氧化锌避雷器发展应用

过电压保护装置
——氧化锌避雷器的发展应用
摘要：避雷器主要用于限制由线路传来的雷电过电压或由电气操作引起的操作过电压，是保证电力系统安全运行的重要保护设施之一。

简述了碳化硅避雷器和氧化锌避雷器的结构及特性，通过氧化锌避雷器在垞城煤矿的应用，对碳化硅避雷器和氧化锌避雷器的比较，显示了氧化锌避雷器的诸多优点，氧化锌避雷器在防雷吸收过电压方面有了质的飞跃，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用，是防雷技术发展的必然。

关键词：防雷保护功能；操作过电压；暂态过电压；碳化硅避雷器
前言：
煤矿使用的过电压保护装置大多是FS阀式避雷器，目前HY5WS氧化锌避雷器正在逐步代替FS阀式避雷器。

避雷器主要用于限制由线路传来的雷电过电压或由操作过电压，是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，因此其性能的好坏对保证电力系统的安全运行起着至关重要的作用。

问题的提出：
徐州矿务集团有限公司所属各矿目前使用的过电压保护器，部分为碳化硅避雷器，这种避雷器的特点是火花间隙，由多个单向间隙串联而成，单向间隙是由上下黄铜极构成，电极中间用0.5-1mm厚的阀片隔开，压紧密封在避雷器瓷套内。

它只有雷电幅值（指最大幅值）限压保护功能，没有连续雷电冲击保护能力；防雷保护功能不完全，暂态过电压如果进入避雷器保护区，势必长时间反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸，损坏爆破率高使用寿命短。

吸收过电压能力差，当操作过电压时，整个供电系统可能遭受过电压的危害。

2002年的9月11日垞城煤矿35kv变电所高压室着火事件，就是操作过电压引起。

当时启动抽风机操作抽风机启动板，引起操作过电压，此时启动板的碳化硅避雷器放电滞后没有起到限制吸收操作过电压的保护作用，致使6kv抽风一路电缆五处击穿着火，引燃
高压室内其他电缆，损失惨重。

2005年之前，6kv供电架空线避雷器均为碳化硅避雷器，垞城煤矿周围落尘污染严重，使碳化硅电位分布不均匀，串联间隙的放电电压降低，有时会出现不正常放电，降低了供电质量。

雷雨季节避雷器损坏爆炸时有发生，损坏爆破率高使用寿命短，造成了一定的经济损失。

１碳化硅避雷器和氧化锌避雷器的结构及特性
1.1 碳化硅避雷器
碳化硅避雷器的火花间隙，是由多个单向间隙串联而成，单向间隙是由上下黄铜极构成，电极中间用0.5-1mm厚的阀片隔开，压紧密封在避雷器瓷套内，阀片是由碳化硅（s i c）颗粒和水玻璃混合后，经模型压制成饼状，在低温下焙烧而成，阻值随电压的大小而变化，每个单向间隙的击穿电压为2.5-3KV。

而在雷电压下电阻自动增大，限制续流在几１０Ａ内，使间隙能灭弧和断流。

它只有雷电幅值（指最大幅值）限压保护功能，没有连续雷电冲击保护能力；防雷保护功能不完全，损坏爆破率高使用寿命短。

1.2 氧化锌避雷器
氧化锌避雷器是由非线性伏安特性的氧化锌（zno）电阻片组装而成，压紧密封在避雷器绝缘套内，在正常工作电压下，具有很高的电阻，而呈绝缘状态，在雷电过电压作用下，电阻降低，让雷电流泻入大地，使被保护设备承受的残压在安全值下，待电压消失后，迅速恢复绝缘状态，是目前最先进的防雷电装置。

1.2.1陡峭波反应优越
因为无放电间隙，所以没有放电滞后而产生的问题，并可迅速控制陡峭波的过电压。

就两种特性元件本身的V-T特性而言，氧化锌元件比碳化硅（s i c）元件平坦，对陡峭波的过电压的保护效果良好。

1.2.2无续流，动作承受能力强
因为它的非线性好，所以无续流，并且在一次动作中应处理的能量很少，因此在重复动作上具有承受多重雷击的出色性能。

另外，因为无续流，所以可大幅度地提高避雷器处理发散能量的能力——通断浪涌电流的承受能力。

1.2.3可小型化、轻量化
因为仅于氧化锌元件就可以构成避雷器，所以与过去的避雷器相比，间隙、消火花线圈、消弧板等许多零件就不需要了，因而就可实现小型化。

1.2.4提高可靠性
由于零件数量少，结构简单，所以可靠性提高了。

1.2.5耐污染性能好
碳化硅避雷器附着污染物时，电位分布不均匀，串联间隙的放电电压降低，有时会出现不正常放电，在清洗污染物时，还需停止使用。

氧化锌避雷器因为没有放电间隙，所以带电清洗污染物时，一般不必担心内部电位分布，因为耐污染性能好，维护简便。

2碳化硅避雷器和氧化锌避雷器的原理
碳化硅避雷器特性元件，是采用数百µm的碳化硅（SiC）微粒以粘土之类的结合剂成型后经烧结固化而成。

其电压电流特性如图所示。

这些特性是根据sic颗粒接触部的特性而得出的。

由图可知，SiC元件在常规对地电压状态下，电流值为数百A，所以在平时不让工作电压加在sic元件上，在结构上就需要串联间隙。

氧化锌元件是以ZnO或ZnO+MgO为主要成分，并加上Bi2O3 (氧化鉍)、CoO（氧化钴）、MnO（氧化锰）、Sb2O3（氧化锑）等微量添加剂，经混合造粒成型烧结而制得的一种半导体陶瓷元件。

Zno元件的非线性取决于包围这种ZnO粒子的电阻，其特性如图所示。

与SiC元件相比，它非常平坦，在正常电压时，因为只有数uA-数+uA左右的漏电流流动所以不需串联间隙。

3 碳化硅避雷器和氧化锌避雷器的性能比较
3.1 氧化锌电阻片具有非常优异的非线性特性，通常碳化硅电阻片的非线性系数不小于0.19，而氧化锌电阻片的则要小得多。

在正常工作电压下，通过氧化锌电阻片的工作电流极其微小，基本上处于截止状态；当过电压侵入时其阻值急剧降低。

尽管此时通过很大电流（甚至上万安），而氧化锌电阻片上的残压却不会很高；电网电压恢复正常，电阻片也就恢复其高阻特性，重新处于截止状态。

泄漏电流很小，《电气设备预防性试验规程》规定，0.75Ｖ，１mA（电流达到１mA时流过电阻片的电压即动作电压）下的泄漏电流值应不大于50uA，电流很小
可视为无工频续流，这就是可以作成无间隙氧化锌避雷器的原因。

它对雷电陡波和雷电幅值同样有限压作用，防雷功能完全是其突出优点。

3.2 避雷器连续雷电冲击保护能力比较，由上述可知，只有当作用到氧化锌电阻片上的电压达到起始动作电压时，才发生“导通”，“导通”后氧化锌电阻片上的残压与流过其中的电流大小基本无关而为一定值，当作用电压降到动作电压以下时，氧化锌电阻片“导通”状态终止，又相当于一个绝缘体，因此不存在工频续流。

由于无续流，使动作后通过的能量很小，对重复雷击、操作波等短时间可能发生的过电压保护特别适用，按体积计算，它的通流容量比碳化硅电阻片约大４倍，故氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对多雷区或雷电活动特别强烈区的防雷保护尤为重要。

3.3 避雷器自身的过电压防护问题比较，对于能量有限的过电压如雷电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。

对能量无限（有补充能源）的过电压如工频过电压和谐振过电压，即暂态过电压，其频率总有和工频电源合拍的进修，如因某些原因而激发暂态过电压，工频能源自动补充过电压能量。

即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护区，势必常时间反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸。

因此，暂态过电压对避雷器有致命危害。

碳化硅避雷器暂态过电压承受能力强，但由于运行中动作特性稳定性差，常因冲击放电电压值下降，仍可能遭受暂态过电压。

无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压偏低，也有暂态过电压承受能力差的缺点。

而串联间隙氧化锌避雷器在无间隙的基础上综合了结构性能稳定的串联间隙，将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其害。

3.4 避雷器运行过程中，失效的主要原因是泄漏电流增大，在运行中不易发现，有可能长时间带故障工作，以致扩大事故，因而有必要监察其运行情况。

阀式避雷器保护动作时，工频续流对地放电，造成工频能源的浪费，而氧化锌避雷器则可避免保护作用带来的能源浪费。

氧化锌避雷器可附带脱离器，当其失效损坏时，脱离器自动动作退出运行，以免造成更大损失的事故，提高了运行安全可靠性。

氧化锌避雷器从根本上避免了保护作用产生接地故障或相间短路故障。

3.5 氧化锌避雷器外径和调度相对较小，３５ＫＶ级还可制成悬
挂式，如Ｙ５ＣＺＺ－４２、１１０Ｌ型串联间隙氧化锌避雷器，高度仅为640mm，是碳化硅避雷器不可比拟的。

串联间隙氧化锌避雷器，采用非线性电阻和放电间隙相结合的结构，使两者互为保护，放电间隙使氧化锌电阻片的荷电率为零，氧化锌电阻片的非线性特性双使入电间隙动作后，立即熄弧，无续流、无截波，放电间隙不再承担灭弧任务，提高了产品的使用寿命。

如ＴＢＰ在操作过电压情况下，动作寿命可达105，采用四星形接法，将相间过电压大大降低，与常规避雷器相比，相间过电压降低了６０％－７０％，保护的可靠性大为提高。

4 结论
避雷器作为过电压保护器件，对整个矿区乃至全国电力系统的安全运行，起着重要的保护作用，因而其性能的完善也是一个不容忽视的话题。

通过HY5WS避雷器投入运行的观察，串联间隙氧化锌避雷器能够弥补老一代避雷器的不足，而无间隙氧化锌避雷器可通过再串接外间隙来改善其电阻片长期承受电网电压的工作条件，取得了较好的使用效果，提高了供电系统运行的安全可靠性、经济性，使电力系统的安全运行再上新台阶，其推广应用前景广阔。