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(hù)電氣設(shè)備。避雷器就是在線路或設(shè)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路或設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平低,在正常運(yùn)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(hù)線路或設(shè)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(rèn)的當(dāng)代最先進(jìn)防雷電器。其結(jié)構(gòu)為將若干片ZnO 閥片壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)。ZnO 閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性,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(yùn)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(xù)流,這就是可以做成無(wú)間隙氧化鋅避雷器的原因,它對(duì)陡波和雷電幅值同樣有限壓作用,防雷保護(hù)功能完全是其突出優(yōu)點(diǎn)。在我國(guó)先生產(chǎn)使用的正是無(wú)間隙氧化鋅雷器,運(yùn)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(hù)性能優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有暫態(tài)過(guò)電壓承受能力強(qiáng)的特點(diǎn),是一種理想的揚(yáng)長(zhǎng)避短的產(chǎn)品,結(jié)合我國(guó)國(guó)情可在3～ 35kV 系統(tǒng)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(duì)雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓保護(hù)作用;

(2) 防雷保護(hù)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(hù)作用不應(yīng)有短路電流或工頻續(xù)流等工頻能源浪費(fèi);

(4) 動(dòng)作特性應(yīng)具有長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性,免受暫態(tài)過(guò)電壓危害;

(5) 具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力;

(6) 有較小的外形尺寸,小型化輕量化更便于室內(nèi)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(jiān)察運(yùn)行工況,當(dāng)其失效時(shí)自動(dòng)退出運(yùn)行。

2. 氧化鋅避雷器功能特性

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

對(duì)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(hù)作用。對(duì)能量是無(wú)限(有補(bǔ)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) ,其頻率或?yàn)楣ゎl或?yàn)楣ゎl的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)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(bǔ)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(hù)動(dòng)作區(qū),勢(shì)必長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)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(duì)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(hù)死區(qū)內(nèi)不受其危害的避雷器,稱之為暫態(tài)過(guò)電壓承受能力強(qiáng),反之稱暫態(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(qiáng),但由于運(yùn)行中動(dòng)作特性穩(wěn)定性差,常因沖擊放電電壓(保護(hù)動(dòng)作區(qū)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(dāng)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(dá)2. 5～3.5Uxg ,故有暫態(tài)過(guò)電壓承受能差的缺點(diǎn)。對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓危害有效防護(hù)辦法是加結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的串聯(lián)間隙,將全部暫態(tài)過(guò)電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi),使避雷器免受其危害。

(2) 從根本上避免保護(hù)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(hù)電力裝置安全作用,但有些器件的保護(hù)作用對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響。保護(hù)間隙和管型避雷器在間隙擊穿后,保護(hù)回路再也沒(méi)有限流元件,保護(hù)動(dòng)作都要造成接地故障或相間短路故障,保護(hù)作用增大電力系統(tǒng)故障率,影響電力系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“保護(hù)間隙應(yīng)盡量與自動(dòng)重合閘裝置配合,以減少線路停電事故”。這是一種補(bǔ)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(shù)中小型變配電所沒(méi)條件采用,它們大多把“應(yīng)盡量”理解為“也可不裝”。還有人只看重保護(hù)間隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但若加上自動(dòng)重合閘裝置總費(fèi)用遠(yuǎn)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(shù)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(yīng)認(rèn)識(shí)到治本之策是使用氧化鋅避雷器,從根本上避免保護(hù)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路雷害停電事故。

(3) 氧化鋅避雷器具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力

有時(shí)高壓電力裝置可能遭受連續(xù)雷電沖擊,連續(xù)雷電沖擊是指兩次雷電入侵波間隔時(shí)間僅數(shù)百μs 至數(shù)千μs ,間隔時(shí)間極短。碳化硅避雷器保護(hù)動(dòng)作既泄放雷電流也泄放工頻續(xù)流,切斷續(xù)流時(shí)耗最大達(dá)10000μs ,一次保護(hù)循環(huán)時(shí)間要遠(yuǎn)大于10000μs 才能恢復(fù)到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力,故碳化硅避雷器沒(méi)有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力。氧化鋅避雷器保護(hù)動(dòng)作只泄放雷電流,雷電流泄放(小于100μs) 完畢,立即恢復(fù)到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力,故氧化鋅避雷器具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力,這對(duì)于多雷區(qū)或雷電活動(dòng)特殊強(qiáng)烈地區(qū)的防雷保護(hù)尤為重要。

(4) 氧化鋅避雷器具有節(jié)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(hù)作用,但有些器件同時(shí)泄放工頻電流,浪費(fèi)能源。保護(hù)間隙或管型避雷器保護(hù)動(dòng)作可能伴隨短路電流(幾kA 至幾十kA) 對(duì)地放電,碳化硅避雷器保護(hù)動(dòng)作,伴隨工頻續(xù)流(避雷器FS 型為50A ,FZ型為80A ,FCD 型為250A) 對(duì)地放電,這些都是工頻能源的浪費(fèi),可是人們長(zhǎng)期對(duì)這種現(xiàn)象熟視無(wú)睹、習(xí)以為常,認(rèn)為一次保護(hù)動(dòng)作浪費(fèi)不大,不值得大驚小怪。應(yīng)認(rèn)識(shí)到”涓滴之水,匯成江河”的道理,這種能源浪費(fèi),如積全國(guó)之?dāng)?shù),積長(zhǎng)年之?dāng)?shù),豈可小看。使用氧化鋅避雷器可徹底避免保護(hù)作用帶來(lái)的工頻能源浪費(fèi)。

(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(jié)構(gòu)(隙距小,數(shù)量多) 帶來(lái)一些缺點(diǎn):如沒(méi)有雷電陡波保護(hù)功能;沒(méi)有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力;動(dòng)作特性穩(wěn)定差可能遭受暫態(tài)過(guò)電壓危害;動(dòng)作負(fù)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(jié)構(gòu)不同于碳化硅避雷器,因其間隙數(shù)量少,當(dāng)過(guò)電壓達(dá)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(wěn)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(hù)死區(qū)內(nèi)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(hù)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(hù)功能

避雷器的選用常只側(cè)重雷電殘壓參數(shù)的考察,而忽略了其它保護(hù)特性參數(shù)的考察。這是一種偏見(jiàn),因?yàn)槌纂姎垑?/p>

外,還有其它保護(hù)參數(shù),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(zhǎng)期正常運(yùn)行的參數(shù);又如是否有雷電陡波殘壓值,是標(biāo)示避雷器防雷保護(hù)功能完全的重要參數(shù)。綜合來(lái)看,只有串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器齊備上述保護(hù)特性參數(shù),也就是說(shuō)它有齊全的防護(hù)功能。

2. 氧化鋅避雷動(dòng)作特性可保持長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定

選用避雷器不但要考察產(chǎn)品樣本提供參數(shù)值,還要考察動(dòng)作特性運(yùn)行穩(wěn)定性。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器保護(hù)動(dòng)作只泄放雷電流而無(wú)續(xù)流,動(dòng)作負(fù)載輕,間隙不需具有滅弧及切斷續(xù)流能力,故間隙數(shù)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(guī)定,故間隙隙距大,動(dòng)作特性可保持長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定。

3. 氧化鋅避雷器使用壽命較長(zhǎng)

選用避雷器多未認(rèn)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(hù)動(dòng)作過(guò)程承受高電壓,時(shí)間極短(100μs 內(nèi)) ,在其它情況下閥片對(duì)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(fù)合間隙電阻分壓) ,大大改善閥片長(zhǎng)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。制造避雷器均按戶內(nèi)外兩用條件決定其瓷套絕緣強(qiáng)度,其外形尺寸與閥片材料有關(guān)。當(dāng)其用于架空線路或戶外變配電設(shè)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。戶內(nèi)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(duì)小,35kV 級(jí)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(nèi)安裝使用。