电力用氧化锌避雷器

电力用氧化锌避雷器华中工学院梁毓锦内容提要：本文介绍电力用氧化锌避雷器的发展概况，氧化锌非线性电阻片的制造方法和电气特性，氧化锌避雷器实验室研究、现场试验和试运行情况，以及氧化锌避雷器的优越性。发展概况1968年松下电器产业公司首先发表了研制成功氧化锌压敏电阻的消息，并将此种电阻应用于电力设备的稳压和保护，嗣后又用以保护6．6千伏以下的电力设备以防止真空开关切断感性电流时产生的过电压的危害(即所谓浪涌吸收器)，其应用范围目益广泛，应用效果异常良好。由于此种电阻有非常突出的非线性，可以不经串联火花间隙接入电路面其工作电流异常微小；在抑制过电压时，虽则流过相当大的过电压电流，而其上的压降却不高。应用这种非线性电阻，使避雷器实现无间隙化有了现实的可能性。吸引了高压电力避雷器制造行业的注意。在这以后十年间，许多工业先进国家(如日本、美国、苏联、瑞士等)都在这方面做了大量的工作，并得到巨大的成果。日本明电舍公司已于1976年完成了3．3"275千伏系统用的标准型、耐污秽型和带电冲洗型氧化锌无间隙避雷器产品的系列化，在日本所有电力公司和有关用户的参与下进行了公开的型式试验，并成功地通过。1977年又完成了500千伏系统用的氧化锌避雷器研制，亦已试验通过。现该公司产品已有数百支在日本国内电力系统中安全运行。日本三菱公司予1978年发表了他们对电力避雷器用氧化锌电阻片的研制成果。美国通用电气公司于1970年即已开始从事氧化锌压敏电阻的研制，并大量地生产应用予弱电及低压电力设备的保护，1977年发表了对于高压电力系统保护用无间隙避雷器的研究成果，提供了大量有关的试验数据，并说已有数组此类避雷器在220千伏系统中运行两年之久。美国西屋公司与美国电力研究会(EPRI)签订了协议，以130万美元的费用预期于四年内研究出用于1100千伏系统的无间隙避雷器。苏联于1976年发表了他们电力用氧化锌压敏电阻的研究成果，1978年又发表了他们对由110千伏至500千伏电力系统用的氧化锌避雷器(他们称之为非线性过电压限制器)的研究成果。据宣称，所制出的110～500千伏非线性过电压限制器可使相对地操作过电压降到1．6至1．8倍相电压，相问操作过电压降到1．7至1。8倍线电压，大气过电压降到1．7至2．2倍相电压。并指出，自1974年开始装设一系列自110千伏至500千伏的非线性过电压限制器于电力系统中进行现场试验和试运行，结果良好。1976年和1978年的国际大电网会议上，氧化锌避雷器成为与会者注意的中心。日本明电舍公司认为，_我们相信，氧化锌元件将会完全取代碳化硅元件一。而苏联在r．H．AJIeRcaHⅡopoB等七人所写的文章中这样地说，。60年代末至70年代初期，使用碳化硅为基础材料的非线性电阻制成的避雷器实际上已经在技术上发展到了极限。要进一步发展则要有更好的非线性的电阻。用氧化锌为基础材料的非线性电阻可以符合这一要求嚣。由此可见，在这十年中氧化锌压敏电阻的发展已达到成熟阶段，氧化锌避雷器取代原来的碳化硅避雷器已是大势所趋，不可避免的了。氧化锌非线性电阻片氧化锌非线性电阻片亦属陶瓷电阻类，其制法与其它陶瓷元件大致相同。在以氧化锌为主要材料的基础上掺以其它微量元素(例如氧化铋、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化锑等，其总含量不超过3摩尔％)，经过如下的工艺过程制成：氧化锌+添加物—专混料—÷煅烧—专水+有机粘合剂—÷成型—÷烧结—÷表面处理。氧化锌电阻片的微观结构示意图示子图1。可以见到，氧化锌电阻片是由许多不同大小的晶粒及包围这些晶粒的境界层所组成。晶粒的成分主要为氧化锌，其电阻率约为1～lO欧姆·厘米，晶粒之平均直径d约为10至20微米。境界层为以氧化铋为主的各种添加物的固溶体。境界层的电阻率在低电场下约为1012至1018欧姆·厘米，而当境界层的电位梯度达到10‘---105伏／厘米时，其电阻率骤然下降，境界层进入低阻状态。由此而产生明显的压敏特性。在大电流密度时，氧化锌晶粒本体的电阻逐渐起较大的作用，在这范围内氧化锌电阻片的非线性要变坏。添加的氧化钴、氧化锰等添加物的作用是与氧化铋形成一种化合物，阻止氧化铋在高温下挥发，可以获得较厚的境界层，从而得到较好的非线性。境界层的介电常数约为1000图1氧化锌电阻片微观结构示意图 d——晶粒直径I t——境界层厚度～2000，因此氧化锌电阻片有较大的固有电容，其数值与电阻片的面积成正比，而与其高度成反比。对氧化锌电阻片的导电机理有许多不同的解释，此处不拟予以阐述。氧化锌电阻片的电气特性可用图2的等值回路表示。图中。L——决定于回路的固有电感及氧化锌电阻片的暂态响应lC——决定予氧化锌电阻片的固有电容；R．——决定于氧化锌电阻片境界层的非线性；R，——决定于氧化锌电阻片的泄漏电阻， r——决定于氧化锌电阻片氧化锌晶粒的本体电阻。图2氧化锌电阻片的典型伏安特性示于图3·。≥-f二雾_．一一j。．∥。… i乏；i；；I一丰÷：二j图3氧化锌电阻片(苏由28)伏安特性此伏安特性可以分为三个典型区段。用公式U=A14表示，则在不同区段之A及0【有不同的数值。当电流低于lO^8安时，其q值是相当高的(c【≥O．1)；在电流为10_8安至10-1的区段，0【值大大地降低(仅值在0．015至0．04之间)；电流大于10-1之后，伏安特性又再开始毒注t氧化锌电阻片电气特性的具体数据随产品的配方、工艺及尺寸之不同而相异，本例之数据不能随便套甩于其它产品，以后亦同。37卤生上翘，而且随电流之上升，其非线性显著变坏(a可达0．1)。在不同区段的伏安特性受温良的影响是不同的。由图4(图略，参见《电瓷避雷器译丛》1979年第2期36页图2)可以看到，当电流低于10-3安时，伏安特性随温度之上升而下移，其电流温度系数之值为负的，当电流达1安时，伏安特性几乎不受温度的影响；而在大电流区段(电流由10安至104安)，其电流温度系数变为不大的正值(图中未表示出来)。用图2的等值回路可以说明以上的规律。当外加电压不高，境界层电阻甚高，可以视R，为开路状态，回路电阻只决定于泄漏电阻R一。与固体绝缘材料相似，绝缘电阻泄漏电流的温度系数是负的，氧化锌电阻片在小电流区域的电流温度系数也是负的。境界层上的电位梯度达到临界值之后，R，骤然下降，呈现突出的非线性，R一之影响大大地降低，所以其伏安特性受温度影响变小。而当电流密度足够高，氧化锌晶粒本体电阻作用又突出了，所以伏安特陛要向上翘，而类似金属电阻那样，其电流温度系数略为正值。氧化锌电阻片的固有电容与作用电压的关系示于图5。它与作用电压频率的关系示于图6。图5氧化锌电阻片‘与电压关系曲线图6氧化锌电阻片与频率关系氧化锌电阻片固有电容受温度的影晌甚微，其在一40℃及+125℃时之值与在25℃时之值相差在±10％范围之内。38氧化锌电阻片之等值电感决定子回路的固有电感及压敏电阻之暂态响应。与碳化硅电阻片一样，在陡波头的冲击电流作用下，其残压也比平缓波头作用下的残压为高，但其残压的上升却比碳化硅电阻片为低。图7(图略，参见《电瓷避雷器译丛》1979年第2期36页图3)是氧化锌电阻片残压与冲击电流波头时间的关系曲线，图中亦绘出碳化硅电阻片的相应曲线以作比较(图中以波头为8微秒幅值为10千安冲击电流下的残压作为电压的基准值)。由此可以看到，陡波头下的残压升高较之碳化硅电阻片要低一倍。在电场作用下，氧化锌电阻片内部要发生化学反应，使其电气特性发生变化。其特征为在一定电压作用下，泄漏电流随电压作用时间之增加而增加。相应地，氧化锌电阻片吸收的能量亦随电压作用时间而增加。图8表示了它吸收的能量大致与电压作用时间的平方根成直线关系。而能量吸收的增加导致了其本身温度的上升，这更进一步加速了特性变化的过程。因此，出现了在运行中氧化锌电阻片伏安特性的小电流区段随时间而缓慢漂移的现象(图9)。这一过程是不可逆的，漂移到某一定数值时，将由于正常工作电压作用下流过的泄漏电流过大使避雷器过热而损毁。在作无间隙避雷器设计时，必须充分估计到这一点，选择足够数量的电阻值以使避雷器能得到预期的工作寿命。经过大量的试验，一般都认为氧化锌电阻片的寿命可以用Arrhenlus公式估讨‘，即 t=toexpCE—f(V)3／RT式中，t。及R均为常数，决定于具体的试件参数，E为激活能，V为外加电压，而T则为温度(以绝对温度表示)。由公式可以看到，作用电压和工作温度的提高都会大大地缩短氧化锌电阻片的寿命。短时间的工作电压升高，或者过电压作用下都使氧化锌电阻片过负荷，其结果是助长了电阻片的老化，而在严重的情况下，可使电阻片破坏。所谓老化，是指由于境界层的部分被破坏或者极化，而引起其电性能的变异。通常图8在持续交流电压作用下氧化锌电阻片损耗功率与作用时间的关系曲线W。、W为起始及以后各时间的损耗功率．电流。畸数座标·图9氧化锌电阻片在持续电压作用下伏安特性漂移的情况用△Ul毫安／u。毫安表示。此处Ul毫安是在直流电流一毫安流过电阻片时所测出的残压，而AU。毫安则为负荷作用前后Ul毫安值之差。图lO及图11分别为在雷电冲击(波形为4×10微秒)及操作冲击(波形为2毫秒)作用下，其△U．毫安／U，毫安与冲击次数的关系曲线。 f和，445一周极性I o}≤竺旦．…异极性 l～卅l奄芯l；·20} l专oTI荔瑟=≮{耄-／of；辫5～～；放电次数图lO雷电冲击下的特性坩加％电次数坩∞图11操作冲击电流下的特性破坏的形式有两种：①贯穿性破坏。电阻片的某处出现贯穿性有低电阻的小孔。这种破坏通常是由于较低幅值而持续时间较长(例如2毫秒方波)作用下，由于电流的不均匀性引起局部的严重过热而损坏；②炸裂性破坏——包括电阻片的炸裂或沿面闪络。通常这是由于幅值高的冲击电流作用下，局部温度突然上升引起局部膨胀而产生应力破坏。也可能是由于大电流下有高的残压，电阻片中的电位梯度过大以使其分子键受到破坏。最后，也可能是由于电阻片边缘的绝缘处理不善而产生的沿面闪络。当然，上述的划分也不是绝对的，只是指出其一般规律而已。氧化锌电阻片对于短时工频电压升高的耐受能力示予图12。图12明电舍垂56氧化锌电阻片工频耐压曲线按照已知的资料，将目前国际上各种氧化锌电阻片的技术数据列于表l。制作无间隙避雷器(特别是超高压避雷器)的氧化锌电阻片要有低的残压比(Vlo千安／V1毫安)及大的通流容量，各国都对此进行了大量的工作，除了改进电阻片的配方、工艺之外(这是最主要的)，还对增大通流截面以使电流密度处于伏安特性的平坦段进行工作。一种作法是制作大截面的电阻片(例如GE公司的书100电阻片)，另一种作法则是用多个小截面电阻片并联(例如苏联的,28电阻片，当用于制作500千伏避雷器时15--,18组并联)。由于氧化锌电阻片在大电流区段有正的电流温度，一般认为并联使用是可行的。而制作太大的电阻片难达到足够的均匀性，故大多趋向于制作尺寸不太大的电阻片。39厂家{规格{、，竺，√蕊毒去磊纛}备注厂家l规格j v。献／v1毫安l t犁。爹{2纠髫然涮l眢匝明电舍1由56}1．62{100 f800 i年数据…一～一j_一—一：一…一一一～一一r一…一寸一 f一_÷“、。一～一J*以4片并蘸的情流讦算苏联l书28}1．91{20 j280}280{舞*以4片并联算，波形为GE公司{书】剖1．6；100…o i r巍值1312GE公司{书·6{10。{1000{：估计值而在正常工作电压下它是很大的电阻(近于绝氧化锌避雷器目前世界各国对氧化锌避雷器的研究主要是集中于创制无间隙避雷器。要理解什么是无间隙避雷器，以及这种避雷器应具有怎样的技术要求，首先还得从通常的碳化硅避雷器说起。避雷器的主要任务是限制过电压，所以它在大电流下的残压必须在被保护的绝缘水平以下，并有一定的裕度。另一方面，过电压能量泄放之后，避雷器又要及时地恢复到正常的高绝缘状态。由于碳化碳电阻片的非线性还不够好，为满足保护水平的需要所选取的阻值在工作电压下仍然相当低，避雷器在过电压下动作之后，随之有由工作电压作用下产生的电流流过电阻片。这电流称为续流，其值由数十安至百安以上。显然，碳化硅电阻片不可能持续地通过这样大的电流，所以有必要与碳化硅电阻片串接一火花间隙。这火花间隙只当过电压超过其保护水平时才动作击穿，使过电压能量通过电阻片释放，而当工作电压下的续流过零以后，火花间隙的绝缘强度又自动恢复使碳化硅电阻片与电源隔开。这里，火花间隙起了导通与闭锁豹开关作用，对碳化硅避雷器来说，这是不可缺的。而氧化锌电阻片则不然，它有极其优异的非线性，端电压的略为降低导致泄漏电流的锐减，换句话说，它在过电压下是很小的电阻，40缘电阻)，这就可以取消串接火花间隙而直接将氧化锌电阻片接到电源上运行。为了进一步阐明上述观点，我们分析一下图13所示的两种元件的伏安特性曲线。氧化锌电阻片在10‘安电流下的残压约为8千伏，而在10_3安电流下的残压为4．15千伏，两者之比V。。千安／V。毫安为1．93。若选定避雷器在雷电冲击下的保护水平为两倍相电压，则在正常工作相电压作用下流过氧化锌避雷器的电流将远低予10．6安。而在同一的雷电冲击保护水平下，流过碳化硅避雷器的续流已达数百安。因此，为了能够安全地工作，后者需要串接火花间隙，而前者则不需要。图13两种电阻片工作性能比较与有间隙避雷器不同，无间隙避雷器的电阻片是持续地接到电源线上的，它经常地直接受到各种不同类型的电压作用。在正常运行时它承受了运行相电压，在这电压作用下，流经电阻片的泄漏电流要使电阻片发热，内部发生化学反应而逐渐老化，其伏安特性逐渐漂移(图9)，当泄漏电流到某一定数值之后便失去热平衡而结束其寿命。在运行中，会出现各种各样的电压升高和过电压，对有间隙避雷器来说，仅当过电压使火花间隙击穿之后才受到负荷，而无间隙避雷器则不论对那种电压都要作出反应。而这些负荷的积累作用将要加速其老化。从这一观点来看，无间隙避雷器电阻片的工作条件是比较严峻的。为了合理地确定无间隙避雷器的技术条件，各国都进行了大量的实验室研究、现场试验和试运行研究工作。目前还在继续进行中。这些工作包括以下的几个方面：I．正常工作电压作用下氯化锌避譬嚣的预期寿命运行中，避雷器受到运行电压的长期作用，其损耗逐渐上升，一般认为这一过程是与固体绝缘材料热老化现象相似，可以用Arrhenius公式来描述。所以都用加速老化试验的方法来预测其运行寿命。所谓加速老化试验是指避雷器在比其正常工作条件为高的温度和电压梯度下进行长期带电试验，通过检测其泄漏电流或损耗功率的变化情况以判断其达到寿命终结的时间，然后再用Arrhenius公式以推算其在正常运行温度和正常运行电压梯度下的预期寿命。图14(图略，参见《电瓷避雷器译丛》1979年第2期38页图6)为明电舍在1978年发表的加速老化试验曲线。试验是在不同的温度和不同的外加电压下进行的。图中的电压是用长期加压比率表示，其定义为作用于氧化锌避雷器的外加电压与氧化锌电阻片在一毫安下残压的比值。图中的曲钱表明了若温度愈高，以及长期加压比率愈高则其寿命愈短。图14中实线为由实验得出的数据，将曲线延伸便苛求得在实际运行温度下的预期寿命。明电舍通过上述试验估计出在年平均温度为40℃时，用于中性点非有效接地系统的氧化锌避雷器(其长期加压比率为45％以下)的预期寿龠为lo6年，而用于有效接地系统的氧化锌避雷器(其加压比率低于60％)的预期寿命为10‘年。其他国家及厂商的考虑方法和试验方法也大同小异，所得的规律性也是一致的。但其所得的预期寿命却比这要低得多(苏联为35年而GE公哥则为100年)。除了加压比率有差别之外，预期寿命判据、试品条件等也会不同，由于原始条件不清，不好互作比较。2．续流遮断试验备国对氧化锌无间隙避雷器在雷电冲击下的性能都作了严格的试验，而且一致认为这种避雷器实际上是无续流的。图15(图略，参见《电瓷避雷器))1977年第4期3L页图3)为GE公司对一额定电压为6千伏的元件作试验所得的示波图。用10千安，8×20微秒冲击电流点火，每分钟一次，共作24次。流过避雷器的工频电流非常微弱，持续时间非常短，开始时为4．5毫安，动作20次以后增加8．5毫安。这电流之增大是由于多次动作，避雷器内能量发热，积累温升而引起特性略有漂移之故。然而这种漂移是暂时性的，温度下降之后其泄漏电流又恢复正常。明电舍对无间隙避雷器、限流型避雷器和普通磁吹避雷器三种避雷器动作负载(亦即续流遮断)试验时电压——电流波形作了比较(图16图略，参见《电瓷避雷器译文辑))1975年第4期33页图14)。前者在额定电压下有极好的限流特性，冲击电流过去之后，流过电流即已接近于零。而后二者则流过明显的续流，而且续流延续时间比较长。可以认为无间隙避雷器动作负载试验时所吸收的能量实际上只是雷电冲击电流的能量，其工作条件是很轻松的。53．重合闷过电压动作负簟试验500千伏以上电力系统操作冲击绝缘水平主要由重合闸过电压来决定，而且对避雷器负载而言，重合闸，过电压下动作比重燃过电压为严重，故现在研制的超高压用避雷器都要进行重合闸过电压动作负载试验。图17(图略，参见《电瓷避雷器译丛》1979年第2期4l页图 lO a)是对---'500千伏避雷器进行此项试验的原理结线图。图18(凰略，参见锝电瓷避雷器译丛努1979年第2期4l页图lo b)为试验所得的避雷器端子电压和通过避雷器电流的示渡41图。图上并标明由模拟计算机算出的结果(虚线)。试品是由三个+56氧化锌电阻片柱并联组成(1977年制品，据1978年发表数据，其通流容量又大有改善)。试品顺利地通过了此项试验。图19(图略，参见《电瓷避雷器译丛》1979年第2期41页图11)为其残压及吸收能量与电源容量的关系曲线，并标出通常碳化硅避雷器同样的数据曲线。曲线表示，在残压比通常碳化硅避雷器低10％的条件下，氧化锌避雷器吸收能量要低20％。避雷器在内过电压下动作比雷电冲击动作要吸收大得多的能量。以氧化锌无间隙避雷器而言，在后一情况，每次动作吸收能量大约是1．3千瓦秒／千伏，而在前一情况则可达8．9千瓦秒／千伏以上。在内过电压下每次动作之后，其温度上升数十度以上。氧化锌电阻片在低电流范围内的电流温度系数是负的，温度的上升弓l起泄漏电流及损耗的急剧上升，因此即使氧化锌能承受内过电压能量而不致马上损毁，但如工作电压下严重发热亦可能使其破坏。GE公司对此问题的考虑方法如下。图20中的曲线①表示氧化锌避雷器在工作电压作用下的吸收功率与温度的关系曲线，曲线②为避雷器在一定结构形式下的散热瓦数与其温度的关系曲线。两曲线之交点A和B表示其热平衡状态。正常工作是处于下交点，假定由于内过电压动作温度上升而又不超过上交点B对应的温度的话，避雷器散热瓦数大于发热瓦数(在AB点范围内曲线②高于曲线①)，温度可以逐渐下降，经数分钟或数十分钟便圃到A点的工俸状态。丽若内过电压动作后温升太高，超过B点对应温度，则避雷器发热瓦数大予散热瓦数，结果温度将不断上升，以致使避雷器最后发生损毁。图中曲线@是考虑运行若干年以后，由于氧化锌电阻片老化而使损耗增加以后其吸收功率与温度的关系曲线。基于以上考虑GE公司设计了较大的避雷器瓷套以改善其散热条件。三菱公两在作特别动作负载试验时，在内过电压动惟后还继续加上电源电压数卡分钟直至确定氧化锋电阻片恢复正常状态为止。。5峨拍gKw参，。图20功率损耗及散热特性①工作电压下的功率损耗与温度关系⑦避雷器的散热能力③若干年后避雷器的功率损耗与温度关系这里还有一个问题各种资料都讲得不十分清楚。这就是避雷器在重负载后，其低电流伏安特性的漂移能否完全恢复正常状态的问题。日本和美国许多文章都笼统地说是可以韵，但又在其通流容量的数据中给出了△V。毫安／VI毫安的数值，显然，△VI毫安／Vl毫安的变化是必然的，问题是在于变化有多大，影响程度如何，这还有待于通过试验明确。4．工频耐压电力系统在运行中，由于各种原因(如甩负荷、电容效应、谐振等)会出现持续时间从数周波到数分钟或更长的，其频率为工频或其谐波频率的电压升高。氧化锌电阻片直接受到这些电压的作用，在使用时必须考虑其是否能承受得了。为此明电舍对其所生产的夺56氧化锌电阻片作了工频耐压值与电压作用时间的关系曲线(图12)。GE公司对其试制的氧化锌避雷器在系统中可能遭受的各种暂态过电压作用下的性能作了试验。其一为加上预期电压峰值为1．59、1．61、1．23、1．33、1．4、1．4、1．4、1．37、1．34、1．32、1．30倍额定电压共十个周波的工频电压，另一试验为对避雷器加上1．2倍额定电压共60个周波的60周工频电压，都可以安全承受。除此之外，还针对某些特定要求构避雷器进行专门项目的试验。例如。①污秽及带电冲洗试验对于耐污型避雷器要进行此项试验。众所周知，污秽对有间隙避雷器是相当严重的威胁。在污秽严重的情况下，改变了沿避雷器的电压分布，使其放电电压下降，在较低的过电压下亦会频繁地动作，无疑地要影响到它的寿命，而且由于污秽使恢复电压在各元件上的分布不均匀，大呔地降低其灭弧能力，严重的情况下甚至不能灭弧。对无间隙避雷器来说，不存在上述对放电电压及恢复电压的影响，这是它在这种情况下工作的优越性。但是由于它也是由多个元件组合而成1的，污秽也将会影响到各元件上的电压分布，这就使得氧化锌电阻片泄漏电流和能量损耗都会上升。明电舍对其产品作了污秽及带电冲洗试验，证明虽然试验条件比较苛刻，而流过氧化锌电阻片的泄漏电流不超过数十毫安，温升不超过数十度，而当作用电压恢复到正常工作电压时泄漏电流便降到毫安以下，其工作条件是比有闻隙避雷器好得多的。②电容放电试验装于电容器组或电缆线路的避雷器有着比一般避雷器更为困难的工作条件。这是由于避雷器动作时，电容(或电缆)将对其放电，好象一个内阻为零或很低内阻的电源作用于避雷器之上。通过避雷器有一幅值甚高的起始电流，有问隙避雷器在这样的工作条件下灭弧是很困难的。GE公司利用图21(图略，参见《电瓷避雷器》1977年第4期32页图6上图)的试验结线对于在230千伏系统中操作135MVAR电容器组产生过电压对保护用避雷器的负载进行研究。所用避雷器试品有普通避雷器(其放电电压为382千伏，相当于1．5倍额定电压)和氧化锌无间隙避雷器。图22(图略，参见《电瓷避雷器》1977年第4期32页图6中，下图)为所得的电流电噩示波图。．图中虚线为不装设避雷器时的预期电压示波图。普通避雷器动作后流过电流峰值约12．4千安，直到电流降到1．5千安时通过避雷器的总电荷约为1．1库仑，这是一个很严重的负荷。相反，虽然氧化锌无间隙避雷器能将过：电压限制到较低数值(约1．39倍额定电压)，而其流过电流峰值仅为1．8千安，吸收能量仅为0．7千瓦秒／千伏。根据前述的试验研究工作，我们可以将设计无间隙避雷器时应考虑的问题归纳如下：①它应当有足够长的予期寿命。考虑到各种负载对氧化锌电阻片的老化作用，氧化锌电阻片在长期工作电压作用下的伏安特性漂移不能超过一定的限度。必须注意避雷器工作时的环境温度以及避雷器结构对散热的影响。在一定的工作环境温度和避雷器结构的条件下便可以选定合适的长期加压比率。明电舍选用电阻的准则是使其V。毫安为避雷器额定电压的1．1倍，由此算出其用于中性点非有效接地系统避雷器的长期加压比率为45％左右，而用于中性点有效接地避雷器的长期加压比率约为60％左右，其预期寿命约为105年及lo‘年(年平均温度为40℃)。苏联选取的加压比率约为0．75，其在年平均温度为25℃下的预期寿命为35年。虽然lo‘年的计算值看来似乎大得没有必要，但其计算并没有考虑到其它因素对老化的影响，实际上会比这个数值低，况且在没有足够的运行经验以前，加压比率取得略低一点，留有裕度是合理的。苏联的计算是按环境温度25℃算的，如果采用温度为40℃的话，则其寿命将大为降低。②其2毫秒方波通流容量应不低于计算操作冲击电流。后者的决定方法见于图23。先作出氧化锌电阻片的伏安特性，然后在纵座标轴上取其值等于该系统预期过电压峰值的一点，由此点作出一斜率tga=一Z。的直线，Z。为输电线波阻抗。以上两线的交点即为避雷器在操作过电压下动作后的残压及通流。图23已算出某一试品(用于最大电压为242千伏及145千伏的系统)的数值。若算出电阻片的通流容量不足，则需要考虑改用较大尺寸电阻片或用多组并联的问题。多组电阻片并联时，必皴仔细挑选其电阻片，使其V。毫安的差值在±1％以下。因为电阻片有高度非线性，V。毫安的略有差异意味着电流的大量变动。在大电流下其电流分布将随V。毫安图23按IEC及ANSI标准确定长波通流容量方法的差值的增大而变得很不均匀，V。毫安较低的一组电阻片可能出现过负荷。1③避雷器要能承受各种工频电压升高和谐振过电压不致过热损毁。对于工频电压升高可以采用如图12那样的工频耐压一时间曲线决定(但需注意，不同产品的具体数值并不一样，要有自己产晶的曲线)。但对于谐振过电压下的性能则似乎还未有详细的研究。对于中性点非有效接地系统用的避雷器，这个问题的现实性是值得注意的。④应用于特殊场合的避雷器还应满足其特定的具体要求(例如耐污秽型，用于电容器组附近，应用予SF。绝缘的组合电器内等等)。虽然无间隙化是氧化锌避雷器的主要研究方向，但配合以一定数量的间隙可以改进其某一方面的性能，适于某些特定的应用场合。并联火花间隙的氧化锌避雷器，这种避雷器是在早期发展时，由于氧化锌电阻片的非线性还不够好的情况下就采用的。其原理图示于图24。R，、Rz均为氧化锌电阻片，两者相互串接，而与R z又并联一火花间隙G。正常运行时，由R。、R。两者共同承担工作电压，可以将泄漏电流限制到足够低的数值，而当过电压电流太大，避雷器残压有超过要求保护水平的危险时，在R。上残甄的作用下，火花间隙被击穿，将．R叠短路。速祥，过电压电流晟通过R。，最大残压数值仅由R。所决定。这种避雷器的Vl毫安由R，+R。所决定，而V。。千安由R。所决定，所以其组合后的残压比V。。44千安／V，毫安要比纯粹的无间隙避雷器为低。也就是说，采用并联闻隙可以使用较高残压比的氧化锌电阻片造出有较低残压比的避雷器。苏联资料的估计，用其生产氧化锌电阻片斜出的无间隙避雷器可以限制对地操作过电压至1．7-'--1．8倍相电压的水平，限制雷电过电压至2～2．2倍相电压的水平，而有并联火花间隙的避雷器可以降低对地操作冲击至1．6--,1．7倍相电压，降低雷电冲击至1．7～1．8倍相电压。亦可将火花间隙接于三相避雷器的中性点与大地之间(图25)。在正常运行时，由R承担运行相电压，而在过电压电流下残压亦由R所决定，这与一般无间隙避雷器相同。但由于氧化锌电阻片在正常运行时对大地绝缘，流过R的泄漏电流中没有三次及其倍数谐波成份，可以提高避雷器的使用寿命，并可将对地操作冲击降到1．6"--1．7倍相电压，将雷电冲击降到1．9～2。1倍相电压。图26则为兼有限制相间过电压作用的氧化锌避雷器。相地过电压由串接的电阻R。+R。限制到K相地倍相电压。而当另一相有异极性过电压时，若间隙不动作，则最大相问过电压峰值可达2K相地倍相电压。而当火花间隙动作电压整定到低于此值时，则过电压未到2K相地之前火花问隙便动作，使电阻R。的下端相互短接，相问过电压只由两个R。的压降所决定，其值不超过一型立～2(Rl+R2)×2K相地。而且其每一相对地过电压的绝对值都是相等的。由于相间空气绝缘系统的放电电压不仅决定于作用电压的绝对值，而且还与正、负极性对地过电压倍数的比值有关(图27，图珞，参见《电瓷避雷器泽丛》1979年第2期47页图5)。当K一相地／K+榴地之值低于0．5时放电电压便要降低。现火花间隙的动作不仅使相问过电压的绝对值降低，而且防止了在高倍数相阀过电压下出现K一相地／K+j目地<0．5情况的可能性。这无疑将有助予降低相间绝缘距离。对于500千伏以上的超高压变电所是有显著的经济效益的。据苏联资料，采用其OPHH500非线性过电压限制器以保护500千伏户外变电所时，可以比用普通避雷器保护的情况缩小变电站的面积及容积15～30％，使其结构造价下降10～15％。图26众所周知，用碳化硅电阻片制作的避雷器，其保护水平与运行中的旋转电机绝缘预防性试验电压相配合有很大的技术困难。以i0．5千伏电压等级为例，其绝缘预防性试验电压为1．5倍额定电压，即为1．5×10．5×／了=22．3千伏峰值，而其灭弧电压为12．7×／虿=17．9千伏峰值，故其保护比为22．3／1r．9=1．246。在如此低的保护比数值下，碳化硅避雷器要通过很大的续流，这就要求其碳化硅电阻片有很大的通流容量，而其间隙有极强的灭弧能力。目前国产的FCD。～10的保护比为31／lr．9=1．74,、应用氧化锌无间隙亦难以解决此困难6按V。毫安等于1．1倍避雷器灭弧电压推算。要求氧化锌电阻片的残压比Vs年安／V。毫安=22．3／1．1 x17．9=1．14。显然这是任何先进产品都达不到的指标。若我们认为V．毫安等于1．1倍避雷器灭弧电压这个要求过荷，那么也可以从另一个角度来讨论。10．5千伏电压等级是属于中性点非有效接地系统，按规定它允许带单相按地工作二至三小时。无间隙避雷器应在这个电压(相当于其灭弧电压)下安全运行。利用图12的氧化锌电阻片：I：频耐压曲线查得，3小时的工频耐压低于1．2倍额定电压，亦IP．f氐于1．1倍V，毫安。按这个数值推算，要求氧化 oO盘锌电阻片的残压I：LV s千安／V-t甓安=，，!为≯，=上I·刁，1·J=1．37。这个技术指标也是目前所达不到的。利用氧化锌t乜阻片与火花间隙串联却可以轻丽易举地解决这个问题。西瓷所与华中工学院合作做了一个试件，其原理示于图28。G为串接火花间隙，R。为其分路电阻(普阀用的通用分路电阻)，R。为氧化锌电阻片，C为调节冲击系数用的电容。其动作原理与一般通用避雷器一样，但由于采用了氧化锌电阻片以作限制续流之用，避雷器的工作条件很轻，虽然其3千安残压已可达22．3千伏以下，而其在灭弧电压下的续流蜂值不过一百安培左右，续流延续时间大约4毫秒，用普阀的平板间隙可以很轻松地灭弧。从指标的先进、工艺的简单、成本的低廉各方面看来都是合适的。现此试品已经通过全部试验，情况良好，即将投入现场试验和试运行。吲28氧化锌避雷器的优越性可以概括为以下几个方面。·’①技术指标先进首先从保护水平、尺寸、重量方面来进行比较。现将已发表的试制品和产品数据列于表2，表2中也列出同一电压等级的碳化硅避雷器有关数据。45衷2BIL『高度l重量| l千伏j毫米j公斤 l!额定电压『系统电压I残压型号l类型I(灭弧电压)f最大值L—!坐一一}；千伏有效值i千伏有效值I5千安I10千安 lII1．}OHH-110氧化锌『』230／205』!|IZS—A’|明电舍(目)氧化锌『324I{PBMF一110碳化硅j l265』2952 l·OHH-220氧化锌}460／410 i}一{’ZS-A氧化锌{-535PBMF一220：碳化硅』} l0nH一500 j氧化锌i【920ZS-B3氧化锌420。525】1080PBMK-5001碳化硅j』1260ZS-420AFT氧化锌1900 t比较同一电压等级的两类避雷器，可以发现氧化锌避雷器的保护水平和磁吹避雷器是不相上下的，而且都能与被保护设备的绝缘水平相配合。此外，表2所列均为无间隙氧化锌避雷器的数据，如采用并联间隙则还可得到更低的保护水平。至于避雷器的尺寸及重量，则不论在那一个电压等级氧化锌避雷器都远胜于磁吹避雷器。氧化锌避雷器的续流在毫安级以下，实际上可视为无续流避雷器。这不但对避雷器本身的负载可以减轻，而且对系统的影响极微。当邻近变电所线路上导线受到直击雷作用或者发生杆塔对导线的反击都可能出现有陡波头的过电压波。有间隙避雷器的间隙放电特性以及其残压都随着波头的缩短而上翘，图29中曲线A为避雷器的放电伏秒特性，曲线SiC及曲线Z。O各为碳化硅电阻片及氧化锌电阻片残压与电流波波头时间的关系曲线。绝缘配合时必须考虑这一影响。有间隙避雷器要同时考虑伏秒特性的上翘及伏安特性的上翘，氧化锌无间隙避雷器则只要考虑伏安特性的上翘，而氧化锌电阻片伏安特性上翘又比碳化硅电阻片低，这无疑将要增加绝缘配合的裕度。46理孽≤蜒幽唧。7‘口时闻(多s)．憎p圈29②可靠性高由于氧化锌无间隙避雷器出现时间不久，运行经验不多，所以有人对其可靠性表示担心。其实仔细分析现有资料，可以认为氧化锌无间隙避雷器的可靠性是很高的，在许多方面胜过现有的有间隙避雷器。从其正常工作下的泄漏电流及能量损耗来说，如取长期加压比率在45．--,60％之间，则其有功损耗电流将在10叫安以下，温升是很微的，而所有电站型有间隙避雷器都有并联电阻，其上的泄漏电流亦达一毫安上下、，问题是同样存在的。固然，无问隙避雷器对所有作用电压都要作出反应，总的动作次数要增加。但从另一方面，由于其菲线性的良好，较低倍数过电压的负载是很轻微的。多吾；∞印∞坫：2驼∞如∞趵∞∞猫的踮∞罟宕

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