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氧化锌避雷器的选型刍议

王文明

胜利工程设计咨询公司  山东省东营市   257026

摘要：本文对氧化锌避雷器的分类进行简要的介绍，着重介绍了氧化锌避雷器在工程设计中的选择与计算。

关键词：氧化锌避雷器 选型 应用

1、概述

避雷器是一种能吸收过电压能量、限制过电压幅值的保护设备。使用时将避雷器安装在被保护设备附近，与被保护设备并联。在正常情况避雷器不动作（仅流过微安级的泄漏电流）；当作用在避雷器上的电压达到避雷器的动作电压时，避雷器导通，通过大电流，吸收过电压能量，并将过电压限制在一定水平，以保护设备的绝缘。在释放过电压能量后，避雷器会自动恢复到不导通的正常工作状态。

避雷器的选择应根据系统运行方式不同、避雷器安装地点不同（保护对象不同）、避雷器型式不同而有所区别，但由于部分设计人员对系统的情况了解的不清楚、不准确，对避雷器的特性不了解，因此选择避雷器时具有一定的盲目性。   

避雷器选型问题的主要难点是确定暂时过电压的范围问题，既要保证在较高的操作过电压及大气过电压下安全、可靠地动作，又要保证在暂时过电压下阀片不动作。由于我国使用氧化锌避雷器初期，其额定电压是以SiC避雷器的灭弧电压为参考作设计的，在选型时只考虑操作过电压和雷电过电压水平，如：10kV及以下SiC避雷器的灭弧电压设计是定在系统最高运行电压的1.1倍；35kV SiC避雷器的灭弧电压等于系统最高电压；110kV及以上SiC避雷器的灭弧电压为系统最高电压的80％。对应以上的倍数分别有110％避雷器、100％避雷器和80％避雷器。早期的6kV、10kV和35kV避雷器均遵守上述原则，而最大长期工频工作电压为系统最高相电压。在氧化锌避雷器的设计中如仍按以上原则选型，则可能导致氧化锌避雷器出现热崩溃甚至严重的爆炸事故。

本文结合实际工程，介绍避雷器的分类及选型应用。

2、金属氧化物避雷器的分类

避雷器分为有间隙和无间隙两种。有间隙避雷器的基本元件是火花间隙和氧化锌非线性电阻片。这些元件串联叠装在密封的绝缘材料外套内。无间隙避雷器的基本元件则只有阀片，它的材料主要是氧化锌和其他金属氧化物。

以下结合我国生产的金属氧化物避雷器系列产品, 根据其不同的技术指标进行分类。

2.1　按电压等级分类

金属氧化物避雷器按额定电压值来分类, 可分为高压类，指66kV 以上等级的金属氧化物避雷器系列产品；中压类，指3kV～ 66kV ( 不包括66kV 系列的产品) 的金属氧化物避雷器系列产品；低压类，指3kV 以下(不包括3kV 系列的产品) 的金属氧化物避雷器系列产品。

2.2　按标称放电电流分类

金属氧化物避雷器按标称放电电流可划分为20、10、5、2.5、1.5kA 五类。

2.3　按用途分类

金属氧化物避雷器按用途可划分为系统用线路型、系统用电站型、系统用配电型、并联补偿电容器组保护型、电气化铁道型、电动机及电动机中性点型、变压器中性点型七类。

2.4　按外套材料分类

金属氧化物避雷器按结构可划分为:瓷外套型、复合外套型

2.5　按结构性能分类

金属氧化物避雷器按结构性能可分为无间隙(W )、带串联间隙(C)、带并联间隙(B) 三类。

无间隙避雷器主要有以下特点：

a)       结构简单

b)       保护性能好，电阻片有良好的非线性伏安特性，正常工作电压下通过避雷器的电流小，无需串联间隙，消除了因间隙击穿特性变化所造成的影响，保护特性仅由残压所决定。

c)       保护效果好，只要过电压超过避雷器额定电压，保护作用就开始，这对降低频繁作用在被保护设备上的过电压，减少异常绝缘击穿，对延长设备的寿命有积极作用。

d)       运行检测方便，能通过带电试验检测避雷器特性的变化。

e)       吸收能量大，非线性金属氧化物电阻片单位体积吸收能量较碳化硅非线性电阻片大5～10倍，同时，电阻片或避雷器均可并联使用，使吸收能力成倍提高。

f)       由于没有串联间隙，电阻片不仅要承受雷电和操作过电压左右，还要承受正常持续运行电压和暂时过电压，因而存在着这些电压作用下的劣化和热稳定问题。

有间隙避雷器主要有以下特点：

a)       有串联间隙的避雷器与无间隙避雷器相比，增加了串联间隙，使电阻片与带电导线隔离，可避免系统单相接地引起的暂时过电压和弧光接地或谐振过电压对电阻片的直接作用。但使用串联间隙后，也就不再具备无间隙避雷器的优点。

b)       有并联间隙的避雷器：在一部分电阻片上并联间隙，在雷电流达到一定幅值时，这部分电阻片上的残压使间隙放电而短路。在雷电流幅值等于标称放电电流时，避雷器的残压值可以低于无间隙避雷器的残压，在保护雷电冲击绝缘水平较低的设备，如发电机等，有一定的优越性，但结构复杂。

c)       与普通碳化硅阀式避雷器相比，具有相近保护特性时，避雷器可以没有续流或续流很小。如果保持续流相近，则残压值可比碳化硅阀式避雷器低，在中性点非直接接地系统中，残压值还可以比无间隙避雷器的残压低。

d)       有串联间隙避雷器：由于放电电压与电阻片的残压相近，给工频放电电压试验带来一定的困难，放电电压较难检测。

e)       有间隙避雷器一般用于线路或3kV～66kV中性点非直接接地系统中的保护。

由于有间隙产品存在天生的缺陷，例如放电的分散性、放电电压受内部气压与外部污秽影响等，因此目前有间隙产品主要应用于66kV及以下的配电系统中。与之相比，无间隙避雷器更具有保护范围宽、能量吸收能力强、响应特性快及陡波特性好等优点，因此已广泛应用于电力系统中。

3、金属氧化物避雷器的选用

金属氧化物避雷器的特性分为保护特性和运行特性。保护特性有保护水平决定；而运行特性则有额定电压、冲击通流能力（雷电通流能力、长持续时间耐受能力）、工频电压耐受时间特性、耐污性能、短路电流试验等级等决定，其中避雷器的短路电流试验等级主要由系统的容量和避雷器的安装点决定，具有独立的属性。避雷器的保护特性和运行特性是互相制约的。

在系统条件一定、阀片性能一定的条件下，若避雷器的额定电压提高，则其运行的持续运行电压就高，耐受工频电压、能量吸收的能力随之提高，标称电流下的残压也随之提高，但保护裕度却会减小；反之，若避雷器的额定电压降低，则其允许的持续运行电压就低，标称电流下的残压也随之降低，但保护裕度却会增大。

若对系统的接地方式、过电压的幅值及持续时间等情况掌握清楚的话，就可以选择最佳的避雷器额定电压值，以取得较大的保护裕度；反之，若对系统的情况了解的不清楚、不准确，那么就要选择额定电压高一些的避雷器，这时避雷器的保护裕度就会小一些，被保护物的绝缘所受的电应力就会大一些。若选择避雷器的额定电压较低，就有可能带来安全事故。

在同一电压等级的系统中，接于相对地间的避雷器与接于相对相间的避雷器，其额定电压是不同的。在同一个变电站的同一电压侧，线路型避雷器和母线型避雷器的额定电压也是不同的。

金属氧化物避雷器在选用中应注意其参数的正确选择, 否则将会在运行中发生各类问题, 导致事故的发生。下面以无间隙金属氧化物避雷器为例，介绍避雷器选型中的

3.1　标称放电电流

因金属氧化物避雷器的标称放电电流分为五类, 在选用时应根据避雷器的应用场合和避雷器的技术参数来选择, 如表1 所示：

a)       电站用避雷器：用以限制作用在发变电所3kV～500kV设备的雷电过电压和除谐振过电压及暂态过电压以外的相对地过电压。

b)       配电用避雷器：用以限制作用在3kV～20kV配电设施，主要是配电变压器、分段开关、刀闸及电缆头的雷电过电压和除谐振过电压及暂态过电压以外的相对地过电压。

c)       并联补偿电容器用避雷器：用以限制投切电容器时可能产生的过电压，用于不同容量和电压等级电容器组的避雷器，其方波通流容量有不同的要求。

d)       发电机用避雷器：用以限制作用在发电机的雷电过电压和除谐振过电压以外的相对地过电压，并可限制升压变压器的传递过电压。

e)       电动机用避雷器：用以限制3kV～10kV投切电动机时的操作过电压。

f)       发电机中性点用避雷器：用以限制发电机中性点的雷电侵入波过电压，同时对发电机整个绝缘也有一定的保护作用。在正常运行工况下，作用在避雷器上的电压很低。

g)       变压器中性点用避雷器：主要用以限制中性点为分级绝缘的变压器（包括中性点接有低于其设备绝缘水平的设备，如消弧线圈）雷电过电压。在正常运行工况下，作用在避雷器上的电压很低。

h)       其他特殊用途避雷器：避雷器还可用于下列设备的过电压保护，如输电线路、串联电抗器、串联电容器、电缆护层、电流互感器低压和高压侧匝间、发电机灭磁回路。

3.2　额定电压（U_r）

避雷器额定电压是施加到避雷器端子间的最大运行工频电压有效值，它是表明避雷器运行特性的一个重要参数，但它不等于系统标称电压。

按IEC 及国家标准规定, 避雷器在注入标准规定的能量后, 必须能耐受相当于额定电压数值的暂时过电压至少10s。

避雷器额定电压可按下式选择:

Ur≥KUt (kV )

式中: K —切除短路故障时间系数。10s 及以内切除故障K = 1.0; 10s 以上切除故障K = 1.25～1.3。

Ut—暂时过电压, kV

在选择避雷器额定电压时, 仅考虑单相接地、甩负荷和长线电容效应引起的暂时过电压。暂时过电压Ut推荐值见表2：

表2  暂时过电压Ut推荐值         kV（有效值）

3.3　最大持续运行电压

避雷器持续运行电压是运行持久的加在避雷器端子间的工频电压有效值。

一般情况下, 避雷器最大持续运行电压Uc≥0.8Ur, 且不得低于以下规定值:对于中性点直接接地系统，接在相对地的无间隙避雷器，其持续运行电压应不低于系统的最高工作相电压，即， Uc≥Um/

式中: Um —系统最高工作电压, kV

对于中性点非直接接地系统，应根据单相接地故障切除时间确定:

10s 及以内切除故障时, Uc≥Um/

10s 以上切除故障时,Uc≥Um    　(35kV～ 66kV )

Uc≥1.1Um 　(3kV～ 20kV )

3.4　雷电冲击保护水平

无间隙金属氧化物避雷器的保护水平完全由它的残压决定，其雷电过电压的保护水平是下列两项数值的较高者：

a)       标称放电电流下的最大残压值

b)       陡波冲击电流下最大残压值除以1.15。

避雷器雷电冲击保护水平应满足保护电力设备绝缘配合的要求，按国家标准规定，其配合系数如下：

中性点避雷器                    Ks＞1.25；

避雷器非紧靠保护设备            Ks＞1.4。

3.5　操作冲击保护水平

避雷器操作冲击电流(波前30μs～ 100μs) 下的残压值为避雷器的操作冲击保护水平。操作冲击绝缘配合系数应满足: 电气设备的操作冲击绝缘水平与操作冲击保护水平之比值不得小于1.15。

3.6  绝缘配合

对于不同保护对象，由于绝缘等级的不同，选择避雷器时也应有所区别。例如，对于35kV油浸式变压器，其额定雷电冲击耐受电压（全波）为200kV,而对于35kV干式变压器而言，其额定雷电冲击耐受电压（全波）值为170kV，此时普通35 kV 氧化锌避雷器的残压取134 kV 就显得偏高， 134×1.4= 187.6>170。因此用于35kV干式变压器保护用的氧化锌避雷器的残压应取120kV 比较合理(120×1.4= 168)。

3.7  避雷器选择实例

对于常规电压等级避雷器，可根据已知的系统接地方式、过电压的幅值及持续时间等情况选择最佳的避雷器额定电压值，以取得较大的保护裕度。

对于非常规电压等级避雷器，则需要尽量收集系统情况，了解系统运行方式，并根据前面介绍的避雷器参数选择合适的避雷器。下面以安哥拉电网恢复项目为例，介绍避雷器的选择方法。

下图为安哥拉某城市变电所系统示意图，系统标称电压为15kV,采用中性点直接接地方式运行。

由于国内以往没有15kV 这一配电电压等级，所以国标GB11032-2000 《交流无间隙金属氧化物避雷器》对这一等级电网的氧化锌避雷器参数没有作出明确的规定，因此根据DL/T 804-2002 交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则和DL/T613-1997 进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范的原则，对氧化锌避雷器的技术参数进行选择。

a)       氧化锌避雷器的额定电压Ur

按《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》表3 的推荐值，对中性点直接接地中，系统的接地故障持续时间应不大于10s，参考直接接地系统的暂时过电压推荐值，确定避雷器的额定电压（Ur）：

Un=15kV，

Um=15×1.2=18kV

Ur≥Ut=1.4×Um/=14.6kV—（1）

由于按国际IEC标准生产的进口中压避雷器在额定电压下的耐受时间只有10 s，在选用进口氧化锌避雷器时(如ABB公司的MWD 型)，宜提高一个等级， 为15kV。

b)       最大持续运行电压Uc

由于氧化锌避雷器没有串联间隙，正常工频相电压要长期作用在金属氧化物电阻片上，为了保证一定的使用寿命，长期作用在避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压。在实际运行中，持久地加在氧化锌避雷器两端的工频电压最大值为系统最高工作相电压（Um/）。因此，选择氧化锌避雷器时必须使它的持续运行电压大于或等于Um/ 。

所以确定避雷器的持续运行电压（Uc）：

Uc≥Um/=10.4kV—（2）

一般情况下Uc≥0.8Ur，选用按IEC 标准生产的进口氧化锌避雷器时(如ABB 公司的MWD 型) 宜选用12 kV。避雷器的额定电压和持续运行电压分别采用(1)和(2)所确定的数值后，将使氧化锌避雷器具有较高的工频过电压耐受水平，从而在系统发生单相接地后，保护动作跳闸前的几秒钟内，健全相电压即使升高到线电压，也不会危及避雷器的安全运行，从而提高了配电网的可靠性。

c)       标称放电电流

按DL/T613-1997 进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范，对3～66 kV 系统的配电网和电容器之标称放电电流一般均定为5 kA，这也正是一般10kV～35kV 电网所采用的，因而本系统也选择为5 kA。

d)       雷电冲击保护水平

电气设备全波冲击绝缘水平与雷电冲击保护水平之比值不得小于1.4，15 kV 系统电气设备的全波冲击耐受电压为105 kV，所以避雷器5 kA(8/20μs)下的残压应不大于75 kV(105/1.4)。所以选用的避雷器在5 kA(8/20μs)下的残压值为不大于40 kV，裕度还是相当大的。

e)       操作冲击残压

按进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范之5.4.3 条，操作冲击电流为500A(30/60μs)。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》要求，15kV电气设备的耐受电压为45kV（开关为46kV），则避雷器的操作冲击残压应不大于39.1kV(45/1.15)。

2.2 避雷器的选择

按照以上的分析，安哥拉15kV配电网络母线选用MWD 13型氧化锌避雷器，其主要技术参数见表3。

表3  15kV系统氧化锌避雷器的主要参数

根据以上数据可以看出，选用ABB公司的MWD 13型避雷器，可以满足电网运行要求，并具有较大的裕度。

4、结论

a)       系统的接地方式及产生的工频过电压是选择避雷器额定电压的主要依据。

b)       避雷器的保护特性和运行稳定性是互相制约的。应结合被保护物的绝缘特性、绝缘水平和运行环境条件合理的选择避雷器的参数，避免偏颇。

c)       由于保护的电气设备以及安装地点的不同而应选择不同类型的避雷器，此时对避雷器有另外的要求，可参照《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》进行参数选择。