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1、二、避雷装置和避雷器二、避雷装置和避雷器 （一）雷闪放电与过电压（一）雷闪放电与过电压雷云放电过程雷云放电过程 雷闪过电压。发生雷闪时，除了会产生直击雷过电压之外，雷闪过电压。发生雷闪时，除了会产生直击雷过电压之外，还会在输电线路中出现感应过电压，这两种过电压均会对输电线还会在输电线路中出现感应过电压，这两种过电压均会对输电线路和电力设备造成危害。路和电力设备造成危害。（二）避雷装置（二）避雷装置 避雷装置是一种接地良好的导电装置，可用来保护物体免避雷装置是一种接地良好的导电装置，可用来保护物体免遭雷击，它主要由引雷装置、接地装置和连接它们的引下线组成。遭雷击，它主要由引雷装置、接地装置和连接
2、它们的引下线组成。按照引雷装置的形式，避雷装置可分为避雷针、避雷线和避雷带。按照引雷装置的形式，避雷装置可分为避雷针、避雷线和避雷带。（三）避雷器（三）避雷器 避雷器实质上是一种放电器，可优先于被保护电器放电动作，避雷器实质上是一种放电器，可优先于被保护电器放电动作，限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压，完成保护后迅速限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压，完成保护后迅速恢复原来对地绝缘的状态，准备下次保护动作，同时使系统恢复恢复原来对地绝缘的状态，准备下次保护动作，同时使系统恢复正常工作状态。正常工作状态。1 1、避雷器的分类、避雷器的分类 通常将避雷器分为保护间隙、管式避雷器、阀式避
3、雷器三种，通常将避雷器分为保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器三种，参见下表。参见下表。避雷器的用途和分类避雷器的用途和分类 2 2、避雷器的电气性能指标及特性、避雷器的电气性能指标及特性 (1)(1)额定电压额定电压:避雷器的最大允许工频电压。避雷器的最大允许工频电压。(2)(2)工频放电电压工频放电电压:避雷器间隙放电时的工频电压有效值。避雷器间隙放电时的工频电压有效值。(3)(3)冲冲击击放放电电电电压压:给给定定波波形形和和极极性性的的冲冲击击电电压压施施加加到到避避雷雷器器上上，放电前所对应的电压峰值。放电前所对应的电压峰值。(4)(4)放放电电电电流流:避避雷雷器器保保护护动动作作时时
4、通通过过它它的的冲冲击击电电流流及及工工频频续续流流统称为放电电流。统称为放电电流。(5)(5)残残压压:放放电电电电流流通通过过避避雷雷器器时时，避避雷雷器器端端子子间间的的电电压压称称为为残残压。压。(6)(6)通流容量通流容量:即阀式避雷器的阀片耐受放电电流的能力，以规即阀式避雷器的阀片耐受放电电流的能力，以规定的波形和通流次数下的电流幅值来表示。定的波形和通流次数下的电流幅值来表示。(7)(7)伏秒特性伏秒特性:指避雷器的绝缘介质在不同幅值冲击电压作用下，指避雷器的绝缘介质在不同幅值冲击电压作用下，冲击电压值与放电时间之间的关系曲线，它是综合衡量避雷器保冲击电压值与放电时间之间的关系曲
5、线，它是综合衡量避雷器保护效果的重要依据。护效果的重要依据。3 3、阀式避雷器、阀式避雷器 根根据据阀阀片片材材料料的的不不同同，阀阀式式避避雷雷器器可可分分为为碳碳化化硅硅阀阀式式避避雷雷器器和金属氧化物阀式避雷器两种。和金属氧化物阀式避雷器两种。（1 1）碳化硅避雷器）碳化硅避雷器 将将多多个个串串联联的的保保护护间间隙隙和和串串联联的的阀阀片片相相串串联联，压压紧紧密密封封在在避雷器瓷套内，阀片的材料采用金刚砂为主要成分。避雷器瓷套内，阀片的材料采用金刚砂为主要成分。普通型碳化硅避雷器结构简图普通型碳化硅避雷器结构简图 金刚砂颗粒非线性电阻金刚砂颗粒非线性电阻 (2)(2)金属氧化物避雷
6、器金属氧化物避雷器(MOA)(MOA)金金属属氧氧化化物物避避雷雷器器由由压压紧紧密密封封在在避避雷雷器器瓷瓷套套内内的的若若干干片片ZnOZnO阀阀片片构构成成。氧氧化化锌锌阀阀片片外外加加氧氧化化铋铋及及其其它它金金属属氧氧化化物物粉粉碎碎烧烧结结成成园园饼饼状状或或环环状状，上上下下端端面面喷喷有有金金属属电电极极，侧侧面面涂涂有有绝绝缘缘釉釉以以防防沿沿面面闪闪络络。这这种种阀阀片片具具有有非非常常优优异异的的非非线线性性特特性性，在在高高压压下下电电阻阻很很小，泄放雷电流的同时能保持低残压小，泄放雷电流的同时能保持低残压,伏安特性曲线见下图：伏安特性曲线见下图：ZnOZnO阀片伏阀片
7、伏安特性曲线安特性曲线 4 4、避雷器的选择、使用和维护注意问题、避雷器的选择、使用和维护注意问题 （1 1）避避雷雷器器连连续续雷雷电电冲冲击击保保护护能能力力。碳碳化化硅硅避避雷雷器器没没有有连连续续雷电冲击保护能力；氧化锌避雷器有连续雷电冲击保护能力。雷电冲击保护能力；氧化锌避雷器有连续雷电冲击保护能力。（2 2）避避雷雷器器使使用用寿寿命命。避避雷雷器器使使用用寿寿命命与与许许多多因因素素有有关关，除除了了制制造造工工艺艺、机机械械故故障障、密密封封失失效效受受潮潮等等因因素素外外，避避雷雷器器阀阀片片的的老老化化速速度度是是影影响响寿寿命命的的关关键键因因素素。碳碳化化硅硅避避雷雷器
8、器和和无无间间隙隙氧氧化化锌锌避避雷雷器器寿寿命命有有效效使使用用寿寿命命通通常常在在7-107-10年年；串串联联间间隙隙氧氧化化锌锌避避雷雷器器寿命可达寿命可达2020年以上。年以上。（3 3）避雷器通常应垂直安装，且周围留有足够的空间；顶部）避雷器通常应垂直安装，且周围留有足够的空间；顶部引线水平压力不得超过允许值；对于由多节元件组装的避雷器，引线水平压力不得超过允许值；对于由多节元件组装的避雷器，应严格按照出厂标号组装。应严格按照出厂标号组装。（4 4）避雷器运行过程中应经常监视和维护，有条件的电站型）避雷器运行过程中应经常监视和维护，有条件的电站型阀式避雷器应安装动作次数记录装置。碳
9、化硅避雷器和金属氧化阀式避雷器应安装动作次数记录装置。碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器应按有关标准定期测试性能，发现隐患应及时退出运行。物避雷器应按有关标准定期测试性能，发现隐患应及时退出运行。第五章第五章 避雷器的在线监测避雷器的在线监测现在常用的避雷器的类型有阀型避雷器及金属氧化物避雷器（常称氧化锌避雷器）。阀型及氧化锌避雷器用于发电厂、变电站的保护，在220kV及以下系统主要限制雷电过电压，在330kV及以上系统还用来限制操作过电压或作为操作过电压的后备保护。阀片的非线性特征使得在幅值高的过电压下电流很大，而电阻很小；在幅值低的工作电压下电流很小，电阻很大。阀片的非线性伏安特性如图5-1所
10、示，亦可用下式表示：图5-1 避雷器阀片的静态伏安特性其中，C为常数，与阀片的材料和尺寸有关；为非线性系数，与阀片材料有关，碳化硅阀片一般 。阀型避雷器的工作原理为，电力系统正常工作时，避雷器串联间隙承担了全部电压，阀片中无电流流过。当系统中出现过电压且幅值超过间隙放电电压时，间隙击穿，冲击电流经阀片入地，而阀片本身的压降（称残压）由于电阻的非线性特性则维持在一定范围内，从而使电力设备上的过电压幅值得到限制，电力设备得到保护。当冲击过电压消失后，间隙中的工频续流仍将流过阀片，由于此时避雷器所承受的电压仅为工作电压，故受电阻非线性特性的影响，此电流远比冲击电流小，从而使间隙能够在工频电流第一次过
11、零时将电弧切断。这样避雷器从间隙击穿到工频续流的切断不超过半个工频周期，继电保护来不及动作系统就已恢复正常。新型的氧化锌避雷器出现于20世纪70年代，现在已在全世界得到广泛应用，其性能比碳化硅避雷器更好，其阀片是由氧化锌为主要原料，并添加其他微量的氧化钴、氧化锰、氧化锑等金属氧化物烧结而成，所以也称为金属氧化物避雷器（MOA）。图5-2为氧化锌阀片的伏安特性，它在 的宽广电流范围内呈现出优良的平坦的伏安特性。氧化锌阀片的伏安特性可分为低电场区I、中电场区II以及高电场区III3个区。图5-2 氧化锌阀片的伏安特性氧化锌避雷器与碳化硅避雷器相比主要优点在于：无间隙，无续流，通流容量大。前两条优点
12、主要来源于氧化锌阀片优良的非线性特点，工作电压下流过阀片的电流极小，为微安级，故不需要间隙来隔离，也不存在工频续流，在雷击或操作过电压作用下，只需吸收过电压能量，而不需吸收续流能量。无串联间隙的特点还使氧化锌避雷器省去了间隙的放电时延，具有优越的陡波响应特性。氧化锌电阻片单位面积的通流能力为碳化硅电阻片的45倍。通流容量大的优点使得氧化锌避雷器完全可以用来限制操作过电压，也可以耐受一定持续时间的暂时过电压。5.1 避雷器的预防性试验 表表5-1 避雷器避雷器预预防性防性试验项试验项目目试验内容阀式避雷器金属氧化物避雷器绝缘电阻试验/电导电流及串联组合元件的非线性因数差值试验/工频放电电压试验/
13、底座绝缘电阻试验/记数器的动作检查/密封检查/直流1mA电压U1mA及0.75U1mA下的泄漏电流试验/运行电压下的交流泄漏电流试验/工频参考电流下的工频参考电压试验注 “”表示正常试验项目，“”表示不进行该项试验，“”表示大修后进行，“”表示必要时进行。5.1.1 绝缘电阻测量绝缘电阻测量对35kV及以下的氧化锌避雷器，用2500V兆欧表测量，测得的绝缘电阻值不应低于1000M；对35kV以上的氧化锌避雷器，用5000V兆欧表进行测量，测得的绝缘电阻值不应低于2500 M。对500kV氧化锌避雷器还应用2500V兆欧表测量其底座绝缘电阻，以检查瓷瓶套座是否进水受潮，测得的绝缘电阻值不应低于1
14、000M。5.1.2 工频放电电压测量工频放电电压测量对阀型避雷器测量工频放电电压是一个重要试验项目，其主要目的是检查火化间隙的结构及特性是否正常，检查它在过电压下是否有动作的可能性。测量工频放电电压的接线如图5-3所示。图5-3 测量FS型避雷器工频放电电压接线图 5.1.3 电导电流测量电导电流测量直流电压加于带并联电阻避雷器两端所测得的电流称为电导电流。测量电导电流是带并联电阻避雷器的一个十分重要的项目，测量的目的是检查避雷器的并联电阻是否受潮、老化、断裂、接触不良以及非线性系数是否相配。测得的电导电流若显著降低，则表示并联电阻断裂或接触不良，或表示并联电阻受潮或瓷腔内进潮；若逐年降低，
15、则表示并联电阻劣化。图5-4 电导电流测量试验回路T1调压器；T2试验变压器；S测量球隙；F避雷器；C稳压电容；R1保护电阻R2高值电阻；PV静电电压表；PA1、PA2、PA3微安表 5.1.4 氧化锌避雷器直流试验氧化锌避雷器直流试验测量氧化锌避雷器在直流1mA下临界动作电压，是氧化锌避雷器预防性试验的必检项目，每年在雷雨季节到来之前必须进行该项试验，通过试验可以检查其阀片是否受潮，确定其动作性能是否符合要求。进行直流1mA测量，需要注意：1)因泄漏电流大于200A以后，随电压的升高，电流急剧增大，故应仔细地升压，当电流达到1mA时，准确地读取相应的电压U1mA。2)测量前应仔细地将避雷器外
16、绝缘套管表面擦拭干净，以防止表面泄漏电流的影响。3)测试后应对U1mA进行温度系数校正，温度系数 ，一般约为。现场试验时可以粗略按温度每增高10，U1mA约降低1进行折算。在测量完U1mA后，接着进行1mA直流电压下泄漏电流的测量。由于该直流电压比最大工作相电压（峰值）要高一些，测量此电压下的泄漏电流可以检查长期允许工作电流是否符合规定。这一泄漏电流与氧化锌避雷器的寿命有直接关系（一般在同一温度下此泄漏电流与寿命成反比）。规程规定，1mA下的泄漏电流应不大于50A。避雷器的在线监测 5.2.1 无并联电阻避雷器在线监测无并联电阻避雷器在线监测 广泛用于配电线路的无并联电阻FS型避雷器，由于安装
17、数量多且地点分散，每年进行预防性试验十分麻烦。对其进行简单的在线检测是最有效的方法，目前主要进行绝缘电阻在线监测和泄漏电流在线监测。A 绝缘电阻在线监测 在线监测无并联电阻FS型避雷器绝缘电阻可用兆欧表带电监测，其接线如图5-5所示。测试前断开避雷器下端的接地连线（或在安装时就考虑能方便地进行在线检测），而兆欧表的接地端子E应先可靠接地。当兆欧表动作而指针指向“”时，用操作杆将此兆欧表的线路端子L接到避雷器原接地端，直到指针稳定后才读取避雷器的绝缘电阻值。图5-5 避雷器绝缘电阻在线监测原理图 B 绝缘电阻在线监测 对无并联电阻的FS型避雷器，在交流运行电压下接入全波桥式整流电路，构成在线监测
18、泄漏电流基本接线，如图5-6所示。由于FS型避雷器是由SiC阀片串以多组平板型间隙组成，间隙间的电容极小，电容电流往往不超过2A，当避雷器瓷套内部受潮时，测得的微安值将明显增大。图5-6 FS型避雷器泄漏电流在线监测C 工频放电电压的在线监测 图5-7 FS型避雷器工频放电电压的在线监测Ud=U1U0Ud=U2U0 即 5.2.2 有并联电阻避雷器的在线监测有并联电阻避雷器的在线监测 A 电导电流在线监测 因各厂所用的均压电阻阻值不同，在测量时要注意将同一试品的历次测值作纵向对比，并将同一类试品三相的电导电流作横向对比，如三相电导电流的最大和最小者分别为Imax和Imin，则其不平衡系数为 当
19、三相电导电流不平衡系数vi25时，该避雷器宜退出运行，送回实验室作进一步的试验。B 交流分布电压的在线监测 当避雷器中非线性并联电阻变质、老化、断裂、受潮时，其阻值发生变化，从而使每个元件上分布电压发生变化。因此，测量最下一节避雷器在运行电压下的分布电压，能够分析判断避雷器是否存在缺陷。即测量图5-8中的D点对地电压，这时需要分别测量三相的最下节分布电压。测得三相分布电压后，可计算电压的不平衡系数vu，若Umax为三相中最大分布电压、Umin为三相中最小分布电压，则 当vu15%时，建议避雷器停止运行，并进行进一步试验，以鉴定其是否可以继续运行 图5-8 FZ型避雷器电导电流的在线监测1电阻杆
20、；2放电记录器；3被试避雷器5.2.3 氧化锌避雷器在线监测氧化锌避雷器在线监测A 全电流在线监测 目前国内许多运行单位使用MF-20型万用表（或数字式万用表）并接在动作记数器上测量全电流，其测量原理与有并联电阻避雷器电导电流测量原理基本相同，这是一种简便可行的方法。俄罗斯等国广泛使用的全电流监测仪原理如图5-9所示。图5-9 全电流在线监测原理图B 阻性电流在线监测 监测流经MOA的阻性电流分量或由此产生的功耗能发现MOA的早期老化。因阻性电流仅占全电流的520，故监测全电流很难判断MOA的绝缘劣化，故应进行阻性电流的在线监测。而在线监测MOA全电流、谐波电流、零序电流等方法都只是从MOA下
21、端取得电流信号，但要从全电流中分出其阻性电流分量来，需取试品的端电压来作为参考信号。图5-10 阻性电流监测仪基本原理C 在线监测时相间干扰的影响表表5-3 某某500kV变电站变电站MOA阻性电流监测结果阻性电流监测结果现以一组三相MOA的在线监测为例，作一简化的定性分析：当它们如图5-11那样成一直线排列时，在测量边相A相底部的电流时，主要是A相外施电压Ua经A相MOA所引起的容性分量Iac及阻性分量Iar；另外还有邻相B相与A相间的杂散电容Cab所引起的容性干扰电流Ib（C相因距离A相更远，其影响可忽略）。画出其相量图如图5-12所示：干扰电流Ib固然不大，但它在原阻性电流Iar方向上的
22、分量就将使在A相下部在线测得的“视在”阻性分量Iar明显增大了。同理，B相对C相间的电容耦合使C相MOA下部测得的“视在”阻性分量变小。而B相因位置居中，A、C两边相对其的电容耦合基本对称，影响也就可忽略了。图5-11 三相MOA成直线排列时，相间耦合示意图 图5-12 定性表示由于相间耦合使测值有改变如何添加必要的硬件或软件来消除相移角的影响呢？国内有一种比较成功的做法是：当测量处于边相位置的MOA时，不仅用一钳形电流互感器测取该相MOA下端的电流，且用另一钳形电流互感器测取与其对称位置的另一边相下端的电流。由于相间杂散电容的耦合，使两边相下端测得这两电流之间的相位差已不是120，而是 ，因而可用软件求出后将基准电压相位自动移相角，然后仍可用常规的测阻性电流方法测出比较准确的IR及P。另一种方案是在被测MOA的最下端的瓷套外贴以金属箔电极，认为感应得的电压相位与最下端阀片上的电压梯度同相，以此为基准来分辨MOA下端处测得电流中的阻性及容性分量。