高壓過電壓保護裝置

武曉彤 金波

摘 要：避雷器主要用于限制由線路傳來的雷電過電壓或由電氣操作引起的操作過電壓，是保證電力系統安全運行的重要保護設施之一。通過氧化鋅避雷器在我礦的應用，對碳化硅避雷器和氧化鋅避雷器的比較，顯示了氧化鋅避雷器的諸多優點，氧化鋅避雷器在防雷吸收過電壓方面有了質的飛躍，對電力系統的安全運行起著至關重要的作用，是防雷技術發展的必然。

關鍵詞：防雷保護功能;操作過電壓;暫態過電壓;碳化硅避雷器

Abstract：Lightning arrester is mainly used to limit the lightning overvoltage from the line or the operation overvoltage caused by electrical operation. It is one of the important protection facilities to ensure the safe operation of power system. Through the application of zinc oxide arrester in cacheng coal mine，the comparison between Silicon Carbide arrester and zinc oxide arrester shows that zinc oxide arrester has many advantages，and zinc oxide arrester has a qualitative leap in lightning protection and absorbing over-voltage，it plays a vital role in the safe operation of power system and is the necessity of the development of lightning protection technology.

引言：

煤礦過去使用的過電壓保護裝置大多是FS閥式避雷器。避雷器主要作用，是限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作過電壓，保證電力系統安全運行的重要保護設備之一，其性能的好壞對保證電力系統的安全運行起著至關重要的作用。

1碳化硅避雷器和氧化鋅避雷器的結構及特性

1.1 碳化硅避雷器

碳化硅避雷器的火花間隙，是由多個單向間隙串聯而成，單向間隙是由上下黃銅極構成，電極中間用0.5-1mm厚的閥片隔開，壓緊密封在避雷器瓷套內，閥片是由碳化硅（SiC）顆粒和水玻璃混合后，經模型壓制成餅狀，在低溫下焙燒而成，阻值隨電壓的大小而變化，每個單向間隙的擊穿電壓為2.5-3KV。而在雷電壓下電阻自動增大，限制續流在幾10A內，使間隙能滅弧和斷流。它只有雷電幅值（指最大幅值）限壓保護功能，沒有連續雷電沖擊保護能力;防雷保護功能不完全，損壞爆破率高使用壽命短。

1.2 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器是由非線性伏安特性的氧化鋅（ZnO）電阻片組裝而成，壓緊密封在避雷器絕緣套內，在正常工作電壓下，具有很高的電阻，而呈絕緣狀態，在雷電過電壓作用下，電阻降低，讓雷電流瀉入大地，使被保護設備承受的殘壓在安全值下，待電壓消失后，迅速恢復絕緣狀態，是目前最先進的防雷電裝置。

1.2.1陡峭波反應優越

因為無放電間隙，所以沒有放電滯后而產生的問題，并可迅速控制陡峭波的過電壓。就兩種特性元件本身的V-T特性而言，氧化鋅元件比碳化硅（SiC）元件平坦，對陡峭波的過電壓的保護效果良好。

1.2.2無續流，動作承受能力強

因為它的非線性好，所以無續流，并且在一次動作中應處理的能量很少，因此在重復動作上具有承受多重雷擊的出色性能。另外，因為無續流，所以可大幅度地提高避雷器處理發散能量的能力——通斷浪涌電流的承受能力。

1.2.3可小型化、輕量化

因為僅于氧化鋅元件就可以構成避雷器，所以與過去的避雷器相比，間隙、消火花線圈、消弧板等許多零件就不需要了，因而就可實現小型化。

1.2.4提高可靠性

由于零件數量少，結構簡單，維護簡便，氧化鋅避雷器因為沒有放電間隙，所以帶電清洗污染物時，一般不必擔心內部電位分布，所以可靠性提高了。

2碳化硅避雷器和氧化鋅避雷器的原理

碳化硅避雷器特性元件，是采用數百?m的碳化硅（SiC）微粒以粘土之類的結合劑成型后經燒結固化而成。特性是根據SiC顆粒接觸部的特性而得出的。SiC元件在常規對地電壓狀態下，電流值為數百A，所以在平時不讓工作電壓加在SiC元件上，在結構上就需要串聯間隙。

氧化鋅元件是以ZnO或ZnO+MgO為主要成分，并加上Bi2O3（氧化鉍）、CoO（氧化鈷）、MnO（氧化錳）、Sb2O3（氧化銻）等微量添加劑，經混合造粒成型燒結而制得的一種半導體陶瓷元件。

Zno元件的非線性取決于包圍這種ZnO粒子的電阻，與SiC元件相比，它非常平坦，在正常電壓時，因為只有數uA-數+uA左右的漏電流流動所以不需串聯間隙。

3碳化硅避雷器和氧化鋅避雷器的性能比較

3.1 氧化鋅電阻片具有非常優異的非線性特性，通常碳化硅電阻片的非線性系數不小于0.19，而氧化鋅電阻片的則要小得多。在正常工作電壓下，通過氧化鋅電阻片的工作電流極其微小，基本上處于截止狀態;當過電壓侵入時其阻值急劇降低。盡管此時通過很大電流（甚至上萬安），而氧化鋅電阻片上的殘壓卻不會很高;電網電壓恢復正常，電阻片也就恢復其高阻特性，重新處于截止狀態。泄漏電流很小，《電氣設備預防性試驗規程》規定，0.75V，1mA（電流達到1mA時流過電阻片的電壓即動作電壓）下的泄漏電流值應不大于50uA，它對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓作用，防雷功能完全是其突出優點。

3.2 避雷器連續雷電沖擊保護能力比較，只有當作用到氧化鋅電阻片上的電壓達到起始動作電壓時，才發生“導通”，“導通”后氧化鋅電阻片上的殘壓與流過其中的電流大小基本無關而為一定值，當作用電壓降到動作電壓以下時，氧化鋅電阻片“導通”狀態終止，又相當于一個絕緣體，因此不存在工頻續流，使動作后通過的能量很小，對重復雷擊、操作波等短時間可能發生的過電壓保護特別適用，按體積計算，它的通流容量比碳化硅電阻片約大4倍，故氧化鋅避雷器具有連續雷電沖擊保護能力，這對多雷區或雷電活動特別強烈區的防雷保護尤為重要。

3.3 避雷器自身的過電壓防護問題比較，對于能量有限的過電壓如雷電壓和操作過電壓，避雷器泄流能起限壓保護作用。對能量無限（有補充能源）的過電壓如工頻過電壓和諧振過電壓，即暫態過電壓，其頻率總有和工頻電源合拍的進修，即使避雷器泄流過電壓幅值不衰減或只弱衰減，暫態過電壓如果進入避雷器保護區，勢必常時間反復動作直至熱崩潰，避雷器損壞爆炸。碳化硅避雷器暫態過電壓承受能力強，但由于運行中動作特性穩定性差，常因沖擊放電電壓值下降，而串聯間隙氧化鋅避雷器在無間隙的基礎上綜合了結構性能穩定的串聯間隙，將全部暫態過電壓限定在保護死區內，使避雷器免受其害。

3.4 避雷器運行過程中，失效的主要原因是泄漏電流增大，在運行中不易發現，閥式避雷器工頻續流對地放電，造成工頻能源的浪費，而氧化鋅避雷器則可避免保護作用帶來的能源浪費。氧化鋅避雷器可附帶脫離器，當其失效損壞時，脫離器自動動作退出運行，從根本上避免了保護作用產生接地故障或相間短路故障。

3.5 氧化鋅避雷器外徑和調度相對較小，35kv級還可制成懸掛式，如Y5CZZ-42、110L型串聯間隙氧化鋅避雷器，高度僅為640mm，是碳化硅避雷器不可比擬的。串聯間隙氧化鋅避雷器，采用非線性電阻和放電間隙相結合的結構，使兩者互為保護，放電間隙使氧化鋅電阻片的荷電率為零，氧化鋅電阻片的非線性特性雙使入電間隙動作后，立即熄弧，無續流、無截波，放電間隙不再承擔滅弧任務，提高了產品的使用壽命。采用四星形接法，相間過電壓降低了60%-70%，保護的可靠性大為提高。

4結論

通過HY5WS避雷器投入運行的觀察，串聯間隙氧化鋅避雷器能夠彌補老一代避雷器的不足，而無間隙氧化鋅避雷器可通過再串接外間隙來改善其電阻片長期承受電網電壓的工作條件，取得了較好的使用效果，提高了供電系統運行的安全可靠性、經濟性，使電力系統的安全運行再上新臺階。

參考文獻

[1] 《煤礦電工手冊》 第二分冊 礦井供電 煤炭工業出版社 顧永輝 范廷瓚 1987年9月第1版