现代氧化锌避雷器的工作原理及优缺点

2023-07-02 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是更为确切的。金属氧化锌避雷器是从阀片电阻着手，对避雷器进行改进的。目前MOA阀片的主要成分是氧化锌，所以也常称之为氧化锌避雷器。氧化锌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。但是，对无间隙氧化锌避雷器带来的运行条件十分严酷。

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是更为确切的。

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，通常做成角形有利于灭弧，如图9-35所示。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。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。但在两相或三相保护间隙同时动作，或中性点直接接地情况下，流过保护间隙的工频电流是短路电流，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。

图9-35 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约为十数次。再者管式避雷器伏—秒特性陡，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钢砂（碳化硅）制成的。阀式避雷器间隙的特点是将好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，间隙个数多时，每个间隙距离很小（约为1mm左右），所以电场比较均匀，再加上有照射，所以伏—秒特性很平坦，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。

金属氧化锌（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。金属氧化锌避雷器是从阀片电阻着手，对避雷器进行改进的。目前MOA阀片的主要成分是氧化锌，所以也常称之为氧化锌避雷器。

氧化锌电阻片的非线性比碳化硅好得多，如图9-36所示。氧化锌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，例如：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。

图9-36 碳化硅和氧化锌阀片性能比较示意图

但是，无间隙氧化锌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，对无间隙氧化锌避雷器带来的运行条件十分严酷。无间隙氧化锌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。按我国规程规定，往往超过2h，有时甚至高达24h。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，无间隙氧化锌避雷器的残压又太高，不能起到可靠的保护作用。

3）无间隙氧化锌避雷器的价格太高。因为氧化锌避雷器无间隙，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，故要求氧化锌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。

虽然无间隙化是氧化锌避雷器发展的主要方向，但配合以某种间隙可以改进其一方面的性能，以适应某些特殊的需要。

图9-37所示为氧化锌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）也随之迅速增加。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9-38所示为氧化锌避雷器串联间隙原理图。图9-38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，一方面又与氧化锌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，就可以大大减轻氧化锌电阻片上的电压负荷，这是碳化硅（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。氧化锌电阻片则不同，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氧化锌电阻片R决定。在灭弧过程中，间隙仅仅负担50%恢复电压，其余的50%恢复电压由氧化锌电阻片分担，大大减轻了间隙的灭弧负担。

图9-37 氧化锌避雷器并联间隙原理图

图9-38 氧化锌避雷器串联间隙原理图

由于带间隙氧化锌避雷器结构比无间隙避雷器复杂，又带来了有关间隙的弊病，人们正在致力于进一步提高氧化锌电阻片的非线性特性，使氧化锌避雷器既无间隙又有更优的保护性能。另外随着我国电网建设的迅速发展，交流1000kV特高压工程的投入试运行，对避雷器的生产、检验提出了更高的要求。

现代氧化锌避雷器的工作原理及优缺点

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