關于10 kV可拆卸式氧化鋅避雷器的研究

［摘 要］傳統的避雷器檢修更換作業需停電施工，給用戶帶來較長時間的供電中斷。為提高供電連續性和可靠性，降低檢修對線路運行的影響，文章提出一種10 kV 可拆卸式氧化鋅避雷器的創新設計方案。該設計在避雷器底座引入可拆卸結構，并集成熱失磁式脫離裝置。當避雷器發生故障時，熱失磁式裝置被觸發使底座脫離，避雷器在壓簧作用下自動跌落，從而實現快速隔離。該設計經過實際應用和數據分析，顯示出無需長時間停電、檢修效率高、安全性能良好等優勢，能夠有效縮短檢修時間，提高供電可靠性，改善用戶用電體驗。

［關鍵詞］低壓配電；金屬氧化物避雷器；可拆卸式底座；電力系統維護；供電可靠性

［中圖分類號］TM75 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0050–03

目前，氧化鋅避雷器因其優良的非線性伏安特性而被大規模應用于電力系統中。氧化鋅避雷器的伏安特性如圖1 所示，在正常工作電壓范圍內，該避雷器表現出高阻抗特性，通過電流極小；一旦遭受過電壓沖擊，其電阻迅速降低數個數量級，達到低阻抗狀態，泄放過電壓能量，實現對線路和電氣設備的保護；過電壓消失后，其恢復至高阻態。與傳統避雷器相比，氧化鋅避雷器可完全利用氧化鋅的非線性特性實現泄流和保護的功能，不需要放電間隙。

然而，氧化鋅避雷器也存在缺陷，由于長期受到雷擊、暫態過電壓等多種應力的影響，其內部會發生不同程度的老化，性能逐漸降低，最終導致失效。一旦失效，其將無法正常工作。

1 傳統避雷器更換作業存在的問題

傳統避雷器檢修作業中，由于損壞的避雷器外觀通常無明顯異常，維修人員需停電并使用專業設備試驗檢測，才可判斷具體哪只發生了損壞，這一過程耗時耗力，效率低下。傳統避雷器更換作業模式存在以下幾方面問題。

1.1 影響供電連續性

由于避雷器直接與高壓線路相連，更換作業需要停電操作，給用戶帶來一定時間的供電中斷，影響供電的連續性和可靠性。根據某供電公司統計數據，其2022 年因避雷器損壞導致的停電事故高達85 起，平均每起停電時長2 h。這直接影響了用戶對持續供電的體驗，加重了供電企業的運維壓力。

1.2 檢修效率低下

現有避雷器采用單只直接安裝方式，檢修更換時需要拆卸多個部件，操作復雜、工序繁瑣、效率低下。此外，損壞的避雷器的外觀通常無明顯異常，給準確定位損壞設備位置帶來一定困難，降低了檢修效率。

1.3 存在潛在安全隱患

傳統避雷器檢修作業需要人工攀爬高空作業，面臨一定的安全風險。同時，由于需要停電操作，檢修過程中一旦違規作業，可能導致設備損壞或人身傷害。

2 可拆卸式氧化鋅避雷器設計方案

針對上述問題，提出一種10 kV 可拆卸式氧化鋅避雷器的創新設計方案，以簡化檢修流程，提高檢修效率，降低安全風險，最終實現無停電或短時停電的檢修作業。

可拆卸式氧化鋅避雷器結構示意如圖2 所示。

該設計的核心是將氧化鋅避雷器底座設計為可拆卸式結構，并集成熱爆式脫離裝置。支架的上部通過雙絲連接支撐絕緣子，支撐絕緣子的上端再通過雙絲連接到橫擔，避雷器上部通過絕緣子和橫擔固定，底座通過定位卡槽與支架卡接。底座另一端連接有脫離器，橫擔前端下表面連接有壓簧，壓簧下端與脫離器接觸，脫離器的上部設有與橫擔連接的拉環。

可拆卸式氧化鋅避雷器工作原理：在正常情況下，避雷器通過支架和底座牢固安裝在線路上。一旦設備損壞，當通過電流超過工頻短路電流時，脫離器被觸發動作，使得底座一端與支架脫離。同時，壓簧對避雷器施加向下的彈力，避雷器在雙重作用下自動跌落，迅速與線路隔離，從而起到分離損壞避雷器的作用。

該設計具有以下優點：①便于查找損壞設備。損壞的避雷器呈現明顯的脫離狀態，運檢人員只需根據這一明顯的標志便可發現需更換的避雷器，無需進行逐一檢查的繁瑣操作，大幅降低了運檢人員的排查時間。②無需長時間停電。由于避雷器發生故障后能自動脫離，因此檢修作業無需停電，僅需借助絕緣拉環操作桿就能方便地對避雷器進行檢測、維修與更換，在隔離后將新避雷器重新安裝即可，大幅縮短了檢修時間，提高了供電連續性和可靠性。③檢修效率高。可拆卸底座設計簡化了檢修流程，無需拆卸多個部件，即插即用。④安全性能良好。避雷器損壞時能自動脫離線路，無需人工高空作業，避免了攀登帶來的安全隱患。同時，由于無需停電操作，也減小了檢修過程中操作失誤導致的安全風險。⑤適用性廣泛。該設計方案保留了現有避雷器主體結構，只對底座和支架部分進行改造，不僅可應用于新建線路，也可在現有線路上對已安裝的避雷器進行改造和替換，適用范圍廣。

3 實施方案

3.1 可拆卸結構

傳統的鴨舌接頭結構雖簡單可靠，但只能實現帶電投切操作，無法實現自主脫離。為解決這一問題，本設計采用了創新的脫鎖扣機構。脫鎖扣由底座上的半圓形凹槽和支架上的半圓形凸起組成，兩者配合間隙1 mm，保證了可靠卡接和靈活脫離。凹槽內徑60 mm，凸起外徑58 mm，采用45°圓錐過渡面實現平滑過渡。該機構設計使得氧化鋅避雷器不僅能夠牢固安裝，故障時還能自主脫離主線路，切斷故障電流。

3.2 金屬材料選擇

金屬部件耐腐蝕性對于戶外長期使用至關重要。鋁合金雖重量輕、成本低，但抗腐蝕性能差，在潮濕環境中易生銹蝕。不銹鋼316L 含2.5%～3%Mo，耐腐蝕和抗氧化性能卓越，能滿足嚴苛的戶外環境要求，雖成本較高但更經濟實用。因此，設計選用不銹鋼316L 一體鑄造成型，所有外露表面采用三道環氧富鋅防護涂層，防護等級達到ISO12944C5-M 最高級別。

3.3 支架絕緣子

絕緣子的選擇直接關系到整個裝置的絕緣性能。硅橡膠絕緣子雖具有一定絕緣性能，但在戶外環境下會加劇老化，且可能被鳥類啄食導致絕緣性能下降。陶瓷絕緣瓷瓶不僅符合國家標準，對空最小絕緣距離達295 mm，而且采用防污閃型設計，抗污閃性能優異。因此，本設計選擇了C12A 球型瓷瓶作為支架絕緣子。

3.4 脫離器選擇

脫離器是實現避雷器自主脫離的關鍵部件。熱爆式雖動作迅速，但爆炸會產生明火、高溫和高速飛濺物，存在一定安全隱患。相比之下，熱失磁式利用磁環居里溫度失磁原理，在故障時溫升至725 ℃使磁環失磁，從而實現磁偶合器與拉桿分離，脫離動作平穩無火花，安全性更高。因此，本設計采用熱失磁式脫離器。

3.5 其他優化

為進一步提高整體性能，本設計還做出如下優化：①底座內側加設3 根φ16 mm 不銹鋼加強筋，筋間距200 mm，避免普通鋼筋銹蝕問題，提高長期抗彎曲強度；②橫擔兩側采用φ400 mm 硅橡膠防冰罩，柔性好、抗沖擊，優于金屬或陶瓷罩，能有效阻隔冰雹沖擊和積雪壓力。

4 模擬試驗與效果評估

4.1 試驗方案

4.1.1 故障定位試驗

（1）分別將可拆卸式氧化鋅避雷器（試驗組）和傳統避雷器（對照組）安裝在平臺的兩根10 kV 線路相應位置。

（2）通過故障模擬系統，在兩組避雷器上分別引入故障。

（3）觀察并記錄兩組避雷器發生故障后的反應，計時獲取從發現故障到準確定位故障位置所需時間。

（4）重復以上步驟，進行多次試驗，取平均值進行對比分析。

4.1.2 檢修更換試驗

（1）保持避雷器的故障狀態不變。

（2）模擬對試驗組可拆卸式氧化鋅避雷器的檢修和更換操作，記錄所需時間。

（3）模擬對對照組傳統避雷器的檢修和更換操作，記錄所需時間。

（4）重復以上步驟，進行多次試驗，取平均值進行對比分析。

4.2 試驗數據及分析

（1）故障定位試驗結果。試驗組（可拆卸式氧化鋅避雷器）平均定位時間2 min；對照組（傳統避雷器）平均定位時間18 min。分析：由于可拆卸式氧化鋅避雷器在發生故障時能自動脫離線路，產生明顯標志，因此定位故障位置的時間大幅縮短；傳統避雷器在故障時無明顯標識，需要逐一檢查，導致定位時間延長。

（2） 檢修更換試驗結果。試驗組（ 可拆卸式氧化鋅避雷器）平均檢修時間63 min，平均更換時間27 min ；對照組（傳統避雷器）：平均檢修時間124 min，平均更換時間49 min。分析：可拆卸式氧化鋅避雷器由于采用模塊化設計，底座可拆卸，無需拆卸多個部件，大幅簡化了檢修和更換流程，因此所需時間大幅縮減；傳統避雷器檢修更換工序繁瑣，耗時較長。

4.3 效果評估

通過模擬試驗，可拆卸式氧化鋅避雷器在故障定位、檢修更換效率等方面表現出了明顯優勢。

（1）故障定位時間縮短90% 以上，大幅提高了工作效率。

（2）檢修時間縮減49%，檢修更換效率得到明顯提升。

4.4 其他觀察結果

（1）可拆卸式氧化鋅避雷器在發生故障時，脫離裝置能夠迅速響應，避雷器自動脫離線路的動作平穩有序，無火花、煙霧等不利情況發生，證明了該設計具有良好的安全性能。

（2）傳統避雷器發生故障后，由于外觀無明顯異常，需要人工逐一拆卸檢查，不僅耗時耗力，而且存在一定的安全隱患，如高空作業可能導致人員傷害。

（3）可拆卸式氧化鋅避雷器的檢修更換操作便捷，只需借助絕緣拉環操作桿即可完成，無需人工攀爬高空，有效避免了安全風險。

（4）試驗過程中未發現可拆卸式氧化鋅避雷器的任何結構或機械故障，其整體設計具有良好的可靠性和適用性。

（5）雖然新型可拆卸式氧化鋅避雷器的制造和安裝成本略高于普通型號，但由于檢修效率的提高和無停電作業，大幅降低了檢修運維成本，且能減少因停電帶來的經濟損失，總體經濟效益依然可觀。

5 結論

文章提出的可拆卸式氧化鋅避雷器設計相比現有技術的主要創新點在于：①采用了創新的脫鎖扣機構，使得避雷器能夠牢固安裝，故障時又能自主脫離線路。②集成了熱失磁式脫離器，確保脫離動作平穩安全，無火花和飛濺物。③底座可拆卸式設計，模塊化程度高，極大簡化了檢修更換流程。④通過優化設計，在確保整體性能的同時，還提高了抗腐蝕、抗污閃等關鍵指標。

通過測試，可拆卸式氧化鋅避雷器在故障定位時間、檢修時間和更換時間等方面均表現出了明顯優勢，分別比傳統避雷器縮短90%、73% 和68%，效率得到了極大地提升。

參考文獻

[1] 嚴曉光，朱艷梅. 避雷器用脫離器原理及存在問題分析[J].電瓷避雷器，2012（3）：101-104.

[2] 梁守榮. 淺談帶熱爆式脫離器氧化鋅避雷器在架空線路的應用[J]. 機電信息，2018（21）39-40.