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避雷器供电分公司线路工区段利军第一章避雷器的基本原理避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，现代避雷器除了限制雷电过电压外，还能限制一部分操作过电压，因此称之为过电压限制器是更为确切的。（1）避雷器的保护原理避雷器设置在与被保护设备对地并联的位置，如图所示，各种避雷器均有一个共同的特性，即在高电压作用下呈现低阻状态，而在低电压作用下呈现高阻状态。在发生雷击时，当雷电波过电压沿线路传输到避雷器安装点后，由于这时作用于避雷器上的电压很高，避雷器将动作，并呈低阻状态，从而限制过电压，同时将过电压引起的大电流泄放入地，使与之并联的设备免遭过电压的损害。在雷电侵入波消失后，线路又恢复了正常传输的工频电压，这一工频电压相对雷电侵入波过电压来说是低的，于是避雷器将转变为高阻状态，接近于开路，此时避雷器的存在将不会对线路上正常工频电压的传输产生响应。避雷器设备线路被保护设备雷电侵入波（2）对避雷器的基本要求为了使避雷器能够发挥出预计的保护效果，它必须满足两个基本性能要求①有良好的伏秒特性，以易于实现合理的绝缘配合。②应有较强的绝缘强度自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行。电气设备的冲击绝缘强度都由伏秒特性（曲线）表示。避雷器与被保护电气设备的伏秒特性之间应有合理的配合，才能发挥保护作用。伏秒特性是将放电间隙击穿电压值与放电时间联系起来以表征间隙击穿特性的一种方法。通过实验绘制间隙伏秒特性的方法是：保持间隙距离和冲击电压波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t间隙的伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。在均匀场和稍不均匀电场中，击穿时的平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦；在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。实际上，放电时间具有分散性，即在每级电压下可测得不同的放电时间，所以伏秒特性是具有上、下包线为界得带状区域。工程上为方便起见，通常用平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线表征间隙的冲击击穿特性，在绝缘配合中伏秒特性具有重要的意义。1—电气设备的伏秒特性；2—避雷器的伏秒特性；3—电器设备上可能出现的最高工频电压避雷器与电气设备的伏秒特性配合在雷电过电压作用下，避雷器开始动作导通后，就形成了相导线对地的近似短路。由于雷电过电压持续时间很短，当避雷器两端的过电压消失后，系统正常运行电压又继续作用在避雷器两端，在这一正常运行电压作用下，处于导通状态的避雷器中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。工频续流的存在一方面使相导线对地的短路状态继续维持，系统无法恢复正常运行，另一方面也会使避雷器自身受到损坏。为此，避雷器应具备较强的绝缘强度自恢复能力，应能在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断工频续流，恢复系统的正常运行。避雷器的发展史1、角形保护间隙结构和工作原理：常用的角形保护间隙如下图所示。由主间隙1和辅助间隙2串联而成。主间隙的两个电极做成角形，在正常运行时，间隙对地是绝缘的，当承受雷电过电压作用时，间隙击穿，工作线路被接地，从而使得与间隙并联的电气设备得到保护。辅助间隙的设置是为了防止主间隙被外物（如小鸟）短路，以避免整个保护间隙误动作。主间隙做成羊角形，主要是为了便于让工频续流电弧在其自身电磁力和热气流作用下被向上拉长而易于熄灭。F—工频续流电弧运动方向角形保护间隙优点：其结构简单，造价低廉，维护方便。缺点：由于保护间隙在动作击穿后会产生高峰值的截波，所以它不能被用于保护电机、变压器和电抗器等带线圈绕组的电气设备。同时，保护间隙的灭弧能力差，难以有效地切断工频续流，会造成所在系统因短路接地而跳闸，引起供电中断，为此就需要将保护间隙配合自动重合闸使用。使用：在10kV以下电网中使用。每当间隙过电压击穿后，在工作电压的作用下将有一工频电流继续流过已经电离化了的通道，这一电流称为工频续流。2、排气式避雷器结构和工作原理：排气式避雷器的原理结构如下图所示。它由两个间隙串联组成。一个间隙S1装在产气管1内，称为内间隙（又称管型避雷器）。另一个间隙S2装在产气管外，称为外间隙。而当雷电压过电压作用于避雷器两端时，内、外两个间隙均被击穿，使雷电流经间隙入地，在雷电过电压消失后，系统正常运行电压将在间隙中继续维持工频续流电弧，电弧的高温使产气管内的有机材料分解并产生大量气体，使管内气压升高，气体在高气压作用下由环形电极的孔口急速喷出，从纵向强烈地吹动电弧通道，使工频续流在第一次过零时熄灭。线路外部间隙内部间隙产气管棒形电极环行电极动作指示器接地胶木管排气式避雷器（也称管型避雷器）优点：有较强灭弧能力缺点：其所采用的火花间隙亦属于极不均匀电场，也会产生很大的截波，运行维护比较麻烦，运行不甚可靠，炸管等故障是他成为事故源之一。排气式避雷器的灭弧能力与工频续流的大小有关。续流太大产气过多，会使管子爆炸；续流过小产气不足，则不能灭弧。排气式避雷器的主要缺点是：（1）伏秒特性太陡，而且分散性较大，难于和被保护电气设备实现合理的绝缘配合；（2）放电间隙动作后工作导线直接接地，形成幅值很高的冲击载波，危及变电器的绝缘；（3）运行维护也较麻烦。3、阀式避雷器普通阀式避雷器------变电所防雷保护的重点对象是变压器，而前面两种因截波问题都不能承担保护变压器的重任。阀式避雷器主要由火花间隙及与之串联的工作电阻两部分组成，为避免外界因素（大气条件、潮气、污秽等）的影响，它们密封于瓷套中。注：火花间隙采用的是均匀电场。磁吹阀式避雷器------为了减小阀式避雷器的切断比和保护比之值，及为了改进其保护性能，采用了灭弧能力较强的磁吹火花间隙和通流能力较大的高温阀片.（仍然存在工频续流的问题，通流容量不大）阀片电阻间隙线路普通阀型避雷器火花间隙组阀片火花间隙组普通阀式避雷器整体结构电弧拉长式磁吹间隙磁吹避雷器的原理电路5、氧化锌避雷器（1）氧化锌避雷器的基本结构氧化锌避雷器采用的核心部件是氧化锌压敏电阻阀片，它以氧化锌（ZnO）为主体，适当添加其它金属氧化物，经专门加工成细粒并混合搅拌均匀，再经烘干、压制成工作圆盘，在1000℃以上的高温中烧制而成。典型氧化锌压敏电阻的显微结构包括氧化锌主体、晶界层、尖晶石晶粒以及一些孔隙等部分，其示意图见下图（a），显微照片（b）。（a）（b）氧化锌压敏电阻的显微结构示意图（a）和显微照片（b）氧化锌主体的电阻率为（0.001-0.1）Ω·m，由尺寸为（10-30）μm的ZnO的晶粒组成，固溶有微量Co的Mn等元素，晶界层是由许多添加成份组成，在低电场区其电阻率大于108Ω·m，在高电场区，晶界层将导通。尖晶石晶粒是氧化锌与氧化锑的混合氧化物，同时还掺有Co、Mn、Ni和Cr等杂质元素，晶粒平均直径约为几个μm。孔隙分布在氧化锌晶粒和晶界层内。（2）伏安特性氧化匀压敏电阻在实际应用中最为重要的性能指标是其电压与电流之间的非线性关系，即伏安特性，典型氧化锌阀片的伏安特性如下图所示，该特性可大致划分为三个工作区:即小电流区、限压工作区和过载区。氧化锌压敏电阻阀片伏安特性在小电流区，阀片中电流很小，呈现出高阻状态，在系统正常运行时，氧化锌避雷器中的压敏电阻阀片就工作于此区。在限压工作区，阀片中流过的电流较大，特性曲线平坦，动态电阻氧化锌压敏电阻阀片与碳化硅阀片的伏安特性伏安特性的比较小，压敏电阻发挥对过电压的限压作用在此区内的非线性指数约为0.015-0.05。在过载区，阀片中流过的电流很大，特性曲线迅速上翘，电阻显著增大，限压功能恶化，阀片出现电流过载。从伏安特性上可见，氧化锌阀片具有良好的非线性特性，如下图所示，它比碳化硅阀片的伏安特性要优越得多。氧化锌避雷器在过电压作用时电阻很小，残压很低，而在系统正常运行电压作用时电阻很高，实际上接近于开路，因此不必用类似于碳化硅避雷器那样采用间隙来隔离正常运行电压，可以将氧化锌压敏电阻直接接到电网上运行也不致被烧坏。通过比较下图中的两种伏安特性可知，两者在10kA下残压大致相等，但在系统正常运行相电压下，碳化硅阀片电流达（200-400）A，而氧化锌阀片则为（10-50）μA，可近似认为等于零，这也是氧化锌避雷器可以不用串联间隙而成为无间隙与无续流避雷器的原因。氧化锌压敏电阻阀片与碳化硅阀片的伏安特性伏安特性的比较（3）保护性能特点鉴于氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性，在过电压保护性能上，它与碳化硅避雷器相比有许多自身的特点，这些特点也常是它的优点:①、无间隙、无续流由于在正常运行电压作用下氧化锌避雷器中的电流极小，不必装串联间隙，不存在工频续流问题。在雷电或操作过电压作用下，氧化锌避雷器只吸收过电压能量，不吸收工频续流能量，因此能减轻动作负载，同时对避雷器所在系统的影响甚微。在大电流重复冲击作用后，氧化锌阀片的特性稳定，变化极小，且具有耐受多重雷电或操作过电压作用的能力。②、保护可靠性高氧化锌避雷器在10kA下的残压水平虽然与碳化硅避雷器相当，但氧化锌阀片的伏安特性非线性程度高，有进一步降低残压的潜力，尤其是它不需间隙动作，电压稍高于动作电压即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展。如图所示，氧化锌避雷器的保护效果明显优于碳化硅避雷器。氧化锌避雷器的保护效果③、通流容量大由于氧化锌避雷器没有间隙，其允许吸收能量不受间隙烧伤的制约而仅与自身的强度有关。研究表明，在雷电或操作过电压作用下，氧化锌阀片单位体积吸收的能量比碳化硅阀片大4倍左右，另外，由于氧化锌阀片残压的分散性小，约为碳化硅阀片的1/3，电流分布特性较为均匀，可以考虑通过阀片并联或整只避雷器并联的方式来进一步提高氧化锌避雷器的通流容量。④、温度响应和陡波响应特性较为理想氧化锌阀片具有良好的温度响应特性，在低电流密度范围（＜10-3A/cm2）内呈现出负的温度系数，如图所示。在高电流密度区，呈现很小的正温度系数，可以忽略温度变化氧化锌避雷器的温度响应特性对保护性能的影响。氧化锌避雷器的温度响应特性此外，氧化锌避雷器还具有较为理想的陡波响应特性，它不存在间隙放电的时延问题，仅需要考虑陡波下伏秒特性的上翘特征，而这种上翘特性要比碳化硅阀片低得多，因此对陡波过电压的保护效果得到了明显的改善，如图所示。氧化锌避雷器的陡波响应特性（4）氧化锌避雷器的电气特性参数①、额定电压额定电压是指允许加在避雷器两端的最大工频电压有效值。这一参数是按电网单相接地条件下健全相上最大工频过电压来选取的，并通过动作负荷试验和工频电压耐受特性试验进行校核。在额定电压下，避雷器应能吸收规定的雷电或操作过电压能量，其自身特性基本不变，不发生热击穿。Ur≥KUt（额定电压切除故障时间系数暂时过电压）Ut=1.1Um（系统最高电压）Um=1.15Un10kv系统U相=5.77KVUm=11.5kvUt=12.65KVUr≥16.445KV②、持续运行电压持续运行电压是指允许长期连续加在避雷器两端的工频电压有效值。氧化锌避雷器在吸收过电压能量时温度升高，限压结束后避雷器在此电压下应能正常冷却而不致发生热击穿。避雷器的持续运行电压一般应等于或大于系统的最高运行相电压。③、起始动作电压起始动作电压是指氧化锌避雷器通过1mA工频电流幅值或直流电流时，其两端工频电压幅值或直流电压值，该值大致位于伏安特性曲线上由小电流区向限压工作区转折的转折点处，从这一电压开始，避雷器将进入限压工作状态。④、残压残压是指避雷器通过规定波形的冲击电流时，其两端出现的电压峰值，残压越低，避雷器的限压性能越好。⑤、荷电率荷电率表示氧化锌阀片上的电压负荷，它是避雷器的持续运行电压幅值与直流起始动作电压的比值。荷电率的高低将直接影响到避雷器的老化过程。当荷电率高时，会加快避雷器的老化，适当降低荷电率可以改善避雷器的老化性能，同时也可提高避雷器对暂态过电压的耐受能力。但是，荷电率过低也会使避雷雷器的保护特性变坏。选择荷电率需要考虑稳定性、泄