变电站各组成设备的作用及原理

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第二章 变电站的各组成设备的作用以及工作原 理
2.1 变压器的分类、组成材料、构造以及工作原理
2.1.1 变压器简介 变压器的功能主要有： 电压变换、 电流变换、 阻抗变换、 隔离、 稳压 （磁饱和变压器） 、 自耦变压器、高压变压器（干式和油浸式）等。

变压器常用的铁芯形状一般有 E 型和 C 型 铁芯、XED 型、ED 型、CD 型。

变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、 干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变 压器、箱式变电器、试验变压器、转角变压器、大电流变压器、励磁变压器。

变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。

当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时， 于另一组线圈中将感应出具 有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。

一般指连接交流电源的线圈称之为“一次线圈”(Primary coil)；而跨于此线圈的 电压称之为“一次电压” 。

在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次 线圈与二次线圈间的「匝数比」所决定的。

因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。

大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。

基于铁材的高导磁 性，大部份磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。

在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者 之线圈匝数比相同。

因此， 变压器之匝数比， 一般可作为变压器升压或降压的参考指标。

由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升 输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元 化，可以这样说，没有变压器，现代工业实无法达到目前发展的现况。

电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的 分界线。

一般提供 60Hz 电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般 大的容量。

电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其 中有些部份属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范 围。

各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作；提供
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系统中以不同电位操作部份得以电气隔离；对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低 的阻抗；在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。

“阻抗”是其中的一项重要概 念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另 外的一个阶层时，其间即使用到一种设备—变压器。

变压器又有其做试验而用的，是试验变压器，分别可以分为充气式、油浸式、干式 等试验变压器，是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本 试验设备，通过了国家质量监督局的标准，用于对各种电气产品、电器元件、绝缘材料 等进行规定电压下的绝缘强度试验。

变压器---利用电磁感应原理， 从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种 电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。

2.1.2 常用变压器的分类以及特点 一般常用变压器的分类可归纳如下： 1、按相数分： （1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。

（2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。

2、按冷却方式分： （1）干式变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容 量变压器。

（2）油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强 迫油循环等。

3、按用途分： （1）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。

（2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。

（3）试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。

（4）特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。

4、按绕组形式分： （1）双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。

（2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。

（3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。

也可做为普通的升压或降后变 压器用。

5、按铁芯形式分： （1）芯式变压器：用于高压的电力变压器。

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（2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约 80%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载 率较低的地方。

（3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器，或用 于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。

2.1.3 电压器的组成材料与结构 1、铁芯材料 变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减 少涡流，使其损耗减少。

我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅 钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度 B 来表示，一般黑铁片的 B 值 为 6000-8000、低硅片为 9000-11000，高硅片为 12000-16000， 2、绕制变压器通常用的材料 漆包线，纱包线，丝包线 纸包线，最常用的漆包线。

对于导线的要求，是导电性 能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。

一般情况下最好用 QZ 型号的高强度的聚脂漆包线。

3、绝缘材料 在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般 的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，环氧板，或纸板。

层间可用聚脂薄膜，电话纸， 6520 复合纸等作隔离，绕阻间可用黄腊布，或亚胺膜作隔离。

4、浸渍材料 变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械 强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料 或 1032 绝缘漆，树脂漆。

5、结构 变压器主要部件是绕组和铁心(器身)。

绕组是变压器的电路， 铁心是变压器的磁路。

二者构成变压器的核心即电磁部分。

除了电磁部分，还有油箱、冷却装置、绝缘套管、 调压和保护装置等部件。

（1）铁心 材料：一般由 0.35mm 或 0.5mm 冷轧(也用热轧)硅钢片叠成。

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铁心交叠：相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。

偶数层刚好压着奇数层的接
缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通，如图 2-1 所示。

图 2-1 常见铁心交叠方法 铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。

容量大 则级数多。

叠片间留有间隙作为油道(纵向或横向)，如图 2-2 所示。

图 2-2 常见铁心柱面图 （2）绕组 一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。

绕组套装在变压器铁心柱上，一般低 压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于提高绝缘性能。

（3）油、油箱、冷却及安全装置 器身装在油箱内， 油箱内充满变压器油。

变压器油是一种矿物油， 具有很好的绝缘性能。

变压器油起两个作用：一是在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用；二是 变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。

油箱有许多散热油管，以增大 散热面积。

为了加快散热，有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹 风或用自来水冲淋变压器油箱。

这些都是变压器的冷却装置。

变压器运行时产生热量，使变 压器油膨胀，并流进储油柜中。

储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧 化和吸收空气水分的速度。

从而减缓了油的变质。

故障时，热量会使变压器油汽化，触动气
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体继电器发出报警信号或切断电源。

如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气 道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂，如图 2-3、2-4 所示。

1-油箱； 2-储油柜； 3-气体继电器； 4-为安全气道
图 2-3 储油柜
图 2-4
油浸式变压器
1-铭牌；2-信号式密度计；3-吸烟器；4-油裹；5-储油柜；6-安全气道；7-气体凝电器； 8-高压套管；9-低压套管；10-分接开关；11-油箱；12-放油阀门；14-接地板；15-小车。

2.1.4 电压器的工作原理以及相关的技术参数 （1）工作原理
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图 2-5 变压器工作原理图 变压器的基本原理是电磁感应原理， 现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原 理： 当一次绕组接交流电压后，就有激磁电流 i0 存在，该电流在铁心中可产生一个交 变的主磁通 Φ。

Ф 在两个绕组中分别产生感应电势 e1 和 e2： e1=－N1*dФ/dt ， e2=－N2 * dФ/dt 若略去绕组电阻和漏抗压降，则以上两式之比为： U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2 U1/U2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k，k 定义为变压器的变比。

即：U1/U2=N1/N2 (2-2) 从此式 (2-1)
可以看出，若固定 U1，只要改变匝数比即可达到改变电压的目的了，即：若使 N2>N1， 则为升压变压器；若使 N2<N1，则为降压变压器；上述的平衡作用实质上是磁势平衡作 用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

（2）变压器技术参数 1）电压 变压器两组线圈圈数分别为 N1 和 N2，N1 为初级，N2 为次级.在初级线圈上加一交 流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当 N2>N1 时，其感应电动势要比初级所 加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当 N2<N1 时，其感应电动势低于初级电 压，这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系： N=U1/U2=N1/N2 (2-3)
式中 n 称为电压比(圈数比).当 n<1 时，则 N1<N2，U1>U2，该变压器为降压变压器.反之 则为升压变压器。

电功率 P1=P2，所以电流之比 I1/I2=N2/N1。

上面的式子只在理想变 压器只有一个副线圈时成立。

当有两个副线圈时 P1=P2+P3，U1/N1=U2/N2=U3/N3，电流 则须利用电功率的关系式去求，有多个时依此推类。

2）变压器的效率
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在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即 η=(P2÷P1)x100% (2-4)
式中 η 为变压器的效率；P1 为输入功率，P2 为输出功率。

当变压器的输出功率 P2 等 于输入功率 P1 时，效率 η 等于 100%，变压器将不产生任何损耗。

但实际上这种变压器 是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损。

铜损是指变 压器线圈电阻所引起的损耗。

当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而 损耗。

由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。

变压器的铁损包括两 个方面；一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向 和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能， 这便是磁滞损耗。

另一是涡流损耗，当变压器工作时，铁芯中有磁力线穿过，在与磁力 线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状， 故称为涡流。

涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。

变压器的效 率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就 越高，反之，功率越小，效率也就越低。

3）变压器的功率 变压器铁心磁通和施加的电压有关。

在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增 加。

虽然负载增加铁心不会饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产 生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假如你用的线圈是由超导材料组成，电流增大 不会引起发热，但变压器内部还有漏磁引起的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电 流越大，输出电压越低，所以变压器输出功率不可能是无限的。

假如你又说了，变压器 没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力，很容易使变压器线圈损坏， 虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。

只能这样说，随着超导材料和铁心材料的 发展，相同体积或重量的变压器输出功率会增大，但不是无限大！ 2.1.5 变压器的磁屏蔽 用纯铁罩把永久磁铁完全包围起来，互相不接触，即使铁针再靠近一些纯铁罩，也 不能被吸起来。

这是因为铜板或厚纸板是非磁性材料， 磁感线可以毫无阻挡地穿过它们， 所以铁针很容易吸起来。

铁板是磁性材料，它的磁导率较大，有良好的导磁作用，凡进 入铁板的磁感线大部分集中在铁板里了。

将纯铁做成屏蔽罩，把永久磁铁封闭起来，永 久磁铁的磁感线绝大部分都集中在纯铁屏蔽罩内。

屏蔽罩越厚，屏蔽效果越好。

如果永 久磁铁或其他能够产生磁场的物体置于纯铁屏蔽罩外面， 则罩外的磁感线也基本上不能 进入罩内，对于罩内的物体同样可以免受罩外磁场的影响，从而达到了屏蔽目的。

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2.2 电压互感器
电压互感器是一个带铁心的变压器。

它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。

当 在一次绕组上施加一个电压 U1 时，在铁心中就产生一个磁通 φ，根据电磁感应定律， 则在二次绕组中就产生一个二次电压 U2。

改变一次或二次绕组的匝数， 可以产生不同的 一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。

电压互感器将高电压按比例 转换成低电压，即 100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保 护等；主要是电磁式的（电容式电压互感器应用广泛） ，另有非电磁式的，如电子式、 光电式。

其在变电站系统中主要供测量电压、电流、和功率以及继电保护装饰使用。

其 工作原理与变压器相同， 基本结构也是铁心和原、 副绕组。

特点是容量很小且比较恒定， 正常运行时接近于空载状态。

电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。

为 此，电压互感器绝不允许短路并且在原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝 缘损毁时， 可以防止副边出现高电压危及人身安全同时防止副边所接的仪表和继电器出 现对地高电位而造成人身和设备事故。

测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系 统的线电压） ，可以单相使用，也可以用两台接成 V-V 形作三相使用。

实验室用的电压 互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。

供保护接地用电压互感器还 带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器 。

三相的第三线圈接成开口三角形， 开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压 线圈联接。

正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。

一旦发生单相接地时，中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器 动作，从而对电力系统起保护作用。

线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。

为此，这种三相电压互感器 采用旁轭式铁心（10KV 及以下时）或采用三台单相电压互感器。

对于这种互感器，第三 线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当原电压增加时，铁心中的磁 通密度也增加相应倍数而不会损坏） 。

注意事项 1）电压互感器在投入运行前要按照规程规定的项目进行试验检查。

例如，测极性、 连接组别、摇绝缘、核相序等。

2）电压互感器的接线应保证其正确性，一次绕组和被测电路并联，二次绕组应和 所接的测量仪表、 继电保护装置或自动装置的电压线圈并联， 同时要注意极性的正确性。

3）接在电压互感器二次侧负荷的容量应合适，接在电压互感器二次侧的负荷不应
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超过其额定容量，否则，会使互感器的误差增大，难以达到测量的正确性。

4）电压互感器二次侧不允许短路。

由于电压互感器内阻抗很小，若二次回路短路 时，会出现很大的电流，将损坏二次设备甚至危及人身安全。

电压互感器可以在二次侧 装设熔断器以保护其自身不因二次侧短路而损坏。

在可能的情况下，一次侧也应装设熔 断器以保护高压电网不因互感器高压绕组或引线故障危及一次系统的安全。

5） 为了确保人在接触测量仪表和继电器时的安全， 电压互感器二次绕组必须有地。

因为接地后，当一次和二次绕组间的绝缘损坏时，可以防止仪表和继电器出现高电压危 及人身安全。

2.3 电流互感器
在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另 外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。

电流互感器就起到变流和电气隔离 作用。

它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的 传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统， 二次侧接测量仪表、继电保护等。

电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。

其工作原理、等值电路也 与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流 表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。

原边电流（即被测电流）和副边电流取 决于被测线路的负载， 而与电流互感器的副边负载无关。

由于副边接近于短路， 所以原、 副边电压 U1 和 Uc2 都很小，励磁电流 I0 也很小。

电流互感器运行时，副边不允许开路。

因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流， 使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。

因此，电流互感器副边回路 中不许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆下电流表、继电器等设备。

对于没有采取补偿措施的电流互感器，比差为负值，角差为正值，比差的绝对值和 角差均随电流增大而减小。

采用补偿的办法可以减小互感器的误差。

一般通过在互感 器上加绕附加绕组或增添附加铁心，以及接入相应的电阻、电感、电容元件来补偿。

常 用的补偿法有匝数补偿、分数匝补偿、小铁心补偿、并联电容补偿等。

2.4 变电站常用户外保护装
2.4.1 熔断器 配电系统中熔断器是起安全保护作用的一种电器， 熔断器广泛应用于电网保护和用 电设备保护，当电网或用电设备发生短路故障或过载时，可自动切断电路，避免电器设 备损坏，防止事故蔓延。

熔断器由绝缘底座(或支持件)、 触头、 熔体等组成， 熔体是熔断器的主要工作部分，
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熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线，当电路发生短路或过载时，电流过大，熔 体因过热而熔化，从而切断电路。

熔体常做成丝状、栅状或片状。

熔体材料具有相对熔 点低、特性稳定、易于熔断的特点。

一般采用铅锡合金、镀银铜片、锌、银等金属。

在熔体熔断切断电路的过程中会产生电弧，为了安全有效地熄灭电弧，一般均将熔 体安装在熔断器壳体内，采取措施，快速熄灭电弧。

熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在变电站配电系统中广泛被应 用。

1、熔断器的特点 熔体额定电流不等于熔断器额定电流，熔体额定电流按被保护设备的负荷电流选 择，熔断器额定电流应大于熔体额定电流，与主电器配合确定。

2、熔断器分类 （1）螺旋式熔断器 RL 在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可 迅速降温而熄灭。

为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电 流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。

螺旋式熔断器额定电流为 5～200A，主 要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。

（2）有填料管式熔断器 RT 有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。

由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀 银铜栅状熔体组成。

填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔 断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。

填料管式熔断器额定电流为 50～1000A， 主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。

（3）无填料管式熔断器 RM 无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。

使用的熔体为变截面的锌合金片。

熔 体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。

无 填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔 断器刀开关组合使用。

（4）有填料封闭管式快速熔断器 RS 有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动 作指示器和熔体组成。

熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更 换。

由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。

2.4.2 避雷器 避雷器是变电站保护设备免遭雷电冲击波袭击的设备。

当沿线路传入变电站的雷电
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冲击波超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，并将雷电流经过良导体安全的引入大 地，利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到 保护。

避雷器按其发展的先后可分为：保护间隙——是最简单形式的避雷器；管型避雷器 ——也是一个保护间隙，但它能在放电后自行灭弧；阀型避雷器——是将单个放电间隙 分成许多短的串联间隙，同时增加了非线性电阻，提高了保护性能；磁吹避雷器——利 用了磁吹式火花间隙，提高了灭弧能力，同时还具有限制内部过电压能力；氧化锌避雷 器——利用了氧化锌阀片理想的伏安特性（非线性极高，即在大电流时呈低电阻特性， 限制了避雷器上的电压，在正常工频电压下呈高电阻特性） ，具有无间隙、无续流残压 低等优点，也能限制内部过电压，被广泛使用。

1、避雷器分类 避雷器有高压和低压避雷器之分，从组合结构分为有一下几类； （1）间隙类————开放式间隙、密闭式间隙 （2）放电管类———开放式放电管密封式放电管 （3）压敏电阻类——单片、多片 （4）抑制二极管类 （5）压敏电阻/气体放电管组合类----简单组合、复杂组合 （6）碳化硅类 按照其保护性质有可以分为：开路式避雷器、短路式避雷器或开关型、限压型； 按照工作状态（安装形式）又可分为：并联避雷器和串联式避雷器。

2、避雷器的结构及特性 （1）开放式间隙避雷器 间隙避雷器的工作原理：基于电弧放电技术，当电极间的电压达到一定程度时，击 穿空气电弧在电极上进行爬电。

优点：放电能力强、通流量大（可以达到 100KA） 、漏电流小、热稳定性好。

缺点：残压高，反映时间慢，存在续流。

工艺特点：由于金属电极在放电时承受较大电流，所以容易造成金属的升华，使放 电腔内形成金属镀膜影响避雷器的启动和正常使用。

放电电极的生产主要还是集中在国 外一些避雷器生产企业， ，电极的主要成分是钨金属的合金。

工程应用：该种结构的避雷器主要应用在电源系统做 B 级避雷器使用。

但由于避雷 器自身的原因容易引起火灾，避雷器动作后（飞出）脱离配电盘等事故。

根据型号的不 同适合与各种配电制式。

工程安装时一定要考虑安装距离，避免引起不必要的损失和事故。

（2）密闭式间隙避雷器
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