王科仁，朱媛媛
（合容電氣股份有限公司技術工程部陝西西安710000）
【摘要】提出了交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求，通過對常用材質的截面積進行的理論計算，提出了接地線材質和截面的選用參考。
關鍵詞 金屬氧化物避雷器避雷器；接地線；電流衝擊耐受
Selectarrestergroundingwirematerialandcross-section
WangKe-ren,ZhuYuan-yuan
(CombinedcapacityoftheDepartmentofElectricalEngineeringCo.,LtdXi´anShanxi710000)
【Abstract】ProposedMOAdesignrequirementsACgroundwirethroughthetheoreticalcross-sectionalareaofthematerialwereusedcalculationsmadereferencetothegroundinglineselectionofmaterialandcross-section.
【Keywords】MOAarrester;Groundingwire;Currentimpulsewithstand
1.引言
開關設備主迴路和電氣裝置殼體的接地線設計要求在有關標準中有明確規定，但常用的交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求和材質截面選擇方面的資料卻鮮為人見。工程中習慣性地使用截面積為16mm2左右的銅編織帶，有不少用戶認為雷電能量巨大，懷疑16mm2的銅編織帶截面達不到要求，還打電話詢問選擇依據，有的客戶甚至要求配備更大截面的銅編織帶，這種不必要增加成本的要求讓廠家有些為難。本文對交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求和材質截面選擇做一探討，為經濟地、靈活地選擇接地線的材質和截面提供一些參考。
2.避雷器接地線的設計要求
避雷器接地線的設計要求：
（1）與避雷器和接地匯流排連接方便容易。
（2）與避雷器和接地匯流排連接強度可靠。
（3）必須承受雷電衝擊時的強大泄流而不會因過熱導致功能失效。
3.避雷器接地線的設計
3.1材質。
常見的金屬材料均可用作避雷器接地線。但考慮因熱效應而失效的問題還是以選擇良導體和軟化點高的導體為宜，如紫銅、黃銅、鋁。
3.2材料。
由於避雷器在開關櫃中的位置具有多變性和複雜性，為滿足連接方便容易的要求，因此選擇軟材為佳，如多股和單股芯線、編織線。
3.3工藝製造。
根據避雷器和接地匯流排的安裝位置，估算避雷器接地線所需的最短長度，再放長一些裕度。若為非鍍錫料，則在下料後兩端鍍錫為宜。在兩端分別壓接與避雷器和接地匯流排連接的接線端子。
4.避雷器接地線截面積計算
4.1避雷器的試驗電流。
參考了常規避雷器產品參數，220KV以下的各種無間隙氧化鋅避雷器的最大方波通流容量為800A(2ms)，最大電流衝擊耐受100KA(4/10us)。
4.2避雷器接地線溫升允許溫度的假定。
避雷器接地線泄流溫升允許溫度假定取避雷器接地線材質作為觸頭使用而軟化失效的溫度。不作為觸頭使用的材質，建議取退火溫度的70%。
4.3計算中用到的常量與參數。
γ——密度，Kg/dm3
ρθ——溫度為θ℃時電阻率，Ω·mm2/m
k——平均電阻溫度係數，℃-1
θr——溫升允許溫度，℃
CP——比熱容，J/(Kg·℃)
L——接地線的長度，m
S——接地線截面積，mm2
R——接地線電阻，Ω
m——接地線質量，Kg
I——試驗方波電流，A
地址——試驗衝擊電流峰值，A
t——試驗電流持續時間，s
A——電功，J
4.4計算式推導。
4.4.1避雷器接地線電阻率是隨溫度升高而增加的，泄流溫升極限溫度時的電阻率為：
ρθ=ρ20(1+k(θr-20))(1)
4.4.2泄流溫升極限溫度時的電阻為：
R=ρtL/S(2)
電功通用公式為A=I2Rt，
4.4.3如果按方波通流容量試驗計算電功，則有：
A=I2Rt=8002R2x10-3=1280R
4.4.4如果按最大電流衝擊耐受計算電功（取峰值電流的1/3代入公式計算），則有：
A=地址2Rt/9=1000002R(4+10)x10-6/9=15555R
4.4.5可見後者電功較大，以此為準計算接地線更為安全，故寫為公式：
A=15555R(3)
接地線質量：
m=SLγ10-3(4)
4.4.6設環境溫度為40℃，假定忽略雷電衝擊能量散失，完全被接地線吸收升溫到允許溫度，則接地線吸收的熱功為：
A=CPm（θr-40）(5)
4.4.7將以上5式聯立方程組，並用代入法可求得接地線截面積S如下：
S=3950(ρ20(1+K(θr-20))/(CPγ(θr-40)))0.5(6)
從(6)式可知，接地線的長度不影響承載電流的能力，按需要配置長度即可。
4.5舉例計算接地線的截面積。
4.5.1以紫銅材料為例計算。
常量與參數如下:
密度γ=8.9Kg/dm3
20℃時電阻率ρ20=0.0175Ω·mm2/m
電阻溫度係數k=0.0039℃-1
查觸頭設計資料有紫銅的軟化溫度θr=463℃
比熱容CP=394J/(Kg·℃)
代入（6）式可得S=0.71mm2
摺合成圓芯直徑為?0.95mm。
4.5.2以鋁質材料為例計算。
常量與參數如下:
密度γ=2.7Kg/dm3
20℃時電阻率ρ20=0.0294Ω·mm2/m
電阻溫度係數k=0.0043℃-1
查觸頭設計資料有鋁的軟化溫度θr=423℃
比熱容CP=880J/(Kg·℃)
代入（6）式可得S=1.17mm2
摺合成圓芯直徑為?1.2mm。
5.結語
（1）交流金屬氧化鋅避雷器接地線計算出的理論截面是很小的，在安裝和檢修設備過程中容易發生意外損傷和折斷現象。為滿足連接強度可靠的設計要求，需要加大截面才能確保連接強度。兼顧強度及經濟性，筆者認為取截面積規格為4、6、10mm2的多芯或單芯銅線或鋁線即可，既取材方便又經濟適用，單芯線需要折彎，彎曲半徑宜大於10mm，也可選用市售的扁的或圓的接地編織帶。
（2）按本文計算結果可以推論能滿足要求的材質和規格較多，在暫無銅線和鋁線的情況下，可以考慮用其它材料代替，但在選擇截面時有必要先按本文提供的公式計算一下，並需要考慮充分滿足避雷器接地線的設計要求。
（3）由於電氣化鐵道上應用的直流金屬氧化物避雷器的參數中，能量吸收能力一般小於20KJ，而本文中用於計算的能量遠大於此數，因此對接地線材質和截面的選用建議完全適用於電氣化鐵道上應用的直流金屬氧化物避雷器。
參考文獻
［1］韓教社，戴棟，馬西奎，等.應用有限元法計算氧化鋅避雷器電位分布［J］.中國電機工程學報，2001，21（12）：105-114.
［2］蔣國雄，邱毓昌.避雷器及其高壓試驗［M］.西安：西安交通大學出版社，1989.
［3］王秉鈞.金屬氧化物避雷器［M］.北京：水利電力出版社，1987.
［4］岳亞麗.800kVMOA電位分布數值方針計算及測量系統的研究［D］.西安：西安交通大學，2006.
［5］韓長偉，李曉早，馬麗榮，等.電力電容器元件內部的電場計算［J］.電力電容器與無功補償，2009，30（6）：37-41.［7］余芳，金青，郭潔，等.750kVGIS中金屬氧化物避雷器對VFT影響的研究［J］.電瓷避雷器，2009（3）：31-33.
［文章編號］1006-7619（2014）09-09-552
［作者簡介］王科仁（1986-），男，職稱：助理工程師，主要從事電力產品的設計工作。
（合容電氣股份有限公司技術工程部陝西西安710000）
【摘要】提出了交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求，通過對常用材質的截面積進行的理論計算，提出了接地線材質和截面的選用參考。
關鍵詞 金屬氧化物避雷器避雷器；接地線；電流衝擊耐受
Selectarrestergroundingwirematerialandcross-section
WangKe-ren,ZhuYuan-yuan
(CombinedcapacityoftheDepartmentofElectricalEngineeringCo.,LtdXi´anShanxi710000)
【Abstract】ProposedMOAdesignrequirementsACgroundwirethroughthetheoreticalcross-sectionalareaofthematerialwereusedcalculationsmadereferencetothegroundinglineselectionofmaterialandcross-section.
【Keywords】MOAarrester;Groundingwire;Currentimpulsewithstand
1.引言
開關設備主迴路和電氣裝置殼體的接地線設計要求在有關標準中有明確規定，但常用的交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求和材質截面選擇方面的資料卻鮮為人見。工程中習慣性地使用截面積為16mm2左右的銅編織帶，有不少用戶認為雷電能量巨大，懷疑16mm2的銅編織帶截面達不到要求，還打電話詢問選擇依據，有的客戶甚至要求配備更大截面的銅編織帶，這種不必要增加成本的要求讓廠家有些為難。本文對交流金屬氧化物避雷器接地線的設計要求和材質截面選擇做一探討，為經濟地、靈活地選擇接地線的材質和截面提供一些參考。
2.避雷器接地線的設計要求
避雷器接地線的設計要求：
（1）與避雷器和接地匯流排連接方便容易。
（2）與避雷器和接地匯流排連接強度可靠。
（3）必須承受雷電衝擊時的強大泄流而不會因過熱導致功能失效。
3.避雷器接地線的設計
3.1材質。
常見的金屬材料均可用作避雷器接地線。但考慮因熱效應而失效的問題還是以選擇良導體和軟化點高的導體為宜，如紫銅、黃銅、鋁。
3.2材料。
由於避雷器在開關櫃中的位置具有多變性和複雜性，為滿足連接方便容易的要求，因此選擇軟材為佳，如多股和單股芯線、編織線。
3.3工藝製造。
根據避雷器和接地匯流排的安裝位置，估算避雷器接地線所需的最短長度，再放長一些裕度。若為非鍍錫料，則在下料後兩端鍍錫為宜。在兩端分別壓接與避雷器和接地匯流排連接的接線端子。
4.避雷器接地線截面積計算
4.1避雷器的試驗電流。
參考了常規避雷器產品參數，220KV以下的各種無間隙氧化鋅避雷器的最大方波通流容量為800A(2ms)，最大電流衝擊耐受100KA(4/10us)。
4.2避雷器接地線溫升允許溫度的假定。
避雷器接地線泄流溫升允許溫度假定取避雷器接地線材質作為觸頭使用而軟化失效的溫度。不作為觸頭使用的材質，建議取退火溫度的70%。
4.3計算中用到的常量與參數。
γ——密度，Kg/dm3
ρθ——溫度為θ℃時電阻率，Ω·mm2/m
k——平均電阻溫度係數，℃-1
θr——溫升允許溫度，℃
CP——比熱容，J/(Kg·℃)
L——接地線的長度，m
S——接地線截面積，mm2
R——接地線電阻，Ω
m——接地線質量，Kg
I——試驗方波電流，A
地址——試驗衝擊電流峰值，A
t——試驗電流持續時間，s
A——電功，J
4.4計算式推導。
4.4.1避雷器接地線電阻率是隨溫度升高而增加的，泄流溫升極限溫度時的電阻率為：
ρθ=ρ20(1+k(θr-20))(1)
4.4.2泄流溫升極限溫度時的電阻為：
R=ρtL/S(2)
電功通用公式為A=I2Rt，
4.4.3如果按方波通流容量試驗計算電功，則有：
A=I2Rt=8002R2x10-3=1280R
4.4.4如果按最大電流衝擊耐受計算電功（取峰值電流的1/3代入公式計算），則有：
A=地址2Rt/9=1000002R(4+10)x10-6/9=15555R
4.4.5可見後者電功較大，以此為準計算接地線更為安全，故寫為公式：
A=15555R(3)
接地線質量：
m=SLγ10-3(4)
4.4.6設環境溫度為40℃，假定忽略雷電衝擊能量散失，完全被接地線吸收升溫到允許溫度，則接地線吸收的熱功為：
A=CPm（θr-40）(5)
4.4.7將以上5式聯立方程組，並用代入法可求得接地線截面積S如下：
S=3950(ρ20(1+K(θr-20))/(CPγ(θr-40)))0.5(6)
從(6)式可知，接地線的長度不影響承載電流的能力，按需要配置長度即可。
4.5舉例計算接地線的截面積。
4.5.1以紫銅材料為例計算。
常量與參數如下:
密度γ=8.9Kg/dm3
20℃時電阻率ρ20=0.0175Ω·mm2/m
電阻溫度係數k=0.0039℃-1
查觸頭設計資料有紫銅的軟化溫度θr=463℃
比熱容CP=394J/(Kg·℃)
代入（6）式可得S=0.71mm2
摺合成圓芯直徑為?0.95mm。
4.5.2以鋁質材料為例計算。
常量與參數如下:
密度γ=2.7Kg/dm3
20℃時電阻率ρ20=0.0294Ω·mm2/m
電阻溫度係數k=0.0043℃-1
查觸頭設計資料有鋁的軟化溫度θr=423℃
比熱容CP=880J/(Kg·℃)
代入（6）式可得S=1.17mm2
摺合成圓芯直徑為?1.2mm。
5.結語
（1）交流金屬氧化鋅避雷器接地線計算出的理論截面是很小的，在安裝和檢修設備過程中容易發生意外損傷和折斷現象。為滿足連接強度可靠的設計要求，需要加大截面才能確保連接強度。兼顧強度及經濟性，筆者認為取截面積規格為4、6、10mm2的多芯或單芯銅線或鋁線即可，既取材方便又經濟適用，單芯線需要折彎，彎曲半徑宜大於10mm，也可選用市售的扁的或圓的接地編織帶。
（2）按本文計算結果可以推論能滿足要求的材質和規格較多，在暫無銅線和鋁線的情況下，可以考慮用其它材料代替，但在選擇截面時有必要先按本文提供的公式計算一下，並需要考慮充分滿足避雷器接地線的設計要求。
（3）由於電氣化鐵道上應用的直流金屬氧化物避雷器的參數中，能量吸收能力一般小於20KJ，而本文中用於計算的能量遠大於此數，因此對接地線材質和截面的選用建議完全適用於電氣化鐵道上應用的直流金屬氧化物避雷器。
參考文獻
［1］韓教社，戴棟，馬西奎，等.應用有限元法計算氧化鋅避雷器電位分布［J］.中國電機工程學報，2001，21（12）：105-114.
［2］蔣國雄，邱毓昌.避雷器及其高壓試驗［M］.西安：西安交通大學出版社，1989.
［3］王秉鈞.金屬氧化物避雷器［M］.北京：水利電力出版社，1987.
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［5］韓長偉，李曉早，馬麗榮，等.電力電容器元件內部的電場計算［J］.電力電容器與無功補償，2009，30（6）：37-41.［7］余芳，金青，郭潔，等.750kVGIS中金屬氧化物避雷器對VFT影響的研究［J］.電瓷避雷器，2009（3）：31-33.
［文章編號］1006-7619（2014）09-09-552
［作者簡介］王科仁（1986-），男，職稱：助理工程師，主要從事電力產品的設計工作。
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