本發(fā)明涉及一種避雷器，具體講涉及一種開關(guān)控制型的金屬氧化物避雷器。

背景技術(shù)：

從超高壓(330kv～750kv)輸電系統(tǒng)開始，操作過電壓對輸變電設(shè)備的絕緣水平已經(jīng)起著控制作用，隨著系統(tǒng)電壓等級的升高，影響越來越大，須將操作過電壓倍數(shù)限制的越來越低。在超、特高壓輸電系統(tǒng)中，空氣間隙的操作沖擊放電電壓呈現(xiàn)飽和特性，操作過電壓水平對輸變電設(shè)備的造價和制造難度影響更大，因此，深度降低操作過電壓倍數(shù)、合理選取設(shè)備絕緣水平是十分必要的。

避雷器是電力系統(tǒng)過電壓保護的主要裝置。避雷器電阻片從早期以碳化硅(sic)為主要原料發(fā)展到現(xiàn)今以氧化鋅(zno)為主要原料，避雷器的性能在幾十年間得到了極大的提高，應(yīng)用范圍越來越廣。

特高壓常規(guī)金屬氧化物避雷器由避雷器本體和安裝在避雷器本體頂部的均壓環(huán)組成。其工作原理是利用金屬氧化物電阻片高電壓下呈現(xiàn)低阻值的特性，通過避雷器本體來釋放過電壓能量，將系統(tǒng)過電壓水平限制到較低數(shù)值。

近年來，研究人員通過改進金屬氧化物電阻片的配方和生產(chǎn)工藝，研制出了性能更優(yōu)越的高性能金屬氧化物電阻片，其中日本東芝公司研制的電阻片性能處于世界領(lǐng)先水平，主要指標(biāo)為：能量吸收能力為300j/cm³，標(biāo)稱電流下壓比1.55，允許荷電率92％，電位梯度200～600v/mm。在特高壓系統(tǒng)中，僅靠采用高性能電阻片的避雷器，仍無法將操作過電壓水平限制到規(guī)定的數(shù)值。

對于特高壓交流輸電系統(tǒng)，目前主要是應(yīng)用金屬氧化物避雷器、斷路器加裝合閘電阻兩種措施：

(1)金屬氧化物避雷器和斷路器加裝合閘電阻兩種措施聯(lián)合使用。兩者共同作用可將系統(tǒng)的最大相對地2％統(tǒng)計操作過電壓限制在1.6p.u.～1.7p.u.。但是，由于合閘電阻在運行可靠性和經(jīng)濟性方面仍存在較大不足，斷路器加裝合閘電阻后機構(gòu)復(fù)雜，大大增加斷路器的運行風(fēng)險，同時斷路器加裝合閘電阻后成本增加較多，電力系統(tǒng)運行部門和制造廠商均傾向于在系統(tǒng)條件允許情況下斷路器不采用合閘電阻。

(2)當(dāng)兩個特高壓變電站之間的線路較短時，將避雷器額定電壓降低，也可以將系統(tǒng)操 作過電壓限制在1.6p.u.～1.7p.u.。例如，某特高壓線路段僅為60km，如果不采用斷路器加裝合閘電阻，僅采用金屬氧化物避雷器將操作過電壓限至標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，須將金屬氧化物避雷器的額定電壓從目前的828kv降至804kv(額定電壓降低了3％)，避雷器的荷電率將從目前的0.77升高至0.79。但再長一點的線路，即使將避雷器額定電壓降至804kv也無法滿足要求。例如某特高壓線路長度為85.5km，采用804kv的避雷器僅能將沿線過電壓降至1.74p.u.，仍然無法滿足要求，必須將避雷器的額定電壓降至更低，甚至需降至762kv(額定電壓降低了8％)才能滿足要求。此時避雷器的長期運行荷電率將從目前的0.77升高至0.83，從而使避雷器電阻片在正常運行下的老化速度加快，可靠性裕度大大降低。而且使用762kv避雷器的前提條件還必須是將系統(tǒng)工頻過電壓限制在母線側(cè)1.2p.u.、線路側(cè)1.3p.u.，使用條件極其受限。

在改進避雷器電阻片性能研究的同時，研究人員也試圖在避雷器的結(jié)構(gòu)上尋找新突破，以提高避雷器的保護性能。80年代開始，國內(nèi)、外的研究人員曾對金屬氧化物避雷器串、并聯(lián)放電間隙的情況進行過探討和研究，但限于間隙放電電壓的分散性很難解決，避雷器工作可靠性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種開關(guān)控制型金屬氧化物避雷器，通過將一種的金屬氧化物避雷器同間隙觸發(fā)控制技術(shù)相結(jié)合，得出一種用于特高壓輸電系統(tǒng)的控制型金屬氧化物避雷器，這種技術(shù)方案在維持現(xiàn)有避雷器用金屬氧化物電阻片性能參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，可降低避雷器殘壓，提高避雷器的保護水平和抗震性能。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種開關(guān)控制型金屬氧化物避雷器，所述避雷器的高壓端通過輸電導(dǎo)線與斷路器相連，其低壓端接地；所述斷路器在控制系統(tǒng)的控制下進行分合閘操作；所述避雷器包括豎直方向依次串接的單元節(jié)，所述單元節(jié)包括外部的絕緣套管和安裝在所述絕緣套管內(nèi)的金屬氧化物電阻片；其改進之處在于：所述避雷器的底部單元節(jié)兩端并聯(lián)有控制單元，所述控制單元包括快速開關(guān)和連接所述快速開關(guān)的控制器；所述控制系統(tǒng)在向所述斷路器發(fā)送合閘或分閘命令前，先向所述控制器發(fā)送控制信號，使所述控制器觸發(fā)所述快速開關(guān)合閘，所述快速開關(guān)合閘后，所述底部單元節(jié)被短接。

優(yōu)選的，所述斷路器的一端與變壓器的輸出端相連，其另一端與用電設(shè)備相連，其控制端與控制系統(tǒng)相連，所述避雷器的高壓端連接在所述斷路器與用電設(shè)備之間的輸電導(dǎo)線上，所述變壓器的輸入端與供電電源相連；所述變壓器對供電電源輸出的電壓進行變壓后通過所 述斷路器供應(yīng)給用電設(shè)備；所述避雷器用于進行所述斷路器在合閘和分閘過程中的過電壓保護。

優(yōu)選的，所述外部絕緣套包括瓷柱和瓷柱兩端的法蘭盤；所述避雷器的整體呈底部單元節(jié)的瓷柱橫截面直徑最大，頂部單元節(jié)的瓷柱橫截面直徑最小的塔形結(jié)構(gòu)，在等荷載條件下每個單元節(jié)底部產(chǎn)生的應(yīng)力一致。

進一步，所述瓷柱的內(nèi)部中間具有圓柱形空心部分，用于容納金屬氧化物電阻片，且在其內(nèi)部充有絕緣氣體；所述絕緣氣體為氮、二氧化碳或干燥空氣中的任意一種。

進一步，所述瓷柱的外部具有間隔排列的大傘和小傘；大傘伸出的水平距離為75mm，小傘伸出的水平距離為60mm，距離最近的兩個大傘最低點之間的距離為75mm。

進一步，所述法蘭盤的內(nèi)側(cè)開有與法蘭盤同中心的瓷柱安裝孔，所述瓷柱安裝孔的孔壁上涂覆有瀝青層，所述瓷柱的兩端分別通過水泥膠合劑膠合在瓷柱安裝孔內(nèi)；所述瓷柱兩端的膠合部位也涂覆有瀝青層；所述瓷柱安裝孔的孔壁上設(shè)有多個與所述瓷柱安裝孔同中心的環(huán)狀凸起。

進一步，所述瓷柱頂部水泥膠合劑在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱外部直徑比值等于或大于0.40；所述瓷柱底部水泥膠合劑在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱外部直徑的比值等于或大于0.45。

優(yōu)選的，所述金屬氧化物電阻片的底部與單元節(jié)的底部法蘭盤采用直接壓接方式固定，其頂部與單元節(jié)的頂部法蘭盤之間設(shè)置有處于壓縮狀態(tài)的按壓彈簧。

進一步，所述底部法蘭盤與所述頂部法蘭盤上對應(yīng)設(shè)有豎直方向貫穿所述法蘭盤的固定孔；所述金屬氧化物電阻片周圍設(shè)置有豎直方向的兩端分別貫穿所述底部法蘭盤的固定孔和所述頂部法蘭盤的固定孔的支撐桿；所述支撐桿通過螺釘和密封墊固定在所述固定孔內(nèi)。

進一步，所述避雷器的整體高度小于11.6m。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著進步：

1)本發(fā)明提供的技術(shù)方案將特高壓避雷器與快速開關(guān)技術(shù)、測量控制技術(shù)結(jié)合起來，可深度降低特高壓輸電系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器的殘壓，提高避雷器的保護水平和運行可靠性，是一種高性能的過電壓保護裝置。

2)本發(fā)明提供的開關(guān)控制型金屬氧化物避雷器適用于特高壓輸電系統(tǒng)的過電壓保護，其優(yōu)異的保護性能允許系統(tǒng)降低電力設(shè)備和輸電線路絕緣水平，減少輸電成本；對于特高壓輸電系統(tǒng)，在維持現(xiàn)有電力設(shè)備和輸電線路絕緣水平不變的前提下，允許取消斷路器的分、合閘電阻，提高了斷路器的運行可靠性，減低了輸電系統(tǒng)的成本，經(jīng)濟效益十分顯著。

3)金屬氧化物避雷器的整體呈塔形結(jié)構(gòu)，其底部單元節(jié)橫截面直徑最大，頂部單元節(jié)橫截面直徑最小，在等荷載條件下每個單元節(jié)底部產(chǎn)生的應(yīng)力一致；與現(xiàn)有避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，避雷器破壞負(fù)荷可達(dá)65kn以上，大大提高了避雷器的抗震能力。

4)金屬氧化物避雷器的迎風(fēng)面積小，產(chǎn)生的風(fēng)荷載小。采用塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效降低了頂部單元節(jié)的迎風(fēng)面積，從而大幅降低風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎曲負(fù)荷，抗彎強度可提高30％以上。

5)瓷柱與法蘭盤的粘接部位采用瀝青層，該瀝青層具有被擠壓緩沖的作用，在制作過程中，頂部法蘭盤、底部法蘭盤和瓷柱會出現(xiàn)不同的收縮率，瀝青層可承受這種擠壓，從而避免在制作過程中的擠壓破損現(xiàn)象，瓷柱與法蘭盤采用水泥膠合劑膠合，提高了瓷柱與法蘭盤的機械連接強度。

6)瓷柱安裝孔的孔壁上設(shè)有多個與瓷柱安裝孔同中心的環(huán)狀凸起，可避免長期使用后，頂部法蘭盤和底部法蘭盤出現(xiàn)松動現(xiàn)象，提高了法蘭盤與瓷柱的機械連接強度。

7)瓷柱頂部水泥膠合劑在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱外部直徑的比值不小于0.40；瓷柱底部水泥膠合劑在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱外部直徑的比值不小于0.45；通過提高膠合劑在豎直方向上的高度，有利于充分發(fā)揮每個單元節(jié)瓷柱的應(yīng)力，提高避雷器的整體抗震性能。

8)避雷器的整體高度小于11.6m，通過降低避雷器的整體高度，可提高避雷器的抗震性能和抗彎性能，但是由于避雷器整體高度受到外部絕緣套爬電距離的限制，因此外部絕緣套的瓷柱外部具有間隔排列的大傘和小傘；大傘伸出的水平距離為75mm，小傘伸出的水平距離為60mm，距離最近的兩個大傘最低點之間的距離為75mm；通過優(yōu)化設(shè)計傘群，可降低避雷器高度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的開關(guān)控制型金屬氧化物避雷器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中避雷器的瓷柱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中傘群的放大圖；

圖4為法蘭盤與瓷柱的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為瓷柱內(nèi)部金屬氧化物電阻片的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中1-快速開關(guān)；2-控制器；3-瓷柱；4-法蘭盤；5-均壓環(huán)；6-大傘；7-小傘；8-螺孔；9-環(huán)狀凸起；10-水泥膠合劑；11-金屬氧化物電阻片；12-支撐桿；13-按壓彈簧。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細(xì)說明。

為了徹底了解本發(fā)明實施例，將在下列的描述中提出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。顯然，本發(fā)明實施例的施行并不限定于本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。

本發(fā)明提供的開關(guān)控制型金屬氧化物避雷器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。斷路器的一端與變壓器的輸出端相連，其另一端與用電設(shè)備相連，其控制端與控制系統(tǒng)相連，避雷器的高壓端連接在所述斷路器與用電設(shè)備之間的輸電導(dǎo)線上，其低壓端接地；所述變壓器的輸入端與供電電源相連；所述變壓器對供電電源輸出的電壓進行變壓后通過所述斷路器供應(yīng)給用電設(shè)備；所述避雷器用于進行所述斷路器在合閘和分閘過程中的過電壓保護。

所述斷路器在控制系統(tǒng)的控制下進行分合閘操作；所述避雷器包括豎直方向依次串接的單元節(jié)，所述單元節(jié)包括外部的絕緣套管和安裝在所述絕緣套管內(nèi)的金屬氧化物電阻片；所述避雷器的頂部單元節(jié)上安裝有均壓環(huán)，用于均勻電場分布，其底部單元節(jié)兩端并聯(lián)有控制單元，所述控制單元包括快速開關(guān)1和連接所述快速開關(guān)1的控制器2；在斷路器未進行合閘或分閘操作時，由避雷器的所有單元節(jié)共同承受系統(tǒng)電壓或過電壓。當(dāng)斷路器準(zhǔn)備進行合閘或分閘操作時，控制系統(tǒng)在向斷路器發(fā)合閘或分閘命令前，先給控制器2發(fā)送控制信號，使控制器2給快速開關(guān)1發(fā)送合閘命令，將底部單元節(jié)短接，由避雷器的其他單元節(jié)承擔(dān)系統(tǒng)過電壓，避雷器的殘壓值變?yōu)槠渌麊卧?jié)的殘壓，較常規(guī)整個避雷器的殘壓值大大降低，從而提高了避雷器的過電壓保護水平。待一定時延后(100ms)，系統(tǒng)不再承受操作過電壓時，控制器2給快速開關(guān)1發(fā)送分閘命令，開關(guān)斷開，控制過程結(jié)束。

為了提高避雷器的抗震性能和抗彎性能，本發(fā)明提供的避雷器采用等應(yīng)力設(shè)計原則，對每個串聯(lián)的單元節(jié)的瓷柱3分別進行設(shè)計：底部單元節(jié)的瓷柱3橫截面直徑設(shè)計最大，頂部單元節(jié)的瓷柱3橫截面直徑設(shè)計最小，以使避雷器的整體呈塔形結(jié)構(gòu)，在等荷載條件下每個單元節(jié)底部產(chǎn)生的應(yīng)力一致。

塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計是等應(yīng)力設(shè)計原則的必然選擇。避雷器頂部質(zhì)量在地震時將在其下部產(chǎn)生應(yīng)力，且一般上部質(zhì)量越大，在下部產(chǎn)生的地震應(yīng)力也就越大。另一方面，運行中避雷器的彎曲負(fù)荷主要來自于風(fēng)荷載，且上部元件上作用的風(fēng)壓力也會作用到。塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計是指上部單元節(jié)的瓷柱3在滿足內(nèi)部空間的條件下盡可能減小瓷柱3直徑和壁厚，從而降低頂部質(zhì)量。下部單元節(jié)的瓷柱3在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)允許范圍內(nèi)，盡可能選取較大的瓷柱3直徑 和壁厚。

如圖2-5所示，所述外部絕緣套包括瓷柱3和瓷柱3兩端的法蘭盤4；所述瓷柱3的內(nèi)部中間具有圓柱形空心部分，用于容納金屬氧化物電阻片11，且在其內(nèi)部收容有絕緣氣體；所述絕緣氣體為氮、二氧化碳或干燥空氣中的任意一種。所述瓷柱3的外部具有間隔排列的大傘6和小傘7；每個大傘6的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全一致，每個小傘7的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全一致。

降低避雷器的整體高度有利于提高其抗震性能，也有利于提高避雷器的整體彎曲性能，但避雷器整體高度受外套爬電距離的限制。本實施例通過優(yōu)化瓷柱3外部的傘群，將避雷器整體瓷件高度控制在11.6m以內(nèi)。具體優(yōu)化后的傘形結(jié)構(gòu)如圖3所示：大傘6伸出的水平距離為75mm，小傘7伸出的水平距離為60mm，距離最近的兩個大傘6最低點之間的距離為75mm；上方大傘6與下方小傘7最低點之間的豎直間距為34mm；上方小傘7與下方大傘6最低點之間的豎直間距為41mm。

所述瓷柱3用高鋁質(zhì)材料制作；所述法蘭盤4用鑄鋁合金制成；

如圖4所示，所述法蘭盤4的內(nèi)側(cè)開有與所述法蘭盤4同中心的瓷柱安裝孔，所述瓷柱安裝孔的孔壁上涂覆有瀝青層，所述瓷柱3的兩端分別通過水泥膠合劑10膠合在瓷柱安裝孔內(nèi)；所述瓷柱3兩端的膠合部位也涂覆有瀝青層。瀝青層具有被擠壓緩沖作用，在制作過程中，頂部法蘭盤4、底部法蘭盤4和瓷柱3會出現(xiàn)不同的收縮率，瀝青層可以承受這種擠壓，從而避免在制作過程中的擠壓破損現(xiàn)象，而且采用水泥膠合劑10，可增加法蘭盤4與瓷柱3的機械連接強度。

所述瓷柱安裝孔的孔壁上設(shè)有多個與所述瓷柱安裝孔同中心的環(huán)狀凸起9，能夠避免長期使用后，頂部法蘭盤4和底部法蘭盤4出現(xiàn)的上下松動現(xiàn)象。

水泥膠合劑10高度越大，越有利于充分發(fā)揮單元節(jié)瓷柱3的應(yīng)力。本實施例中，所述瓷柱3頂部水泥膠合劑10在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱3外部直徑的比值不小于0.40；所述瓷柱3底部水泥膠合劑10在豎直方向上的高度與對應(yīng)瓷柱3外部直徑的比值不小于0.45。

所述頂部法蘭盤4和所述底部法蘭盤4的四角處還分別設(shè)置有螺孔8，用于上下兩個單元節(jié)之間的連接固定。

瓷柱3內(nèi)部金屬氧化物電阻片11為在豎直方向依次堆疊圓柱狀電阻片，結(jié)構(gòu)如圖5所示，金屬氧化物電阻片11的底部與單元節(jié)的底部法蘭盤4采用直接壓接方式固定，其頂部與單元節(jié)的頂部法蘭盤4之間設(shè)置有處于壓縮狀態(tài)的按壓彈簧13。通過按壓彈簧13使得上下電阻片之間相互緊壓，形成一個固有穩(wěn)定的芯體。

為了進一步加強瓷柱3內(nèi)部金屬氧化物電阻片11的穩(wěn)定性，在所述底部法蘭盤4與所述 頂部法蘭盤4上對應(yīng)設(shè)有豎直方向貫穿所述法蘭盤4的固定孔；所述金屬氧化物電阻片11周圍設(shè)置有豎直方向的兩端分別貫穿所述底部法蘭盤4的固定孔和所述頂部法蘭盤4的固定孔的支撐桿12；所述支撐桿12通過螺釘和密封墊固定在所述固定孔內(nèi)。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。