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脱离器的结构原理及优缺点

对现用脱离器的结构原理及优缺点进行了分析比较。根据我国电网的特点及避雷器故障损坏的机理,提出了脱离器应满足的技术性能要求。设计了一种具有新型结构原理的热爆式脱离器,并对其应用作了说明。该种脱离器结构原理合理,运行可靠性高,技术性能完善,可推广使用。
脱离器作为避雷器的配套产品,与避雷器串联使用,当避雷器故障损坏时能动作脱离,将故障损坏的避雷器及时与系统隔离并给出清晰标示,从而确保系统的正常运行,并方便故障点的查找及避雷器的检修更换。
在国外,欧美、日本及东南亚等国家和地区电网中运行的配电型、电站型及线路型避雷器均已普遍配套使用脱离器,而在国内,目前仅有少数地区使用,且多用于配电型避雷器。造成这一现象的原因无非两个方面:一方面现用脱离器的性能和作用还不为用户认可和熟悉,另一方面现用脱离器在结构原理的合理性、运行的可靠性、与我国电网特点的适用性及与避雷器故障损坏机理的匹配性等诸多方面均存在不足和缺陷,不能满足使用的要求。
为使脱离器结构原理合理,运行可靠,与我国电网的特点相适用及与避雷器的故障损坏机理相匹配,从而使脱离器的推广应用成为可能并扩大其应用范围,设计并应用一种具有新型结构原理的脱离器与避雷器配套使用是十分必要的。
1、结构原理及特点
脱离器有热爆式和热熔式两种,其中国际上最通用的为热爆式脱离器。
1.1 热爆式脱离器
自从1984年GE公司的碳化硅阀式避雷器所用脱离器被引进我国后,已从一体式发展成附件式,但其结构原理并无改进。
其结构原理是:放电间隙上并联一个电容器,热爆管被放置在放电间隙的下电极内。当避雷器正常工作时,雷电及操作冲击电流在电容器上的压降尚不足以使放电间隙击穿放电,脱离器不动作;而当避雷器故障损坏时,工频故障电流在电容器上的压降则使放电间隙击穿放电且电弧持续加热热爆管,当热爆管升温至约400 ℃时脱离器动作。
碳化硅阀式避雷器由于碳化硅阀片的非线性不足而必须带有串联间隙,且避雷器动作后工频续流值大,其故障损坏即意味着避雷器的完全失效,所以碳化硅阀式避雷器的故障损坏具有突变特性。而金属氧化物避雷器由于金属氧化物电阻片具有优良的非线性,避雷器动作后工频续流值极小,其故障损坏主要表现为两个方面:避雷器因金属氧化物电阻片逐渐老化而至崩溃,及避雷器因密封不良使内绝缘下降而导致内绝缘闪络,可见金属氧化物避雷器的故障损坏具有渐变和突变两方面的特性。
因而,该种结构原理的热爆式脱离器与碳化硅阀式避雷器的故障损坏机理及金属氧化物避雷器的故障损坏机理中的突变特性相匹配,但与金属氧化物避雷器故障损坏机理中的渐变特性不相匹配,且与我国电网的特点不相适用。
我国35 kV及以下电力系统多为中性点非有效接地系统,这与国外多为中性点有效接地系统不同。中性点非有效接地系统单相接地故障电容电流一般不超过20 A,多数为10 A以下,小容量系统甚至在2 A以下,而中性点有效接地系统接地故障电流则一般可达100~1000A[1]。国家标准[2,3]、国际标准[4]及美国标准[5]规定的安秒特性曲线均从20A开始,显然这仅适用于中性点有效接地系统。该种结构原理的热爆式脱离器因不能确保在小工频故障电流下动作,所以不适用于中性点非有效接地系统。
1.2 热熔式脱离器
热熔式脱离器的结构原理是:用焊锡将动作杆焊接于金属氧化物电阻片上,并与预紧弹簧相配合组成动作机构,利用电阻片作发热源。当避雷器正常工作时,雷电及操作冲击电流尚不足以使电阻片吸收的能量熔化焊点,所以脱离器不动作;而当避雷器故障损坏时,工频故障电流持续加热电阻片,当电阻片升温至约200 ℃时焊点熔化则脱离器动作。
该种结构原理的热熔式脱离器利用金属氧化物电阻片作发热源,可实现小工频故障电流下的成功动作,因而与中性点非有效接地系统的特点相适用,与金属氧化物避雷器故障损坏机理中的渐变特性相匹配;但在大的工频故障电流下,因电阻片发热至熔化焊点所需温度需要一定时间,不能实现迅速动作的要求,所以与中性点有效接地系统的特点不相适用,与金属氧化物避雷器故障损坏机理中的突变特性不相匹配。
1.3 新型热爆式脱离器
热爆式脱离器具有一旦动作则可以快速分断、灭弧效果好及运行可靠性高的优点,若能在结构原理的设计中加入小工频故障电流下的动作功能,则可使脱离器的技术性能得以完善。
新型热爆式脱离器采用导电硅橡胶制成的电阻器并联于放电间隙上,既是避雷器的泄漏电流通道,又是脱离器小工频故障电流下动作的发热源,从而可使得脱离器结构原理合理,运行可靠,与我国电网的特点相适用及与避雷器的故障损坏机理相匹配。 
2、技术性能要求
脱离器与避雷器串联使用,其技术性能应满足:
a) 正常使用条件应与串联使用的避雷器相同;
b) 应具有与避雷器相同的耐受特性;
c) 应具有良好的动作安秒特性,适用我国电网的特点及与避雷器的故障损坏机理相匹配;
d) 应有适当的机械强度。
3、设计与计算
3.1 结构设计
新型热爆式脱离器采用导电硅橡胶制成的电阻器并联于放电间隙上。为使脱离器体积小型化,电阻器制成环状,放电间隙的上、下电极分别置于电阻器的上、下端面,并将电阻器压缩30%~40%,以求紧密地电气接触及起密封作用,并在环状电阻器的轴线处构成放电间隙。热爆管被放置在放电间隙的下电极内,并与下电极底面紧密接触以利于热传递。
该结构设计实现了体积小型化,可方便地制成一体式和附件式产品。
3.2 电气计算
3.2.1 放电间隙距离值
放电间隙的距离值与放电间隙击穿后的电弧能量成正比,对脱离器的耐受特性而言,放电间隙的距离值要小些好,而对脱离器的动作特性而言,则希望放电间隙的距离值大些好。放电间隙的距离值一般取0.5~3 mm,在确定放电间隙的距离值后,可通过结构设计来调控下电极与热爆管间的热传递量,从而实现脱离器耐受特性与动作特性间的统一。
3.2.2 动作起始电流值
脱离器的动作起始电流值的确定应考虑以下几个因素:
a) 金属氧化物避雷器在持续运行电压作用下,若流过其电阻片柱的工频电流达数毫安时,电阻片开始升温,表现出老化迹象,达数十毫安时,就开始了其不可逆转的老化,达到数百毫安时,其老化速度明显加快,而当达到数安培时,则迅速崩溃;
b) 金属氧化物避雷器在系统暂态工频过电压作用下,等值附盐密度为0.03 g/mm2(Ⅲ级污秽)时,其外套表面的泄漏电流值可高达数百毫安;
c) 小容量中性点非有效接地系统单相对地故障电容电流小,可在2A以下。
综合上述几个因素,脱离器的动作起始电流值取0.5 A是适宜的。
3.2.3 电阻器阻值
试验表明,电阻器300W的发热量为脱离器可靠动作的最低发热量要求。按P=I2R计算可得,为使脱离器能在0.5 A工频故障电流下可靠动作,电阻器的阻值应为1.2 kΩ。当放电间隙的距离值取1mm(其工频击穿电压约2.4 kV)时,按I=U/R计算可得,使放电间隙击穿放电的工频故障电流为2A。如此,2A以下的工频故障电流全部流经电阻器,仅由电阻器作为发热源来加热热爆管,实现脱离器在小工频故障电流下的可靠动作;而超过2A的工频故障电流在电阻器上的压降则使放电间隙击穿放电,由间隙电弧作为主要发热源使热爆管快速升温,从而使脱离器能在大工频故障电流下迅速动作。
电阻器的阻值与电阻器的结构尺寸及所用导电硅橡胶的体积电阻率有关,在结构尺寸设计确定后,可通过调整导电硅橡胶的配方工艺来获得所需的体积电阻率,从而得到所需的阻值。
4、应用
脱离器与避雷器串联使用可确保系统的安全运行,实现避雷器的免维护。新型热爆式脱离器因具有完善的技术性能,而使其推广应用成为可能。
TLB-1型脱离器适配于10kV及以下电压等级避雷器及额定电压36kV及以下的出口避雷器使用;TLB-2型脱离器适配于35kV,110kV,220kV电压等级电站型和线路型避雷器使用。
脱离器的安装应使得脱离器能自由动作并形成足够的空气间隙,以使故障损坏的避雷器与系统能可靠隔离,从而确保不影响系统的正常运行。
(a) 用于10kV及以下电压等级避雷器、额定电压36kV及以下出口避雷器;(b) 用于35kV,110kV,220kV电压等级电站型避雷器;(c) 用于35kV,110kV,220kV电压等级线路型避雷器
脱离器的应用可避免因避雷器故障损坏而造成的系统事故,实现避雷器的免维护,是确保系统安全运行的必要设备;所设计的新型热爆式脱离器结构原理合理,运行可靠性高,与我国电网的特点相适用及与避雷器故障损坏的机理相匹配,技术性能完善,可推广使用;不同电压等级及应用于不同场合的避雷器应选用相适配的脱离器使用,并应采用适宜的安装方式。

文章来源:http://insurede.com/1650.html
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