新型10kV配电型避雷器脱离器的研制及性能验证
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
广东电网公司梅州供电局的研究人员张林海、黄乐，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文，在进行大量脱离器试验及运行状态统计研究的基础上，总结了脱离器性能存在的一些缺陷，并研制出了一种新型10kV避雷器脱离器。
新型脱离器采用金属外壳彻底解决机械强度不足和易老化的缺点；采用双路导向结构设计确保其耐受性能和动作性能；采用双重密封结构确保脱离器内部元件不会受潮。
脱离器在国外的配网无间隙线路型避雷器中应用广泛。目前国内脱离器虽然已得到一定程度的推广，但在其选型及使用中也暴露出了不少问题。本文在完成大量脱离器试验及运行状态统计研究的基础上，总结出脱离器性能存在的一些缺陷并研制出了一种新型10kV避雷器脱离器。
1 当前避雷器脱离器存在缺陷
调研发现脱离器整体运行可靠性不高，存在避雷器坏而脱离器未动作脱离或避雷器完好但脱离器动作脱离的情况，其主要故障模式包括以下几个方面：
(1)外壳质量不过关。运行使用一段时间后避雷器胶木件或塑料件表面龟裂；脱离器电极与塑胶外壳结合处的环氧树脂材料起壳，密封受损（模拟环境下我们将胶木外壳的脱离器暴露于室外，一年后，发现胶木外壳已明显开裂）。
(2)机械强度不足。有施工单位反应脱离器的机械抗扭强度常常不能满足实际安装要求。
(3)密封性能。密封性能受损后（例如外壳开裂、电极内气孔或在机械外力作用下外壳或胶合面破损）会有少量水分渗透脱离器内部。在雷电通过脱离器泄放过电压能量时水会瞬间汽化，水汽压力会使脱离器脱落，而此时热爆管并不会受热炸开。
(4)起爆电流设置太小或不可控。如避雷器在淋雨状态下的泄漏电流增大，导致流过避雷器本体及脱离器的电流仅数毫安即进入起爆状态，造成避雷器并未损坏而脱离器误动作。
(5)间隙设计不合适，流经大电流后短路，间隙被烧毛而拒动。
2 新型脱离器的试制
2.1采用金属外壳彻底解决机械强度不足和易老化的缺点
以往的脱离器外壳多采用酚醛树脂或者是各种塑料等材料，存在强度不高、易破碎等缺点，尤其是投运后长期处于风吹、日晒、雨淋等自然环境中，久而久之极易老化。因此，在投运1~2年后，自身机械强度显著下降，一旦遇有大风或者其他外力的影响，易造成非正常脱离。
本文研制的新型热爆式脱离器采用金属不锈钢外壳，自身机械强度可以得到保证，而且不存在自然老化的问题，图1是其外形照片，图2是其结构原理图。
图1 脱离器装配图
图2 新型脱离器结构原理图
2.2 双路导向结构设计确保其耐受性能和动作性能
脱离器由于与避雷器是串联的连接关系，因此避雷器所耐受的各类电应力（雷电冲击电流、方波冲击电流）脱离器也必须同样可以耐受。
对于配电避雷器而言，需要耐受5kA的8/20µs雷电冲击电流、65kA的4/10µs大电流、75A~150A的2ms方波冲击电流。
以往的脱离器往往在经过上述冲击电流试验后，脱离功能也随之丧失，其原因是没能合理解决冲击电流通道和工频电流通道的矛盾。脱离器的发热元件由于本身的热容量限制，根本不可能耐受以上的冲击电流，如果上述的冲击电流通过了发热元件所在的通道，发热元件的损坏在所难免。
为解决好上述矛盾，研究中设计了独特的同轴圆外放电间隙结构，见图3。其优点为：通过精确试验后确定间隙尺寸，委托厂家进行工业加工装配，避免了间隙尺寸的随机性，放电电压更加稳定。通过5kA的8/20µs雷电冲击电流、65kA的4/10µs大电流、75A~150A的2ms试验验证，每次放电均发生于外部间隙。
为确保了冲击电流不走发热元件通道，内部的工频电流通道采用的是非线性电阻发热元件串联一个电感元件，在冲击电流出现时电感元件就会呈现高电抗值状态，使得冲击电流走外部的间隙通道，而在工频电流下呈现低电抗状态，使得工频电流走内部发热元件通道。
图3 脱离器预制式同轴放电间隙
2.3双重密封结构确保脱离器内部元件不会受潮
内部发热元件受潮将会使得其发热功能丧失，因此可靠的密封结构是确保脱离器动作的最基本要求。以往的设计大多采用硅橡胶密封胶或者是环氧胶布涂在装配的螺口或螺帽上然后拧紧。这种设计在初期其密封性能还基本可以保证，但长期暴露于自然界本身会老化，而且随着不同季节或者是白天和黑夜温度的高低循环，时间一久会造成其密封面失效，从而造成内部发热元件受潮。
经过试验，设计了密封圈加密封胶的双重密封设计形式。密封圈采用与避雷器密封件类似的工业化的标准密封件，其性能可以得到保证。再加上通常采用的密封胶补充密封，确保了脱离器的可靠密封。
2.4性能稳定的发热元件
发热元件的可靠与否是影响脱离器动作性能的最重要因素。研究中，试验了线性电阻、金属氧化物压敏电阻、碳化硅非线性电阻等。线性电阻和金属氧化物压敏电阻由于其热容量和微观结构的原因，在试验时常常发现加电流时间稍长后就会发生电击穿，从而失去发热功能。碳化硅非线性电阻即使在很高的温度下也不易电击穿，从而可以稳定发热并进而引发脱离器动作。
通过考虑电性能和装配等的综合要求，设计制造了直径12mm、高度8mm的碳化硅非线性电阻，试验了电压梯度150V/mm、100V/mm、70V/mm等几种情况，发现电压梯度为100V/mm、70V/mm的稳定性更好。因此，最终确定元件的直流参考参考电压在500~1000V之间。
3 新型脱离器性能验证
3.1 耐受性能试验
我们对新型脱离器进行了10kA的8/20µs雷电冲击电流、65kA的4/10µs大电流、75A和150A的2ms方波冲击电流试验。试验电流波形见图4至图6。
图4 8/20µs雷电冲击电流波形
图5 4/10µs大电流波形
图6 2ms方波冲击电流
每种电流下3只脱离器均通过了耐受试验，而且每次放电均可见发生于外部间隙，证明了设计的成功性。
3.2脱离性能试验
以往有的制造商生产的脱离器在未施加冲击电流耐受时直接进行脱离性能试验，效果基本可以。但把经过以上电流冲击耐受的脱离器再进行脱离性能试验时，绝大多数都不能可靠脱离。究其原因，一是冲击电流流过了发热元件通道，击毁了发热元件；二是内部烧熔造成了永久短接而工频电流并未走发热元件通道，两者都将会造成发热元件不发热从而不能引爆爆破元件形成脱离器动作。
图7和图8是不同电流下脱离器的动作特性波形。由此可见，新型的脱离器在经过冲击电流耐受后，仍然具有可靠的动作性能。
图7 试品在5A电流时动作特性波形
图8 试品在4A电流时动作特性波形
3.3其他主要性能试验
(1)机械性能试验：脱离器通过了400N抗弯负荷试验。
(2)密封性能试验：脱离器经过密封试验，试验后电容值、电阻值和直流参考电压的变化率均低于10%，试品通过密封试验。
4 新型脱离器的创新点
(1)高可靠发热元件：新型脱离器采用氧化锌材料的发热元件，性能可靠。避雷器正常工作时，泄露电流小，发热元件产生热量少。当避雷器故障时，泄露电流达到最小动作电流，发热元件迅速发热引爆炸药，从而实现迅速脱离。
(2)强化双路导向：新型脱离器工频回路在外壳内部，冲击回路由金属片和外壳组成，两条回路互不干扰，稳定性能高。
(3)预制式环状间隙：不锈钢外壳和环形金属片由车床加工而成，尺寸按照图纸，精度高，间隙距离稳定，性能稳定。
(4)可靠密封设计：不锈钢外壳密封性能良好，下端有机玻璃通过螺纹与外壳连接，有机玻璃底面加密封圈，并加涂密封胶，密封性能良好稳定。
(5)高机械强度：外壳采用不锈钢材料，机械强度满足配套避雷器运行需求。
(6)强度差异材料应用：外壳采用不锈钢材料，下端面连接材料采用有机玻璃材料，内部发热元件置于塑料材料内，动作爆炸时，由于材料强度差异，脱离器由上下端炸开，有效的降低了爆炸范围，降低了对周围设备的损坏。
(7)抗环境老化设计：由于脱离器是竖直安装，外壳和上端面是不锈钢材料，抗环境老化性能良好，下端面的有机玻璃材料受到的日照和淋雨会大大降低，因此本设计的脱离器抗环境老化性能良好，能有效的抵御环境老化，增强运行稳定性和使用寿命。
5 结论
以上试验证明了新型脱离器的研发是成功的，完全可以满足配电避雷器的配套要求，具有重大的实用和推广价值。