避雷器教学课件

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。
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=1.15Un 10kv系统 U相=5.77KV Um=11.5kv Ut=12.65KV Ur≥16.445KV ②、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、 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）
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。
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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 。
（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μ m。孔隙分布在氧化锌晶粒和晶界层内。
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
环行电极
内部间隙 接地
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。
设 备
（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。
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。 辅助间隙的设臵是为了防止主 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 F—工频续流电弧运动方 上拉长而易于熄灭。 向
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 线路 管内气压升高，气体 在高气压作用下由环 外部间隙 形电极的孔口急速喷 动作 出，从纵向强烈地吹 棒形电极 产气管 胶木管 指示 动电弧通道，使工频 器 续流在第一次过零时 熄灭。
线路
间隙
火 花 间 隙 组
阀片电阻
阀 片
普通阀型避雷器
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
4、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）。
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。
避
雷
器
避雷器的基本原理
避雷器是一种过电压保护装臵，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 避雷器设臵在与被保护设备对地并联的位臵，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 雷电侵入波 被保护设备 器将转变为高阻状态，接近于开路 避雷器 ，此时避雷器的存在将不会对线路 线路 上正常工频电压的传输产生响应。
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。
（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。
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。 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。
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。
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
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。