金属氧化物避雷器的发展与应用（一）-通信界-中国通信门户

　　摘要：文中结合金属氧化物避雷器的发展，论述了金属氧化物避雷器与碳化硅避雷器的技术特性，重点论述了复合绝缘氧化锌避雷器的的结构和特性，并对运行中存在的问题作以分析，提出了保证氧化锌避雷器安全可靠运行的基本技术措施。
　　关键词：避雷器分类选型运行

1.概述
　　避雷器作为输变电设备中的主要设备，在电网中运行时主要承受的电压有：雷电过电压、操作过电压、工频长期工作电压。正常条件下，避雷器能承受上述电压而正常工作。但在运行环境污秽条件下，避雷器将会不同程度地降低其绝缘性能。在污秽条件下，在长期工作电压作用下会使绝缘下降，导致污秽闪络的大面积停电事故。工频污闪事故造成的危害比雷电事故严重的多，已经成为电力系统安全运行的大敌。
　　随着电压等级的不断提高，电力系统对避雷器的要求越来越高。避雷器是保证电网安全可靠运行的关健设备之一。其性能优劣将影响整个电网的运行安全，随着电网向超高压大容量发展，作为统治高压电网近百年的瓷绝缘避雷器越来越明显地暴露出性能上固有的缺陷与弱点，如笨重易碎、强度低、易劣化成零值、表面呈亲水性、易产生污闪事故、清扫维护量大等，已不适应电力工业发展的要求。
　　用作避雷器绝缘的材料可分为无机和有机两种。无机材料主要是电工陶瓷和钢化玻璃，但这两种材料的湿闪电压和污闪电压低是其难以克服的缺点；有机材料包括环氧树脂、聚四氟乙烯、乙丙橡胶和有机硅材料等，有些国家甚至还采用了丁基橡胶、聚烯烃类材料等。其中，硅橡胶具有耐高低温(-110～300℃)、耐臭氧、耐紫外线、耐气候、电绝缘和疏水等优点；另外，硅橡胶重量轻、耐冲击，在运输和安装过程中不易损坏。故特别适合应用于高压避雷器的外绝缘。值得一提的是，在严酷的环境条件下，如长时间的干燥带电弧放电，以及表面沉积污秽层都会使绝缘子表面变为亲水性，从而导致闪络事故的发生。而硅橡胶复合绝缘避雷器能够在一定时间后自动恢复其表面的憎水性，并能使其表面的污秽层变得具有憎水性，表现出优异的耐污闪与耐湿闪性能，因硅橡胶所独有的性能使其在众多的材料中脱颖而出，成为最具竞争力的高压绝缘材料。

2.避雷器的发展

　　最近二十年，避雷器技术有两种基本的变化。首先，是一种以碳化硅为基本元件的简单的火花间隙避雷器，随后又发展为磁吹阀式避雷器。但是，它们都是以碳化硅电阻为基础的避雷器，称为碳化硅避雷器。第三代避雷器是所谓的无间隙避雷器，它是以更强的非线性金属氧化物作为基本元件的，这即众所周知的氧化锌避雷器。由于其优良的特性，已被迅速引进到各电压等级。在50kV以上的新建工程中，氧化锌避雷器正在成为专用避雷器。金属氧化物避雷器的高能量吸收力，保护性能稳定，而且残压低，不但在理论上如此，在全世界十年以上的实践经验也表明如此。

　　碳化硅避雷器仍在36kV以下的配电中使用，也许还将会使用更长一些时间，这有以下三方面原因。

　　中压电网中最低绝缘耐压水平与系统额定电压的函数关系，与50kV以上高压电网相比，中压电网的绝缘耐压（LIWL）与工频电压峰值间的裕度是很大的。可见碳化硅避雷器的残压（FKS）的保护水平是绰绰有余的，所以碳化硅避雷器还是有价值的。

　　第二个原因就是许多国家实际上中压电网的中性点为非有效接地。为了减小短路电流，变压器的中性点通过一个线性电阻接地，或通过限流电抗器接地（如消弧线圈）。因此，既使出现单相接地故障，电网也将运行一段时间而不会拉闸。双重接地故障和长距离小电流接地故障引起的相电压不平衡是可以接受的，这时健全相不会有故障电流流过，但其电压实际已上升至线电压，因此避雷器必须标线电压。在中性点有效接地系统中，金属氧化物避雷器在保护水平上没有明显优势。

　　第三个原因则是金属氧化物避雷器的价格稍为贵些。但是，随着运行人员价值观念的改变，金属氧化物避雷器价格已不再重要。因而使这种长寿命，高可靠性的新型避雷器在50kV以下电网中更具有竞争力。

前面所述保留传统避雷器的二种观点，即较大的保护裕度和较低的接地故障电流，已愈来愈不重要了。因为客观的经济评价显示出有必要重新认识其内在的技术特性。

　　由于绝缘的老化的特性，尤其对于变压器和电缆，以及户外绝缘的污染，导致了提高中压电网绝缘强度的必然性。而我们恰恰希望一种更低残压的避雷器和一个更低的电网绝缘强度要求，这会使其绝缘及其它电气元件延长使用寿命，减少污闪。尽管这种效益很难从理论和文献上准确地预测，但近年来的供电实践强有力地证明了这个希望是能实现的。

2.1碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器

　　碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器主要有两方面不同：保护水平和能量吸收能力。保护水平用避雷器两端出现的最高电压来定义，对于碳化硅避雷器就是其放电电压，即火花放电,也可称其为残压。此时的电压降是由流过的放电电流所产生的，电流越大，电压越高，能量越大。此时，串联的Sic阀片会呈现高阻抗，当工频电压下次过零时，放电间隙就能切断续流。尺寸设计优良的碳化硅避雷器的残压和放电电压差不多相等，因两者都与冲击波形有关，实践表明，由于制造有误差，将会存在散射区，尤其是碳化硅避雷器。这一散射区已明显高于工作电压。操作电压很难引起火花放电，也是这类避雷器的优点。但此电压虽然不高，可是有数毫秒之长，这时放电间隙的电侵蚀会使避雷器放电电压的准确性变坏。氧化锌避雷器通常用在电网的相电压稍低于U_C的情况下，金属氧化物避雷器端子上的电压超过U_ref时，避雷器立即开始导通其电阻降得越低，其端电压的上升越小。和碳化硅避雷器相比，其残压的上升是相当平缓，并随电流而变化的。

　　如果想比较碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器的残压，那么必须在同一电流的基础上比较，在10kA冲击电流下的比较。当WG24型避雷器和MWB型金属氧化物避雷器同时流过10kA冲击电流时，金属氧化物避雷器残压的明显改进是其最为陡峭的过电压波形，30μs后才是所谓操作过电压下的残压波形。而这种陡波仅在雷电冲击时出现。然而，这是很危险的，因为配电变压器对陡波很敏感。而且避雷器和变压器的距离也很重要，即所谓的“分离效果”。避雷器残压低意味着可以增加保护距离。

　　电网中的操作过电压是一种典型的非常危险的电压振荡，如在截流时，最高可至三至五倍的相电压，有时甚至更高，振荡频率由电网参数决定。在数千赫兹范围内。当几百安培的电流通过时，金属氧化物避雷器会限制振幅在较低操作电压保护水平内。电网中的感性贮存能量也会通过避雷器流入大地。另一种危险的过电压形式是，在操作大容量电容器组，电缆网络等产生的，这种现象应予注意。在操作电容器组时，有缺陷的操作装置，负荷开关，或者高压熔断器都可能引起重击穿或电弧重燃。当电容器出现过电压时，是通过避雷器卸流的。因此，这就要求该避雷器必须在操作过电压下有较低的残压并伴有大吸收能量。这就是以往只有使用火花间隙避雷器，并且是唯一的代价高昂的解决办法。而金属氧化物避雷器能量吸收力要比同规格的碳化硅避雷器高三到五倍。

　　因为金属氧化物避雷器有较低的残压，所以会比碳化硅避雷器释放过电压次数更多些。同时性能也不会变坏。事实上，碳化硅避雷器不能抵御长时间的操作过电压对火花间隙的侵蚀。只要金属氧化物避雷器不过载，那么它的性能是稳定的。调查表明：数千次过电压后，金属氧化物避雷器的特性仍没有任何变化。金属氧化物避雷器也能在交流电压下短时过载，暂时工频过电压（TOV）产生的放电电流不会损坏避雷器，这就是金属氧化物避雷器的短时过载能力。

2.2金属氧化物避雷器的设计

新型氧化锌避雷器的设计是很简单的。主要部件是圆柱形的金属氧化物电阻。ABB公司还设计了棒式，即所谓“单块体”等不同规格的品种。圆柱直径由避雷器能量吸收能力及额定放电电流决定。10kA，47mm的圆形阀片是最为常用的。当然，对于5kA放电电流，也可以使用更小的阀片，圆柱高度决定了持续运行电压，一般每千伏要求10mm高度。电阻块的圆柱形侧面有玻璃状的钝化层，用火焰将铝喷烧在上、下端的导电面，把电阻块一个一个地叠起来就可以满足更高电压的要求了。

金属氧化物电阻由坚硬的螺簧固定，螺簧同时还提供了电阻与端子的紧密接触压力。上下两端巨型帽状物是铸铝的，是避雷器的压力释放装置。

　　金属氧化物避雷器是国外60年代开始发展起来的过电压保护的新技术，我国从1976年开始进行电力金属氧化物避雷器的研究，自80年代以来，我国的金属氧化物避雷器技术发展很快，并引进国外先进技术及生产线，到目前国内金属氧化物避雷器的生产，无论从数量、规格、还是从质量上都已形成相当的规模和水平，

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