[0001] 本发明涉及电力传输设备技术领域，特别涉及一种绝缘子式避雷器。

[0002] 输电线路尤其是高压输电线路在架空铺设的过程中需要注意很多问题，其中最常见的就是线路支撑、线路绝缘以及过电压保护等问题。为解决这些问题，现有技术中采用绝缘子解决支撑导线和防止电流回地的问题，采用避雷器以保护输电线路及电气设备免遭大气过电压（通常为雷击）和操作过电压的损坏。

[0003] 由于两种装置的使用目的不同，其所关注的性能指标有着较大的差异。其中，绝缘子主要是在支撑架（如线杆或铁塔等）上拉伸线路以提供支撑，其一端挂在杆塔上，另一端挂着导线；绝缘子需要能承担较大的机械负荷并对抗拉强度、抗挠和抗疲劳性有较高的要求，同时显然还需要有良好的绝缘性。而避雷器则顾名思义，主要是限制过电压对输变电设备的侵害，其主要使用金属氧化物电阻片，在正常工作电压下呈高阻状态，当遭受过电压时处于导通状态，释放过电压能量；避雷器的实际结构对外套绝缘高度、放电间隙距离等有一定要求，设备自身体型较大、其结构机械性能不佳、承载能力有限，且避雷器的爬电距离显然不能满足线路的绝缘性要求。

[0004] 基于上述差异，现有技术中上述两种装置是两种独立的设备组件，绝缘子作为输电线路架空铺设的必要组件普遍使用在杆塔上，而避雷器则作为附属设施安装在杆塔上，两者通常并联使用。但是，采用现有技术的方式，由于避雷器重量及体积较大，不仅使线路和铁塔的负荷增大，线路设施复杂化，而且由于铁塔横担位置有限，避雷器的安装极其不便，铁塔横担处设备较多也会给带电作业等工作带来不便。此外，由于两种独立设备并联使用，显然使系统中设备总数成倍增加，造成系统故障率明显增大，使得输电线路使用中运行维护工作量大。

[0005] 现有技术虽然也有少量研究希望实现绝缘子与避雷器的一体化，但其实际效果要么只是牺牲体型和稳定性的情况下略微提高了绝缘子的耐压性能，要么只是牺牲使用寿命的情况下略微提高了避雷器的承载能力，在稍微严苛的环境下便只能作为绝缘子或避雷器使用，完全无法同时具备这两者的功能。最典型地，现有研究的通病有：两端金具与芯棒的连接一般是采用胶装或者螺接方式，由于连接方式、材料等方面的问题，不能承受强大的拉伸负荷，密封也受到严重考验，不能真正做到既有绝缘子的功能又有避雷器的功能；此外设备的结构高度远远大于普通的线路绝缘子。

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 目前，高压输电线路中线路绝缘子一般是瓷绝缘子串、玻璃绝缘子串或合成绝缘子。其中瓷绝缘子串和玻璃绝缘子串都是由多片瓷或玻璃材质的绝缘子串联构成，合成绝缘子是采用有机高分子聚合绝缘材料制造的绝缘子。合成绝缘子由芯棒（内绝缘）、伞裙护套（外绝缘）、端部金具及附件（均压环）组成。芯棒由树脂浸渍大量沿轴线平行排列的玻璃纤维而形成，抗拉强度高于1100Mpa，是高强度瓷的3～5倍，具有良好的抗挠和抗疲劳性，承受合成绝缘子的机械负荷。伞裙护套由高分子有机复合材料组成附着在芯棒外，保护内绝缘并提供足够的爬电距离。端部金具由可锻铸铁或锻钢以上材料制成并热镀锌，与芯棒连接在一起，承受和传递全部机械负荷。均压环由铝合金材料制成，均匀电场分布，防止高压电场加速合成绝缘子端部老化。输电线路上的合成绝缘子，主要是芯棒承受拉伸载荷。

[0028] 上述绝缘子在正常工作条件下，能够起到支撑导线和绝缘的作用，但通常在输电线路遭受雷击或操作过电压时绝缘子都会发生闪络，即当过电压超过绝缘子能够承受的设计值时，绝缘子将被电弧烧伤，甚至使瓷绝缘子玻璃绝缘子被击伤击碎。即现有绝缘子并不具有防雷作用，其因放电损伤而失去绝缘性能并导致输电线路跳闸时会影响电力供应，而停电必将给人们的生产生活带来极大不便，造成较大的经济损失，更换损坏的绝缘子也会耗费较大的人力物力财力。

[0029] 目前线路避雷器按外套材料可分为瓷外套避雷器和复合外套避雷器，按结构形式可分为无间隙避雷器和带间隙避雷器。无间隙避雷器的阀片长期承受运行电压，荷电率高，阀片存在易老化问题。带间隙避雷器又可分为纯空气间隙，由复合绝缘子支撑的环–环间隙。带间隙避雷器本体部分基本不承担电压，不必担心它的老化。目前，线路避雷器悬垂安装时额定拉伸负荷一般是其自重的15倍，该拉伸负荷远远小于绝缘子的额定拉伸负荷；而应用广泛的带间隙避雷器结构高度(大概1780～1954mm)远远大于绝缘子的结构高度(大概1022～1314mm)。现有的线路避雷器不能长期承受导线强大的拉伸负荷，不能起到支撑导线的作用，同时其体型和绝缘性能也限制了其与绝缘子的集成，只能采用并联的方式与绝缘子一起安装。

[0030] 为了使一件装置能够同时具有绝缘子和避雷器的功能，本发明的实施例中主要对避雷器进行大幅改进，使其能满足一定要求的拉力、强度等参数，满足绝缘子的特性，如机电破坏负荷、抗拉强度、抗老化性、抗疲劳断裂、防污性能、爬电距离等电气特性，得到了具有线路绝缘子性能的避雷器（简称绝缘子式避雷器）。在本发明的实施过程中，研制绝缘子式避雷器首先要解决的技术问题有：

[0031] 1、避雷器的机械性能设计，即使避雷器能够起到支撑导线，承受拉力的功能。这个是要解决的重大难题。目前，绝缘子和避雷器是两个独立的设备，具有不同的功能，在输电线路上并联使用。若使避雷器设备同时具有绝缘子的功能，就必须提高避雷器的机械性能，使其满足绝缘子的功能。

[0032] 2、绝缘子式避雷器结构高度要与普通线路绝缘子相当，即结构高度不能太大，以便在实际应用中能够方便的替换原来的绝缘子。这个是要解决的另一个重大难题。目前，现有110kV带间隙避雷器的结构高度远远大于110kV绝缘子的结构高度。因此要在保证避雷器防雷功能的前提下，将结构高度缩短到与绝缘子相当，并且提高其机械性能使其能够起到支撑导线的功能。避雷器的复合外套绝缘高度、放电间隙距离，已经是通过理论及试验研究及实际应用认可的，若想缩短避雷器的整体结构高度，需要研究复合外套绝缘高度、放电间隙距离重新设计内部阀片组成、电极结构及安装位置方式等，存在很大难度。

[0033] 3、避雷器的绝缘性能设计，即使避雷器的爬电距离等绝缘性能能够满足线路绝缘子的要求。

[0034] 4、避雷器不损失防雷特性的情况下，满足一般运行时绝缘子的特性，在雷电攻击杆塔时，避雷器能够先行放电，在放电的同时不损坏避雷器的绝缘及机械性能。

[0035] 5、实现防雷功能还能够实现绝缘子电气性能和机械性能，同时满足安装的需要，要满足体积适当，重量轻，适合大面积、方便、简易安装。

[0036] 其中前两个问题是重点需要解决，也是现有技术普通没有得到有效解决途径的问题，是下述优选实施方式着重实现的内容。

[0037] 首先，在本发明的实施例中，绝缘子式避雷器与常规线路绝缘子的整体结构高度相当，并在一个设备同时实现了绝缘子和避雷器的功能。该绝缘子避雷器由中间的芯棒承受主要机械力，将两端金具直接压接在芯棒上，和现有绝缘子的中间部分结构一样，承受机械载荷，该结构技术成熟，机械受力可靠。具体地，本发明中的绝缘子式避雷器包括：铁塔侧金具、芯棒、导线侧金具及中空的带间隙避雷器；其中，所述铁塔侧金具和所述导线侧金具分别压接在所述芯棒的两端上；所述中空的带间隙避雷器套装在所述芯棒之外。

[0038] 此外，本领域中普通带间隙避雷器的本体与间隙装置是分体式，使用时通过球头球窝或者法兰等方式安装在一起。本发明的优选实施例中绝缘子式避雷器的间隙电极与本体是个整体。

[0039] 在实际应用中，本发明的绝缘子式避雷器的整体结构高度与110kV普通绝缘子串相当，应用时可以方便替换现有线路绝缘子，使绝缘子式避雷器真正做到绝缘子及避雷器的功能同一在一个装置中。以下进一步对附图中的优选实施方式说明如下：

[0040] 参见图1，在本发明的一个实施例中，绝缘子式避雷器包括：铁塔侧金具1、芯棒3、芯棒护套4（可省略）、阀片5（图1中点状填充处）、第一绝缘筒6、中间电极7、第二绝缘筒8（图1中格状填充处）、高压电极10和导线侧金具11；其中，铁塔侧金具1和导线侧金具11分别压接在芯棒3的两端上，芯棒护套4覆盖芯棒3的外表面；阀片5和第二绝缘筒8套装在芯棒护套4之外并包覆整个芯棒部位，阀片5靠近铁塔侧（即金具1侧，亦即接地侧），第二绝缘筒8靠近导线侧（金具11侧，亦即高压侧），第一绝缘筒6至少覆盖阀片5的外表面，中间电极7和高压电极10对应设置，中间电极7设置在阀片5和第二绝缘筒8的接合处并向外伸展，高压电极10设置在第二绝缘筒8的导线侧末端并向外伸展。

[0041] 采用上述方式，铁塔侧金具1、芯棒3、芯棒护套4和导线侧金具11形成了与传统结构相似的绝缘子芯棒，主要由芯棒3承受机械载荷；其中，芯棒护套4不是必要条件，在芯棒3外面覆盖芯棒护套4是为了保护芯棒3避免受潮老化。但事实上只要在避雷器本体与芯棒3结合处适当处理后（比如抽真空、灌注、密封等），芯棒3一般不会受潮，所以芯棒护套4也可以省略不用。阀片5、第一绝缘筒6、中间电极7、第二绝缘筒8和高压电极10构成中空的带间隙避雷器本体，套装在上述绝缘子芯棒之外并将放电间隙外置，提供过电压保护且不承受机械载荷。由此本发明的上述实施例以与110kV普通绝缘子串相当的结构高度同时实现了绝缘子与避雷器的功能，且两方面的功能基本互无影响，具有较佳的设备尺寸和性能指标，明显优化了系统安装方式、减少了设备总数、有效降低了系统故障率。

[0042] 在图1的优选实施例中，所述绝缘子式避雷器还包括：绝缘筒外覆物12，其包覆在第一绝缘筒6和第二绝缘筒8的外部。绝缘筒外覆物12优选为绝缘的伞裙和/或护套，用来为整个装置提供外绝缘，其可以和避雷器主体一体成型。此外，所述绝缘子式避雷器还可进一步包括：填充在绝缘子芯棒和避雷器之间的空隙处（比如芯棒护套和阀片之间、阀片和第一绝缘筒之间、芯棒和第二绝缘筒之间等）的灌封处理物13，其采用绝缘材料，如硅橡胶等，用于确保绝缘子芯棒的内绝缘性能。相应地，所述绝缘子式避雷器还可包括：端部密封及压力释放结构2和端部密封机构9；其中，端部密封及压力释放结构2设置在芯棒3的铁塔侧端部，端部密封机构9设置在芯棒3的导线侧端部，用以确保上述灌封的效果；铁塔侧端部的端部密封及压力释放结构2还可以进一步将避雷器中阀片5承受的压力释放到铁塔侧金具1上，以减轻避雷器的压力延长其寿命。

[0043] 在本发明的一些其他优选实施例中，芯棒3优选采用环氧芯棒，更优选地选用绝缘子上已经使用经过长期考验的玻璃纤维引拔棒。此外，铁塔侧金具1优选为球窝，导线侧金具11优选为球头；这与普通复合绝缘子的两端金具形式一样，使得本发明的装置与普通复合绝缘子安装方式相同，可直接替代绝缘子安装。具体地，采用悬垂安装方式，球窝金具1通过球头挂环、U型环等与铁塔横担挂点连接，球头金具11与导线线夹连接。

[0044] 阀片5优选为高梯度金属氧化物阀片或者金属垫块；阀片参数数量或金属垫块布置根据相关计算确定。阀片5可以采用环形结构（即整体成型套管），也可以采用多柱并联的形式（即多个柱状条拼装成套管）。更优选地，阀片5采用电压梯度大于250V/mm的阀片。

[0045] 其中，第一绝缘筒和第二绝缘筒是分体的或是整体成型的；第二绝缘筒的厚度与阀片和第一绝缘筒厚度之和相当，或者远小于其厚度之和。为保证设备整体形状匀称，两绝缘筒有两种实现方式：第一绝缘筒6的筒壁较薄，仅包覆阀片5的外表面；第二绝缘筒8的筒壁较厚，相当于阀片5和第一绝缘筒6的厚度之和。或者，第一绝缘筒6同时包覆阀片5和第二绝缘筒8的外表面，此时第二绝缘筒8的筒壁与阀片5厚度相当，此时第二绝缘筒8可优选为绝缘垫块。

[0046] 避雷器本体靠近高压侧的部分（即两个电极之间的部分）是绝缘的，这部分可以是和避雷器一体的，也可以是分体的。如果是一体的，其内部可以用单独的绝缘件支撑中间的中间电极7，也可以直接在外壳内部制作出固定台来。优选地，两电极的根部可直接由绝缘筒包裹或采用固定台安装。两电极（或至少一个）的顶部是环形电极，其截面形状为圆形、椭圆形或扁平环状。如果设备整体结构高度实现起来比较紧张，中间电极7除了环形电极外的其余部分可覆盖有绝缘层；或者，中间电极也可以回折一下再引出，此时必须覆有绝缘层。

[0047] 避雷器本体部分的各组件可以是整体成型的，完成后安装在芯棒3之外；也可以是在芯棒3之外逐个安装。避雷器本体部分至少在一端和芯棒上压接的金具固定。与避雷器本体固定的那端的芯棒金具上配置有和避雷器连接的法兰，该法兰可以是和金具一体的，也可以是后续制作的；如果是后续制作的，优选地，该法兰需要注意密封和等电位，以及雷击时的通流。

[0048] 相对于现有技术，本发明的技术方案提供了一种绝缘子避雷器，其具有以下明显优势：

[0049] 1、绝缘子和避雷器相对独立又合理地组装在一起，使绝缘子式避雷器装置真正做到绝缘子及避雷器的功能同一在一个装置中，优化了系统安装方式、减少了设备总数、有效降低了系统故障率。

[0050] 2、主要由中间的芯棒3承受导线的拉伸负荷，避雷器功能由其他组件实现，且不影响芯棒的受力，以基本互不干涉的方式保证了各自组件的使用寿命。

[0051] 3、中空套管及放电间隙外置等方式的避雷器使得装置的整体结构高度与110kV普通绝缘子串相当，应用时可以方便替换现有线路绝缘子。

[0052] 虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。