避雷器在电力系统应用中的问题分析

山西农业大学工程技术学院毕业设计论文避雷器在电力系统应用中的问题分析1 引言1.1 国外发展动态近年来，国外避雷器发展较快，其在避雷器开发方面具有以下几点：(1) 高梯度电阻片的开发首先研究开发出高梯度电阻片为上世纪九十年代中期，其梯度为400Vmm，约是通常电阻片的两倍，近年来研究已达600Vmm。这种高梯度电阻片，开始主要用于金属封闭避雷器和油浸避雷中，随后用于所有的避雷器产品。第一台使用高梯度电阻片的154kV金属封闭避雷器运行已超过六年，到目前采用高梯度电阻片的避雷器业已超过5000相，运行情况正常。(2) 线路避雷器的开发据介绍，在日本输电线路的电气故障超过半数是由于雷电引起的，为了降低雷电灾害，采取了多种对策，如降低接地电阻、架设保护线，保护角减小等等。利用金属氧化物避雷器保护线路，于1980年开始，用在66kV和77kV系统，目前己发展至500kV线路。线路避雷器绝大部分为有间隙，电压等级集中在66kV和77kV系统。近几年的发展表明66-154kV线路安装仍然较多，产品是小型化后的轻便型，便于安装，也减低了成本。铁塔单方向全装的情况为多。俄罗斯是目前世界上具有最高电压等级的国家。1150kV线路于1977年初试运行，取得了许多的实际运行经验和数据，对于我国百万伏超高压的发展具有相当的指导意义。具有特点的是在前苏联时期。已大批量制造750kV的金属氧化物避雷器。并且是单节瓷套，后来也为我国开发所借鉴。俄罗斯一方面是利用复合金属氧化物避雷器及复合绝缘子的特点，开展了紧凑型线路方面的研究，再者其电阻片制造技术较一般，避雷器均采用电阻片并联，其对电阻片并联、避雷器电位分布及污秽性能等都很有研究。1.2 在国内发展情况国内专家关注氧化锌避雷器也是在上世纪六十年代末期，七十年代进行了大量的科研基础工作，尽管当时处在一个特殊的年代。第一组金属氧化物避雷器使用在了海南儋洲的10kV系统，该地点的选择与其湿热、多雷雨有关。国内依靠自主科研与开发，使得在1985年，有批量的110kV系统用的高原系列金属氧化物避雷器，投入世界上海拔最高的拉萨和羊八井(4300m)变电站运行，同年还有l10kV系统GIS用金属氧化物避雷器投入攀钢变电站运行。此后，原机械部组织了国内避雷器行业两厂一所，引进、消化及国产化，使得国内避雷器开发，制造能力有了很大的加强。至八十年代末期前后两次，“两部”避雷器运行调查，金属氧化物避雷器全面取代碳化硅避雷器己成定局。金属氧化物避雷器经两部鉴定为八十年代中期世界先进水平，特别是国内高压金属氧化物避雷器在同等情况下优于国外产品的运行情况，这在当时是对国内行业的开发和制造的一次检阅，也是对国内制造水平的充分肯定。之后，国内金属氧化物避雷器制造业迅猛发展，可以用雨后春笋来形容，国内产品完全占领了国内市场，一些优秀企业还走向了世界。九十年代中后期，线路避雷器快速发展，1997年第一台500kV线路金属氧化物避雷器挂网运行(国内第一台220kV线路避雷器于1986年用于镇江大跨距过江铁塔，瓷套型，始装于铁塔的一个平台上)，2006年，750kV金属氧化物避雷器投入运行。2 避雷器的种类及工作原理2.1 避雷器的种类避雷器(图2.1)，能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。避雷器有管式和阀式两大类。阀式避雷器分为碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器(又称氧化锌避雷器)。管式避雷器主要用于变电所、发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护。碳化硅避雷器广泛应用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘。氧化锌避雷器由于保护性能优于碳化硅避雷器，正在逐步取代后者，广泛应用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘，尤其适用于中性点有效接地的110千伏及以上电网。图2.1 复合绝缘子外套的避雷器2.1.1 碳化硅避雷器其基本工作元件是叠装于密封瓷套内的火花间隙和碳化硅阀片(电避雷器产品具有多节瓷套)。火花间隙的主要作用是平时将阀片与带电导体隔离，在过电压时放电和切断电源供给的续流。碳化硅避雷器的火花间隙由许多间隙串联组成，放电分散性小，伏秒特性平坦，灭弧性能好。碳化硅阀片是以电工碳化硅为主体，与结合剂混合后，经压形、烧结而成的非线性电阻体，呈圆饼状。碳化硅阀片的主要作用是吸收过电压能量，利用其电阻的非线性(高电压大电流下电阻值大幅度下降)限制放电电流通过自身的压降(称残压)和限制续流幅值，与火花间隙协同作用熄灭续流电弧。碳化硅避雷器按结构不同，又分为普通阀式和磁吹阀式两类。后者利用磁场驱动电弧来提高灭弧性能，从而具有更好的保护性能。碳化硅避雷器保护性能好，广泛用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘。2.1.2 氧化锌避雷器目前，氧化锌避雷器（MOA)已成为电力系统中性能最好且发展最快的过电压保护装置。MOA从产品结构上划分，有瓷套型避雷器GIS型避雷器复合外套型避雷器和油浸避雷器（用于变压器中）4种。由于通过提高被保护设备可靠性和降低过电压水平能带来巨大的经济效益，而氧化锌（ZnO）阀片的非线性电阻特性又对限制过电压起着至关重要的作用，所以世界各国都在竭力研究改进ZnO阀片的原材料和生产工艺，并力求将最新的技术应用于避雷器的设计中，同时开发新型材料，以期达到更理想的防护效果。2.2 MOA的工作原理：在正常运行情况下，MOA内部电流主要是容性电流，其内部阀片的等效电路如图2.2所示。其中晶界电容C 的大小在工程上可以视为恒定值，而非线性电阻R 随加在阀片上的电压大小的变化而变化。当作用于ZnO阀片上的电压小于参考电压时，ZnO阀片呈现很大的电阻，相当于绝缘体，其值变化不大。当作用于ZnO阀片上的电压幅值接近甚至是超过参考电压时，其非线性电阻值减小很快，阻性电流分量迅速增加，因此它可以不用火花间隙来隔离工作电压与阀片。当作用在金属MOA上的电压超过定值（起动电压）时，阀片“导通”，将大电流通过阀片泄入地中，此时其残压不会超过被保护的耐压，达到了保护目的。此后，当作用电压降到定值（起动电压）以下时，阀片自动终止“导通”状态，恢复高阻（可以看做绝缘）状态，因此，整个过程不存在电弧燃烧与熄灭问题。 图2.2中 MOA正常工作的等效电路 R-非线性电阻；C-晶界电容；-泄漏全电流； -容性电流； -阻性电流由现场总结的经验来看，MOA的受潮情况同电网基波电压产生的阻性泄漏电流密切相关。所以一般在线监测都把阻性电流值作为重要指标来衡量MOA的工作情况。2.3 MOA的结构和特性参数MOA的内部元件由中间有孔的环形ZnO阀片组成，如图2.3所示，孔中穿有一根有机绝缘棒，两端用螺栓紧固，内部元件装入瓷套内，上下两端各有一个压紧弹簧压紧。瓷套两端法兰各有一压力释放孔，以防瓷套爆炸损坏其他设备。避雷器根据电压高低可用若干元件组成，顶部装有均压环，底部装有绝缘基础，用来安装避雷器的动作计数器和动作电流幅值记录装置。图2.3 220V主变压器高压侧装设的MOAMOA长期处于系统工作电压之下，内部的阀片要长期通过工作电流，所以存在热稳定性老化和寿命等问题，在额定电压选定方面应考虑这些因素。MOA的这些特点一般用4个参数表征：额定电压；持续运行电压；工频耐受伏秒特性；标称放电电流。2.4 氧化锌的稳定性及其限制 氧化锌元件的非线性特性，主要是它能将吸收的能量化为热能并散发掉。当它吸入的热量少于散发的热量，氧化锌电阻片就呈稳定状态；反之就是不稳定状态，称之为热崩溃(thermal runaway)，如图2.4所示。 图2.4 氧化锌的稳定性与热崩溃趋势示意图 温度是氧化锌电阻片最大的敌人，P是氧化锌避雷器在连续操作电压时的电力损失。Q是热量从氧化锌电阻流向外部的散热效果。在临界点以上，PQ，散热效果差，电力损失产生的热量不足以散发出去，电阻继续产生热量，直到避雷器因过热而损坏。若进入氧化锌电阻的总能量不超过临界点，则PQ，氧化锌电阻逐渐冷却到达稳定的运行点。经过适当设计，厂家可能提高它的临界点，另一方面，其机构的描述很清楚显示氧化锌电阻吸收电阻的极限。氧化锌电阻片： 生产氧化锌电阻片的厂家并不多，生产方式都比较接近，但产品的质量和水平却不尽相同。因为它们在每一程序的技术上有很大的差异。其制造流程描述如下： （1）首先是配方及混料，这是不同厂家最根本不同之处，因为每一厂家都有自己独特的配方； （2）当氧化锌粉末与其它的金属氧化物配水混合后，下一个程序就是通过烘炉将大部分的水分烘干。之后物料就会呈现泥巴状，以便冲压成不同的形状； （3）不同电阻片的尺寸是在冲压过程中决定的。通过高压机器与相关模具，可以得到不同大小电阻片的形状。 （4）冲压之后，一个环节就是烧结。在电炉内，电阻片会经过不同的温度区大致是初步阶段温度不算太高以烧掉电阻片内的有机物，然后就是高温区将电阻片烧结成形。每一温度区的温度都非常稳定，以保证最后的烧结效果。 （5）烧结后的电阻片是一个圆柱体，而它的三面都是一样。为了确保电压是由上而下通过电阻片而不是横向穿过，故在一个个制作过程有必要在每一电阻片上加上涂层，包括上下两端的金属涂层(最常用的材料是铝，但有的厂家也会用银)及圆侧面的绝缘层，如图2.5所示。在这个涂层技术上，各厂家也各有不同。 图2.5 氧化锌电阻片（6）出厂测试，每一电阻片完成后都要做试验，最后试验人员会将每一块电阻片的数据归纳起来以便日后装配避雷器之用。出厂试验也会按照各相关标准来进行。2.5 碳化硅与氧化锌避雷器的特性比较避雷器的最新技术是氧化锌避雷器，尤其是在高压范围内。但中低压中也有部分的碳化硅避雷器在使用，两种避雷器的特性比较。(1)氧化锌避雷器保护特性优良：碳化硅避雷器由间隙放电开始动作，因此对侵入冲击电压有放电延时现象，而氧化锌避雷器无间隙不会发生反应延时，能迅速抑制高电压，加上有良好的非线性电阻特性，即正常系统电压时电阻很大，当雷击或瞬时冲击电流时电阻变得很小，迅速将电流导入地中。 (2)氧化锌避雷器电能处理能力优良：氧化锌避雷器对多重雷击或冲击波有充分处理能力，且氧化锌元件可并联连接使放电能力增大，而碳化硅避雷器因为有串联气隙而使得并联十分困难。(3)氧化锌避雷器对污损性优良：氧化锌避雷器因无串联间隙，不存在绝缘子表面电位分布不均匀的情况，即使绝缘子表面污损时也仅有少量电流由套管表面与氧化锌元件间的杂散电容中流过，只是增加泄露电流而已，所以可提高耐污损性能；碳化硅避雷器因外壳受污染而引起火花放电，因而减低了它的可靠性和缩短了使用寿命。(4)氧化锌避雷器不存在过电压通过而避雷器不动作的情况，而碳化硅避雷器，在过电压低于火花放电电压能通过，但避雷器不动作。(5)氧化锌避雷器因串列无间隙，零件数较碳化硅避雷器少30，构造简单、体积小、重量轻。2.6 避雷器应具备的性能 （1）泄放雷电波的能力 避雷器是一种降低雷电压所引起的异常电压，保护电力设备的绝缘装置。输电电压提高即避雷器的放电电流增大，对其性能要求也会随之提高。 装设于输电线路终端的避雷器放电电流I的计算公式如下: （2.1） 其中， 一雷电压 一避雷器的放电电压 Z一线路阻抗因为 式21的分子会随电压的提高，而成比例的增高。超高压以上的系统，因使用复导体Z时反而变小，故分母不太受系统电压左右，因此避雷器的放电电流会随着电压升高而增大，在超高压系统往往会到10kA。（2）操作过电压避雷器除了要消除雷电过电压，还要应对操作过电压，各种开关在操作时主要为遮断输电线路无载充电电流。输电线的充电电流能量与输电电压的2次方和输电线的对地静电电容成比例增大。2.7 避雷器的保护作用（1) 高压电力装置为防止雷电过电压危害的防雷器件上有间隙装置和阀型避雷器两大类。（2) 间隙装置的保护作用。间隙装置是原始的防雷器件，它又分保护间隙和管型避雷器（喷气灭弧间隙装置）两种。其保护原理是在电力装置上加装绝缘薄弱器件（间隙装置），它的击穿电压低于电气设备的雷电冲击绝缘水平，雷电过电压首先间隙击穿电网接地，泄放雷电流降低电压(电网直接接地，电压可降至接近零)，使设备不承受过电压而得到保护。雷电过电压时单相、两相或三相间隙同时击穿都有可能，它的保护作用都要引起电网接地或相间短路故障，增多电网故障率，影响电网安全运行，这是间隙装置的特点，也是缺点，今后应淘汰之，可用串联间隙氧化锌配电避雷器替代。 （3） 阀型避雷器的工作原理。阀型避雷器像似具有自动闸阀的保护电器，在雷电过电压下自动开闸泄放雷电流限制过电压，恢复运行电压时自动闭闸灭孤切断工频续流。它的保护作用是靠电阻元件的限压泄流作用实现的，电阻元件主要是阀片组，它为电压敏感元件，其阻值随电压变化呈非线性，当雷电过电压达到冲击放电电压值时，阀片组限制雷电过电压峰值，在电气设备雷电冲击绝缘水平以下，保护设备绝缘不受损害，过电压刚进入动作区时其值较大，阀片组的阻值很小，可泄放较大雷电流，阀片组可限制雷电流在5KA以内，随着雷电流泄放过电压逐步减小，过电压减小则阀片组阻值增大较快，雷电流更减小，在整个保护动作区雷电流和过电压都是趋向减小。直至恢复运行电压正常状态，此时既无过电压也无雷电流泄放。它的自动作用有两种情况： 带串联间隙的如碳化硅避雷器，雷电过电压下间隙自动击穿，然后阀片组起限压泄流保护作用，恢复运行电压时间隙自动灭弧切断工频续流。 无间隙的如无间隙氧化锌避雷器是靠ZnO阀片组优异的非线性特性，在雷电过电压超过拐点电压时自动进入保护动作区，限压泄流保护设备，恢复运行电压时阀片组阻值增大很多，泄漏电流仅为级，可视为无工频续流。电阻元件可使防雷保护作用避免产生接地故障或相间短路故障，这是阀型避雷器突出特点。凡带有电阻元件并符合上述自动保护工作原理的避雷器统称为阀型避雷器。（4) 各代阀型避雷器。现已有三代产品。 丸式避雷器(第一代)。电阻元件为丸状氧化铅(或金刚砂)，它为低电阻物质，过电压时可泄放较大雷电流限制残压，二氧化铅因泄流发热部分变为高电阻的一氧化铅，遏制减小工频续流，便于间隙灭弧断流。丸式避雷韶特性不理想，在我国没被推广使用，完全为碳化硅避雷器所取代。 碳化硅避雷器(第二代)。电阻元件为SiC阀片组。具有非线性特性，过电压下电阻很小，可泄放较大雷电流限制残压，在雷电压过去后电阻增大，将工频续流限制在50、80或250A以下，以便不同结构间隙灭弧断流。碳化硅避雷器是我国现行防雷技术中主要防雷电器，但有一些固有缺点如：只有雷电幅值保护而无雷电陡波保护功能，没有连续雷电冲击保护能力，动作特性稳定性差，可能遭受暂态过电压危害，动作负载重，使用寿命短等。这些已暴露它有使用的隐患性和产品技术落后性。 氧化锌避雷器(第三代)。ZnO阀片组具有非常优异的非线性特性，在雷电过电压下电阻很小，可泄放较大雷电流残压很低，在电网运行电压下电阻很大，泄漏电流只有50 150，电流忒小可视为无工频续流，这就是可以作成无间隙氧化锌避雷器的原因。氧化锌避雷器对雷电幅值和雷电陡波都有限压作用，有完全防雷保护功能，是其突出特点。在我国最先生产使用的正是无间隙氧化锌避雷器，运行实践表明：它有动作频度大，爆炸损坏率高，使用寿命短等缺点，究其原因，拐点电压偏低，暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能又有暂态过电压承受能力强特点，是一种扬长避短产品，结合国情在335kV电网系统串联间隙氧化锌避雷器才是当代最先进防雷电器。(5) 阀片组理想工作方式。阀片组为电阻元件，通电时要产生发热效应，尤其大电流(30mh或更大)长时间(8min或更长)的电流热效应积累，会使阀片组温度升高，加速其老化，严重缩短使用寿命，这种情况称为温度热损伤。阀片组在雷电过电压保护动作区虽然通过电流较大(可达KA级)，因其电压高电阻很小，时间极短(不超过l00)，这种级瞬时状态发热影响可忽略不计。在保护死区时是阀片组长时状态，既然不起保护作用，最好使它不承受电网电压如带串联间隙时，或只承受低电位如带电阻复合间隙分压，这就改善阀片组长时工作条件。因此阀片组理想工作方式为在雷电过电压瞬时状态下起限压泄流保护作用，在其长时状态时它与电网电压隔离或只随低电位，可防止电流温度热损伤，避免暂态过电压危害，减小损坏故障率，延长使用寿命。3 电力系统过电压及MOA对过电压的保护作用电力系统中，输变电设备承受的过电压可分为雷电过电压和内部过电压。3.1 雷电过电压雷电过电压是指雷云放电在电力设备上产生的过电压。雷电过电压又称大气过电压，可为感应雷过电压和直击雷过电压。感应雷过电压是指雷击避雷线或架空杆塔时，在避雷线和导线之间由于部分电容的耦合作用而在导线上出现的感应过电压，起幅值一般不会超过300400kV。直击雷过电压是雷击于避雷线附近并绕过避雷线击于导线，或雷击杆塔顶部，在塔顶产升高电位，向低电位的导线发生“反击”而产生的直击过电压。雷电过电压的持续时间很短，但幅值很高，有时可达数千伏。220kV及以下变电站电气设备的绝缘水平就是根据大气过电压下MOA的对应残压来决定的。3.2 内部过电压内部过电压可分为工频过电压，操作过电压和谐振过电压。内部过电压的能量来源于电网本身，所以它的幅值与电网工频电压基本上成正比。一般将内部过电压的幅值与电网最高运行相电压幅之比，称为内部过电压倍数kn，表示内部过电压的大小。kn值与电网结构、系统中各元件参数、中性点运行方式、故障性质及操作过程等因素有关，并具有明显的统计性。3.2.1 工频过电压。电力系统中在正常或故障时可能出现幅值超过最大工作相电压，频率为工频或接近工频的电压升高，通称工频过电压。产生工频过电压的主要原因是空载线路的电容效应，不对称接地故障，发电机突然甩负荷等。MOA 的对应特性为工频耐受电压的时间特性。工频过电压本身对系统中正常绝缘的电气设备一般没有危险，但在超高压远距离输电确定系统绝缘水平时，却起着重要作用。通常，合闸后0.1s1s 时间内，由于发电机自动电压调整器的惰性，发电机电势尚保持不变，在此基础上再加上空载线路的电容效应所引起的工频电压升高，总称暂态工频过电压。超高压电网的暂态工频过电压必予以限制。目前，我国500kV 网络，一般要求母线侧的暂态工频电压的升高值不超过系统额定工频电压的1.3倍，线路则不超过1.4倍。500kV 空载变压器允许1.3倍系统额定工频电压持续1min ，并联电抗允许1.4倍系统额定工频电压持续1min。3.2.2 操作过电压。电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而储存在电感中磁场能量会在某一瞬间转变为以静电场能量的形式储存于系统的电容中，所以可产生数倍于电源电压的操作过电压，它们是在几毫秒至几十毫秒之后要消失的暂态过电压。电力系统中常见的操作过电压有：中性点绝缘电网中的间隙电弧接地过电压；开断电感性负载(空载变压器. 电抗器. 电动机) 过电压；开断电容性负载(空载线路. 电容器组等) 过电压：空载线路合闸(包括重合闸) 过电压以及系统解列过电压等。330kV. 500kV电力系统的绝缘水平主要由操作过电压来决定。3.2.3 谐振过电压。电力系统中存在着许多电感和电容元件，当系统进行操作或发生故障时，这些电感、电容可形成各种振荡回路，在一定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统中某些部分(或元件) 出现严重的谐振过电压。谐振过电压的持续时间要比操作过电压长的多，甚至可稳定存在，直到谐振条件被破坏为止。它的危害既决定于其幅值的大小，又决定于时间的长短，并且可以在各种电压等级的网络中产生。由于谐振过电压持续时间长、能量大，MOA 对这种过电压一般是不能保护的。系统过电压与MOA 的对应参数见下表：序号过电压种类MOA的对应参数 1雷电流过电压陡波冲击电流残压雷电冲击电流残压操作冲击电流残压2工频过电压工频过电压耐受时间特性3操作过电压 操作波残压方波电流耐受1 5级长线释放能力3.3 MOA对过电压的保护作用MOA 是保护输变电电气设备免受过电压损坏的一种装置，它实质上是一个有一定电容值的放电电阻。当过电压波幅值出现时， MOA 将以增加通过自身的电流值的形式先于与其并联的被保护电力设备释放能量，从而限制过电压，使与其并联的电力设备得到保护。避雷器的保护特性是用避雷器的陡波残压、雷电残压和操作残压来表示的。要求其值低于被保护设备试验电压， 其值愈小则表示其保护特性愈好。绝缘配合曲线反映出MOA 的保护特性与被保护设备绝缘的耐电强度之间的配合关系。3.4 过电压对电气设备的危害(1)电气设备在运行中承受的过电压，有来自外部的雷电过电压和内部的系统参数变化而引起的内过电压两种类型。(2)雷电过电压又分直击雷、感应雷和侵入雷电波过电压三种。除露天电力装置需用避雷针(线)防直击雷过电压外，电气设备大多在室内，直击雷或感应雷沿线路也以侵入雷电波型式危害电气设备，其防雷保护主要是防止侵入雷电波过电压损害设备绝缘。侵入雷电波有两种波形：雷电最大幅值，波头在1.28间，它对设备损害为相对地或相间绝缘破坏。雷电陡波，波头在l内，它会破坏感性设备匝间绝缘。雷电过电压可用阀型避雷器限压泄流保护，对雷电幅值和雷电陡波都有限压保护作用的避雷器称有完全防雷保护功能。(3)内过电压又分操作过电压和暂态过电压两类。在我国早期的过电压保护导则，规程中曾对内过电压作过定量分析，大多不超过3.5Uxg(Uxg为电网最高相电压)，少数可达4Uxg，故规定35kV及以下(非直接接地)系统内过电压计算值取为4Uxg，变配电设备绝缘水平均高于此值，故我国历年来保护导则、规程、规范、标准中的过电压保护多侧重规定防雷保护的措施和要求，很少对内过电压的防护。运行实践表明因内过电压损坏设备事故时有发生，因为有的内过电压幅值仍有高于设备绝缘水平的；有的内过电压幅值虽不大，但其陡波陡度很大：或者伴随有较大过电电流或有长时电流温度熟损伤等原因。如真空断路器操作重燃过电压，随重燃次数增加过电压幅值增大很快，陡度极大，可能使断路器或其相接设备损坏；高压电动机的操作过电压可使电机相对地或相间绝缘破坏，也可能使电机匝间击穿；电磁式电压互感器的分频铁磁谐振过电压幅值虽不高，由于铁芯磁饱和，励磁电流可达额定值100倍以上，可使互感器或其熔断器烧毁，暂态过电压引起的长时电流温度热损伤会导致避雷器爆炸损坏。因此对电气设备有危害的内过电压应有各自的保护设备或防护措施。(4)暂态过电压危害。暂态过电压是工频过电压和谐振过电压的总称。它们有眺下特征：过电压幅值不大，如：工频过电压以单相接地时间歇电弧过电压最严重，一般不超过3Uxg，很少达到3.5Uxg，断线谐振过电压，其分频谐振可达3.3Uxg；基波谐振最大2Uxg，高频谐振可达2.5Uxg电压互感器铁磁谐振，基波和高频谐振很少超过3Uxg。个别可达3.5Uxg，分频谐振一般不超过2Uxg参数谐振过电压一般不超过1.52Uxg。过电压幅值较稳定。暂态过电压其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总会有合拍时候，工频电源能自动补充过电压能量，维持其幅值，即使避雷器泄流的动态平衡下，过电压幅值不衰减或只弱衰减。暂态过电压持续时间较长，是所有过电压中最长的，有些谐振过电压可长时稳定存在，直至谐振条件被破坏(设备损坏)为止。暂态过电压危害。如果暂态过电压进入避雷器保护动作区，因其幅值不衰减和持续时间长，势必造成避雷器连续反复动作，长时间的电流温度热损伤，很容易达到避雷器失效条件，大于30mA和8分钟，继续下去会导致阀片组热崩溃，避雷器爆炸损坏，这种情况称为暂态过电压危害。4 避雷器在应用中的问题4.1 避雷器的防护问题4.1.1 线路避雷器防雷的基本原理 对一般高度的杆塔，线路的耐雷水平主要与4个因素有关：线路绝缘子的50%放电电压；有无架空地线；雷电流强度；杆塔的接地电阻。绝缘子的50%放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和气候条件相关，不装避雷器时，提高输电线路耐雷水平往往是采用架空地线、降低杆塔的接地电阻。在山区及沙地，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。 雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。 雷击杆塔时塔顶电位迅速提高，其电位值为 (4.1) 式中 i雷电流； 冲击接地电阻； 暂态分量。在式4.1中，当塔顶电位与导线上的感应电位的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络，即，如果考虑线路工频电压幅值的影响，则为。 加装避雷器以后，线路避雷器与线路绝缘子并联。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，由于导线间的电磁感应作用，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子串的50%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电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。4.1.2 避雷器自身过电压防护问题 避雷器是过电压保护电器，其自身仍存在过电压防护问题。对于能量有限的过电压，如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用；对能量是无限(有补充能源)的过电压， 如暂态过电压(工频过电压和谐振过电压的总称)其频率或为工频，或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总有合拍的时候，如因某些原因而激发暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量。即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至热崩溃，使避雷器损坏爆炸，故暂态过电压对避雷器有致命危害。如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器，称之为暂态过电压承受能力强，反之称暂态过电压承受能力差。 一般SiC避雷器暂态过电压承受能力强，但由于运行中动作特性稳定性差，常因冲击放电电压(保护动作区起始电压)值下降，仍可能遭受暂态过电压危害。无间隙ZnO避雷器因其拐点电压(可近似地把参考电压当作拐点电压)偏低，仅2.212.56 U (最大相电压)，而有些暂态过电压最大值达2.53.5 U ，故有暂态过电压承受能力差的缺点。对暂态过电压危害有效的防护办法是增加结构性能稳定的串联间隙，将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其危害，而串联间隙ZnO避雷器就独具此优点。4.1.3 避雷器自身对电力系统不安全影响 保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常安全运行。应用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。4.1.4 避雷器其连续雷电冲击保护能力有时高压电力装置可能遭受连续雷电冲击，连续雷电冲击是指两次雷电入侵波间隔时间仅数百微妙至数千微秒，间隔时间极短。SiC避雷器保护动作既泄放雷电流，也泄放工频续流。由于切断续流时耗最大达10000，而一次保护循环时间要远大于10000才能恢复到可进行再次动作的能力，故SiC避雷器没有连续雷电冲击保护的能力。ZnO避雷器保护动作只泄放雷电流，当雷电流泄放(小于100us)完毕，立即恢复到可进行再次动作的能力，故ZnO避雷器具有连续雷电冲击保护的能力，这对于多雷区或雷电活动特别强烈地区的防雷保护尤为重要。4.1.5 工频能源的浪费只关注防雷器件泄放雷电流的限（降）压保护作用，轻视或忽视有些器件同时泄放工频电流浪费能源作用。保护间隙或管型避雷器保护动作可能伴随短路电流（几千安倍至几万安倍）对地放电，碳化硅避雷器保护动作有工频续流（避雷器FS型为50A，FZ型为80A，FCD型为250A）对地放电，而造成能源浪费，使用氧化锌避雷器可彻底避免保护作用带来的工频能源浪费。4.2 避雷器的保护特性问题4.2.1 避雷器的保护特性参数各种型号的避雷器在同用途同电压等级时，其雷电残压参数相同或接近，这是因为各生产厂都是按国标规定决定残压值的。有人认为：既然雷电残压值一样，它们的保护作用和效果也应是一样的，随意选用哪种型号都可以。这是一种偏见，因为除雷电残压外，还有其它保护参数，如工频放电电压值冲击放电电压值，是考察避雷器暂态过电压承受能力和保证其长期正常运行的参数；又如是否有雷电陡波残压值，是标示避雷器防雷保护功能完全的重要参数。综合来看，只有串联间隙氧化锌避雷器齐备上述保护特性参数，也就是说它有齐全的防护功能。4.2.2 避雷器动作特性运行稳定性碳化硅避雷器保护动作是要泄放雷电流和工频续流，动作负载重，经计算，每次动作泄放雷电流为0.040.07 C电荷量，工频续流为0.52.5 C电荷量，后者与前者相比一般为1117倍，且其间隙数量多隙距，常因动作负载重使部分间隙烧毛烧损。另外，瓷套外壳脏污潮湿，也会影响内间隙电容分布，这些都可能使部分间隙失效，降低冲击放电电压值，即动作特性稳定性差，由此可能增加保护动作频度，或遭受暂态过电压危害加速损坏。串联间隙氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流而无续流，动作负载轻，间隙不需具有灭弧及切断续流能力，故间隙数量特少。一般3 10kV避雷器仅一个间隙，35kV避雷器为3个间隙串联，间隙的工频放电电压值与碳化硅避雷器相同，符合规定，故间隙隙距大，动作特性可保持长期运行稳定。4.2.3 串联间隙氧化锌避雷器碳化硅避雷器因其间隙结构（隙距小数量多）带来一些缺点：如没有雷电陡波保护功能；没有连续雷电冲击保护能力；动作特性稳定差，可能遭受暂态过电压危害；动作负载重，寿命短等。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压较低，故有暂态过电压承受能力差损坏爆炸率高和寿命短等缺点。串联间隙氧化锌避雷器既有间隙，又用ZnO阀片，其间隙结构不同于碳化硅避雷器，又因其间隙数量少，当过电压达到冲击放电电压时，间隙无时延击穿，同时因隙距大，动作特性稳定，故它可避免碳化硅避雷器间隙带来的一切缺点。串联间隙氧化锌避雷器的间隙已将全部暂态过电压限定在保护死区内免受其危害，故它可避免无间隙氧化锌避雷器因拐点电压偏低带来一切缺点。因此，串联间隙氧化锌避雷器仍有前两种避雷器保护性能优点，而避免它们的缺点。4.2.4 避雷器运行工况监测避雷器失效的主要特征是泄漏电流增大，运行中不易发现，有可能长时带病运行，以致扩大事故，故有必要监察其运行工况。碳化硅避雷缺乏监察手段，只是靠每年定期普遍测试筛选淘汰，这样作事倍功半，又不能随时剔除失效品。而氧化锌避雷器可附带脱离器，当其失效损坏时，脱离器自动动作（30mA时不大于8min），退出运行，以免造成更大损失和事故，提高运行安全可靠性。4.3 避雷器在应用中的自身问题4.3.1 避雷器外形尺寸 制造避雷器均按户内外两用条件决定其瓷套绝缘强度，其外形尺寸与阀片材料有关。当其用于架空线路或户外变配电设备时，因其相间距大，故避雷器外形尺寸不会带来不良影响。户内手车式开关柜因其体积尺寸较小，当避雷器外形尺寸大时，会带来不良影响。碳化硅避雷器的SiC阀片其单位通流容量仅为ZnO阀片的1/4，在相同通流能力（5kA）条件下，SiC阀片直径较大，避雷器外径也大；在相同额定电压和残压条件下，碳化硅避雷器高度比氧化锌避雷器大，尤以35kV级的更为显著。如JYN135型手车柜的112方案，原用FYZ135型无间隙氧化锌避雷器，高仅650mm，可装在柜后部隔室内简易手车上，且上部有隔离插头，但该产品已停产，工程设计坚持改用FZ335型碳化硅避雷器，高 1500mm，隔室高度不够，只得将母线室与隔室间隔板取消，避雷器直接与主母线相联，这样避雷器的测试或更换必需在整段主母线断电下进行，运行维护困难。而避雷器外径较大，相间空气净距不够，加装的相间绝缘隔板有老化受潮等绝缘事故的隐患。氧化锌避雷器外径和高度相对较小，35kV级还可作成悬挂式，如Y5CZz42/110L型串联间隙氧化锌避雷器，高度仅640mm。小型化避雷器更有利于手车柜内安装使用。4.3.2 避雷器性能价格比无间隙氧化锌避雷器的阀片运行中长期承受电网电压，工作条件严酷，产品制造时要对阀片严格测试筛选，合格率低成本高，故价格也高；而它有暂态过电压承受能力差的致命弱点，不适于在我国335kV电网中推广使用。串联间隙氧化锌避雷器因有间隙，大大改善阀片长期工作条件，产品制造时对阀片测试筛选要求相对低些，合格率高成本低，价格也就便宜。串联间隙氧化锌避雷器价格比无间隙氧化锌避雷器普遍便宜，有时也比碳化硅避雷器（如310kV的FZ型）便宜，同时它对其它防雷器件都有扬长避短作用，具有高的性能价格比。4.3.3 避雷器使用寿命问题避雷器使用寿命与许多因素有关，除制造质量密封失效受潮及其它外界因素外，避雷器阀片的老化速度是影响寿命的关键因素。碳化硅避雷器因其动作和负载重续流大动作特性稳定差可能遭受暂态过电压危害等原因，加速阀片老化，寿命不长，一般710年，甚致有仅35年的。无间隙氧化锌避雷器的阀片长期承受电网电压，工作条件严酷拐点电压低动作频度大还可能遭受暂态过电压危害温度热损伤等原因，迅速加快阀片老化，寿命较短，有的比碳化硅避雷器还短。串联间隙氧化锌避雷器的间隙可保证阀片只在过电压保护动作过程承受高电压，时间极短（100s内），在其它情况下阀片对于电网电压，或处于隔离状态（纯间隙时），或处于低电位状态（复合间隙电阻分压），大大改善阀片长期工作条件，还可免受暂态过电压危害和温度热损伤，保证阀片温度不超过55，从而保证避雷器寿命达 20年以上。5 氧化锌避雷器运行中的问题分析5.1 引起氧化锌爆炸的原因在运行氧化锌避雷器中，氧化锌避雷器本体易发生爆炸，从运行时间上、安装的环境、气候、及生产厂，对损坏的氧化锌避雷器进行技术分析，造成氧化锌避雷器运行中爆炸的原因可归纳如下几项：(1)氧化锌避雷器的密封问题.氧化锌避雷器密封老化问题，主要是生产厂采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良，使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化而引起爆炸。（2）电阻片抗老化性能差。在氧化锌避雷器运行在其产品寿命的后期，因电阻片劣化造成泄漏电流上升，甚至造成与瓷套内部放电；放电严重时，避雷器内部气体压力和温度急剧增高，而引起氧化锌避雷器本体爆炸；内部放电不太严重时，可引起系统单相接地。（3）瓷套污染。由于工作在室外的氧化锌避雷器的瓷套受到环境粉尘的污染，特别是设置在冶金厂区内变电所，由于粉尘中金属粉尘的比例较大，故给瓷套造成严重的污染，引起污闪或因污秽在瓷套表面的不均匀，使沿瓷套表面电流也不均匀分布，势必导致电阻片中电流IMOA的不均匀分布（或沿电阻片的电压不均匀分布），致使流过电阻片的电流较正常时大1 2个数量级，造成附加温升和吸收过电压能力大为降低，也加速了电阻片的劣化。（4）高次谐波。冶金企业电网随着大吨位电弧炉、大型整流、变频设备的应用及轧钢生产的冲击负荷等的影响，电网上的高次谐波值严重超标。由于电阻片的非线性，当正弦电压作用时，还有一系列的奇次谐波，而高次谐波作用时，就更加速了电阻片的劣化速度。（5）抗冲击能力差。氧化锌避雷器多在操作过电压或雷电条件下发生事故，其原因是因电阻片在制造工艺过程中，由于各工艺质量控制点控制不严，使电阻片的耐受方波冲击能力不强，在频繁吸收过电压能量过程中，加速了电阻片的劣化而损坏，失去了自身的技术性能。5.2 氧化锌避雷器运行中的巡视与检查（1）检查设备外观是否完整无损，外绝缘表面是否清洁。因为当表面受到严重污染时，将使电压分布很不均匀，也有可能会影响避雷器的灭弧功能，降低其保护特性，因此若发现瓷套表面有严重污迹时，应及时安排停电清扫。（2）检查避雷器有无异常震动，异常音响及异味。若有此现象，应及时将其停运，进行详细的检查试验，以免发生事故。（3）检查避雷器接地引线是否良好，有无烧伤痕迹和断股现象以及记数器是否完好无损。通过这方面的检查，很容易发现避雷器的隐患，因为在正常运行下，避雷器动作以后，通过接地引下线和记数器中的是雷电流很小、时间很短的工频续流，所以除了放电记数器的指示数字变动外，一般不会产生烧损的痕迹。当避雷器内部金属阀片存在缺陷或不能灭弧时，则通过的工频续流的辐值和时问都会增大，因此在接地引下线的连接点上会产生烧伤的痕迹，或使放电计数器内部烧黑或烧坏。当发生上述情况，应立即将避雷器停止运行，并进行详细的电气试验，以免发生事故。（4）检查避雷器引线端子是否过热，或出现火花，接头螺栓有无松动现象。若有此现象易引起线路和避雷器故障，严重的还会使避雷器发生爆炸。（5）检查避雷器的密封是否良好。密封不好容易进水使避雷器受潮从而引发事故，因此应该经常检查避雷器上引线处防水罩是否完好，瓷套与法兰接合处是否严密，若有裂缝或防水罩破裂应进行更换。（6）检查避雷器雷雨后记数器的动作情况，并作好记录。对装有在线监测仪的避雷器读数进行分析，以早期发现设备缺陷，把事故消除在萌芽状态。同时应检查避雷嚣表面有无闪络放电痕迹，各部引线有无松动。（7）为了能够及时发现避雷器内部缺陷，一般应安排在每年雷雨季节前进行一次预防性试验，对泄漏电流，工频放电电压大于或小于标准值及其他电气试验不合乎要求时，应查找原因并进行检修。5.3 氧化锌避雷器异常现象与故障处理及其维护5.3.1 氧化锌避雷器异常现象与故障处理氧化锌避雷器比阀型避雷器有着更优越的性能，正常情况下不易发生故障，因此一旦出现异常现象，应立即对异常现象进行分析判断，并及时采取措施进行故障处理。（1） 当发生下列情况之一时，应立即将避雷器停用，并更换合格的避雷器：瓷套严重裂纹、破损，避雷器有严重放电，已威胁安全运行时；避雷器内部有严重异音、异味、冒烟或着火；本体或引线端子有严重过热时。（2）避雷器在运行中突然爆炸，这种情况下，当尚未造成永久性接地，可在雷雨过后，拉开故障相的隔离开关将避雷器停用，并及时更换合格的避雷器。若爆炸后已引起系统永久性接地，则禁止使用隔离开关来操作故障的避雷器。（3）避雷器动作指示器内部烧黑或烧毁，接地引下线连接点烧断，泄漏电流增大，以上这些异常现象，应及时对避雷器做电气试验。5.3.2 避雷器的维护（1）避雷器维护可结合避雷器预防性试验进行，每年的雷雨季节前，临时性的检修根据运行中的缺陷及时进行。（2）避雷器本体外观维护检查。清除瓷套外表积污，注意不得刮伤釉面，瓷套外表应清洁无积污；若瓷套径向有穿透性裂纹，外表破损面超过单个伞裙10或破损总面积虽不超过单伞10，但同一方向破损伞裙多于二个以上者，应进行更换。清扫外表积污与锈蚀，外表应清洁，无积污、无锈蚀。（3）雷器一次引线连接维护。检查接线端子有无过热，一次接线端子接触面无氧化层，紧固件齐全，连接可靠，检查一次引线紧固件是否已按要求紧固，缺少的螺栓垫圈应补全。（4）雷器接地引下线维护。接地应可靠，发现接触不良应清除锈蚀后紧固，接地线应完好，无断股现象。（5）避雷器放电计数器的维护。检查计数器有无损坏，并对其进行复零，对计数器动作次数过多的应予以更换。6 避雷器的安全技术措施中的问题6.1 避雷器的装设6.1.1 避雷器额定电压的选择因避雷器是接于电力系统的线路与大地之间，其额定电压与线对地电压有密切关系，故应根据故障时，线路与大地之间电压来选择。当电力系统发生接地故障时，如果系统中性点不接地，则与线电压相同，如果系统中性点经阻抗接地时，健全相对地电压约在相电压与线电压之间，而避雷器的额定电压约为线路对地最大电压的125 15倍。如上所述，避雷器额定电压应该视电力系统对地的最高电压而定，选择额定电压较为接近的避雷器。如果选择额定电压偏低的避雷器，则其放电电压较低，保护效果较好，但遇上系统过电压时就容易被损坏。如果选择额定电压较高的避雷器，保护效果差，但系统过电压时就不易被损坏。6.1.2 避雷器装设的位置雷电波头陡峭，电位梯度很大，电流增加率也很大，雷电波通过导体虽然路程不长，但对地电位差却很大。因此避雷器装设位置的选择是有效保护的重要因素。避雷器距被保护设备越近越好，大型变压器多装设在该变压器的铁架上。6.1.3 避雷器的接地线避雷器的接地线应该具有低电阻的特性。为了获得低接地电阻，避雷器的接地线应接入变电站的接地网，必要时也可加装接地棒降低接地电阻，接地线的长度也应该尽量缩短。6.2 避雷器的安装 （1）首先将避雷器底座固定于避雷器基座上，再安装避雷器元件，220kV系列避雷器推荐底座安装高度2.5m以上。（2）由上、下节元件串接组成的避雷器，220kV系列可依次将底座、连接板、避雷器下节、连接板、避雷器上节用螺栓连接牢固；1lOkV及中性点系列可依次将底座、避雷器下节、排气罩、避雷器上节、防雨铁帽用螺栓连接牢固。注意上、下节型号、编号一致，配套安装，不可反接和倒装，不允许两节连接后吊装。（3）避雷器应垂直安装不得倾斜，其中心沿垂线的偏斜量不大于全高的2，引线要连接牢固，避雷器上接线端子不得受力。接地引下线与被保护设备的金属外壳应可靠地与