避雷器的结构及试验原理

避雷器及试验

（以氧化锌避雷器为例）第一章避雷器的作用及阀片特性第一节避雷器的作用变电站采用避雷针或避雷线能防止一次设备不遭受直击雷，但与站内一次设备相连的输电线路，一旦造受雷击，雷电波将会沿着线路侵入变电站，会危及电气设备的运行安全，此外电气设备还可能受到内部过电压及反击雷的危害，这些是避雷针或避雷线所不能解决的问题。为将过电压限制在电气设备的耐压值之内，可用避雷器来实现此目的。避雷器与被保护电气设备并联接线，一般装在输电线路进站端电容式电压互感器（简称CVT）前或安装在35~220kV电力电缆输电线的首、末端；安装在高电压大容量变压器三侧开关的变压器侧；安装在35~500kV-4、5、6母线上（包括甲、乙母线）以及电抗器、电容器组的单元中。通过以上例举，我们不难看出，避雷器的安装位置较靠近被保护电气设备，使被保护电气设备在避雷器的保护范围之内。避雷器正常运行时，避雷器阀片呈现高阻值并保持对地绝缘。在运行电压下流过很小的交流泄漏电流，一般在几十到数百微安，且主要为容性电流，阻性电流只占很小一部分。当过电压幅值达到一定值时，避雷器阀片会呈现低阻值将电流泄入大地，遏止了过电压幅值，从而保护了变电站的一次设备。避雷器动作后阀片会自动截止工频续流，使系统恢复正常工作状态。避雷器阀片非线性电阻特性的好坏，直接关系到避雷器能否正常动作，起到保护一次主要设备的作用，而不是通过雷电流或操作过电压后特性电阻恢复的越快越好。阀片电阻的非线性特性恢复得过快，会导致避雷器上的残压过高，不利于被保护设备的安全运行，甚至会

第二节避雷器阀片的特性使被保护设备因避雷器上的残压过高而被损坏。

因电气设备内绝缘全波雷电冲击试验电压与避雷器标称放电电流下残压之比，称为绝缘配合系数，该系数越大，被保护设备越安全。如果避雷器上的残压大于标称放电电流下的残压值，会使绝缘配合系数变小，此时便失去了避雷器保护一次设备的作用。如果避雷器动作后，阀片电阻的非线性特性恢复得过慢，工频续流会使避雷器阀片过热，可使阀片非线性电阻特性降低或劣化，最终导致避雷器发生爆炸事故。避雷器运行事故中最常见的原因,是由于密封不严进水受潮造成的。，其次是避雷器的阀片在制作、烧坯、配方等工艺和工序中存在不足与缺陷而引发的。

以下为氧化锌避雷器、碳化硅避雷器非线性电阻以及线性电阻，在工频运行电压U1下的，交流泄漏电流I1、I2、I3；U2雷电流下的残压，mAkV01mAU1mAU1氧化锌避雷器阀片非线性电阻的拐点RZnOSiCI2I1I3U2IkAI如果同学们想进一步了解掌握坐标曲线较真实的原貌，可自己动手绘制。绘制时以纵坐标为电压（单位kV）轴，横坐标为电流（单位mA）轴，建立坐标系。在施加直流1mA下的电压时，以1mA电流为参考，先将电流分成5~10个相等的参考点，在操作直流发生器时，加各点参考电流值，记录个点电压值。值得注意的是，在建立坐标系后，电压与电流的标注一定要严格按照一定的比例进行标注，取点要尽量多些，只有这样、曲线画的才能比较圆滑，视觉效果才会较好。

通过坐标图，我们看到，施加直流1mA时，正是氧化锌避雷器阀片非线性电阻拐点时的电压值。在未达拐点试验电压前，试验中我们看到直流发生器的电压表的显示增长速度较快，而电流表的显示增长速度较慢。当试验电压临近避雷器阀片非线性电阻的拐点时

，电压表及电流表的显示增长速度与上述表现相反。过了拐点电压后，试验电流增长迅猛，如试验电流达2~3mA时，而试验电压只略生几伏或十几伏而已。氧化锌避雷器阀片的过流量10A/㎝2，且压降大；而碳化硅避雷器阀片的过流量小，压降小。

测试35kV及以下氧化锌避雷器的绝缘电阻，应使用2500V兆欧表，绝阻不低于1000MΩ；35kV以上氧化锌避雷器使用2500V及以上兆欧表，绝阻不低于2500MΩ。而碳化硅避雷器绝缘电阻只500～600MΩ。避雷器厂家对组装后的避雷器进行抽真空，并往避雷器内注入惰性气体氮气，并保持微正压，使外界的潮气不易侵入，以满足避雷器在运行和夏季高温工作环境中的热稳定和安全性。避雷器防爆膜能够释放因其内部出现受潮、过热故障时所产生的气体压力，当气体压力达到一定压强时，防爆膜破裂，释放掉内部高气压，以减少或避免避雷器在运行中发生爆炸，能有效抑制部分避雷器因爆炸而引起运行事故的发生。

电力系统过电压，220kV及以下一次设备主要考虑是大气过电压；而220kV以上一次设备主要是考虑操作过电压。

大气过电压分直击雷过电压和感应雷过电压，以直击雷对一次设备的危害最大。内部过电压分为两类，一类称为操作过电压，另一类称为谐振过电压。220kV以上一次设备操作过电压的频次和机率最大。第二章避雷器型式及注解

第一节避雷器的型式

避雷器的型式主要有保护间隙型、管型避雷器、阀型避雷器、磁吹避雷器和氧化锌避雷器。随着新材料、新工艺、新技术的不断成熟和认知，氧化锌避雷器已基本取代了其它类型的避雷器，只保留了保护间隙。此外各型式避雷器还明确了安装地点的海拔高度。海拔高度低于1000米及以下的为低海拔，反之为高海拔。对于安装在高海拔地区的避雷器，须适当增加瓷套高度，以提高外绝缘的强度。因为、随着海拔高度的增加，空气密度、气压和温度都相应地减少，电场中电子平均自由行程增大，电子在两次碰撞间能够集聚起更大的动能（与正常密度相比），更易引起电离，从而使空气介质的放电电压下降。如果忽视了海拔高度对放电电压的影响，极可能造成避雷器内部阀片尚未动作前，而过电压则会沿着瓷套外绝缘先行放电。

避雷器细分还可分为有并联电阻，用于中等及大容量变电站的电气设备保护，如FZ型；无并联电阻，用于小容量配电系统的保护，如FS型；有磁吹限流间隙，用于35~500kV变电站的电气设备保护，如FCZ型；有磁吹限流间隙，工频续流值低，用于旋转电机的保护，如FCD型。另外根据不同地区的污秽程度，国际电工委员会把污秽等级定位四个级别。Ⅰ级轻度污秽（其盐密为0.03～0.05mg/cm2）、Ⅱ级中等污秽（其盐密为0.05～0.10mg/cm2）、Ⅲ级重度污秽(0.10～0.25mg/cm2)Ⅳ级很重度污秽（其盐密大于0.25mg/cm2）。我国的国家标准，与之相比，多了一个0级（对强电解质为0～0.03mg/cm2，对弱电解质为0～0.06mg/cm2），为无明显污秽地区，为此我国共有五个污秽等级。不同污秽等级地区，使用所对应耐污秽等级的避雷器。第二节形式及铭牌注解

下图是氧化锌避雷器型号的表示方法及注解：

W表示耐污型，TH表示湿热带地区型，

G表示高原型，DL表示电缆型。标称放电电流下的残压（kV）避雷器的额定电压（kV）设计序号S表示配电型，R表示电容器组用，Z表示电站型，D表示电机用，F表示SF6气体的罐式氧化锌避雷器线路型，T表示电气化铁路用。W表示无间隙，C表示带串联间隙。避雷器标称放电电流（kA）Y表示氧化锌避雷器，HY表示复合外套氧化锌避雷器。例如：某市220kV变电站工程，需招标35kV中性点氧化锌避雷器2台，型式为HY1.5WZ1-33/81W。下面我们根据选型避雷器可解读为：

⑴HY表示复合外套氧化锌避雷器、⑵1.5表示避雷器标称放电电流1.5kA、⑶W表示无间隙、⑷Z表示电站型、⑸1表示设计序号、⑹33表示避雷器的额定电压为33kV、⑺81表示标称放电电流下的残压81kV、⑻W表示耐污型。需要说明的是，避雷器的型式包括在名牌中，另外名牌中还包括避雷器的直流1mA参考电压值、持续运行电压、额定电压、生产厂家、生产日期等。

避雷器的持续运行电压是指允许连续加在避雷器上最大工频电压（有效值），它一般为避雷器额定电压的70～85%，其比值由制造厂家确定。避雷器的工频参考电流：确定避雷器工频参考电压的工频电流阻性分量的峰值，为消除均压电容及杂散电容对测量参考电压的影响，其值等于或大于在额定电压下的电流，并由制造厂决定。避雷器的工频参考电压：标准规定或厂家提供的工频电流阻性分量峰值流经避雷器时所测得的电压峰值，该电压与系统中预期的短时工频过电压及避雷器的额定电压有关。第三章试验项目第一节试验项目（以氧化锌避雷器为主）1、运行中的带电监测和检测；2、绝缘电阻试验；3、75%U1mA直流电压下的泄漏电流试验；4、红外热成像；5、1.05倍持续运行电压下的局部放电量试验；6、避雷器的密封；7、热稳定试验；8、试验压力释放试验；9、……。上述2～3项是预防性试验的项目，第1、4项属于带电测试项目，后几项是避雷器的型式试验项目，我们一般不会涉及，是厂家在完成该产品定型后需要做的特性试验项目。避雷器的型式试验，避雷器厂家要定期（3年）委托国内有一定资质的专业检测机构，进行复检。复检合格，检测机构要依法重新出具检测报告，厂家在投标书中要加以体现，标书中缺少有效的检测报告，是废标的关键一项内容。第二节试验目的（以氧化锌避雷器为主）1、对一次设备在运行中进行绝缘监测，它与停电试验有着明显优势。首先它不受停电计划的束缚，做到按需即时采样；其次设备是在运行状态下进行数据采样和红外成像，采样（或成像）数据真实地反映了运行设备的绝缘状况。数据库的数据收集，便于决策部门对设备状态检修制定出较合理的检修试验周期，使绝缘监督工作进入智能化管理行列。

2、通过对避雷器的绝缘电阻试验，可以发现避雷器内部整体受潮、避雷器阀片非线性电阻特性的变化、还可发现避雷器外绝缘断裂等隐形缺陷。

检查避雷器绝缘台小瓷珠的绝缘电阻，可避免避雷器下法兰盘直接与地相接，使避雷器放电计数器失去作用。阻的避雷器来讲，通过检查试验可发现避雷器是否受潮、并联电阻有无断裂及老化缺陷，还能通过测量非线性系数，发现同一相各组元件的组合是否合适。

对氧化锌避雷器而言，做直流1mA下的电压及75%该电压下泄漏电流试验，主要是检查3、不同类型避雷器，做直流泄漏电流（电导电流）的试验目的略有不同，对于FZ、FCZ、FCD等带并联电避雷器阀片老化程度和避雷器内部受潮情况。对FS等不带并联电阻的避雷器，测量工频放电电压的目的，可检查避雷器火花间隙的结构及放电特性是否正常及在过电压下动作的可靠性。4、避雷器放电记数器的动作试验，可检查判断计数器内部相关回路是否良好和能否正常动作。第四章试验方法第一节运行状态下避雷器带电监测

运行中避雷器相当于一只有损耗的电容器，其中容性电流的大小仅对电压分布有意义，并不影响发热，而阻性电流是造成氧化锌避雷器阀片发热的原因。

良好氧化锌避雷器虽然在运行中长期承受工频电压，但流过的工频电流阻性分量小于工频参考电流，引起热作用极微，不致引起避雷器的性能改变。而避雷器内部出现故障时，工频电流的阻性分量将明显增大，可能导致热稳定破坏，进而造成避雷器的损坏。因此、运行中定期监测氧化锌避雷器工频电流的阻性分量，是保证氧化锌避雷器安全运行的有效措施。1、最常见的避雷器带电检测装置，是与放电计数器设计一体的带电监测表，目前大多数这样的一体表计监测的是总电流，它不能将阻性电流和容性电流分开,整流后表计指示的是平均值（有效值=1.11倍平均值），遇到分析问题时要换算到有效值，此表只供运行人员日常巡视时，进行简单的记录或比对之用。2、利用MF20毫安表，进行带电测试，该方法与上述方法相比，在精度上有所提高，但测量的还是全电流。现在我们依照各避雷器厂家提供的带电测试参考数值，进行着比较测量。测量时注意仪表接线的正确性以及电流挡的合理选择，严格遵循带电作业要求和试验工作中的步骤。3、现在我们接触到一款避雷器阻性电流测试仪，试用效果较好。仪器大概接线原理是，利用无限装置接在避雷器所对应母线PT的二次电压端，发射电压信息；将三条测试线的一端，分别插入仪器所对应的端口，而后再将三条测试线的另一端，按仪器相序所指示对应接好，开启仪器电源，设置数据指令，进行测试。数据可同时显示三相避雷器的电流相位波形图；在波形图中还能显视出最大值、有效值、平均值以及各次谐波含量、有功和无功分量等，抗干扰性较强，较适合现场使用，对该仪器我们正处在对比试用期。第二节避雷器绝缘电阻测量1.首先要统一对兆欧表电压等级在使用中的约定，被试设备运行电压等级在10kV及以上至220kV以下，建议使用2500V兆欧表；电压等级在220k及以上至500kV及以下的，建议使用5000V兆欧表。兆欧表在使用中有一个浅规则，能够避免在分析试验数据时，不因使用了不同电压等级的兆欧表，而发生测试数据上的差异，能有效避免因此而发生的误判断。

兆欧表的输出端L必须是负极性，屏蔽端G电压必须与输出端L电压等电位，兆欧表的输出容量要尽量大一些，能满足较大电容量被试品的测试需要。

兆欧表使用前要自检，自检包括摇动或起动兆欧表，在未接被试品的情况下，看指针能否达到+∝，瞬间短接L与E端，兆欧表能否指零，能够满足上述条件的，兆欧表基本完好可用。

因各类型避雷器的绝缘电阻，规定合格数值各不相同，可在《电力设备交接试验规程》中查找，在此

节不做过多讲解和介绍。下面着重讲解一下兆欧表在测试避雷器现场工作中的注意点；以及现场遇到避雷器绝缘电阻出现问题时的解决方法。

注意点：兆欧表接地端一定要接牢、接实。这点在整个绝缘电阻的试验环节中，往往不被引起注意或被忽视。

右下方是手摇式兆欧表的原理图，E端是兆欧表工作接地端，L端接被试品端，RI是被试品的等效电阻。如果兆欧表E端接地接触不良，不经意中在E端接入一等效电阻，等效电阻使测量回路中的电流相应减小，绝缘电阻增大，未能测出被试品真实的绝缘电阻值，可能会影响到对该设备绝缘状况的分析判断。现场中出现专业上的各类问题，再所难免做到既不要慌又要冷静，首先要进行自查。查电源、查仪器、查接线、查试验步骤、查看历年试验相关数据，其次考虑当时的天气情况，还要查看上年度试验报告上记录的天气、气温、湿度。对被试品进行分析，检查被试品外绝缘是否损坏断裂，被试品表面是否脏污潮湿，必要时用清洁干燥的棉纱进行擦拭干净，再进行绝缘电阻复测；还可利用兆欧表屏蔽端对避雷器进行高压屏蔽，屏蔽线要缠绕在距避雷器测试法兰盘以下的2~3裙。因兆欧表的L端与屏蔽端等电位，屏蔽线如靠近避雷器的接地端（下发兰盘），屏蔽线对接地间的泄漏电流增大，由于兆欧表的输出容量有限，会影响测试结果。如果屏蔽线缠绕得接近避雷器的测试端，也会影响测试数据。这因为屏蔽线缠绕靠近测试端时，其中有一小部分电流走屏蔽端，虽未计入测量回路，但影响到了测量回路中的泄漏电流并使之减小，使测试数据失真，影响设备状态检修对试验数据的分析判断。

2.1对单支避雷器的绝缘电阻测量（预试），要先拆除一次引线后在进行测量。同时上下架构要注意安全，不要将避雷器作为上下攀爬的着力点；也不要将梯子依靠在避雷器器身上下攀爬，因避雷器在所有一次设备中水平拉力最小，易断裂。安全带更不要系在避雷器上一是违反《安规》；二是构成人身危害。避雷器额定电压kV（有效值）2.4～2542～9096～216288～468最大允许水平拉力N 147294750，1000980，1470绝缘电阻出现问题可参照本节1.所述方法进行处理。

2.2对一相由两支避雷器组合的绝缘电阻测量（预试），可先考虑不用拆头，在避雷器上法兰接地后，用兆欧表的火线直接搭在两避雷器的中间法兰，这时测出的是两节避雷器的并联绝缘电阻值，如绝缘电阻合格，无须拆头。因并联电阻的阻值小于两并联电阻中的小阻值，基于此理测试数据可信。如果所测绝缘电阻偏低，就要对两节避雷器的外绝缘进行清洁擦拭、分别采取高压屏蔽，再进行测试。测试数虽有所提高，但依然偏低，此时就要拆下避雷器的一次引线，分节进行测试，找出问题的所在，排除隐患。L

2.3当一相避雷器由三支避雷器组成时，对绝缘电阻的测量，也要尽量在不拆头的情况下进行。测试Ⅰ、Ⅱ节避雷器绝阻时，应先将均压环接地（接线见图1），再将Ⅱ、Ⅲ节避雷器的连接法兰接地，将兆欧表火线搭在Ⅰ、Ⅱ节避雷器的连接法兰处；测Ⅱ、Ⅲ节避雷器绝阻时，在Ⅰ、Ⅱ节避雷器的连接法兰处接地（接线见图2）。原理参照2.2，注意事项、遇到问题后的处理方法参照2.1、2.2。图1

接地ⅠⅢⅡL图2

接地

ⅠⅢⅡLG第三节直流U1mA及75%U1mA下的直流泄漏电流测量3.1读取直流1mA下的电压值，该值不能低于避雷器名牌上1mA下的参考电压值，实测值与初始值比较不应超过±5%；75%U1mA下的直流泄漏电流与初始电流值相差≤30%或≤50uA。一般氧化锌阀片温度系数约为（0.05～0.17）%℃，温度每升高10℃，U1mA下降约1%。当避雷器的泄漏电流值临近合格值或压线时，在做了一些有意工作后（采取高低压屏蔽、屏蔽罩等）仍未有明显效果时，可考虑使用温度系数进行修正。3.2值得注意的是，在做完220kV、500kV避雷器直流泄漏电流后，要对邻近停电检修的电容式电压互感器进行逐节、逐相充分放电，以免误伤检修清扫人员。原因是这样的，试验人员做220kV、500kV避雷器U1mA电压时，分别要加160kV、200kV左右的直流电压，这么高的电压，易使CVT积蓄一定的电荷并建立相应的感应电压，当人接触CVT时会对人体放电。同时登高接线人员要做好防感应电的安全措施。

3.3测75%U1mA下的直流泄漏电流时，测试线要使用专用屏蔽线，屏蔽及芯线接在高压uA表头的专用插头上，两线同处等电位，使用时将插头插入高压表头的插孔内，芯线在外层屏蔽网的作用下，减少了对空间电荷的损失，进而提高了高压测量回路的测试精度。记住直高发的操作要领：“由快渐慢”！对运行电压较高的避雷器（220kV及以上）易采用低压读表方式，且uA表的输入线也要使用屏蔽线，靠表侧屏蔽接地。屏蔽接地能屏蔽掉空间杂散电荷对芯线的影响，使测量较为准确。直流uA表的负端接芯线，正端接地。为了进一步提高测试数据的准确性，可对避雷器采取低压屏蔽，此时将屏蔽线的另一端接在避雷器的低压屏蔽环上，能将沿避雷器外绝缘表面的泄漏电流引入地，使这部分电流不进入低压测量回路之中，在这种条件下所测的试验数据更加精确。低压屏蔽要尽量靠下，但要与避雷器的下法兰保持一定的绝缘距离，避免屏蔽线与下法兰接触，把uA表短路。

3.4图3是测试避雷器Ⅲ节的标准接线，对500kV避雷器试验时，高压引线在空中与避雷器的接线法兰，应保持3~4米的水平距离后对准直高发的倍压筒垂直放线连接，这样接线能尽量减少高压引线对图3

接地

ⅠⅢⅡ＋－L低压测量回路的影响。

图4是试验Ⅱ节避雷器的标准接线图，可不考虑第Ⅰ节避雷器对试验数据的影响。因为现在新投运的500kV避雷器，每相组合的三支避雷器中最上一节所承受的运行电压，要略高于下两节各自的运行电压，这样匹配考虑的是上节避雷器处于电场分布的强电场中，相比另外两节易于性能老化。即使发生相对的性能老化，电压重新分布后三支避雷器上的压降仍处于基本相等，对另外两节避雷器的稳定运行影响不大。图4

接地

ⅠⅢⅡ＋－uA

一般500kV避雷器上节1mA参考电压要略高于下两节正常值的3kV左右。如果上节避雷器1mA参考电压近似于下节的参考电压，那么Ⅰ、Ⅱ节1mA参考电压可采取一次操作，分别读取的方法。具体方法介绍如下：如图4接线，在直高发操作过程中，应始终监视高压uA表的电流显示（总泄漏电流），低压uA表监视者应随时大声通报电流变化数值。当总泄漏电流超过1mA时，操作人员应根据低压uA的数值，初步判断出上下两节避雷器1mA参考电压谁高谁低，如总泄漏电流未图4

接地

ⅠⅢⅡ＋－uA未达2mA时，低压uA表1mA先期到达，操作者应记录此时电压值，作为第Ⅱ节U1mA；继续缓慢升压，低压uA表监视者继续大声通报电流变化数值，当高压uA表数值减低压uA表数值等于1mA时，仪器上所显示的既是第Ⅰ节避雷器U1mA。

如果第Ⅰ节避雷器U1mA低于第Ⅱ节避雷器U1mA，可采取图5接线法进行第Ⅱ节避雷器试验。先将避雷器末端接入带电监测表（计数器）的引线打开，接在10kV氧化锌避雷器上，避雷器另一端接地，这样第Ⅲ节避雷器U1mA远高于第Ⅱ节避雷器U1mA，抬高电位达到试验目的。图5

接地

ⅠⅢⅡ＋－uA10kV氧化锌避雷器

图6是试验第Ⅰ节避雷器的接线图，因现在500kV变电站的设计接线均是避雷器与CVT并联后经刀闸联接母线，所以必须拆避雷器上的一次引线方可进行试验，否则CVT一起同受200kV左右的直流U1mA，更因直高发输出电流一般在3mA，试验时仪器过流保护经常动作，试验难以进行。即使拆下避雷器的一次引线，由于被试避雷器临近其它500kV运行设备或距