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,可視為無工頻續(xù)流,這就是可以做成無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(hù)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)過電壓承受能力強(qiáng)的特點(diǎn),是一種理想的揚(yáng)長避短的產(chǎn)品,結(jié)合我國國情可在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)具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性,免受暫態(tài)過電壓危害;

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

對于能量有限的過電壓如雷電過電壓和操作過電壓,避雷器泄流能起限壓保護(hù)作用。對能量是無限(有補(bǔ)充能源)的過電壓,如暫態(tài)過電壓(工頻過電壓和諧振過電壓的總稱) ,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)過電壓,工頻電源能自動(dòng)補(bǔ)充過電壓能量,即使避雷器泄流過電壓幅值不衰減或只弱衰減,暫態(tài)過電壓如果進(jìn)入避雷器保護(hù)動(dòng)作區(qū),勢必長時(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)過電壓對避雷器有致命危害。如果已將全部暫態(tài)過電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi)不受其危害的避雷器,稱之為暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng),反之稱暫態(tài)過電壓承受能力差。碳化硅避雷器暫態(tài)過電壓承受能力強(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)過電壓危害。無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)過電壓最大值達(dá)2.5～3.5Uxg ,故有暫態(tài)過電壓承受能差的缺點(diǎn)。對暫態(tài)過電壓危害有效防護(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)作用對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行會產(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) 對地放電,這些都是工頻能源的浪費(fèi),可是人們長期對這種現(xiàn)象熟視無睹、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)識到”涓滴之水,匯成江河”的道理,這種能源浪費(fèi),如積全國之?dāng)?shù),積長年之?dāng)?shù),豈可小看。使用氧化鋅避雷器可徹底避免保護(hù)作用帶來的工頻能源浪費(fèi)。

(5) 可避因免拐點(diǎn)電壓偏低帶來的缺點(diǎn)

碳化硅避雷器因其間隙結(jié)構(gòu)(隙距小,數(shù)量多) 帶來一些缺點(diǎn):如沒有雷電陡波保護(hù)功能;沒有連續(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)過電壓危害;動(dòng)作負(fù)載重壽命短等。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點(diǎn)電壓較低,有暫態(tài)過電壓承受能力差,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)過電壓達(dá)到?jīng)_擊放電電壓時(shí)間隙無時(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)過電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi)免受其危害,故它可避免無間隙氧化鋅避雷器因拐點(diǎn)電壓偏低帶來的一切缺點(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,因?yàn)槌�雷電殘�?/FONT>