淺談避雷器的分類、原理及應用

馬立江

摘 要：在工程設計過程中經常會用到避雷器，該文主要介紹避雷器的分類、簡易原理以及如何應用為理順產品功能，合理應用，以資參考。

關鍵詞：避雷器 持續運行電壓 標稱放電電流下的殘壓

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0101-01

1 分類

避雷器一般接于帶電導線與地之間，和被保護設備并聯。一旦過電壓值為規定的動作電壓，避雷器會立刻動作，流過電荷，約束過電壓幅值，從而保護設備絕緣；電壓值正常以后，避雷器馬上恢復到原狀，使系統保證能夠正常供電。現今，使用的避雷器主要有管型避雷器（排氣式避雷器）、保護間隙、氧化鋅避雷器及閥型避雷器這4種種類。

2 原理

保護間隙可以說是一種最簡單的避雷器，按其形狀可分為棒形、角形、環形、球形等。保護間隙滅弧能力差主要用于10 kV以下的配電線路中。目前使用不多，不做詳細介紹。

管型避雷器（排氣式避雷器），實際是一種具有較高熄弧能力的保護間隙，通稱排氣式避雷器為管型避雷器，由三部分組成，即內部間隙、產氣管和外部間隙。由于管型避雷器具有外間隙，受環境的影響大，故與保護間隙一樣，仍具有伏秒特性曲線較陡、放電分散性大的缺點，不易與被保護設備實現合理的絕緣配合；同時動作后也會產生截波，變壓器等有線圈設備不利于其絕緣。所以目前管型避雷器僅用于如變電所的進線段保護，或大跨距和交叉檔距處的輸電線路個別地段的保護。

由多重火花間隙以與其相串聯的具有非線性伏安特性的電阻元件組成閥式避雷器的基本元件，經碳化硅粉末壓制燒結而成的是其電阻元件。碳化硅表面具有一層氧化硅閉鎖層，厚度約為100 μm，其電阻呈非線性，和電場強度有關。在電場強度較小時，即電阻元件上的電壓不大時，該層的電阻率為10.4～10.6 Ω·cm，由于碳化硅約10.2 Ω·cm，其本身的電阻率就很小，所以事實上，全部的電壓都加在該SiO2薄層上。閉鎖層電阻隨著電場強度提高而急劇下降，碳化硅本身開始決定非線性電阻元件的阻值。電阻值隨電壓而強烈變化的材料保障了在高電壓下有很大的通流能力，在低電壓下只有很小的電流才容許通過，可稱該特性為“閥性”，所以稱該保護電器為閥式避雷器。根據結構不同，又分為磁吹閥式與普通閥式兩類。磁吹閥式提高滅弧性能是利用磁場驅動電弧來實現的，具有更好的保護性能。由于碳化硅避雷器有很好的保護性能，廣泛用于交、直流系統，起到保護發電和變電設備的絕緣的作用。磁吹閥式主要產品有FCD型，保護電機用、FCZ型，保護變壓器用。

在超高壓系統中，有時需要既可保護雷電過電壓，又可保護操作過電壓的兼用避雷器。普通的磁吹避雷器無論從切斷比，還是耐受能量上已不能滿足要求。為解決這些矛盾，可采用復合型（磁吹）避雷器。

氧化鋅避雷器也稱金屬氧化物避雷器，是閥式避雷器一種，閥片材料是由半導體氧化鋅和其他金屬氧化物（如氧化鉆、氧化錳等）在高溫（1000℃以上）下燒結而成。氧化鋅閥片又稱壓敏電阻，具有比碳化硅更理想、更優良的非線性電阻特性。它的電阻在系統運行電壓下很大，通過的電流很小，僅為1 mA左右，這樣小的電流不會燒壞閥片，因此可以不用串聯間隙來隔離工頻運行電壓；當電壓升高時，它的電阻變得很小，可以通過大電流，殘壓也很低，使設備得到保護，而過電壓消失之后，它又恢復原狀。只有壓敏電阻片的新型避雷器，壓敏電阻片具有理想的閥特性，它是多晶半導體陶瓷元件，由氧化鋅等金屬氧化物燒結而成。還具有保護特性好、非線性系數小、能量吸收能力強、結構簡單和穩定性好和通流能力大等優點。此外，非線性系數α值非常小。在金屬氧化物閥片中通過的電流范圍為1 mA～10 kA時，α值一般為0.02～0.06。可做成無間隙避雷器，因為在額定電壓作用下，通過的電流極小。保護性能好。它省去了間隙動作，一旦電壓升高，就能迅速吸收過電壓能量，并抑制過電壓的發展；陡度響應特性良好；濕度、溫度、污穢、氣壓等環境條件幾乎不影響無間隙的氧化物避雷器的性能，因而性能穩定。金屬氧化物避雷器動作負載輕，基本無續流，耐重復動作能力強。可制成直流避雷器，因為伏安特性是對稱的，也沒有極性問題。

通流容量大。避雷器無串聯間隙的制約，易吸收能量，僅與閥片本身的強度有關。相比于碳化硅閥片，氧化物閥片單位面積的通流能力大4～4.5倍。所以選用該閥片制成避雷器，既限制了大氣過電壓，又完全能用來限制操作過電壓，更為甚者，還能耐受一定持續時間的短時（工頻）過電壓。

3 舉例說明避雷器的選擇應用：

已知條件某采場10 kV高壓配電所電源為2路架空進線換電纜引入，10 kV出線均為電纜，裝有所用變壓器，10 kV電源側為中性點不接地系統。海拔高度<1000 m。

（1）根據DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第5.3.1條c）款及第7.3.9條，不接地系統可任選金屬氧化物避雷器或碳化硅普通閥式避雷器，且為電站型。我們選用電站型無間隙金屬氧化物避雷器。

（2）避雷器持續運行電壓和額定電壓的確定，查DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》表3，根據題意。

持續運行電壓（相地）=1.1×Um（系統最高電壓）

=1.1×12

=13.2 kV

額定電壓（相地）=1.38×Um（系統最高電壓）

=1.38×12

=16.56 kV

（3）10 kV配電裝置及變壓器的標準雷電沖擊全波耐受電壓（相對地及相間）確定，查DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》表19得知75 kV。

（4）按絕緣配合要求，確定保護10 kV配電裝置及變壓器的閥式避雷器的標稱放電電流下的殘壓，根據DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第5.3.5條：得知殘壓不大于被保護設備（旋轉電機除外）標準雷電沖擊全波耐受電壓的71%。

殘壓=0.71×BIL（標準雷電沖擊全波耐受電壓）

=0.71×75

=53.25 kV

題中所列條件為不接地系統，若換成低電阻接地型式，避雷器的持續運行電壓、額定電壓、殘壓都要低些，通過以上計算，我們知道，在設計中避雷器的選擇和系統的接地型式息息相關，要充分考慮。

4 結語

金屬氧化物避雷器是限制過電壓最先進的一種產品，是電力設備絕緣配合的基礎。它具有動作快、伏安平坦、殘壓低、通流容量大、性能穩定、壽命長、結構簡單等優點，發展潛力很大，是世界各國避雷器發展的主要方向，必將逐步取代傳統的帶間將是未來特高壓系統關鍵的過電壓保護設備。

參考文獻

[1] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

[2] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合（DL/T620-1997）[Z].