氧化锌避雷器的工作原理、优点、功能特性分析

一、氧化锌避雷器工作原理

1. 避雷器的作用

避雷器的作用是限制过电压以保护电气设备。避雷器就是在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置,间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低,在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态,在过电压下间隙被击穿接地,放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。

2. 氧化锌避雷器(阀型避雷器的第三代产品) 工作原理

氧化锌避雷器是世界公认的当代最先进防雷电器。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,泄漏电流只有50～150μA ,电流很小,可视为无工频续流,这就是可以做成无间隙氧化锌避雷器的原因,它对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。在我国先生产使用的正是无间隙氧化锌雷器,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优点,同时有暂态过电压承受能力强的特点,是一种理想的扬长避短的产品,结合我国国情可在3～ 35kV 系统串联间隙氧化锌避雷器。

氧化锌避雷器伏安特性如图1 所示。

二、氧化锌避雷器的优点及功能特性

1. 氧化锌避雷器的优点

(1) 具有完全的防雷功能,即对雷电陡波和雷电幅值同样有限压保护作用;

(2) 防雷保护作用不会造成电力网接地故障或相间短路故障;

(3) 防雷保护作用不应有短路电流或工频续流等工频能源浪费;

(4) 动作特性应具有长期运行稳定性,免受暂态过电压危害;

(5) 具有连续雷电冲击保护能力;

(6) 有较小的外形尺寸,小型化轻量化更便于室内手车柜使用;

(7) 具有20 年以上使用寿命;

(8) 能附带脱离器监察运行工况,当其失效时自动退出运行。

2. 氧化锌避雷器功能特性

(1) 避雷器是过电压保护电器,氧化锌避雷器具有过电压防护功能

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,势必长时间反复动作直至热崩溃,避雷器损坏爆炸,因此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。碳化硅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。无间隙氧化锌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. 21～2.56Uxg(最大相电压) ,而有些暂态过电压最大值达2. 5～3.5Uxg ,故有暂态过电压承受能差的缺点。对暂态过电压危害有效防护办法是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。

(2) 从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障防雷器件具有防雷保护电力装置安全作用,但有些器件的保护作用对电力系统的安全运行会产生影响。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,保护作用增大电力系统故障率,影响电力系统的正常、安全运行规范和标准规定“保护间隙应尽量与自动重合闸装置配合,以减少线路停电事故”。这是一种补救措施,非治本之策。自动重合闸装置由于要求技术条件高,价格贵,只在大中型变电站才有条件采用,大多数中小型变配电所没条件采用,它们大多把“应尽量”理解为“也可不装”。还有人只看重保护间隙结构简单、价格低廉,但若加上自动重合闸装置总费用远比采用先进防雷电器贵。管型避雷器利用喷气灭弧作用,可瞬时消除接地故障或相间短路故障,但随其动作次数增多,灭弧能力下降,仍有接地故障或相间短路故障的隐患。应认识到治本之策是使用氧化锌避雷器,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。

(3) 氧化锌避雷器具有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μs 至数千μs ,间隔时间极短。碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流,切断续流时耗最大达10000μs ,一次保护循环时间要远大于10000μs 才能恢复到可进行再次动作能力,故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力。氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流,雷电流泄放(小于100μs) 完毕,立即恢复到可进行再次动作能力,故氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力,这对于多雷区或雷电活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。

(4) 氧化锌避雷器具有节约工频能源的作用

虽然防雷器件具有泄放雷电流的限(降) 压保护作用,但有些器件同时泄放工频电流,浪费能源。保护间隙或管型避雷器保护动作可能伴随短路电流(几kA 至几十kA) 对地放电,碳化硅避雷器保护动作,伴随工频续流(避雷器FS 型为50A ,FZ型为80A ,FCD 型为250A) 对地放电,这些都是工频能源的浪费,可是人们长期对这种现象熟视无睹、习以为常,认为一次保护动作浪费不大,不值得大惊小怪。应认识到”涓滴之水,汇成江河”的道理,这种能源浪费,如积全国之数,积长年之数,岂可小看。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。

(5) 可避因免拐点电压偏低带来的缺点

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,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的间隙结构不同于碳化硅避雷器,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,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的一切缺点。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。

三、从避雷器的选用上分析氧化锌避雷器

1. 氧化锌避雷器具有齐全的防护功能

避雷器的选用常只侧重雷电残压参数的考察,而忽略了其它保护特性参数的考察。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,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。

2. 氧化锌避雷动作特性可保持长期运行稳定

选用避雷器不但要考察产品样本提供参数值,还要考察动作特性运行稳定性。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,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GB7327 规定,故间隙隙距大,动作特性可保持长期运行稳定。

3. 氧化锌避雷器使用寿命较长

选用避雷器多未认真注意其使用寿命问题。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也是影响寿命的关键因素。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(100μs 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在20 年以上。

4. 氧化锌避雷器体积较小,有利于手车柜的安装

选用避雷器时大多未考虑其外形尺寸的影响。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,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,避雷器外形尺寸大时会带来不良影响。氧化锌避雷器外径和高度相对小,35kV 级还可做成悬挂式,如Y5CZz - 42P110L 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。