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避雷器

保护电气设备免受雷电波过电压危害的一种装置。它与被保护设备并联连接,当过电压值达到规定的动作电压时,避雷器立即动作释放雷电波能量,限制过电压幅值,保护设备绝缘不受损害,使电网正常供电。有的避雷器还能限制续流(雷电流通过后,由于电源的作用而通过避雷器的电流)的持续时间和幅值。避雷器分为排气式避雷器、阀式避雷器和保护间隙三类。

保护电气设备免受雷电波过电压危害的一种装置。它与被保护设备并联连接,当过电压值达到规定的动作电压时,避雷器立即动作释放雷电波能量,限制过电压幅值,保护设备绝缘不受损害,使电网正常供电。有的避雷器还能限制续流(雷电流通过后,由于电源的作用而通过避雷器的电流)的持续时间和幅值。避雷器分为排气式避雷器、阀式避雷器和保护间隙三类。后者由主放电间隙与辅助放电间隙串联而成,不能限制续流的持续时间和幅值,已很少采用。

排气式避雷器

由安装在产气管内的灭弧(内)间隙与隔离(外)间隙串联构成,亦称管式避雷器(图1)。灭弧间隙由环形电极和棒形电极构成,产气管可由纤维、塑料或橡胶等材料制成。当雷电波电压上升到一定值时,间隙放电之后形成电力系统接地短路,在电弧高温作用下,产气材料被气化,使管内气压升高,气体由产气管开口端喷出,气流吹动电弧,使之冷却,于1~3周后,当工频电流过零时电弧熄灭,消除短路,系统恢复正常状态。这种避雷器不能限制续流的幅值,但可限制其持续时间。动作后产生截断波对于有绕组的设备如发电机、变压器等不利,且这种避雷器运行维护不便,仅用于送、配电线路的防雷保护。

图1 排气式避雷器结构

排气式避雷器应按下列条件选择:①避雷器的额定电压与线路的额定电压相符;②避雷器安装点的最大短路电流有效值(含非周期分量)不大于避雷器额定断流上限;③避雷器安装点的最小短路电流有效值(不含非周期分量)不小于避雷器额定断流下限。

避雷器多次动作后,管壁变薄,当内径增加到原值的120%~125%时,不能继续使用。

阀式避雷器

非线性电阻阀片的避雷器分为普通阀式避雷器、磁吹阀式避雷器和金属氧化物避雷器等三种。

图2 FS3-10型避雷器结构

普通阀式避雷器

由串联放电间隙与非线性电阻阀片串联装在密封瓷套管内构成(图2)。阀式避雷器的放电间隙是由彼此隔开的平行板状电极构成,将由多个这样放电间隙组成的串联放电间隙,分为若干组,每组四个间隙为标准组合间隙组(图3)。在平行板状电极间形成放电,不但放电电场均匀,且放电电压分散性小。有的避雷器,为提高工频放电电压,间隙装有并联电阻,相对地降低冲击击穿放电电压,改善避雷器特性。串联放电间隙利用近极效应可熄灭小于工频80安(幅值)的电弧。保证熄灭电弧,间隙所能承受的最大工频电压有效值称为灭弧电压。间隙工频放电电压与灭弧电压之比称为切断比。串联放电间隙的切断比约为1.8。

图3 标准组合间隙组

阀片是由碳化硅(金刚砂)与水玻璃等结合剂在低温(300~350℃)或高温(1350~1390℃)下烧结而成的圆饼形非线性电阻片,直径55~105毫米,厚度20~30毫米,上下表面喷涂铝粉,侧面涂有机绝缘材料。阀片的伏安特性以方程U=CIα表示,式中U为阀片端电压(千伏);I为通过阀片的电流(千安);C为阀片通过1安电流时的压降,是与阀片材料、尺寸有关的常数;α为非线性系数,低温烧结的金刚砂阀片α≈0.2,高温烧结的阀片α≈0.24。避雷器动作后,雷电流通过阀片时的压降称为残压。残压值受阀片的非线性特性限制,使电器设备得到保护。避雷器标称放电电流下的残压与灭弧电压幅值之比称为保护比。保护比小,保护性能好。雷电流通过后,阀片将工频续流限制到80安(幅值)以下,使串联放电间隙在续流第一次过零时可靠地熄灭电弧,避雷器恢复正常状态。阀片允许通过规定冲击波及工频半波各20次的电流幅值,称为阀片的通流容量。低温烧结阀片的通流容量为20/40微秒的冲击波5千安,工频半波幅值100安各20次。高温烧结阀片的通流容量为20/40微秒冲击波10千安、2000微秒方波800~1000安各20次。

普通阀式避雷器的电气特性有:①避雷器的额定电压;②避雷器的灭弧电压;③避雷器工频击穿放电电压;④避雷器标准雷电冲击击穿放电电压(标准雷电冲击全波电压施加到避雷器时,能使其放电的最低预期峰值);⑤在标称放电电流下避雷器的残压。

磁吹阀式避雷器

由磁吹放电间隙与阀片串联装在密封瓷套管内构成。磁吹放电间隙利用电磁力使电弧熄灭,有电弧旋转式磁吹间隙与限流式磁吹间隙两种。①电弧旋转式磁吹间隙(图4)。电弧在永久磁场中受电磁力作用,使之沿圆环形间隙旋转,因冷却和去游离作用而熄灭,可切断工频续流300安(幅值),切断比降到1.3左右,是用于保护旋转电机的一种避雷器。②限流式磁吹间隙(图5)。工频续流通过线圈产生轴向磁场,续流电弧在电磁力作用下被拉进灭弧盒的狭缝而加长,发生强烈的去游离而熄灭。电弧被拉长后压降达数百伏,由于电弧电阻的限流作用,可减少10%的阀片,降低避雷器的残压。限流间隙可切断450安(幅值)的续流,切断比约为1.4。

磁吹阀式避雷器采用通流容量大的高温烧结阀片。由于阀片数量减少,避雷器的保护比小,性能好。用于发电厂及变电站的防雷保护。

图4 电弧旋转式磁吹间隙

金属氧化物避雷器

以氧化锌(ZnO)基压敏电阻阀片组成的无间隙或有间隙阀式避雷器,亦称氧化锌避雷器。阀片的非线性系数α=0.01~0.04。当雷电流高达10千安时,α也不超过0.1。在正常工作电压下,金属氧化物阀片近似于绝缘体,无需用串联间隙将它与电源隔开。110千伏及以下的金属氧化物避雷器大部分不用间隙。金属氧化物阀片在电流超过3千安时,电压有上翘特点。超高压避雷器,或需要降低大电流时的残压并减小正常运行时通过阀片的电流时,可采用并联和串联间隙。

图5 限流式磁吹间隙

金属氧化物避雷器的主要优点:①无间隙,结构简单,陡波下的响应特性好;②无续流,只需吸收过电压能量,通过阀片能量大大减少,可承受多重雷击,延长使用寿命;③通流容量大,避雷器动作负荷能力大大提高,可以保护内部过电压;④避雷器在整个过电压过程中都有电流流过,降低了电气设备承受的过电压幅值;⑤易于制成直流避雷器;⑥造价低。由于它具有上述优点,将逐步取代碳化硅阀式避雷器

阀式避雷器按额定电压选择。避雷器的额定电压应等于安装点电网的额定电压。普通阀式及磁吹阀式避雷器还应根据保护对象选择对应的型号。非标准普通阀式、磁吹阀式避雷器根据电气特性(灭弧电压、冲击击穿放电电压或伏秒特性、工频击穿放电电压、标称放电电流下的残压等)进行选择。