金属氧化物避雷器是第三代避雷装置,是世界公认的当代最先进防雷电器,在我国为20世纪80年代引进日本生产设备和生产技术的新产品。其结构为将若干片ZnO阀片压紧密封在避雷器瓷套内。ZnO阀片具有非常优异的非线性特性,在较高电压下电阻很小很小,可以泄放大量雷电流残压很低,在电网运行电压下电阻很大很大,泄漏电流只有50~150μA,电流忒小可视为无工频续流,这就是可以作成无间隙金属氧化物避雷器的原因,它对雷电陡波和雷电幅值同样有限压作用,防雷保护功能完全是其突出优点。无间隙金属氧化物避雷器,在运行实践表明,它有损坏爆炸率高,使用寿命短等缺点,究其原因,暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而开发研制的带串联间隙金属氧化物避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点,同时有暂态过电压承受能力强的特点,是一种理想地扬长避短产品,结合国情在3~35kV系统串联间隙金属氧化物避雷器是被广泛推广应用的防雷电器。
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。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而金属氧化物避雷器只要不过载,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,是金属氧化物避雷器短时过载能力强的特点。
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。