避雷器接地线材质和截面的选择

1 引言
开关设备主回路和电气装置壳体的接地线设计要求在有关标准中有明确规定,但常用的交流金属氧化物避雷器接地线的设计要求和材质截面选择方面的资料却鲜为人见。工程中习惯性地使用截面积为16㎜2左右的铜编织带，有不少用户认为雷电能量巨大，怀疑16㎜2的铜编织带截面达不到要求，还打电话询问选择依据，有的客户甚至要求配备更大截面的铜编织带，这种不必要增加成本的要求让厂家有些为难。本文对交流金属氧化物避雷器接地线的设计要求和材质截面选择做一探讨，为经济地、灵活地选择接地线的材质和截面提供一些参考。
2 避雷器接地线的设计要求
（1）与避雷器和接地汇流排连接方便容易。
（2）与避雷器和接地汇流排连接强度可靠。
（3）必须承受雷电冲击时的强大泄流而不会因过热导致功能失效。
3 避雷器接地线的设计
3.1 材质
常见的金属材料均可用作避雷器接地线。但考虑因热效应而失效的问题还是以选择良导体和软化点高的导体为宜，如紫铜、黄铜、铝。
3.2 材料
由于避雷器在开关柜中的位置具有多变性和复杂性，为满足连接方便容易的要求，因此选择软材为佳，如多股和单股芯线、编织线。
3.3 工艺制造
根据避雷器和接地汇流排的安装位置，估算避雷器接地线所需的最短长度，再放长一些裕度。若为非镀锡料，则在下料后两端镀锡为宜。在两端分别压接与避雷器和接地汇流排连接的接线端子。
4 避雷器接地线截面积计算
4.1 避雷器的试验电流
参考了广州华盛、陕西同远、北京中诺远东的避雷器产品参数， 220kV以下的各种无间隙氧化锌避雷器的最大方波通流容量为800A(2ms)，最大电流冲击耐受100kA(4/10us)。
4.2 避雷器接地线温升允许温度的假定
避雷器接地线泄流温升允许温度假定取避雷器接地线材质作为触头使用而软化失效的温度。不作为触头使用的材质，建议取退火温度的70%。
4.3 计算中用到的常量与参数
γ—密度，kg/dm3
ρθ—温度为θ℃时电阻率，Ω·mm2/m
k—平均电阻温度系数，℃-1
θr—温升允许温度，℃
CP—比热容, J/(kg·℃)
L—接地线的长度，m
S—接地线截面积，mm2
R—接地线电阻，Ω
m—接地线质量，kg
I—试验方波电流，A
IP—试验冲击电流峰值，A
t—试验电流持续时间，s
A—电功，J
4.4 计算式推导
避雷器接地线电阻率是随温度升高而增加的，泄流温升极限温度时的电阻率为：
ρθ=ρ20 (1+k(θr-20)) (1)
泄流温升极限温度时的电阻为：
R=ρt L/S (2)
电功通用公式为
A=I2Rt，
如果按方波通流容量试验计算电功，则有：
A=I2Rt=8002R2x10-3=1280R
如果按最大电流冲击耐受计算电功（取峰值电流的1/3代入公式计算）,则有:
A= IP2Rt/9=1000002R(4+10)x10-6/9=15555R
可见后者电功较大,以此为准计算接地线更为安全，故写为公式：
A= 15555R (3)
接地线质量：
m=SLγ10-3 (4)
设环境温度为40℃，假定忽略雷电冲击能量散失，完全被接地线吸收升温到允许温度，则接地线吸收的热功为：
A= CPm（θr-40） (5)
将以上5式联立方程组，并用代入法可求得接地线截面积S如下：
S=3950(ρ20(1+K(θr-20))/(CPγ(θr-40)))0.5 (6)
从(6)式可知，接地线的长度不影响承载电流的能力，按需要配置长度即可。
4.5 举例计算接地线的截面积
4.5.1 以紫铜材料为例计算。
常量与参数如下:
密度γ=8.9kg/dm3
20℃时电阻率ρ20=0.0175Ω·mm2/m
电阻温度系数k=0.0039℃-1
查触头设计资料有紫铜的软化温度 θr=463℃
比热容 CP=394J/(kg·℃)
代入（6）式可得S=0.71 mm2
折合成圆芯直径为φ0.95 ㎜。
4.5.2 以铝质材料为例计算。
常量与参数如下:
密度γ=2.7kg/dm3
20℃时电阻率ρ20=0.0294Ω·mm2/m
电阻温度系数k=0.0043℃-1
查触头设计资料有铝的软化温度θr=423℃
比热容CP=880J/(kg·℃)
代入（6）式可得S=1.17 mm2
折合成圆芯直径为φ1.2 ㎜。
5 结语
(1)交流金属氧化锌避雷器接地线计算出的理论截面是很小的，在安装和检修设备过程中容易发生意外损伤和折断现象。为满足连接强度可靠的设计要求，需要加大截面才能确保连接强度。兼顾强度及经济性，笔者认为取截面积规格为4、6、10 mm2的多芯或单芯铜线或铝线即可，既取材方便又经济适用，单芯线需要折弯，弯曲半径宜大于10㎜，也可选用市售的扁的或圆的接地编织带。
(2)按本文计算结果可以推论能满足要求的材质和规格较多，在暂无铜线和铝线的情况下，可以考虑用其它材料代替，但在选择截面时有必要先按本文提供的公式计算一下，并需要考虑充分满足避雷器接地线的设计要求。
(3)由于电气化铁道上应用的直流金属氧化物避雷器的参数中,能量吸收能力一般小于20kJ,而本文中用于计算的能量远大于此数,因此对接地线材质和截面的选用建议完全适用于电气化铁道上应用的直流金属氧化物避雷器。