氧化鋅避雷器的工作原理、優(yōu)點(diǎn)、功能特性分析

一、氧化鋅避雷器工作原理

1. 避雷器的作用

避雷器的作用是限制過(guò)電壓以保護電氣設備。避雷器就是在線(xiàn)路或設備上人為地制造絕緣薄弱點(diǎn)即間隙裝置,間隙的擊穿電壓比線(xiàn)路或設備的雷電沖擊絕緣水平低,在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài),在過(guò)電壓下間隙被擊穿接地,放電降壓起到保護線(xiàn)路或設備絕緣的作用。

2. 氧化鋅避雷器(閥型避雷器的第三代產(chǎn)品) 工作原理

氧化鋅避雷器是世界公認的當代最先進(jìn)防雷電器。其結構為將若干片ZnO 閥片壓緊密封在避雷器瓷套內。ZnO 閥片具有非常優(yōu)異的非線(xiàn)性特性,在較高電壓下電阻很小很小,可以泄放大量雷電流,殘壓很低,在電網(wǎng)運行電壓下電阻很大,泄漏電流只有50～150μA ,電流很小,可視為無(wú)工頻續流,這就是可以做成無(wú)間隙氧化鋅避雷器的原因,它對陡波和雷電幅值同樣有限壓作用,防雷保護功能完全是其突出優(yōu)點(diǎn)。在我國先生產(chǎn)使用的正是無(wú)間隙氧化鋅雷器,運行實(shí)踐表明,它有損壞爆炸率高,使用壽命短等缺點(diǎn)。究其原因,暫態(tài)過(guò)電壓承受能力差是其致命弱點(diǎn)。而串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有無(wú)間隙氧化鋅避雷器的保護性能優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有暫態(tài)過(guò)電壓承受能力強的特點(diǎn),是一種理想的揚長(cháng)避短的產(chǎn)品,結合我國國情可在3～ 35kV 系統串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器。

氧化鋅避雷器伏安特性如圖1 所示。

二、氧化鋅避雷器的優(yōu)點(diǎn)及功能特性

1. 氧化鋅避雷器的優(yōu)點(diǎn)

(1) 具有完全的防雷功能,即對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓保護作用;

(2) 防雷保護作用不會(huì )造成電力網(wǎng)接地故障或相間短路故障;

(3) 防雷保護作用不應有短路電流或工頻續流等工頻能源浪費;

(4) 動(dòng)作特性應具有長(cháng)期運行穩定性,免受暫態(tài)過(guò)電壓危害;

(5) 具有連續雷電沖擊保護能力;

(6) 有較小的外形尺寸,小型化輕量化更便于室內手車(chē)柜使用;

(7) 具有20 年以上使用壽命;

(8) 能附帶脫離器監察運行工況,當其失效時(shí)自動(dòng)退出運行。

2. 氧化鋅避雷器功能特性

(1) 避雷器是過(guò)電壓保護電器,氧化鋅避雷器具有過(guò)電壓防護功能

對于能量有限的過(guò)電壓如雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓,避雷器泄流能起限壓保護作用。對能量是無(wú)限(有補充能源)的過(guò)電壓,如暫態(tài)過(guò)電壓(工頻過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓的總稱(chēng)) ,其頻率或為工頻或為工頻的整數倍或分數倍,與工頻電源頻率總有合拍的時(shí)候,如因某些原因而激發(fā)暫態(tài)過(guò)電壓,工頻電源能自動(dòng)補充過(guò)電壓能量,即使避雷器泄流過(guò)電壓幅值不衰減或只弱衰減,暫態(tài)過(guò)電壓如果進(jìn)入避雷器保護動(dòng)作區,勢必長(cháng)時(shí)間反復動(dòng)作直至熱崩潰,避雷器損壞爆炸,因此暫態(tài)過(guò)電壓對避雷器有致命危害。如果已將全部暫態(tài)過(guò)電壓限定在保護死區內不受其危害的避雷器,稱(chēng)之為暫態(tài)過(guò)電壓承受能力強,反之稱(chēng)暫態(tài)過(guò)電壓承受能力差。碳化硅避雷器暫態(tài)過(guò)電壓承受能力強,但由于運行中動(dòng)作特性穩定性差,常因沖擊放電電壓(保護動(dòng)作區起始電壓) 值下降,仍可能遭受暫態(tài)過(guò)電壓危害。無(wú)間隙氧化鋅避雷器因其拐點(diǎn)電壓(可近似地把參考電壓當作拐點(diǎn)電壓) 偏低,僅2. 21～2.56Uxg(最大相電壓) ,而有些暫態(tài)過(guò)電壓最大值達2. 5～3.5Uxg ,故有暫態(tài)過(guò)電壓承受能差的缺點(diǎn)。對暫態(tài)過(guò)電壓危害有效防護辦法是加結構性能穩定的串聯(lián)間隙,將全部暫態(tài)過(guò)電壓限定在保護死區內,使避雷器免受其危害。

(2) 從根本上避免保護作用產(chǎn)生接地故障或相間短路故障防雷器件具有防雷保護電力裝置安全作用,但有些器件的保護作用對電力系統的安全運行會(huì )產(chǎn)生影響。保護間隙和管型避雷器在間隙擊穿后,保護回路再也沒(méi)有限流元件,保護動(dòng)作都要造成接地故障或相間短路故障,保護作用增大電力系統故障率,影響電力系統的正常、安全運行規范和標準規定“保護間隙應盡量與自動(dòng)重合閘裝置配合,以減少線(xiàn)路停電事故”。這是一種補救措施,非治本之策。自動(dòng)重合閘裝置由于要求技術(shù)條件高,價(jià)格貴,只在大中型變電站才有條件采用,大多數中小型變配電所沒(méi)條件采用,它們大多把“應盡量”理解為“也可不裝”。還有人只看重保護間隙結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但若加上自動(dòng)重合閘裝置總費用遠比采用先進(jìn)防雷電器貴。管型避雷器利用噴氣滅弧作用,可瞬時(shí)消除接地故障或相間短路故障,但隨其動(dòng)作次數增多,滅弧能力下降,仍有接地故障或相間短路故障的隱患。應認識到治本之策是使用氧化鋅避雷器,從根本上避免保護作用產(chǎn)生接地故障或相間短路故障,且不用自動(dòng)重合閘裝置就能減少線(xiàn)路雷害停電事故。

(3) 氧化鋅避雷器具有連續雷電沖擊保護能力

有時(shí)高壓電力裝置可能遭受連續雷電沖擊,連續雷電沖擊是指兩次雷電入侵波間隔時(shí)間僅數百μs 至數千μs ,間隔時(shí)間極短。碳化硅避雷器保護動(dòng)作既泄放雷電流也泄放工頻續流,切斷續流時(shí)耗最大達10000μs ,一次保護循環(huán)時(shí)間要遠大于10000μs 才能恢復到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力,故碳化硅避雷器沒(méi)有連續雷電沖擊保護能力。氧化鋅避雷器保護動(dòng)作只泄放雷電流,雷電流泄放(小于100μs) 完畢,立即恢復到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力,故氧化鋅避雷器具有連續雷電沖擊保護能力,這對于多雷區或雷電活動(dòng)特殊強烈地區的防雷保護尤為重要。

(4) 氧化鋅避雷器具有節約工頻能源的作用

雖然防雷器件具有泄放雷電流的限(降) 壓保護作用,但有些器件同時(shí)泄放工頻電流,浪費能源。保護間隙或管型避雷器保護動(dòng)作可能伴隨短路電流(幾kA 至幾十kA) 對地放電,碳化硅避雷器保護動(dòng)作,伴隨工頻續流(避雷器FS 型為50A ,FZ型為80A ,FCD 型為250A) 對地放電,這些都是工頻能源的浪費,可是人們長(cháng)期對這種現象熟視無(wú)睹、習以為常,認為一次保護動(dòng)作浪費不大,不值得大驚小怪。應認識到”涓滴之水,匯成江河”的道理,這種能源浪費,如積全國之數,積長(cháng)年之數,豈可小看。使用氧化鋅避雷器可徹底避免保護作用帶來(lái)的工頻能源浪費。

(5) 可避因免拐點(diǎn)電壓偏低帶來(lái)的缺點(diǎn)

碳化硅避雷器因其間隙結構(隙距小,數量多) 帶來(lái)一些缺點(diǎn):如沒(méi)有雷電陡波保護功能;沒(méi)有連續雷電沖擊保護能力;動(dòng)作特性穩定差可能遭受暫態(tài)過(guò)電壓危害;動(dòng)作負載重壽命短等。無(wú)間隙氧化鋅避雷器因其拐點(diǎn)電壓較低,有暫態(tài)過(guò)電壓承受能力差,損壞爆炸率高和壽命短等缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙結構不同于碳化硅避雷器,因其間隙數量少,當過(guò)電壓達到?jīng)_擊放電電壓時(shí)間隙無(wú)時(shí)延擊穿,因隙距大動(dòng)作特性穩定,故它可避免碳化硅避雷器間隙帶來(lái)的一切缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙已將全部暫態(tài)過(guò)電壓限定在保護死區內免受其危害,故它可避免無(wú)間隙氧化鋅避雷器因拐點(diǎn)電壓偏低帶來(lái)的一切缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有前兩種避雷器保護性能優(yōu)點(diǎn),而避免它們的缺點(diǎn)。

三、從避雷器的選用上分析氧化鋅避雷器

1. 氧化鋅避雷器具有齊全的防護功能

避雷器的選用常只側重雷電殘壓參數的考察,而忽略了其它保護特性參數的考察。這是一種偏見(jiàn),因為除雷電殘壓

外,還有其它保護參數,如工頻放電電壓值,沖擊放電電壓值,是考察避雷器暫態(tài)過(guò)電壓承受能力,保證其長(cháng)期正常運行的參數;又如是否有雷電陡波殘壓值,是標示避雷器防雷保護功能完全的重要參數。綜合來(lái)看,只有串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器齊備上述保護特性參數,也就是說(shuō)它有齊全的防護功能。

2. 氧化鋅避雷動(dòng)作特性可保持長(cháng)期運行穩定

選用避雷器不但要考察產(chǎn)品樣本提供參數值,還要考察動(dòng)作特性運行穩定性。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器保護動(dòng)作只泄放雷電流而無(wú)續流,動(dòng)作負載輕,間隙不需具有滅弧及切斷續流能力,故間隙數量特少,3～10kV 避雷器僅一個(gè)間隙,35kV 避雷器為3 個(gè)間隙串聯(lián),間隙的工頻放電電壓值與碳化硅避雷器相同,符合GB7327 規定,故間隙隙距大,動(dòng)作特性可保持長(cháng)期運行穩定。

3. 氧化鋅避雷器使用壽命較長(cháng)

選用避雷器多未認真注意其使用壽命問(wèn)題。避雷器使用壽命與許多因素有關(guān),除制造質(zhì)量,密封失效受潮及其它外界因素外,避雷器閥片的老化速度也是影響壽命的關(guān)鍵因素。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙可保證閥片只在過(guò)電壓保護動(dòng)作過(guò)程承受高電壓,時(shí)間極短(100μs 內) ,在其它情況下閥片對于電網(wǎng)電壓,或處于隔離狀態(tài)(純間隙時(shí)) ,或處于低電位狀態(tài)(復合間隙電阻分壓) ,大大改善閥片長(cháng)期工作條件,還可免受暫態(tài)過(guò)電壓危害和溫度熱損傷,保證閥片溫度不超過(guò)55 ℃,從而保證避雷器壽命在20 年以上。

4. 氧化鋅避雷器體積較小,有利于手車(chē)柜的安裝

選用避雷器時(shí)大多未考慮其外形尺寸的影響。制造避雷器均按戶(hù)內外兩用條件決定其瓷套絕緣強度,其外形尺寸與閥片材料有關(guān)。當其用于架空線(xiàn)路或戶(hù)外變配電設備時(shí),因其相間距大,避雷器外形尺寸不會(huì )帶來(lái)不良影響。戶(hù)內手車(chē)式開(kāi)關(guān)柜因其體積尺寸較小,避雷器外形尺寸大時(shí)會(huì )帶來(lái)不良影響。氧化鋅避雷器外徑和高度相對小,35kV 級還可做成懸掛式,如Y5CZz - 42P110L 型串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器,高度僅640mm。小型化避雷器更有利于手車(chē)柜內安裝使用。