避雷器：限制雷电和操作过电压的设备

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：现代避雷器除限制雷电过电压外，还能限制一部分操作过电压，因此称为过电压限制器更为确切。图6-49保护间隙为了克服保护间隙不能熄灭工频短路电弧电流的缺点，后又采用管式避雷器。阀式避雷器的主要部件是间隙和非线性电阻阀片。目前，MOA阀片的主要成分是ZnO，所以也常称之为ZnO避雷器。ZnO避雷器可以不带间隙而只由非线性电阻片组成，称为无间隙避雷器。

避雷器是一种保护电器，用来限制电气设备绝缘上承受的过电压。现代避雷器除限制雷电过电压外，还能限制一部分操作过电压，因此称为过电压限制器更为确切。

传统的避雷器都有间隙，所以间隙的放电与灭弧是避雷器工作原理的重要内容。

最原始和最简单的避雷器是保护间隙，通常做成角形，这样有利于灭弧，如图6-49所示。当过电压作用时，由于间隙下部的距离最小，所以在该处先发生放电。放电所产生的电弧高温使周围空气温度剧增，热空气上升时就把电弧向上吹，使周围电弧拉长；此外电流从电极流过电弧通道到另一电极所形成的回路，也产生电动力使电弧向上拉伸，因此弧电阻增大。当电弧拉伸到某一长度时，电网电压不再能维持电弧的燃烧，电弧就熄灭了。在中性点不直接接地的系统中，一相保护间隙动作时能自行灭弧，被切断的电流是电容电流，其值较小。但在两相或三相流，其值很大，间隙电弧不能自行熄灭而引起断路器跳闸，所以使用保护间隙一般应有自动重合闸加以配合。由于保护间隙不能切断雷电流之后的工频短路电流，所以现在用得很少。

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图6-49　保护间隙

为了克服保护间隙不能熄灭工频短路电弧电流的缺点，后又采用管式避雷器。管式避雷器是将间隙安放在用产气材料制成的管内，雷电压下间隙击穿，产生高温使产气管分解出大量气压高达几十个大气压的气体，对电弧产生纵吹作用，在工频电流第一次过零时将电弧熄灭。为使工频电弧熄灭，必须有足够的气体，而产气多少又与电流有关，所以管式避雷器有一个切断电流的下限。另一方面，产气过多则会使管子炸裂，所以又有一个切断电流的上限。管式避雷器每动作一次要消耗一部分产气材料，多次动作后内径增大，因而管式避雷器的寿命为十数次。再者，管式避雷器伏-秒特性曲线较陡，放电分散性大，动作时产生截波。

阀式避雷器的主要部件是间隙和非线性电阻阀片。非线性电阻是用电工金刚砂（碳化硅）制成的。阀式避雷器间隙的特点是将多个电场较均匀的小间隙串联起来使用，这有两方面的好处：一方面，多个串联间隙的灭弧性能好；另一方面，当间隙个数多时，每个间隙距离很小（约为1 mm），所以电场比较均匀，再加上有照射，所以伏-秒特性曲线很平坦，放电分散性也小。多个间隙串联使用时存在一个问题，就是电压分布不均匀，即有些间隙承受电压较高，而另一些则较低，这样对灭弧不利，还会使工频放电电压下降。为了克服这个缺点，所以在性能要求较高的避雷器中采用并联电阻（或称为分路电阻），使电压分布更均匀一些。

ZnO避雷器自20世纪70年代问世以来，由于其优点突出，发展十分迅猛。ZnO避雷器是从阀片电阻着手，对避雷器进行改进的。目前，MOA阀片的主要成分是ZnO，所以也常称之为ZnO避雷器。

ZnO电阻片的非线性比碳化硅好得多。ZnO避雷器可以不带间隙而只由非线性电阻片组成，称为无间隙避雷器。无间隙避雷器具有许多优点：①不存在间隙放电电压随避雷器内部气压变化而变化的问题，因此无间隙避雷器是理想的高原地区避雷器；②特别适用于直流输电设备的保护，直流电弧不像交流电弧有自然过零点，因此熄弧比较困难，无间隙避雷器不存在灭弧问题，所以用作直流避雷器是很理想的；③作为SF6全封闭组合电器中的一个组件是特别适合的，这可解决传统避雷器的间隙在SF6中放电分散性大和放电电压易随气压变化而变化等问题；④因不存在污秽影响间隙电压分布的问题，用于重污秽地区有很大的优越性；⑤改善了陡波下保护特性。

但是，无间隙ZnO避雷器在中性点非直接接地系统中仍存在一些问题，主要有以下3个方面。

（1）对于中性点非直接接地系统，其好处是短路电流小，当出现单相接地故障时，另外两相可继续运行，对通信系统的干扰也小；电力设备的开断容量较低。但是，对无间隙ZnO避雷器的运行条件十分严酷。无间隙ZnO避雷器除持续不断地耐受相电压的作用外，还要经常遭受单相接地后健全相电压升高到线电压的作用。按我国规定，往往超过2 h，有时甚至高达24 h。尤为严重的是，在单相弧光接地情况下，还将在事故相长时间承受高过电压。

（2）对一些弱绝缘（如旋转电动机）的特殊保护要求来说，无间隙ZnO避雷器的残压又太高不能起到可靠的保护作用。

（3）无间隙ZnO避雷器的价格太高。因为ZnO避雷器无间隙，所以必须承受各种过电压的作用。只要超过起始动作电压，避雷器则相当于动作一次，故要求ZnO避雷器有较高的容量，因而阀片必须加大尺寸，产品价格也随之上升。

虽然无间隙化是ZnO避雷器发展的主要方向，但配合以某种间隙可以改进其性能，以适应某些特殊的需要。

图6-50（a）为ZnO避雷器并联间隙原理图。在正常情况下，间隙g是不导通的，系统电压由电阻R1和R2两部分分担，单位电阻片上的电压负荷较低，当雷击或操作过电压作用时，流过R1和R2的电流将迅速增加，R1、R2上的电压（残压）也随之增加。当R2上的残压达到某一值时，并联间隙g动作，R2被短路，避雷器上的残压仅由R1决定，从而降低了残压。图6-50（b）为ZnO避雷器串联间隙原理图。图6-50（b）中，g1和g2为两串联放电间隙，r1和r2一方面作为g1和g2的均压电阻，另一方面又与ZnO电阻片一起组成一个分压器，分担着整个避雷器的电压负荷。若r1和r2负担50%电压负荷，R负担其余的50%电压负荷，就可以大大减轻ZnO电阻片上的电压负荷，这是SiC电阻片所不能做到的，因为SiC电阻片在小电流时电阻太小。ZnO电阻片则不同，它在小电流时的电阻完全可以与分路电阻相比较，在雷击或操作过电压发生时，r1和r2的电压提高，使g1和g2两间隙击穿，避雷器的残压就完全由ZnO电阻片R决定。在灭弧过程中，间隙仅仅负担50%恢复电压，其余的50%恢复电压由ZnO电阻片分担，大大减轻了间隙的灭弧负担。