氧化锌避雷器的性能与分析

1 概述

在过去的几十年中，我国在防雷及防过电压技术中，广泛使用有间隙的碳化硅阀片避雷器。这种避雷器是在碳化硅阀片基础上加放电间隙制成。碳化硅阀片非线性系数大（a=0.2~0.3），正常运行的系统对地电压下，工频续流有上百安培流过，为保护阀片及电气系统的安全，必须用串联间隙的方法来阻断工频续流。但串联间隙因其密封问题不易解决等因素，又带来了放电电压的不稳定，从而影响了对电气设备的保护作用，特别是近年来真空断路器的广泛使用，因其优良的灭弧性能，又带来了种种操作电压。这种过电压的防护若用过去的阀式避雷器，无论在性能上还是在保护作用上，都远远满足不了要求，人们又转而去寻找新的保护器件，这种新型的防雷防过电压的保护器件，就是氧化锌避雷器。

氧化锌避雷器（以下简称ZnO）目前有两种结构方式：一种是无间隙的ZnO避雷器，一种是有间隙的ZnO避雷器。

它是用新型的氧化锌阀片代替了原有的碳化硅阀片，氧化锌阀片具有优良的非线性特性

（a=0.04~0.05），它的伏安特性曲线很平坦，在正常的系统运行电压下，ZnO阀片只流过几微安至几十微安的电流，因此早期的ZnO 避雷器动作响应很快，吸收过电压的能量大，残压小，故对电气设备免受过电压的损坏，有着优良的保护性能。特别适应真空断路器这种灭弧性能优良的电气设备在操作中产生过电压的吸收，加之体积小、重量轻，因此很受真空断路器生产单位的欢迎。

但这种ZnO避雷器在电力系统的使用过程中，确实经历过一个非常艰难的历程。由于制造质量问题，结构不合理问题、材料选型及配方问题，使得ZnO避雷器在中性点不接地的系统中使用时，经常在运行中烧坏和在系统中使用时，经常在运行中烧坏和在系统中发生单相接地时造成爆炸事故，从而引起了人们对使用ZnO避雷器的种种顾虑。

2 氧化锌避雷器的使用性能

标志氧化锌避雷器性能的一个关键参数，就是在直流一毫安时的标称电压U1mA。它是在其ZnO阀片组上加一个直流电压，当测其流过的电流为1mA时，此时施加到避雷器上的电压就是U1mA。当小接地电流系统发生单相接地故障或产生弧光接地过电压时，施加在ZnO避雷器上的电压或为健全的工频线电压或为工频过电压。这个电压设为Um，它与标称电压U1mA的比值被称为荷电率，用K表示：

（1）

早期产品的荷电率只有65%~75%左右（有的厂家资料称可达到80%），因此ZnO在小电流接地系统中的使用条件

就非常苛刻。在这种系统中，ZnO在正常运行时就要持续地耐受工频相电压（Um=Us），当发生弧光接地时，ZnO

将承受系统完整的最大线电压（Um=Us），当发生弧光接地过电压时，将承受高达2.5~3.5倍的系统相电压的冲

击。我国国家标准GB11032—89中对ZnO避雷器有关参数的规定见表1所示。

表中U1mA的数值可由下式决定：

U1mA=×1.05×Uo （2）

式中Uo-----ZnO避雷器额定运行电压

例如，对6KVZnO的额定电压为7.6kV，故

U1mA（6）=×1.05×7.6kV=11.28kV

表中取U1mA（6）=11.3KV

对10KV系统ZnO的额定电压为12.7KV 故

U1mA（10）=×1.05×12.7kV=18.85kV

表中取U1mA（10）=18.9KV

我们以10 KV系统为例，在这一标称电压下的ZnO避雷器，当系统发生单相接地故障时，考虑到系统最高运行电压（Um=1.1Up，Up为系统平均运行电压，10KV为10.5 KV）则，健全相的对地电压将由

Up升到Um=1.1×10.5KV=11.5KV，这时ZnO避雷器的荷电率为：

而当前ZnO阀片允许长期运行的荷电率平均只有70%~80%左右，因此当发生单相接地时，这种ZnO避雷器就会造成经常性地损坏，如果单相通过不稳定的电弧接地，即接地点的电弧间隙性地熄灭和重燃，则在健全相上就会产生弧光接地过电压，这个过电压一般可达到2.5~3.5倍的系统相电压（文献4）。

这个电压加到ZnO避雷器上，所产生的荷电率将达到：

如此高的荷电率必然会造成ZnO的爆炸事故（我厂84年7月因单相接地造成FCD—6型磁吹避雷器的爆炸事故，据文献3分析，当时所产生的弧光接地过电压到了3.8倍）。

由上述分析可见，这种ZnO避雷器，在自身都难保的情况下，如何能保护电气设备？

3 氧化锌避雷器对高压电动机保护效果

这里我们进一步分析，在真空断路器操作时产生过电压，ZnO对高压电动机的保护效果。对于在运行中的高压电动机，其相对地和相对相之间的绝缘所能承受的过电压数值，可用下式计算（文献1）：

Us=（2Uo+1）×0.75×K1 （3）式中；U0----电动机额定电压

K1----冲击系数，我国标准取1.15。

依（3）式，对6KV高压电动机Us为Us=（2×6kV+1）×0.75×1.15=25.6kV

对10KV高压电动机Us为Us=2（2×10kV+1）×0.75×1.15=25.6kV 一般ZnO避雷器保护电动机时，与中性点不接地系统接线如图1示。

当系统发生C相接地时，C相ZnO C被短路，此时施加到A相ZnO A和相ZnO B上的电压即为系统正常运行时的最高线电压，其最大值为：

Um=×1.15kV×Ue （4）

式中Ue----电动机的额定电压

按（4）式对6KV高压电动机回路计算有：

Um（6）=×1.15kV×+6kV=9.76kV

对10KV高压电动机回路计算有：

Um（10）=×1.15kV×+10kV=16.3kV

在这种情况下，为了保证ZnO避雷器的安全运行，就必须使其标称电压U1mA大于Um。所以在产品手册中对6KV的ZnO通常取

U1mA=11.3KV~13.8KV，而对10KVZnO通常取U1mA=18.9KV~23KV（见表2）

我国当前生产的ZnO避雷器的操作冲击残压与标称电压U1mA的比值，对有串联间隙的为1.3，对无串联间隙的为1.4。于是对无串联间隙的ZnO避雷器的冲击残压：

10KV冲击残压U C（10）

U C（10）=1.4×（18.5KV~23KV）=29.5KV~32.2KV

6KV冲击残压U C（6）

U C（6）=1.4×（11.3KV~13.8KV）=15.8KV~19.32KV

将上述U C与（3）式算出的U S比较，已有U C＞U S了。故断言，无间隙ZnO避雷器对保护高