避雷器

第5章 避 雷 器 第一节 避雷器结构和原理 一、概述 目前在电力系统中运行的避雷器主要有两种类型。一类是以串联火花间隙与碳化硅阀片为主要元件的传统阀型避雷器，它又分为普通阀型避雷器和磁吹阀型避雷器；另一类是以氧化锌电阻片为主要元件的金属氧化物避雷器，它又分为无间隙、带并联间隙和带串联间隙的金属氧化物避雷器。 二、阀型避雷器 (一)阀型避雷器动作原理 阀型避雷器的主要部件是间隙和阀片。避雷器在正常运行电压作用下，间隙介质处于绝缘状态，而当电力系统发生的过电压达到间隙的放电电压时，间隙就会放电，较大的冲击电流通过阀片流人大地，释放过电压能量。由于避雷器的阀片具有非线性，即现为电压高时电阻低、电压低时电阻高的特点，因此在间隙放电后，避雷器的残压较低，且低于被保护设备的绝缘水平，不致使设备受到危害。当过电压过去后，在灭弧电压下，阀片电阻又增大，将工频续流限制到一定数值，当工频续流第一次过零瞬间时，间隙将工频续流切断，使电力系统恢复正常运行状态。 (二)阀型避雷器间隙 阀型避雷器的间隙应具备以下特点： (1)放电伏秒特性曲线平坦，在0．5～20μs(或2000μs)的预放电时间内，放电电压的分散性要小，放电电压值要稳定。 (2)具有一定的灭弧能力，要在续流第一次过零时灭弧。 (3)多次通过额定冲击电流及工频续流后，放电电压不应变化。 我国目前生产的阀型避雷器的间隙形式主要有电弧固定型一平板间隙和电弧运动型一磁吹限流间隙两种。其主要结构和特点分述如下。 1.平板间隙 单个平板型火花间隙剖面如图5—1所示。每个火花间隙由两个黄铜电极和一个云母垫片组成，云母垫片的厚度约为O．5～lmm，单个间隙的工频放电电压在2．7～3.2kV (有效值)之间。由于电极间隙的距离很小，电极间的电场比较均匀，因此间隙的伏秒特性也就比较平坦。当间隙上的电压还不足以引起放电时，由于云母垫片和空气隙内的介电常数不同，使云母垫片的上、下空气隙中出现较高的电场强度，并导致空气游离，产生局部放电，在游离的同时，也有一部分带电质点复合，并使它们原来获得的游离能以光的形式释放，照射到工作面及其间的气体上产生新的游离，上述照射作用是沿着相当大的圆形区域进行的。这两个因素都可以便工作面得到游离电子，因而使放电比较稳定、分散性小、伏秒特性平坦。电场的分布均匀和照射这两个条件，可以使阀型避雷器的单个间隙的冲击系数下降到1.1左右(冲击系数＝冲击放电电压／工频放电电压峰值)。 间隙的灭弧可以利用电弧电流周期性过零的特点来实现。当电弧电流较小，且电极有良好的冷却条件时，可以利用冷阴极的近极效应在电流过零瞬间即获得介质强度的恢复。对于铜电极，电弧电流过零瞬间间隙的绝缘介质强度可以恢复到250V左右，随着时间的推移，绝缘强度还将不断提高。由于与间隙串联的阀片电阻具有非线性，因此使通过问隙的电流由正弦波变为尖顶波。在电流过零前，续流被限制得很小。阀片的非线性越好，限流的效果越明显，此限制相当于延长了续流过零的时间，所以间隙的初始恢复强度要增大，单个间隙的初始恢复强度可达到600～700V。串联的间隙越多，总的初始恢复强度也就越大，所以用串联的短间隙来代替长间隙对熄弧是十分有利的。 火花间隙除了要有一定的初始恢复强度外，还必须有尽可能快的介质强度恢复速度。如果介质强度恢复较慢，在恢复电压上升到某一值时就能使间隙重新击穿。当电流过零后，间隙所能承受的最大工频电压称为间隙的灭弧电压，而把间隙的工频放电电压和灭弧电压之比称为间隙的切断比。由于介质强度的恢复需要一个去游离过程，所以间隙的灭弧电压总是低于其工频放电电压的，也就是说切断比一般都大于1。切断比越小说明间隙的介质恢复越快。因此切断比是体现间隙熄弧能力的重要指标。然而介质强度恢复的快慢是和所切断的电流大小有关的，所以切断比通常都和切断电流并提。例如切断80A(幅值)续流时切断比为l.8。 实验证明，短间隙的介质强度恢复速度与间隙的距离有关，间隙距离越短时，其介质强 度恢复越快。这是因为短间隙的去游离主要是靠在极板上的复合以及通过极板的散热来实现 的，电极间距离越短，去游离的作用就越强。但间隙距离也不能过小，当小至0.5mm以下时，放电电压很难稳定。 2．磁吹限流间隙 磁吹限流间隙由灭弧盒、羊角电极和均压电阻等组成，其结构见图5—2。由灭弧盒4上、下盖之间形成灭弧腔，两电极布置在同一平面上，电极间距离约1mm，照射装置2并联在均压电阻3旁。照射产生的电子直接输送到间隙的放电部位，使之处于激发状态。灭弧盒的直径在76～90mm之间。均压电阻使电压在间隙组内的各个间隙上均匀分配。间隙组通常由4～7个单间隙组成，每组内配置l～2个线圈，以产生吹弧磁场，线圈旁并联辅助间隙。在冲击波下使线圈短路，即保护了线圈，同时又不增加电感压降。灭弧盒内圈做成环齿状，以增加拉弧路径。灭弧盒之间叠合非常紧密，防止电弧吹出间隙组外造成闪络。 当间隙击穿后，电弧将被磁吹线圈产生的轴向磁场拉入灭弧齿中，电弧的长度由起弧点1mm左右，不断拉长，到齿根时可达到150mm。在齿根区电弧被拉长、挤压、冷却，强烈的去游离，形成了很高的电弧压降，起到了限制工频续流的作用，给击穿点的介质强度恢复创造了有利的条件。减小灭弧盒夹缝的距离，使弧柱与灭弧盒壁充分接触，可以强化去游离，提高电弧压降。不同材料制成的灭弧盒由于其导热系数和热容量不同，冷却效果不一样，电弧压降也不同。采用这种间隙后，可以适当减少避雷器阀片，从而降低了残压。因此，我国目前生产的磁吹避雷器基本采用这类间隙。 (三)阀型避雷器阀片 阀片是避雷器的主要元件之一，它是用碳化硅及结合剂制成的圆饼状物，其上下两面喷铝作为电极，侧面涂有绝缘釉，以防在高电压下发生沿侧面闪络。 非线性系数a(或伏安特性)和通流容量是表示阀片性能的两个主要指标。阀片应具有良好的非线性和足够的通流能力。 1．阀片伏安特性 阀片的电阻值是随通过的电流而改变的。阀片非线性伏安特性如图5—3所示。计算公式为 Ｕ＝cIa (5—1) 式中 I——流过阀片的电流； U——电流在阀片电阻上的压降； f——与材料有关的常数； a——非线性系数。 非线性系数“是表征阀片电阻非线性的重要参数，其值介于0～l之间。当a＝O时，为理想的非线性电阻；当a＝1时，为线性电阻。“值越小，则非线性程度越高，一般在O．2左右。 从图5—3的伏安特性上可以看到，当很大的雷电流流过非线性电阻时，非线性电阻将呈现很大的电导率，使避雷器上出现的残压U0不致过高。当雷电流过去后，加在阀片上的电压是系统电压Ux时，非线性电阻的电导率将突然下降而将工频续流限制到很小的数值。在这里，非线性电阻和阀门一样起着自动节流的作用，这也就是阀型避雷器名称的由来。显然，续流的减小对避雷器的安全运行是十分有利的，它为火花间隙切断工频续流创造了良好的条件，也可以避免系统在避雷器动作时形成短路。 2．阀片通流容量 通流容量表示阀片通过电流的能力。因为避雷器中通过的电流主要有两种：一种是雷电流；另一种是工频电流。所以通流容量也有冲击和工频两种。试验证明，阀片的通流能力和通过阀片的累积能量有关，所以阿片的冲击通流容量要以具有一定波形和幅值的电流所允许通过的次数来表示，而工频通流容量则以具有一定幅值的半波电流所允许通过的次数来表示。 目前我国生产的碳化硅阀片按照材料配方和烧成温度可分成两大类：一类是普通阀型避雷器用的低温阀片；另一类是磁吹阀型避雷器用的高温阀片。低温阀片是在300～350℃的温度下烧成的，它的非线性系数小(约为0.2)，但通流能力低且易受潮。高温阀片是在1350～1390℃的氢气炉内烧成的，其通流能力较大(当波形为2000μs方波时，可达800～1000A)，也不易受潮，但其非线性系数却较高(约为0．24)。 (四)阀型避雷器非线性并联电阻 前面只介绍了单个间隙的特性，事实上阀型避雷器的间隙是由数个或数十个单间隙组成的。多个间隙串联后将形成一电容链。由于电极片对地和对高压端盖的部分电容的影响，电压在各间隙上分布是不均匀的。更严重的是这种不均匀属于不稳定的，它受瓷套表面情况影响很大，例如由于淋雨或湿污秽而使外瓷套上的电压分布改变时，间隙串的电压分布也就随着改变，这样避雷器的工频放电电压就很不稳定。为了解决这个问题，可在每个间隙(或间 隙组)上并联一分路电阻。如果并联分路电阻后，流过分路电阻的电导电流比电容电流大得 多，则间隙串上的电压分布将由分路电阻来决定。此时只要使与间隙并联的分路电阻的阻值 相等，各个间隙上的电压就基本上相等了。必须注意到，采用分路电阻后，在系统额定相电 压的作用下，分路电阻中将长期有电流通过(这一电流称为避雷器的泄漏电流)，但这一电流 较小，不会超过分路电阻的热容量。 非线性并联电阻的材料配方及工艺与高温阀片基本相同。现有产品所采用的非线性并联 电阻为弧形或扁条形状。对于FZ型避雷器用的非线性并联电阻，在直流电流为60μA及 600μA两点下测量时，其a值应在0．35～0.45范围内。 经过长期运行后的非线性并联电阻会逐渐老化的，一般表现为阻值增加，电导电流下降。 其主要原因是由于电晕、臭氧及电阻发热等的作用，引起碳化硅触点氧化膜增厚所致。为了 减缓电阻老化，在制造中均使之充分烧结和用冲击大电流进行稳定处理。 (五)阀型避雷器性能 阀型避雷器的基本性能有以下几方面。 (1)保护性能：限制过电压，保护电气设备绝缘不受过电压损坏； (2)灭弧性能：过电压引起避雷器动作后，间隙能迅速熄灭电弧而不中断系统正常输电； (3)通流能力：避雷器动作过程中，耐受通过它的各种电流而不致损坏的能力。 表征这些性能的主要电气参数有：额定电压、工频放电电压、冲击放电电压、冲击电流 残压以及通流容量，现分别叙述如下。 1.额定电压 避雷器能在保证灭弧(切断工频续流)的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压，称为额定电压。 避雷器通常是接在导线和大地之间的，在正常运行情况下避雷器承受的只是系统相电压。但当系统发生单相接地时，健全相上的避雷器所承受的电压就会高于系统的相电压。避雷器应保证能在这一电压作用下可靠熄灭电弧。 单相接地时健全相对地工频电压升高和系统中性点接地方式有关。一般可分为两种情况：①中性点不直接接地的系统，其工频电压升高一般可达系统最大工作线电压的100％～１１０％；②中性点直接接地系统，其工频电压升高一般可达系统最大工作线电压的80％。因此，一般3、6、l0kV的避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的110％，称为110％避雷器；35～60kV避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的100％，称为100％避雷器；而110、220kV避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的80％，称为80％避雷器。 2.工频放电电压 避雷器的工频放电电压要规定上限和下限。避雷器的工频放电电压不能过高。因为当避雷器的结构一定时，它的冲击系数(冲击放电电压与工频放电电压的峰值之比)就一定了。增大工频放电电压也就会使冲击放电电压升高，从而影响到避雷器的保护性能。 避雷器的工频放电电压也不能过低。因为间隙的切断比给定时，降低工频放电电压就会使整个避雷器的额定电压降低，导致避雷器不能熄灭续流。所以从灭弧的观点出发，避雷器的工频放电电压应不低于其额定电压和切断比的乘积。另外，普通阀型避雷器的通流能力有限，一般是不允许在内部过电压下动作的。考虑到中性点不直接接地电力系统中，内部过电压通常不超过最大相电压的3．5倍；而中性点直接接地时，电力系统中，内部过电压不超过最大相电压的3.0倍。因此从防止避雷器在内部过电压下动作的观点出发，35kV及以下、110kV及以上避雷器的工频放电电压应分别不小于电力系统最大相电压的3.5与3．0倍。 3．冲击放电电压 避雷器的冲击放电电压是指预放电时间为1.5～20μs的冲击放电电压。冲击放电电压与残压是说明避雷器保护性能的两个指标，它们越小，被保护设备的绝缘水平也就可以越低。所以，在某些情况下，当工频放电电压不能降低时，要设法降低冲击系数来降低避雷器的冲击放电电压。但必须注意，不降低残压而单方面地降低冲击放电电压是无意义的。因为它只能增加避雷器不必要的动作次数，而不能降低被保护设备的绝缘水平。反之，不降低冲击放电电压而单方面的降低残压也是无意义的。在某些情况下，当冲击放电电压过低时，还要采取措施来提高(如装均压环)，以防止在某些内部过电压作用下动作。 4．冲击电流残压 当冲击电流通过避雷器时，在阀片上产生的电压降，该电压降称为残压。通常在设计电 气设备绝缘水平时，均以残压为依据。 衡量避雷器的保护水平，常用避雷器在8／20μs冲击电流下的残压与额定电压峰值之比来表征，称为避雷器的保护比。保护比越小，意味着避雷器的保护性能越好。 由于变电所一般都有进线段来限制进入变电所的雷电流，所以对于220kV及以下的避雷器，一般都是按波形8／20μs、幅值为5kA的冲击电流来测量残压的。对于330kV及更高电压等级的电力系统，由于可能出现较大的雷电流，同时保护的也更高，因此用10kA的冲击电流来测量残压。 5.通流容量 避雷器的通流容量主要取决于阀片的通流容量。 (六)阀型避雷器总体结构 我国目前生产的阀型避雷器主要分为普通阀型避雷器和磁吹阀型避雷器两大类。普通阀 型避雷器有FS和FZ两种系列，磁吹阀型避雷器则有FCD和FCZ两种系列。 1.FS系列阀型避雷器 FS系列阀型避雷器是用来保护小容量的配电系统。它的额定电压等级为3~10kV，内部 采用平板间隙和低温阀片。 FS系列避雷器所用的阀片直径较小(Φ655mm)，间隙无分路电阻，其通流容量较低(允许通过的续流为50A)，伏秒特性也较陡，保护比为 Kb＝ ＝ ＝2．52 式中 Uc——5kA下的残压； Umk——额定(灭弧)电压峰值。 2.FZ系列阀型避雷器 FZ系列阀型避雷器是用来保护中等及大容量变电所的电气设备。它的额定电压等级为3~220kV，是在零件通用和元件特性标准化的原则下成系列地生产的。额定电压35～220kV的避雷器由FZ—15、FZ—20型和FZ—30J型这三个基本元件组成，其组合方式列于表5—1。 避雷器的基本元件是密封的，内装火花间隙、阀片和分路电阻。FZ系列避雷器的冲击系数较FS系列避雷器低些，阀片的直径则增加到100mm，因此其通流能力也较FS系列避雷器高(允许通过的续流为80A，幅值)。这就使得FZ系列避雷器的残压和冲击放电电压都较FS系列避雷器低，其保护比为 表5-1 FZ系列避雷器元件组合方式 型 号 组合方式 型 号 组合方式 FZ-35 FZ-40 FZ-60 2×FZ-15 2×FZ-20 2×FZ-20+FZ-15 FZ-110J FZ-110 FZ-220J 4×FZ-30J FZ-20+5×FZ-15 8×FZ-30J Kb＝ ＝2.29 在FZ—15型及FZ—20型两个基本元件中采取了降低冲击系数的措施。这就是把间隙分成两部分，阀片放在中间，用阀片来加大间隙对地的部分电容，这样就可以加大冲击下电压分布的不均匀程度，使冲击放电电压下降10％左右。 但当避雷器的额定电压增高到110kV及以上时，由于串联元件的增加，冲击电压沿各元件的分布将变得很不均匀，此时避雷器的冲击放电电压就显得过低了，因此必须在避雷器顶部装均压环来提高冲击放电电压。 FZ系列避雷器的底座是和地绝缘的，以便安装避雷器动作计数器。110kV以下的避雷器底座仅在底部固定，而110kV及以上的避雷器由于安装较高，除在底部固定外还要用3根绝缘拉杆加强固定。 3．FCZ系列避雷器 FCZ系列避雷器的额定电压为35～500kV。避雷器采用磁吹限流间隙和高温阀片，其工频续流值为450A。阀片的通流容量最大可达800～1000A，它的保护特性比同级电压的普通阀型避雷器优越。 在总体结构方面，FCZ系列磁吹避雷器所用的瓷套直径较大。这样，间隙和阀片可在瓷套内分3个元件并列放置。每个间隙阀片组之间用绝缘件隔开，在电气上则互相串联。当额定电压为110kV时，避雷器的所有元件可装在一只瓷套内，当电压为220kV或330kV时也只需2只串联的瓷套。因此避雷器的高度就可大大降低，安装时无需用绝缘拉杆来加固，从而缩小了占地面积。220kV及以上的避雷器顶部还装有均压环，用以改善冲击电压的分布。 FCZ系列磁吹避雷器的工频放电电压比普阀避雷器低，在操作冲击波作用下放电电压更低，因此避雷器有可能在操作过电压下动作。考虑到FCZ系列避雷器所用高温阀片的通流能力较高，因此有可能用它来保护某些类型的操作过电压，但有可能在能量较大的操作过电压下发生损坏(或内部严重受潮等)而导致避雷器爆炸。因此，在避雷器瓷套的顶盖上装有防爆装置(防爆玻璃)。当避雷器内部压力达到一定值时，气体冲破防爆装置，避免发生爆炸。 4．FCD系列避雷器 FCD系列避雷器用于旋转电机的过电压保护。由于旋转电机的绝缘比较薄弱，用普通阀型避雷器保护不能满足要求，因此必须采用磁吹避雷器。 为了提高避雷器的保护性能，一是要降低残压；二是要降低冲击放电电压。减少阀片数 量，增大设计续流，可以降低标称放电电流残压。FCD系列避雷器工频续流设计值为250A (峰值)。与普阀避雷器相比，FCD系列避雷器的工频放电电压要求降低不多，而冲击放电电 压要求降低很多。因此，降低冲击系数已成为FCD系列避雷器结构设计的主要矛盾。 我国最初生产的FCD系列避雷器电气性能，虽能满足技术条件的要求，但结构较复杂，笨重，而且成本较高。随着设计与结构的不断改进，由此而产生了各种派生产品。FCDl型就是其中之一，它采用了460mm高温阀片和磁吹限流间隙，设计原则与FCZ系列相同，瓷套下部外表面喷有一层金属铝粉，形成一个屏蔽筒，增大位于下部的间隙对地杂散电容，使冲击电压沿间隙不均匀分布，因此冲击系数得以降低。FCDl型避雷器成本低，体积小，质量小，给使用带来方便。 三、金属氧化物避雷器 金属氧化物避雷器通常称为氧化锌避雷器，它是70年代发展起来的新型保护电器。氧化锌避雷器的主要元件是氧化锌电阻片。 (一)氧化锌电阻片伏安特性 氧化锌电阻片的典型伏安特性如图5—4所示。整个伏安特性曲线可分成以下3个区域。 I——小电流区域。此区域内的伏安特性曲线比较陡峭，亦即非线性较差，且具有负的电阻温度系数，在－40～l00℃范围内，电阻片的电阻温度系数约为－0．05％／℃。 Ⅱ——击穿区域。这一区域内的伏安特性非常平坦，具有较好的非线性，服从U=cIa关系，非线性系数约为0.02～0.03。氧化锌电阻片在此区域内具有很小的正电阻温度系数，当采用多片并联使用时，这一特性有助于改善电流的分布。 Ⅲ——翻转区。在此区域内氧化锌电阻片晶体的固有电阻开始起作用，特性曲线开始向上翘，非线性特性变差。 (二)氧化锌电阻片静电电容和介质损耗 氧化锌电阻片具有和陶瓷电容器同等的静电电容(ε＝1600～2000)。在低的工频电压下，通过它的电流基本上是容性电流。随着电压的升高，有功电流迅速增大。当电场强度超过1kV／cm(峰值)时，则主要是有功电流。氧化锌电阻片的等值回路如图5—5所示。 氧化锌非线性电阻的静电电容、介质损耗与频率的关系曲线，如图5—6所示。曲线1、2分别表示tgδ、C与频率的关系。 (三)无间隙氧化锌避雷器特点 避雷器的主要作用是限制过电压，一方面它在大电流下的残压必须限制在被保护设备的 绝缘水平以下，并有一定的裕度。另一方面，在过电压能量释放之后，避雷器又要及时地恢复到正常的高绝缘状态。对于传统的阀型避雷器，由于碳化硅阀片的非线性还不够好，所以间隙是不可缺少的一个主要元件。然而对于氧化锌避雷器来说，由于氧化锌电阻片具有极其优异的非线性，在正常工作电压下的电阻值很大，泄漏电流很小；在过电压情况下其电阻值又很小，过电压能量释放即恢复到高阻值状态，无工频续流，因此可以不用串联间隙而运行在电力系统上。 与传统结构的阀型避雷器相比，无间隙氧化锌避雷器具有下列突出优点： (1)由于无串联间隙，从而避免了因间隙存在带来的许多问题，如对电压分布及放电电压的影响等。 (2)由于氧化锌电阻片具有较好的非线性，在正常工作电压下，避雷器只有很小的泄漏 电流通过，而在过电压下动作后并无工频续流通过，因此避雷器释放的能量大为减少，并可 承受多重雷。 (3)通流能力大，可采用多片电阻片的并联，故提高了避雷器吸收过电压能量的能力。 (4)体积小、质量小、结构简单、运行维护方便等。 (四)氧化锌避雷器基本参数 1．额定电压 额定电压施加在避雷器两端的最大允许工频电压的有效值。按照此电压所设计的避雷器，能在所规定的动作负荷试验中确定的暂时过电压下正确地工作，它是表明避雷器运行特性的一个重要参数，但它不等于系统额定电压。 2．持续运行电压 持续运行电压在运行中允许持久地施加在避雷器上的工频电压有效值。 3．工频参考电压 工频参考电压在工频参考电流下测出的避雷器上的工频电压最大峰值除以 。多元件 串联组成的避雷器的工频参考电压是每个元件工频参考电压之和。工频参考电流是指通过避 雷器工频电流的阻性分量的峰值，该值由制造厂规定。 4．直流参考电压 直流参考电压在直流参考电流下测出的避雷器上的电压。直流参考电流通常为1～ 20mA。 5．残压 这是表征避雷器保护水平的主要参数，包括陡波残压、标准雷电波残压及操作波残压。 (1)陡波残压，表征避雷器在陡波下的保护特性，用视在波前时间lμs的冲击电流下的残压来表征。 (2)标准雷电波残压，一般用8／20μs波形的标称放电电流下的残压来表征。 (3)操作波残压，用视在波前时间大于30μs而小于100μs，视在半峰时间约为视在波前时间2倍的冲击电流下的残压来表征。 6．通流能力 用短持续时间(4／10μs)大冲击电流(10～65kA)两次和长持续时间(0．5～3．2m；)近似方波电流(150～1500A)多次作用来表征。我国目前大都用通过2ms方波电流值作为避雷器通流能力。 氧化锌避雷器标称冲击电流下的残压与工频参考电压之比称为压比，是表征电阻片非线 性的一个重要参数。氧化锌电阻片的压比可以做到1．6～1.7。 为保证在工作电压下通过氧化锌电阻片的电流极小，避雷器安装点的最大运行相电压必须小于工频参考电压，两者之比称为荷电率。荷电率一般小于80％。 (五)带串联间隙结构氧化锌避雷器 中性点非直接接地的3—63kV电力系统中，会出现3～3．5倍的内部过电压，而且长时间存在，无间隙氧化锌避雷器因无法承受此电压的长期作用而受到使用的限制。为了充分发挥氧化锌电阻片的优越性能，使其能用于这些系统，故采用传统的电阻片串间隙的办法可以实现，目前我国已生产出6～35kV带串联间隙的氧化锌避雷器，并已运行于中性点非直接接地的电力系统中。 带串联间隙的氧化锌避雷器与传统的阀式避雷器性能相比是有差别的。氧化锌避雷器充 分利用其电阻片在低电压下呈现高阻和限流的特点，当间隙击穿后，作用在电阻片上的电压 低于其额定电压时，持续电流小于lmA，电弧可以自灭，串联的间隙不必考虑灭弧性能，即 不需要考虑放电间隙的切断比。可以采用结构简单、制造较为方便的间隙，而且间隙数量可 以减少。为了提高避雷器的工频放电电压，以免在被保护设备的绝缘能耐受而不需要保护的操作过电压下动作，可以在间隙旁并联线性或非线性电阻，利用电阻片在低电压下有很高电阻的特性，．分担部分工频电压，这样间隙的工频电压低了，则间隙距离就可缩小。而在冲击电压作用下，电压按电容分配，间隙电容量小，而电阻片电容量大，整个避雷器的冲击放电电压就可降低。这是传统阀型避雷器无法做到的。由于串联间隙的存在，在正常运行电压下，氧化锌电阻片上没有工频电压的作用，所以氧化锌电阻片在长期工频电压下的老化问题可以不加考虑，即没有荷电率的要求。 (六)带并联间隙结构氧化锌避雷器 带并联间隙结构的氧化锌避雷器原理如图5—7所示。它是将避雷器电阻片分为两个部分Rl为主电阻片，R2为并联电阻片，在Ｒ2上并联有放电间隙F。在正常运行电压下，F不放电，系统电压作用在R1和R2上；在过电压作用时，流过R1、R2上的电流迅速增加，残压也随之增高，当R2上的残压达到F的放电电压时，F随之放电，将Ｒ2短路，此时避雷器 的残压仅由Ｒl的伏安特性所决定，所以残压就比较低，保护性能比较好。由于电阻片的实际荷电率较低，所以运行安全可靠。带并联间隙氧化锌避雷器的伏安特性如图5—8所示。 第2节 阀型避雷器试验 一、绝缘电阻测量 1．测量方法 对不带并联电阻的避雷器，测量绝缘电阻是发现初期受潮的有效方法。避雷器内部受潮 后，绝缘电阻将明显下降，这种避雷器的绝缘电阻应不低于2500MΩ。测量时应使用2500V兆欧表。 对带有并联电阻的避雷器，经过测量绝缘电阻并与前一次或同一型式避雷器的测量数据 相比较，可以检查出内部并联电阻有无断裂或连接松脱等情况。测量时仍使用2500V摇表。这种避雷器的绝缘电阻受并联电阻非线性系数的影响，其变化范围较大，因此对测量结果无统一规定，主要是和以前的测量数据或同一批产品相互间进行比较判断。 2．影响绝缘电阻测量结果的因素。 (1)瓷套表面的清洁干燥情况，对测量结果影响较大。测量前应将瓷套表面擦干净，若 空气湿度较大，可以用金属丝在瓷套最下面裙的下部绕一圈再接到摇表的“屏蔽”接线柱上， 使流经瓷套表面的泄漏电流的影响消除。 (2)环境温度对带有并联电阻避雷器的绝缘电阻有影响，随着温度的升高，绝缘电阻会 下降。在5—35℃范围内，绝缘电阻数值相差不大，温度过低(低于o℃)则影响较大，不便 于今后比较。对于不带并联电阻的避雷器，温度过低则不能发现避雷器内部是否干燥。 (3)摇表的使用正确与否对测量结果也有影响。摇表应水平放置，转动的速度不要太快 或太慢，一般是120r／min。 避雷器的绝缘电阻试验方法较简单，便于操作，可以检查避雷器内部受潮和并联电阻断 裂缺陷，但由于摇表电压低，对于某些绝缘弱点仍不能可靠地显示出来，因此还需要进行电 导电流试验(对带有并联电阻的避雷器)及工频放电试验才能最终决定合格与否。 二、电导电流试验 (一)试验方法 带并联电阻的阀型避雷器进行电导电流试验，主要是检查避雷器内部是否受潮，并联电 阻有无断裂、老化以及同一相内各组合元件的非线性系数。的差值是否超过了规程的要求等。 1．试验接线 电导电流试验，一般采用图5—9所示的接线。 2．试验设备选择 试验接线通常采用硅堆整流来获取半波整流的直流电源。由于避雷器分路电阻的非线性，故整流电压的脉动对测量结果影响较大，一般要求电压的脉动不大于土1．5％，因此视试验电压的高低需要用稳压电容约0．1μF左右。稳压电容可以用移相电容器，允许加在移相电容器上的直流电压可以取电容器额定电压的3倍。 高压硅堆的主要参数有最大反向电压和最大工作电流。在试验回路中，应选择硅堆的反 向电压大于2倍的试验电压。为保证通过硅堆的电流不超过其最大工作电流，在回路中加入 保护电阻R1，保护电阻数值应大于最高充电电压与硅堆的最大工作电流之比。若试验变压器T2的最大允许电流低于硅堆的最大工作电流，则应以不超过低电流值来选取保护电阻。 3．直流高压测量 避雷器上直流电压可以用静电电压表PV或高电阻串微安表等方法测量。 用最大量程为30kV的Q3—V型静电电压表测量普阀避雷器试验电压较为简便，但要注意静电电压表本身的准确度。用最大量程为100kV的Q4—V型静电电压表测量FCZ系列磁吹避雷器试验电压，就显得不方便。由于结构上的原因，携带不当易使误差增大或损坏仪表，因此不适宜现场使用。故测量FCZ系列磁吹避雷器上的试验电压使用高电阻串微安表的方法就显得简便。 高电阻串微安表的方法，其电阻可以用容量为2W，阻值为兆欧级的碳膜或金属膜电阻多个串联而成，其制作原则是： (1)通过高阻串的电流不要过大，一般取100～300μA； (2)电阻的个数不少于2个／kV。 例如：测量110kV试验电压，通过高阻串的电流取200μA左右，则要求整个高阻串的电阻为550M0，电阻个数取2×110＝220(个)，每个电阻阻值为550／220＝2.5(MΩ)。可将220个2．5MΩ的电阻串接在绝缘板或绝缘筒内，为了减少高阻串的高度，串接电阻可以螺旋形或曲折形连接。用这种方法测量试验电压，应事先对高阻串串微安表进行校核，以满足测量精度的需要。 4．电导电流测量 测量避雷器电导电流的微安表，可以接在高压端或接地端(见图5—9中的位置a或b)，接在位置a时，要考虑电晕电流的影响，为此需要进行屏蔽，从微安表到试品之间的连线要用屏蔽线连接，屏蔽线的外皮与微安表电源侧的端头相连，芯线则与微安表试品侧端头连接，这样电晕电流就不通过微安表了。也可以在不接试品时，先空升到试验电压，若微安表有电流指示，可以从所测得的电导电流中将其扣除。微安表接在位置a，由于处于高电位，读表时应注意安全。当避雷器接地端可以打开时，微安表也可以接在位置b，此时流过微安表的电流主要是避雷器的电导电流，由于微安表处于低电位，因此读表较为方便。 除了上述的试验电源和测量装置外，也可以使用便携式直流高压试验装置，此类装置是利用高频倍压整流得到直流高压，具有质量小、便于携带等优点。 5．非线性系数测量和计算 当避雷器是由多节带并联电阻的组合元件串联而成时，在测量避雷器电导电流的同时也可以测量非线性系数，以校核各元件的非线性系数差值。按照测量避雷器电导电流的试验接 线，先测量1／2试验电压Ｕl下的电导电流Ｉl，然后测量全试验电压Ｕ2下的电导电流Ｉ2，由于Ｕ１＝Ｃ 、Ｕ２＝Ｃ ，则Ｕ２／Ｕ１＝ ／ ，对等式两边取对数后可得非线性系数为a＝1g /lg , 由于Ｕ2／Ｕ1＝2，故lgＵ2／Ｕ1＝0．301，于是非线性系数可根据下式计算 a＝ (5-2) 由上式可以看出，在U2／U1＝2的条件下，a值仅与I2／I1有关。 避雷器的电导电流值应符合制造厂的规定或与历年试验数据相比，不应有显著变化。对 同一相内串联组合元件的非线性系数差值，不应大于0．05；电导电流的最大相差值 ×l00％不应大于30％。 试验时应注意环境温度对电导电流的影响，由于避雷器的非线性并联电阻具有负的电阻 温度系数，以环境温度20℃为准，当每升高10℃，电导电流要增大5％左右；每降低10℃， 电导电流要减小5％左右。 三、工频放电试验 工频放电试验是检验避雷器电气性能的一个基本项目。在本章第一节里已经讨论过避雷器的工频放电电压与冲击放电电压和灭弧性能具有一定的关系。一般只要测试工频放电电压，就能基本上确定该避雷器电气性能是否满足要求。由于工频放电试验容易进行，因而它是避雷器制造和检修后必须进行的一个试验项目。 (一)不带并联电阻的避雷器工频放电试验 不带并联电阻的FS型避雷器工频放电试验的接线如图5—1O所示。试验所需主要设备有高电压试验变压器T2和调压器T1,为了使避雷器的火花间隙不被烧坏，在试验回路中串入保护电阻R。试验中应注意的问题如下。 (1)不带分路电阻的避雷器，在火花间隙未击穿前，泄漏电流是很小的，如果保护电阻的数值不大时，可以认为变压器高压侧电压即是作用于避雷器上的电压，因此可以从测量线圈接电压表或从低压侧接电压表，由电压表的读数来确定避雷器的工频放电电压。此种测量方法要求使用的电压表精度尽可能高。 (2)在试验中为了避免避雷器不能自行灭弧而将间隙烧坏，往往在试验回路中加入保护电阻。当保护电阻值选择过大时，测得的工频放电电压往往偏高，这是因为此时避雷器的间隙虽然已经开始放电。但由于保护电阻的阻值过大，使试品电流较小，还不足以在间隙中建弧，当电压继续升高后，间隙中才能建立稳定的工频电弧，表计才有反映。这样就使测得的工频放电电压超过真实的数值，造成误判断，将工频放电电压偏低的避雷器误认为合格。因此保护电阻阻值宜适当小一些，以间隙击穿后工频电流不超过O．7A为宜。但要注意间隙击穿后，电流应在O．5s内切断，以免间隙烧坏。 (3)试验时，升压速度不宜太快，以免电压表由于机械惯性作用而得不到正确的读数。另外，还应注意在同一试品的两次连续试验中，要保持一定的时间间隔，以便使放电间隙内部充分去游离。 (二)带有并联电阻的避雷器工频放电试验 1．快速调压方法 对于带有非线性并联电阻的避雷器，在进行工频放电试验时，应特别注意升压的时间，这是因为所用的并联电阻热容量不大，在接近放电电压时，如果升压时间拖得较长，就会使并联电阻发热损坏。在放电之后，必须将试验电压迅速切断，通常是采用过流速断的方式，并在任何情况下，都应在0.5s内断开电压。由于试验受到升压时间限制，因此对升压用的调压方式就提出特殊的要求。通常采用如下方法进行调压。 (1)电动发电机组调压。采用发电机组调压，可以得到很好的正弦波形和均匀而随意的电压调节，不受电网电压质量的影响，因此其电压和频率稳定度高。但电动发电机组投资及运行费用都很大，而且只能安装在试验基地，其接线如图5—ll所示。 电动发电机组的升压速度可用串在发电机励磁回路中的可变电阻来调节。在试验前，先把发电机励磁调到所需要的输出电压。在试验时，则用开关突然接通励磁回路，于是在暂态过程中发电机励磁电流迅速上升到需要值。在试验中应保证避雷器在发电机暂态升压过程中击穿，否则将烧坏避雷器的并联电阻。在试验过程中，可用光线示波器记录实际升压速度及整个过程。 (2)自耦调压器快速升压。运行单位大都采用自耦调压器快速升压法来进行避雷器工频放电试验。由于自耦调压器漏抗小，故输出波形较好，功率损耗也小。因而，当试验变压器容量不大时，它是一种应用较普遍调压方式。 采用自精调压器快速升压的方法有两种：一是手动操作，配有时间控制装置。这一方法较为简便，即在自耦调压器转把上固定一根绝缘棒，当电压升至接近灭弧电压时，迅速转动，直至避雷器放电跳闸。二是电动操作，即用一电动机通过传动装置操作调压器升压，避雷器放电后过电流跳闸。此方法升压速度较快，但相应的控制装置要复杂些。 (3)除上述快速调压方法外，还有将试验变压器不接试品，空升电压到试品工频放电电压的下限附近，用绝缘杆将试品上的高压引线迅速向试验变压器高压端的保护电阻上点触一下，避雷器若没有放电，就再升高一点电压，再点触，直至放电。这个方法很简单，但因为作用在避雷器上的试验电压是瞬时加上的较高工频电压，当操作绝缘杆向试验变压器高压端点触过程中，总是瞬时加上这一电压击穿的，即相当于一个频率比工频高很多的冲击电压作用在避雷器上，由于避雷器各部分对地电容的作用，使得点触的方法所测得工频放电电压不准确。 2．工频放电电压测量 由于升压速度很快，‘普通惯性较大的指针式表计测量不出工频放电电压值，另外由于被测电压高，一般仪表受到绝缘的限制，不能直接用来测量，必须采用没有惯性或惯性较小的测量装置，并与能耐受高电压的转换装置配合使用。通常使用的测量方法主要有以下几种。 (1)球隙法。在高电压测量技术中，铜球间隙作为基本测量设备已有数十年的历史，并积累了大量的使用经验，制定了准确度达到±3％的球隙放电电压数据表格，它不仅可用来测量稳态工频电压幅值，同样也可用采测量冲击电压。 球隙测量高压的基本原理是：在一定的大气条件下，一定直径的铜球，当球隙的距离一定时，其击穿电压是固定的。正是这种特性被用来测量高电压。 为保证测量的准确度，间隙距离s与球径之比应不大于0．5，也不应小于0．05。在使用铜球时，除对球隙支架本身结构有一定要求外，还要求外界导电物体及接地平面离开球一定的距离，否则将影响球隙问电场分布使测量结果不准确。由球隙放电电压表可知，被测电压越高，需要铜球的球径就越大。另外由于空气密度的变化，将影响球隙击穿电压。标准的大气条件是4气温20℃，气压101.3kPa，湿度11g／m3。球隙放电电压表中所查得的放电电压就是标准大气条件下的数值。当现场测量与标准大气条件不同时，应对查表所得的数值进行校正。 实际试验条件下击穿电压Ｕ和标准条件下的击穿电压Ｕ０的关系为 U＝KU0 式中：K为校正系数，它是相对空气密度δ的函数 δ＝28.9× (5—3) 式中：p以kPa表示大气压力；t为摄氏温度。 当相对空气密度在O．95～1．05范围内，校正系数及数值上就等于相对空气密度δ0空气密度δ与校正系数K的关系如表5—2所示。 表5—2 相对空气密度δ与校正系数量的关系 空气相对密度δ 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 校正系数Ｋ 0.72 0.77 0.82 0.86 0.91 0.95 1.00 1.05 1.09 1.13 用球隙测量高电压时，为了排除一些偶然因素对放电的影响，要在记录读数之前先放电几次，使放电电压比较稳定，并要求测量时取连续3次放电电压的平均值，每个放电电压值与平均值之差不得大于3％。 (2)分压器法。利用分压器并配以适当高阻抗的低压测量仪表，如示波器及工频峰值电压表等，即可测量高电压。 测量工频高压通常采用电容分压器，它是由高压臂电容Cl和低压臂电容C2串联而成，如图5—12所示。测量信号由C2两端输出，则 U2＝U1 (5—4) 如果接在输出端的测量仪表的阻抗足够大，分压器各部分的对地杂散电容Ce和对高压端的杂散电容CH会在一定程度上影响其分压比，见图5—13。但只要周围环境不变，这种影响是恒定的，因此只要预先准确地测出其分压比，则此分压比即可适用于各种工频高压的测量。 用电阻分压器也可以测量工频高压，但在较高电压时，由于分压器尺寸过大，杂散电容对测量精度有很大影响，使得电阻分压器通常只用于测量100kV以下的工频电压。 配合分压器测量工频放电电压的仪器，可使用电子示波器或光线示波器。使用电子示波器测量时，从分压器低压侧抽取信号经屏蔽电缆接至电子示波器Y轴，在示波器荧光屏上直接显示试验电压的峰值。观察时，一般将x轴扫描关闭，只让试验电压在Y轴上显示出一条上下伸长的直线。在试验以前试品不接入，先通过试验变压器对分压器升压，从试验变压器仪表线圈端头接入准确度不低于0.5级的交流电压表，对示波器的标度进行校准，并在荧光屏上记下试品标准的工频放电电压上、下限。试验时可以方便地确定试品工放电压是否合格，也能方便地读出工放电压值。使用光线示波器测量，如从电容分压器抽取信号，则由于该分压器的输出阻抗高，而光线示波器的输人阻抗低，两者不相匹配，为此要将电容分压器所取的电压信号通过阻抗变换器，再经电阻箱接至光线示波器，阻抗变换器具有输入阻抗高和输出阻抗低的特点。若使用电压互感器测量放电电压，其光线示波器的输入信号不用经阻抗变换器就可记录。 3．影响测量结果因素 在实际测量中往往用不同的方法测得的结果也不同，或者两套试验设备测量的结果也不一样。对此需要进行全面，找出原因。常见的影响测量结果的因素有以下几方面。 (1)波形的影响。避雷器的工频放电都发生在电压峰值，而技术条件中列出的避雷器工频放电电压值是有效值。如果用示波器或工频峰值电压表测量，其读数为工频放电电压的峰值，为此就要按下列关系式换算为有效值 Um＝ Ueft (5—5) 但是此关系式只有在电压波形是正弦波形时才适用。当波形畸变时，工频电压的峰值与有效值之比已不再是 ，通常把这个比值叫做波顶因数。当电压波形呈尖顶波形时，其波顶因数可达1.45～1．55。此时，如再根据／了关系式来计算就会偏高，其误差可达lO％。因此，要对所用试验变压器的输出波形用示波器进行观察和分析，当有严重畸变时要求采取措施改善波形。 (2)保护电阻的影响。试验变压器输出端通常都接有保护电阻，但如果保护电阻过大，会使测到的试品击穿电压值变大。其原因是过大的保护电阻限制了避雷器间隙中放电过程的发展，间隙放电开始后还不能造成稳定的击穿，需要更高一些的电压才能使击穿稳定。因此，保护电阻阻值不能过大。 (3)升压速度的影响。进行试验时，电压升的过快会使机械式仪表指针不能正确指示，使读数有误差。这在大批产品试验时更要注意。此外，在同一试品的两次连续试验中，要保持一定的时间间隔，以使放电间隙内部充分地去游离。 (4)测量仪表的电源受试验回路电压波动的影响。避雷器放电时，放电电流约O．5A左右，若换算到试验变压器低压侧，电流可达很高数值，若电源引线较长，截面又不够大，则会在电源引线上产生很大的压降，与试验变压器用同一电源的测量仪器，如电子示波器、工频峰值表等，受此电源突然波动的影响，就可能得不到正确的读数。试验时，最好将仪器电源与试验电源分接不同的相别上。 四、冲击电流试验 冲击电流试验是测量避雷器比例单元的残压和考核避雷器的通流容量。例如，为了保证避雷器的残压不超过规定值，按技术条件的规定，对出厂的每一只阀片都要测量残压，以便选配组装。因此，它是制造厂的例行试验项目，也是避雷器检修和改装过程中不可缺少的测试项目。 1.冲击电流波形 冲击电流试验所需要的主要设备是冲击电流发生器。冲击电流波形如图5—14所示。波前等于tl到t2时间的1.25倍，波长等于t0到t3的时间。对阀片进行冲击电流残压试验采用8／20μs波形，冲击电流通流试验采用18／40μs形。 2．冲击电流发生器基本回路 冲击电流发生器线路接线见图5—15。它可分为三部分：①调压器、高压试验变压器、整流元件和电容器组成的充电回路；②由主电容、球隙、调波电感、调波电阻及阀片和分流器组成的放电回路；③由分流器、分压器、测量电缆和示波器组成的测量回路。冲击电流发生器的工作过程是通过调压器升高电压，由高压硅堆向电容器充电至所需电压，然后送一触发脉冲到球隙，使球隙被击穿，于是电容器经电感、电阻及试品放电。通过调节充电电压和回路参数的大小，便可产生出不同峰值及波形的冲击电流。 3．冲击电流测量 冲击电流发生器组装完后，要进行操作试验，用高压脉冲示波器来测量冲击电流波形是否符合规定的波形，当没有高压示波器的情况下，也可使用普通电子示波器。但需进行一些必要的改进，以适应记录脉冲信号的需要。当测量冲击电流波形时，由分流器两端经高频电缆接到示波器Y轴，当球隙放电时，即可从荧光屏上观察到冲击电流波形。在测量避雷器阀片残压时，将分压器输出端接示波器Y轴，不用示波器内部扫描，而将分流器信号接X轴来扫描，这时示波器荧光屏上显示的波形如图5—16所示，它表示电流为Ia时的残压为Ua。残压试验时，必须遵守冲击电流的有关要求，同时要注意排除分压器与分流器间的相互干扰和电流引线对测量的影响。 五、冲击放电电压试验 冲击放电电压试验是制造厂为了检验避雷器在雷电和操作过电压作用下的保护性能或避雷器经过改装后，在冲击系数还不大明确的情况下而进行的项目，由于冲击电压试验方法较为复杂，对于检修后的避雷器，其冲击系数变化不大，故供电部门一般不做此项试验。 1．冲击电压波形 雷电冲击波形按GB311．3—83《高电压试验技术第二部分试验程序》的规定，如图5—17所示。波前为t0到tl的时间，波长为t0到t2的时间。幅值的容许偏差为±3％，波前时间为1．2Pμs±30％，波长时间为50μs±20％。 2．冲击电压发生器的原理和线路 冲击电压发生器一般都有较高的输出电压，所以通常都是设法把已充好电的电容器串联起来对试品放电。电容器充电时是并联的，这样充电所需电源电压可以较低。图5—18表示一种冲击电压发生器的线路。 充电时，电容器是并联充电，发生器本体的各台电容器C由高压硅堆整流经过一些充电电阻只缓慢充电。例如左边第一台C的充电电流就是由变压器T2的高压端，经过高压硅堆V、R到1点，再经过C到2点，再经过R’到０点入地，经过地线流入变．压器的接地端形成闭合回路。其他电容C是和第一台C并联在一起充电的，不过由于充电电流要经过一些电阻R，故这些电容器上的电压上升得慢一些，所有电容充电完毕后，充电电流等于零，2、4、6各点的电位和O点电位一样，都等于零。l、3、5各点电位则都等于z／。。各对球隙距离的调整原则是：让Sl间隙的放电电压比Ｕ０。稍高一些，S2、S3、S的距离基本相同，都比S1要大一些，故充电完毕后球隙都不放电。 通过使S1的距离缩小或使S1的放电电压降低，可使S1放电。放电后1点电位立即降到零，而2点电位和l点电位差一个电容器上的电压Ｕ０，故2点对地杂散电容上的电压迅速降到－U0。3点电压还是U0，于是球隙S2两端出现过电压2U0，使S2放电。放电后4点对地杂散电容上的电压就是两台电容器的电压－2U0，5点电压U0不变，球隙S3两端出现过电压3U0，故S3放电。放电后6点电压变为－3U0，于是S又放电。这样，在一刹那间所有球隙都放电。冲击电压发生器放电时的等值回路如图5—19所示。Ｒl(Rl＝nr十Rd，n为冲击电压发生器中放电时串联的电容器的级数)一般为数百欧，R2一般为数千欧，比R小得多，故在C放电过程中，C上电荷主要经R2放掉。经R'放掉的甚少，可以忽略，即放电时可以把R’看作是断开的。Cl等于C／n，每台电容器充电电压为U0，串联起来后总电压U1等于nU0。C2为调波电容，包括被试品和分压器的电容及冲击电压发生器本体的对地电容。 S放电后，C1经Rl向C2充电，一般C1比C2大得多，故可以近似看作直流电压下C2经Rl充电，于是C2上输出电压上升，形成冲击试验电压的波前。等到C2上电压接近C1上