（电力系统及其自动化专业论文）氧化锌避雷器运行状况研究.pdf

氧化锌避雷器运行状况研究 a b s t r a c t m e t a lo x i d es u r g ea r r e s t e rs e r v e sa st h em o s ti m p o r t a n ta p p a r a t u si ne l e c t r i c a l e q u i p m e n to v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n t h eq u a l i t yo fi t sp e r f o r m a n c ep l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nm a i n t a i n i n gt h es a f e t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s oi ti so b v i o u st h a tt h es t a t eo f m e t a l0 x i d ea i r e s t e rh a st 0b ed e t e c t e di no r d e it op r e v e n tt h e mf r o ma b n o r m a lw o r k a c c o r d i n gt 0t h ea p p l i c a t i o na c t u a l i t yo fm o a i nt h ep o w e rs y s t e mo fg a n s up r 0 v i n c e ， t h et h e s i sj n v e s t i g a t et h em o a o p e r a t i o n p r i m a r yc o n t e n t sj c l u d es e v e r a lf a c e t s ： a b o u tp o w e rs t a t i o nm o a ，i ti s n tr e l i a b l et ot e s tm o aa c c o r d i n gt oc o n v e n t i o n a l m e t h o d s t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ec o m p o s i t i v em e a n so fe l e c t r i f e r o u st e s t i n g ，o n l i n e m o n i t o r i n 岛o f f - l i n et e s t i n gt oe s t j m a t et r i u m p h a n t l yt h er e a s o no f3 5 k va b n o r m a l 0 n 1 i n ec u r r e n td e t e c t i o nm o a ，t h ed a m pd e f e c to fm o aw a sa f f i r m e di nt h ee n d t h r o u g ht h ea n a i y s i so fe x p l o s i o na c c i d e n to f3 5 k vn e u t r a li n s u l a t i o nm o a ，w e s u m m a r i z et h ea t t e n t i v eq u e s t i o n0 fm o d e lc h o i c e ，t e s t i g ，o p e r a t i o n ，m a i n t e n a n c ea n d s o0 n a b o u tl i n em o a ，i tg i v e so rt a k e sa1 0 to ft r o u b l et od op r e v e n t i v ee x p e r i m e n t a u a l l y i ti so fv e r yi m p o r t a n c et of i n dt h ee s s e n t i a lo p e f a t i o nd i s c i p l i n a r i a na n dt h e m e t h o do fm a i n t e n a n c e t h i sp a p e re x p e r i m e n ta n da n a l y z et h ed a f ao f2 2 0 k vl i e m o ai ng a s up r o v i n c ep o w e rs y s t e ma n ds u mu pt h ee s s e n t i a la t t e n t i v eq u e s t i o n0 f a p p l i c a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h r o u g ht h ei n q u i s i t i o no fm o a m a n u f a c t u r e ，t h i ss t u d y p o i n to u tt h a ti ti sn e c e s s a r yt og e n e r a l i z en om a i n t e n a n c em o a p o w e rl o s si st h ei m p o r t a tp a r a m e t e rt oe s t i m a t et h ep e r f o r m a n c e0 fm o a ，i ti s t h ec o i n p l i c a t e df h n c t i o no ft e m p e r a t u f ea n dr a t eo fc a r r y i n g e l e c t r i c i t y ， i t i s c o m p a f a t i v ed i f f i c u l tt os i m u l a t ea c c u r a t e l yt h r o u g he c u m e n i c a lm e a s u r e t h i st h e s i s a p p i yt h ea n nm o d e it oa n a l y z et h ec h a r a c t e ro fz oe l e m e n t ，t h er e a s o n a b i l i t ya n d v a i i d j 哆o ft h es i m u l a j o n o d e la r et e s t i f j e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l tb a s e do nm a f l a b 6 5 s i m u l i n k ，i tp r o v i d e san e wo r i e n t a t i o nt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e ro fz n 0 e l e m e n t k e yw o r d s ：m o a ；0 p e r a t i o na c t u a i i t y ；a p p l i c a t i o ：a r t i f c i a ln e u r a in e t w o r k 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 砻定殓 日期：2 卯拄f 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：，劝年占月占日 日期珈缉多月知日 硕十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 氧化锌避雷器( m e t a l0 x i d es u r g ea r r e s t e r m o 砧是2 0 世纪7 0 年代初期出 现的过电压保护装置，其关键元件是氧化锌阀片。与以前的碳化硅阀片相比，氧 化锌阀片具有更加优良的非线性特性，其有保护特性好、通流容量大和结构简单 可靠等优点，可以给电力设备提供更好的保护水平和更大的保护裕度，在电力系统 中得到了广泛的运用，氧化锌避雷器已经取代了系统中的碳化硅避雷器。 氧化锌避雷器是发电厂、变电所及输电线路用来保护电力系统中各种电气设 备免受过电压损坏的电气产品，其性能的优劣对电气设备安全运行起着很大的作 用。其主要作用是吸收大气( 雷电) 过电压、操作过电压等的冲击能量，降低输电 线路雷击跳闸率，防止过电压进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备。 近年来甘肃电力系统为了降低输电线路的雷击跳闸率，在陇南、陇东等地区 加装了数量不少的氧化锌避雷器。目前在用的氧化锌避雷器有的已运行多年，运 行状况还是个未知数。那么这些避雷器的运行状况怎样，其是否开始老化，非线性 特性是否发生变化，技术管理方面应采取什么措施等问题倍受关注。 1 2 过电压保护装置的产生背景 电力工业是国民经济的重要部门之一，它既为现代工业、现代农业、现代科 学技术和现代国防提供必不可少的动力，叉和广大人民群众的日常生活有着密切 的关系。国民经济要高速发展，电力工业必须先行。 电力网中各种电气设备能否正常可靠安全运行，主要决定于设备的绝缘水平 和作用于绝缘上的电压高低。电力系统在正常运行情况下，作用在电气设备上的 电压为额定电压，但由于种种原因，在电力系统中的某些部分其电压可能升高， 而且有时会大大超过正常运行电压，这就有可能发生电气设备绝缘严重损坏的事 故，会给广大用户造成长时间停电，从而给国民经济带来重大损失。由此可见， 由于过电压引起的事故其危害性是很大的，对整个电力系统的安全运行关系甚为 密切。因此，做好过电压保护工作以防止事故的发生是电力工业部门日常反事故 斗争的重要内容之一，任务十分艰巨。 电力系统产生过电压原因很多，主要可分为大气过电压、工频过电压、操作 过电压、谐振过电压等。为防止过电压产生的各种危害，必须设置过电压保护装 氧化锌避雷器运行状况研究 置。 超过电力系统最高正常工作电压称为过电压。由电力系统外部的雷电引起的 过电压，称为外部过电压或称雷电过电压。由电力系统内部原因引起的过电压称 为内部过电压，如操作引起的称为操作过电压。为了防止电气设备在遭受外部过 电压或出现内部过电压的情况下发生损坏，选用合适的过电压保护措施至关重要。 1 3 过电压保护装置的发展 过电压保护装置是电力系统过电压防护的最重要的设备，它的发展大致经历 了一个从放电间隙到氧化锌限压器的过程，如表1 1 所示。而氧化锌避雷器的出现， 立即以其优异的性能得到了广泛的认可， 表1 1 过电压保护装置发展过程 开发年代 保护装置类型 1 9 世纪7 0 至8 0 年代棒形放电间隙和熔丝 1 9 世纪末角形保护间隙，防止雷击损坏设备绝缘而造成事故 2 0 世纪2 0 年代铝限压器，氧化膜限压器 2 0 世纪3 0 年代管式限压器，主要用于发电厂、变电所进线和线路的 保护 2 0 世纪4 0 年代碳化硅限压器，用于交直流系统发变电设备的保护， 4 0 年代至5 0 年代迅速发展，并一直应用至今 2 0 世纪5 0 年代 碳化硅磁吹限压器，复合式限压器 2 0 世纪6 0 年代氧化锌压敏电阻，用于电子设备的保护 2 0 世纪7 0 年代氧化锌限压器，用于交直流电力系统发、变电设备的 保护，正逐渐取代碳化硅限压器 2 0 世纪8 0 年代合成绝缘氧化锌限压器，用于发、变电设备保护外， 还包括线路防雷及深度限制操作过电压等 从保护装置的发展过程看，大致可以分为两个阶段和两大类：一是保护间隙， 包括普通棒形间隙、角间隙和管型限压装置等，二是各类具有非线性电阻的阀型 限压装置。 普通棒形间隙和角间隙没有专门的灭弧装置，可以和自动重合闸配合使用， 而管型限压装置带有产气式灭弧管，可以熄灭更大的工频电弧。这些装置从保护 性能来说存在两个主要的缺陷： 动作时产生很陡的截波，对如电机和变压器等高压设备的纵绝缘造成严重 危害。 间隙放电的伏秒特性很陡，很难用来保护伏秒特性比较平坦的设备绝缘。 2 硕十学位论文 带有串联放电间隙和碳化硅非线性电阻阀型限压装置的出现克服了上述缺 陷，采取有效措施使放电间隙的伏秒特性比较平坦，而且由于电阻的非线性，避 免动作时出现很陡的截波。根据应用需求和技术发展，碳化硅限压器又经历了磁 吹放电间隙和做成复合式限压器两种类型。前者以磁吹间隙提高了灭弧能力，后 者在雷电过电压下一部分碳化硅电阻被并联的间隙短接而降低冲击残压。这些技 术上的进步提高了限压装置的保护性能，但是却使装置的结构更加复杂，价格也 随之提高。 碳化硅避雷器因为在防雷性能上有其突出的优点而被电力系统高压设备广泛 采用，但也存在着一定的缺点：一是只有雷电最大幅值限压保护功能，而无雷电 陡波保护功能，防雷保护功能不完全；二是没有连续雷电冲击保护能力；三是动 作特性稳定性差可能遭受暂态过电压危害；四是动作负载重使用寿命短等。这些 潜在的缺点已暴露出碳化硅避雷器在使用的过程当中存在影响电力安全的隐患且 其产品技术也比较落后。 氧化锌限压器的出现又从根本上解决了对限压特性的要求，其中最关键的是 氧化锌电阻所具有的优异的非线性u i 特性，不仅残压大大降低，而且有可能避 免放电间隙带来的一系列问题。可以认为，氧化锌限压器的研制成功和推广应用 是7 0 年代以来过电压保护方面所取得的突出科研成果，使电力系统和电子设备的 过电压防护技术达到了一个新的水平。 1 4 氧化锌避雷器的发展 1 9 6 8 年日本松下电气公司首先研制了氧化锌压敏电阻，用于电子器件的浪涌 电流吸收器和过电压保护装置。随后，日本和欧美各电力公司相继把它引入高电 压领域。经过1 0 多年的不断改进，已发展成为电力系统过电压保护的高压瓷套氧 化锌无间隙避雷器的系列产品。1 9 7 6 年国际大电网会议上，氧化锌避雷器一致被 公认为保护电器的发展方向。此后国际电工委员会( i e c ) 3 3 研究委员会成立了工 作组，从事研究性试验，1 9 7 8 年i e c 一3 3 委员会负责制定了氧化锌避雷器的技术标 准，8 1 年底提出初稿，1 9 8 4 年发表了“交流无问隙氧化锌避雷器技术规范”。我国 自8 0 年代开始研制并引进日本的氧化锌阀片生产技术，至今己能生产3 5 0 0 k v 系 列的氧化锌避雷器。实践已证明氧化锌避雷器的先进性和优越性，从1 9 7 9 年起日 本各避雷器生产公司己不再生产8 4 k v 以上的传统碳化硅避雷器，而以氧化锌避雷 器取代。现在，氧化锌避雷器正逐步取代碳化硅避雷器，成为电力系统过电压保 护的重要设备n 】。 1 、氧化锌避雷器发展所提出的新要求 氧化锌避雷器由于具有氧化锌非线性电阻的突出优点，在电力系统中得到了 3 氧化锌避雷器运行状况形f 究 广泛的应用，对于保证电力系统的正常运行起了非常重要的作用。根据有关部门 的调查，我国的氧化锌避雷器运行经验表明，国产的1 1 0 k v 以上的高压氧化锌避雷 器运行情况逐年有所改善，统计事故率还低于进口的氧化锌避雷器。 另外一方面，国内外运行经验还表明，目前所采用的传统瓷套氧化锌避雷器 结构上还有下述某些缺点，可能影响其在运行中的安全可靠性。 易内部受潮，使避雷器性能劣化。 。 根据美国p e n n s y l v a n i a 电力电灯公司统计，瓷套式氧化锌避雷器的事故率达到 0 2 1 o ，而其中2 5 属恶性事故。1 。我国国产高压氧化锌避雷器事故率为0 2 1 9 相百相年。事故的主要原因是由于密封不良导致内部受潮造成的，受潮引起的故 障率约占6 0 “1 。文献指出，对配电型避雷器来说，由于受潮而引起故障的比率 高达8 5 6 。 避雷器受潮除了制造工艺方面的问题外，根本原因就是存在呼吸作用。据估 算，瓷套式高压氧化锌避雷器内部空腔约占整个内部空间的5 0 。在环境温度冷热 循环变化下，内部空气或膨胀或收缩而形成呼吸作用，在长期运行过程中使原来 存在的微小漏孔有可能扩大，潮气逐步侵入，最后导致故障。 瓷套爆炸引起的安全问题。 瓷套避雷器在发生故障后，内部的空气受电弧高温加热而急剧膨胀，产生很 大的压力。一般配电型避雷器没有压力释放装置。尽管目前高压瓷套氧化锌避雷 器都设有压力释放装置，但由于电力系统不断扩大，系统的短路电流不断增加， 加大了压力释放的难度，因而避雷器爆炸的恶性事故仍然时有发生。我国现在对 1 0 k a 、2 0 k a 等级的电站型氧化锌避雷器的压力释放动作大电流要求为4 0 k a ，北美 已提高到了1 0 0 k a 。避雷器发生爆炸，将损坏其它设备，危及运行人员的安全。 为了克服瓷套氧化锌避雷器在运行中的缺陷，满足电力系统对保护装置所提 出的新要求，并扩大其应用范围，在国外，自8 0 年代开始就研制合成绝缘氧化锌 避雷器，迄今合成绝缘氧化锌避雷器已经在国内外得到了较大的发展。 2 、合成绝缘氧化锌避雷器 ( 1 ) 合成绝缘氧化锌避雷器的发展概况口“3 配电系统及变电站使用的合成绝缘避雷器 针对瓷套式配电型氧化锌避雷器一般不带压力释放装置，故障率高，加之发 生事故时瓷套爆炸的情况较多，美国g e 公司1 9 7 9 年开始研制配电系统用合成绝缘 氧化锌避雷器。它采用玻璃纤维包裹阀片，然后用环氧树脂将其浇注成一个整体， 外面再套上橡胶裙套，已经研制出了9 k v 2 7 k v 的合成绝缘氧化锌避雷器。随后 美国m c g r a w e d i s o n 公司和电力电灯公司在1 9 8 7 年研制出1 2 k v 的配电系统用合成 绝缘氧化锌避雷器。1 。日本电力中央研究所和音羽电机工业联合研制出2 2 k v 的配 电系统用合成绝缘氧化锌避雷器。 4 硕十学位论文 在我国，9 0 年代以来1 0 k v 合成绝缘氧化锌避雷器得到了很大的发展，已在全 国各地投入运行。同时于1 9 9 3 年研制成1 1 0 k v 2 2 0 k v 合成绝缘氧化锌避雷器，可 直接悬挂在变电站的门型构架上或室内变电站的入口处。“。 用于输电线路限制雷电过电压的合成绝缘氧化锌避雷器 随着电力系统的发展，由于雷击输电线路而引起的事故也日益增多。例如， 根据电网故障分类统计表明，日本5 0 以上电力系统事故是由于雷击输电线路引起 的1 “。 为了提高供电可靠性，提出了在线路上装设避雷器来减少线路雷击事故的要 求，而瓷套氧化锌避雷器由于重量大及安全问题，难以满足上述要求。 美国a e p 和g e 公司1 9 8 0 年开始研制线路防雷用合成绝缘氧化锌避雷器，1 9 8 2 年l o 月有7 5 只在1 3 8 k v 线路上投入试运行“”。结构上采用环氧玻璃筒包裹氧化锌 阀片，筒外套上橡胶裙套。 日本自1 9 8 6 年开始研制输电线路限制雷电过电压用合成绝缘氧化锌避雷器 “”，1 9 8 6 年和1 9 8 8 年先后研制出7 7 k v 和2 7 5 k v 合成绝缘氧化锌避雷器，到1 9 8 9 年 已有4 6 7 0 相合成绝缘氧化锌避雷器在3 3 k v 2 7 5 k v 系统的6 1 0 k m 线路上运行，使日 本成为迄今在线路上装设合成绝缘氧化锌避雷器最多和应用最广泛的国家，而且 运行情况一直很好。 用于输电线路深度限制操作过电压的合成绝缘氧化锌避雷器 在超高压和特高压线路进行操作时，过电压幅值沿线分别是不均匀的，一般 线路中间的过电压幅值比两端高，特别是线路长度较大( 4 0 0 k m 5 0 0 k m 或以上) 时，将高出比较多，这将对深度限制过电压水平带来困难。沿线装设避雷器将显 著改善过电压沿线分布，同时可以降低单组限压器所承受的通流能力要求“”。 文献对采用避雷器限制特高压线路操作过电压进行了研究。对长度为6 3 0 k m 的1 1 5 0 k v 线路，若避雷器之间的间隔距离不大于5 0 k m 1 0 0 k m ，线路上的最大操 作过电压比避雷器残压不会超过5 ，而只在线路两端装设避雷器的情况下，最大 过电压可超过残压的6 0 。 前苏联列宁格勒工业大学从8 0 年代中期开始，完成了一系列合成绝缘氧化锌 避雷器的研究。已研制出1 1 0 k v 1 1 5 0 k v 系列无间隙合成绝缘氧化锌避雷器，主 要目的是应用在超高压和特高压输电线路及紧凑型输电线路深度限制操作过电 压。 ( 2 ) 合成绝缘氧化锌避雷器的优点 合成绝缘氧化锌避雷器与瓷套氧化锌避雷器相比具有许多优点，主要有如下 几个方面： 在很大程度上消除了避雷器内部受潮的隐患 合成绝缘氧化锌避雷器，特别是采用内部真空浇注结构，排除了内部气隙， 氧化锌避雷器运行状况研究 这就在很大程度上消除了限压器受潮的隐患，提高了限压器的使用可靠性。 从根本上消除限压器裙套爆炸的危险 合成绝缘氧化锌避雷器的裙套材料为硅橡胶，这就从根本上消除了避雷器瓷 套爆炸的危险。即使发生内部故障，也只是裙套裂开，不会成碎片飞出，也就不 构成对工作人员及其它设备的危害。 重量轻，体积小，扩大了限压器的使用范围 以额定电压为1 0 0 k v 的氧化锌避雷器为例，瓷套式的重量约1 6 0 k g ，合成绝缘 避雷器重约2 5 k g ，其中主要是非线性电阻的重量。所以合成绝缘氧化锌避雷器可 以做成悬挂式结构，悬挂在变电站门型构架上，节省占地，也可拱悬挂在线路杆 塔上以限制线路上的雷电和操作过电压。 耐污性能好 构成裙套的硅橡胶表面具有憎水性，可以大大提高其耐污性能，或者可以适当 减小外绝缘爬距。 散热特性好 合成绝缘氧化锌避雷器的阀片与裙套紧密结合，加之硅橡胶本身的散热性能很 好，使阀片的热量传到外部环境的等值热阻减小。因此避雷器的整体散热系数增 大，散热时间常数减小，动作后的热量能很快散发，可提高避雷器的过电压耐受 能力。 制造工艺简单 合成绝缘的加工比瓷套的制造工艺简单成品率很高，而瓷套的制造工艺相对 复杂，周期长，合格率低。 1 5 氧化锌避雷器的应用 1 、氧化锌非线性电阻在电子系统中的应用 氧化锌非线性电阻在电子系统中的应用是相当普遍的“”。如前所述，包括在 民用电子设备、军用电子设备、电子计算机、通信系统、工业及运输设施中的电 子设备等领域。 在电子系统中的应用主要有两方面的功能：低压电源线的保护和信号线的保 护。 如图1 1 所示为低压电源线的保护，其目的是防止从配电系统传播侵入的过电 压对电子系统的危害。在火线、地线和零线之间接入氧化锌非线性电阻既能限制 共模干扰，也能限制差模干扰。 对有些电子系统的信号线。保护的要求是很高的，往往需要采用多级保护电 路。图1 2 所示为信号平衡线的多级保护原理图，其中放电管d t 为第一级保护， 6 硕士学佛论文 火线l 零线n 地线g 图1 1 电源线的保护电路 冲击电流作用时起泄流作用。氧化锌非线性电阻作为第二级保护，用来吸收干扰 能量及比较稳定地限制过电压水平。暂态电压钳位二极管t v s 作为第三级保护， 用来比较精确地钳制电压。阻抗z 1 和z 2 根据被保护的电子设备的参数不同，可以 是电阻或电感。按照以上多级保护电路，氧化锌非线性电阻通过与正温度系数热 敏电阻p t c 、放电管、阻抗及t v s 的配合，能比较可靠和精确地将数据线的电位 钳制在一定水平。 数据线 数据线 图1 2 平衡线的多级保护原理图 p t c 一正温度系数电阻；d t _ 一放电管；t v s 一暂态电压钳位二极管 2 、氧化锌避雷器在电力系统中的应用 氧化锌避雷器在电力系统中的应用主要是以氧化锌阀片组装成限压器的形式 来实现的。目前氧化锌避雷器已成为电力系统中性能最好和发展最快的过电压保 护装置，其主要作用是吸收雷电过电压、操作过电压等的冲击能量，防止过电压 进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备，具体来说可以列出以下几个方面： 1 、配电系统的过电压防护“； 2 、敞开式和g 1 s 变电站的过电压防护。”3 ； 3 、并联和串联补偿电容器的保护”； 4 、发电机的过电压保护。“； 5 、限制电动机投切产生的操作过电压o “； 6 、限制中性点未直接接地的变压器中性点的过电压”“； 7 、线路载波通讯用阻波器的保护“”； 7 氧化锌避薅器运行状况研究 8 、输电线路防雷“”； 9 、深度控制输电线路操作过电压水平。”驯； 1 0 、直流输电系统换流站的过电压保护”： l l 、大型发电机转子回路灭磁过程中的过电压保护和能量吸收。”； 1 2 、超高压直流断路器开断时系统中的能量吸收。”3 “； 由于提高被保护设备可靠性和降低过电压水平能带来巨大经济效益，而氧化 锌非线性电阻特性对限制过电压起着关键作用，所以各国都在竭力研究改进氧化 锌材料的工艺和性能，以期得到更理想的效果。 1 6 本论文研究的内容 本论文以氧化锌避雷器为研究对象，从氧化锌避雷器的结构、工作原理，电 站型、线路型氧化锌避雷器的应用，氧化锌阀片的功率损耗的神经网络仿真模型 几个方面来研究和论述。 第二章介绍了氧化锌避雷器的分类，氧化锌非线性电阻的基本结构，电站型、 线路型氧化锌避雷器的结构以及氧化锌避雷器的基本原理。 第三章对电站型氧化锌避雷器，传统的常规停电测试已经不能保证氧化锌避 雷器的健康运行。本章通过对两例电站型氧化锌避雷器典型故障的分析，探讨了 电站型氧化锌避雷器应用中应注意的问题。 第四章对输电线路氧化锌避雷器做预防性试验费时费力，本章通过对两只动 作次数较多的2 2 0 k v 线路型氧化锌避雷器的试验分析，总结了线路型氧化锌避雷 器应用、维护中应注意的问题。指出“免维护”是线路避雷器推广的关键。 第五章对氧化锌阀片的功率损耗建立人工神经网络仿真模型，利用 m a t l a b 6 5 s i m u 】i n k 仿真，为氧化锌阀片的功率损耗特性的研究提供了一条思路。 8 硕十学位论文 第2 章氧化锌避雷器的结构和基本原理 金属氧化物避雷器是2 0 世纪7 0 年代初期出现的，它是继碳化硅避雷器之后发 展起来的另一种高性能的电气设备的过电压保护装置。主要以z n 0 为主要成分，掺 加少量c 0 2 0 3 、s b 2 0 3 、b i 2 0 3 等金属氧化物作为掺杂剂，用特定工艺制成的避雷器”， 因此又叫氧化锌避雷器，英文缩写为m o a 。目前氧化锌避雷器已成为电力系统中 性能最好和发展最快的过电压保护装置，是发电厂、变电所及输电线路用来保护 电力系统中各种电气设备免受过电压损坏的电气产品。 氧化锌避雷器主要作用是吸收雷电过电压、操作过电压等的冲击能量，防止 过电压进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备。从避雷器发展历史来看， 经历了从放电间隙到氧化锌限压器的过程”“。其主要优点是无续流，故体积小、 结构简单、通流容量大，降低电气设备所受到的过电压，运行维护方便，使用寿 命也长，造价也低，因而有很大的发展前途。 2 1 概述 氧化锌避雷器目前是国际上最先进的过电压保护器，由于其核心元件采用氧 化锌电阻片，与传统碳化硅避雷器相比，氧化锌避雷器改善了避雷器伏安特性、 具有优异的保护特性、提高了过电压通流能力、高运行可靠性等优势而逐步取代 碳化硅避雷器在电力系统中广泛应用，从而带来了避雷器特征的根本变化。实验 中发现氧化锌、碳化硅电阻阀片在1 0 k a 电流下的残压，与普通的阀型避雷器的阀 片是相同的，但在额定电压下氧化锌对应的电流一般在1 0 。5 a 以下，可近似的认为 其续流为零，而碳化硅的续流却是1 0 0 a 左右，也就是说在工作电压下，氧化锌阀 片实际上相当于绝缘体。 氧化锌非线性电阻具有一系列的优良性能，主要有如下几个方面： ( 1 ) 残压低，使限压装置具有优异的保护性能 由于具有优异的非线性u i 特性，使雷电和操作过电压作用下残压降低，易于 实现与被保护设备之间合理的绝缘配合，增强安全裕度，或者可以降低设备绝缘 水平和造价。 图2 1 为氧化锌和碳化硅非线性电阻的u i 特性的比较，可以看出氧化锌非线性 电阻的特性明显优于碳化硅非线性电阻。不难理解，氧化锌半导体材料的出现， 使已具有长期使用历史并一直沿用至今的碳化硅电阻的应用范围在急剧缩小。 ( 2 ) 动作时延小，陡波响应特性好 带串联间隙的限压器的保护性能受间隙动作时延的影响，表现在放电电压和 9 氧化锌避雷器运行状况研究 放电时间的伏秒特性。陡波作用下的放电电压上升，使保护性能变坏。 无间隙氧化锌限压器的陡波响应特性主要指陡波冲击电流作用下的电压响 应。研究表明，氧化锌的导通时间很短，约为数千纳秒。近年来由于g i s 中的特快 速暂态( v f r ) 过电压的提出，对陡波电压响应中出现的过冲现象，引起学术界 的关注。但是研究表明，氧化锌非线性电阻的陡波响应特性比放电间隙要好。 ( 3 ) 通流容量大，吸收过电压能量的能力强 对于用作限压的非线性电阻要求有很大的通流容量，对1 1 0 k v 以上的限压装置 要求具有1 0 k a 以上的雷电冲击电流( 8 2 0 u s ) 的耐受能力，具有承受1 0 0 0 a 以上操 作冲击电流( 2 0 0 0 u s 方波) 的多次作用。 氧化锌陶瓷半导体具有很大的通流能力，与碳化硅相比，其单位面积的通流 能力大4 4 5 倍，而单位体积吸收的过电压能量，则可以大4 倍左右。 叩 鞋 彗 舢 锄 ， 2 5 ， 以o 。因此，线路的耐雷水平与3 个重要因素有 关，即线路绝缘子的5 0 放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来 说，线路的5 0 放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和大气条件相关，不 加装避雷器时，提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻，在山区， 降低接地电阻是非常困难的，这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。 加装避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部 分雷电流从避雷线传入相临杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后， 避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷 电流在流经避雷线和导线时，由于导线问的电磁感应作用，将分别在导线和避雷 线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种 分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘予串的 闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很好的钳制电位作用， 这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。 以往输电线路防雷主要采用降低杆塔接地电阻的方法，在平原地带相对较容 易，对于山区杆塔，则往往在4 个塔脚部位采用较长的辐射地线或打深井加降阻 剂，以增加地线与土壤的接触面积降低电阻率，在工频状态下接地电阻会有所下 降。但遭受雷击时，因接地线过长会有较大的附加电感值，雷电过电压的暂态分 ； 量上导会加在塔体电位上，使塔顶电位大大提高，更容易造成塔体与绝缘子串的 d f 闪络，反而使线路的耐雷水平下降。因为线路避雷器具有钳制电位作用，对接地 电阻要求不太严格，对山区线路防雷比较容易实现，加装避雷器前后线路的耐雷 水平与杆塔冲击接地电阻的关系见图4 3 ，从图中不难发现加装线路避雷器对防雷 效果是十分明显的。 4 4 线路氧化锌避雷器研究和应用中存在的问题 虽然线路氧化锌避雷器在输电线路防雷效果十分显著，但是在线路型氧化锌 避雷器的研究与应用过程中还存在着一些问题 。 ( 1 ) 线路型无间隙氧化锌避雷器由于阀片老化、劣化作用而使其应用寿命缩 短。 硕十学位论文 图4 3 线路耐雷水平l _ 与杆塔冲击接地电阻r l 的关系 虽然氧化锌电阻阀片具有理想的非线性伏安特性，在额定电压下通过金属氧 化锌阀片的电流在1 0 巧a 以下”，但是安装在杆塔上的无间隙氧化锌避雷器的阀 片长期直接承受工频电压的作用，长时间的运行电流就会引起氧化锌阀片的老化， 使阻性泄漏电流增加进而功耗加大，对避雷器产生不利影响。国内外运行经验也 表明，无间隙氧化锌避雷器的损坏主要是电网运行电压所致。 ( 2 ) 线路型外串间隙氧化锌避雷器的间隙放电分散性比较大 近年来一些国家开始研究发展带串联间隙的氧化锌避雷器。间隙型线路避雷 器在正常运行时，电阻阀片基本上不承受线路工频电压，避免了持续运行电压引 起阀片劣化。但是由于避雷器外串间隙一般为形状不对称间隙，在不同极性的雷 电作用下，形状不对称间隙的击穿电压在数值上具有明显的差别，且其分散性也 较大。外串间隙的放电分散性容易出现在雷电冲击下被保护的绝缘子串发生闵络， 而线路避雷器并没有动作，避雷器起不到可靠地保护杆塔绝缘子串的作用。 ( 3 ) 线路避雷器耐受雷电流、大幅值雷击能力 在预期使用寿命中线路避雷器能否耐受出现的雷电流、耐受大幅值雷击能力 对于线路避雷器的安全运行至关重要，但是现有的国内外资料无法回答避雷器可 以耐受雷电流的合理界限。应当从两个方面来衡量避雷器耐受雷电流的能力，一 个是雷电流的幅值，另外一个是雷电流的能量。 ( 4 ) 耐雷水平的计算和分析 目前国内外关于输电线路采用氧化锌避雷器雷电过电压研究的文献比较少， 并且在模拟计算有一些不足之处，耐雷水平的计算结果往往偏大，不能真实反映 出显露杆塔在安装线路避雷器之后的效果。并且线路避雷器的保护范围有限，一 般一只避雷器只能保护一相线路绝缘子串，对相邻杆塔的线路绝缘子串几乎没有 效果，也不能保证同杆塔邻相不发生闪络，而线路中所有杆塔上a b c 三相全部安 装线路避雷器，其投资太大，因此在投资安装避雷器之前应该进行必要的评估。 氧化锌遥雷器运行状况研究 4 5 线路避雷器防雷措施 在高压输电线路中，落雷所击的部位一般有三处：杆塔顶，避雷器挡距中央 及其附近以及绕过避雷线直击导线处，其中以雷击杆塔顶端最为严重。 当雷击杆塔顶端时，雷电流经过杆塔冲击接地电阻散入大地，导致了杆塔顶 端出现雷电过电压。当雷电过电压超过绝缘子串所能耐受的数值时，绝缘子串将 发生闪络现象，这种现象称为“反击”。当雷直击杆塔引起绝缘子串闪络时，雷电 流将沿着绝缘子串表面的闪络通道流入导线，并沿着导线向相邻杆塔传播。由于 雷电电流持续时间只有几十微秒，在这个时间内线路开关来不及动作，只有当沿 闪络通道流过工频电流所形成电弧持续燃烧时，线路才会跳闸停电造成事故。 输电线路防雷设计的目的是提高线路的耐雷水平，降低线路的雷击跳闸率。 在确定输电线路的防雷方式时，应全面考