本和更好的雷击性能，该线具有明显减少的闪电故障数量，减少了能源供应不足造成的损坏，降低了维护成本。铁路货运公司对保护铁路架空接触系统免受直接照明行程（DLS）的承诺十分有限。

二， 多机系统（MCS）

1. MCS原理

包括MCIA在内的多重避雷器（MCA）的基地是图5所示的MCS。它包括大量安装在硅橡胶长度上的电极。在电极之间钻孔并经过长度的孔用作微型气体放电室。当雷击过电压脉冲施加到避雷器时，会破坏电极间的间隙。电极之间的放电发生在非常小体积的室内;所产生的高压力将电极之间的火花放电通道驱动到绝缘体的表面，并因此驱动在避雷器周围的空气中。电流通道的爆发作用和伸长率增加了全通道（即避雷器）的总电阻，这限制了雷电过电压脉冲电流。

1. 实验样品，试验设备和试验程序

手稿于2010年4月5日收到;2010年6月13日修订;2010年7月19日，2010年10月28日发布。当前版本的日期2010年12月27日。 TPWRD-00244-2010。

作者为Streamer Research and Production Company，St. Petersburg 191034，Russia（e-mail：georgij.podporkin@streamer.ru）。

本文中的一个或多个图形的彩色版本可从http://ieeexplore.ieee.org在线获取。

数字对象标识符10.1109 / TPWRD.2010.2076368

测试了大量具有不同形状钢电极的MCA（见图1），包括8mm直径和2mm厚的垫圈;10毫米长和2毫米，3毫米和4毫米直径的钢棒和10毫米直径的球。中间电极隔开0.5至2毫米。腔室开口直径从2毫米到5毫米不等，而腔室的深度为1至5毫米。对于具有球形中间电极的MCA获得最有趣的结果;因此，大部分研究结果进一步报道了该MCA设计。

图1 多室系统（MCS）：（a）显示放电发生时刻的图 （b）放电结束时刻图 （c）围绕50mm直径电缆螺旋缠绕的MCS测试：1）硅橡胶长度，2）电极，3）灭弧室，4）放电通道。

为了确定MCS的后续电流淬火效率，使用包括50Hz振荡器和高压雷击脉冲发生器的测试装置。测试设备的电路图如图1所示

图2 测试设备电路图

为了使测试MCS工作，250 kV输出脉冲发生器通过电阻连接到避雷器。交流电压由振荡频率接近50 Hz的电容电感振荡电路产生。能量首先存储在700-F电容器组中。振荡电路的功率电压通过由脉冲发生器的过压脉冲驱动的避雷器的操作来保证。测试MCS连接到电阻和反应器上的50 Hz振荡器。

电抗器用于在电压恢复频率下的电弧熄灭瞬间将电容器与MCS断开。电阻模拟电阻在线路上的避雷器电路，例如极脚电阻。

测试进行了两个值和10。值0对应于直接雷击到超前线和相对地线电路的情况（参见图12），而10对应于间接雷击（即在安装在不同极点处的避雷器的过电压和闪络以及在不同相位的架空 MV线）（例如10kV）。

电压恢复频率由线圈和电容器设定。 对于电路MCS的60阻抗，设计电压恢复频率设置为50 kHz。在电容分压器，电流分流电阻，连接电缆和数字存储示波器的帮助下测量和记录MCS电流和电压。

测试程序如下：首先，对电容器组和脉冲发生器进行充电; 脉冲发生器的运行导致测试MCS和辅助避雷器的故障。因此，应用雷电过电压脉冲和交流电压同时测试MCS。当闪电过电压脉冲结束时，只有工频电压保持施加到避雷器。

在测试期间记录电压和电流示波器（见图3）。图3（b）还提供了电弧动态电阻的附加计算机示波器模式，通过用示波器电流模式划分电压的数字示波器模式。

研究表明，火花放电淬火可以发生在两种情况：1）当雷击过电压脉冲的瞬时值下降到等于或大于工频电压的瞬时值的水平（即雷击过电压电流随着电网中没有跟随电流（这种类型的放电淬火还被称为脉冲淬火[见图3（a）]，以及2）当50Hz跟随电流跨越零时（这种类型的放电淬灭进一步称为零淬火[参见图3（b）]。

最常见的测试程序如下。首先，将电容器组充电到对应于电网电压峰值的一定水平[见图1]3（a）]。在整个测试中进一步使用上述过程，并且所得到的电压和电流示波器图案用作记录淬火或非淬灭结果的基础。在淬火情况下，将电压升高到下一步（通常为1kV），并继续测试直至非淬火阶段。此外，在非淬火之后，电压降低半步（通常为0.5kV），并重复测试。最高值被认为是电网电压的最终“淬火”峰值。在脉冲淬火的情况下[如图3（a）所示），网格的有效相电压求出。在零淬火的情况下，是为所述第二半周期的波峰电压。

通过测试显示，淬火发生在“冲动”时表现低值但在“零时”表现增长。

图3 功率中的电压，电流和电阻示波器跟踪MCS的电流淬火测试：（a）脉冲淬火

（b）零点淬火应用电压和闪电脉冲，闪电脉冲淬火和功率淬火跟随电流

图4 具有不同电极数量的MCS的示波器图案：1-50; 2-100; 3-200。

C.测试结果

感兴趣的是在脉冲淬火时的事实3（a）和零淬火。如图3（b）所示，如标准杆平面和间隙所示，电压不会被切断为零，并且存在相当大的残余电压。

淬火时，该残余电压是电弧通道中的电压降，而脉冲淬火则是火花放电通道中的电压降。

在零淬火时，该残余电压是电弧通道中的电压降，而脉冲淬火则是火花放电通道中的电压降。

图4示出了针对不同数量的MCA电极获得的示波器图案;图.5显示了放电器上的最小残余电压与施加的电压脉冲的正极性和负极性下的电极数量。

联发电机（100,200和700）的三个电阻值进行了测试。如图所示如图5所示，剩余电压随着MCS室的数量的增加而线性增长，实际上不依赖于;换句话说，不依赖于在0.4至3kA的范围内的脉冲电流，这是引起的过电压的特征。

图6给出了从图6获得的具有40的MCS的电压-电流特性3（b）。该特性被认为是高度非线性的，表现出相当明显的电弧电压降。当电流从1000A变化到2500A时，剩余电压在2.6kV附近保持接近恒定。

从图中可以看出。如图5所示，最小残余电压Ures随室m的数量线性增加。对于100，Ures约为6.5kV; 对于更大数量的m（例如，1000），Ures将为约65kV。这意味着跟随电流的功率将受到足够的限制，电弧淬火变得更加有效。

图7示出了跟随电流淬灭的电网电压的实验值与MCS室的数量。

图的数据 7可以估计不同电压等级的避雷器的必要数量的MCS通道。

MCSs使用4/10 mcs 65和100 kA（最大）电流脉冲进行电动力学稳定性测试。MCS原型经受住五次暴露于65 kA脉冲或两次暴露于100 kA脉冲，这证明MCS可以承受DLS的电动力冲击。

图6 MCS 40的电压 - 电流特性[从图3（b）]

三、 多媒体录像机（MCAS）

A. MCA 10–20 kV

10-20kV MCA（参见图8和图9）的主要部件是MCS，玻璃纤维轴承杆和用于将避雷器固定到绝缘体销的组件。避雷器安装在绝缘体销上，在避雷器的顶端和导体之间的空隙为3至6厘米。雷电过电压首先会分解空气火花间隙，其次是避雷器的MCS，以确保跟随电流的灭绝，如第二节所述。

图8示出了具有20个气体放电室的避雷器，其旨在用于保护10kV架空线（最大12kV）对抗感应过电压。该模型中的一个安装在每个相位交错极上（图10）。在这种情况下，与雷电过压引起的多相相关的交流跟随电流的路径包括塔 - 接地电阻电路。由于极接地电路的额外电阻，跟随电流降低，这提高了避雷器的淬火效率。主要业绩数据见表一。

如图.9是具有40个气体放电室的避雷器（见表I）。可用于10 kV架空线路，用于DLS保护和20 kV（24 kV最大）线路，以抵抗感应过电压。在后一种情况下，上述10kV方案已被证明是实用的，每个相交极上安装有一个避雷器（图11）。

在10-20 kV中压（MV）线路上的直接雷击导致一个或多个极点上的所有三相绝缘子的闪络。为了保证可靠的DLS保护，避雷器应与线路的每个绝缘体（或应防止DLS的线路部分（见图12））并联安装。

2010年3月，约有1800架这种类型的避雷器（图9）安装在卢克石油公司（俄罗斯）的6 kV架空电力线上。

具有3cm导体 - 避雷器气隙的避雷器的测试（图9）已经显示出在零次淬火之后，其50％的火花放电电压几乎保持在约85kV。

图10示出了具有120个放电室的避雷器，其设计用于20kV线路的DLS保护（见表I）。 其工作原理和安装步骤与上述相似（见图12）。

图7 遵循电流淬火电网电压与MCS腔室的数量：1）脉冲淬火（瞬时值）; 2）零淬火0（有效值）; 3）零淬火（有效值）

图8 用于防止感应过电压的10 kV多室避雷器MCA-10-I

图9 多重避雷器用于DLS保护10 kV线路，并对20 kV线路进行过电压保护

图10 用于20 kV DLS保护的多功能避雷器（MCA-20-DLS）

表I ARRESTER性能数据

图11 避免引发过电压的避雷器安排

图12 避雷针安排，以防止直接的雷击

B. MCA-35 kV

该MCA由MCS，其轴承组件和具有确保空气火花间隙的放电杆的复合绝缘体组成（见图13）。轴承部件是一块带有玻璃纤维芯和金属端子的聚乙烯覆盖电缆。 电缆的外径为50 mm。电缆盖由厚的绝缘聚乙烯内层和2毫米外层的光稳定的耐跋降聚乙烯组成。8毫米直径的玻璃纤维塑料棒压入端子。该设计确保了避雷器的高机械强度。MCS围绕轴承部件进行螺旋运动。

例如由DLS（见图13）导致的线路导线上的过电压首先触发复合绝缘子上的放电杆之后的空气火花间隙。闪电过电压电流通过避雷器的接地导体流入塔架，然后流到地面。MCS的良好的放电淬火特性保证过压电流为零或脉冲消光，输电线路保持工作而不发生故障。35 kV MCS的主要性能数据如表1所示。图19显示了Volgogradenergo Utility（俄罗斯）的Kamyshin Grid的商业35kV架空线的照片，其外部装有两个MCS。

图13 切塔上MCA-35 kV示意图：（1）塔，（2）绝缘子，（3）线导体，（4）MCS，（5）轴承部件，（6）复合绝缘子，（7） （8）避雷器接地导体

四、多功能绝缘子绝缘子（MCIA）

图14具有基于广泛用于3 kV直流铁路架空接触系统的瓷棒绝缘子的MCIA照片。MCS安装在绝缘子棚的四分之三的圆周上。MCS的左右端分别由安装在上端和下端的上，下馈电电极接近; 馈电电极和MCS末端之间有火花气隙。

当MCIA受到过压的压力时，首先会引发气隙，然后进入MCS。闪电过电压电流通过下部火花隙的火花通道从下端子及其馈电电极流过MCS，并通过上部火花间隙和上部馈电电极的放电通道流向上部端子。注意，在MCS轴承硅橡胶棚上的上

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