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氧化锌避雷器的性能与分析

1：概述在过去的几十年中，我国在防雷及防过电压技术中，广泛使用有间隙的碳化硅阀片避雷器。这种避雷器是在碳化硅阀片基础上加放电间隙制成。碳化硅阀片非线性系数大 （a=0.2~0.3），正常运行的系统对地电压下，工频续流有上百安培流过，为保护阀片及电气系统的安全，必须用串联间隙的方法来阻断工频续流。但串联间隙因其密封问题不易解决等因素，又带来了放电电压的不稳定，从而影响了对电气设备的保护作用，特别是近年来真空断路器的广泛使用，因其优良的灭弧性能，又带来了种种操作电压。这种过电压的防护若用过去的阀式避雷器，无论在性能上还是在保护作用上，都远远满足不了要求，人们又转而去寻找新的保护器件，这种新型的防雷防过电压的保护器件，就是氧化锌避雷器。
氧化锌避雷器（以下简称ZnO）目前有两种结构方式：一种是无间隙的ZnO避雷器，一种是有间隙的ZnO避雷器。它是用新型的氧化锌阀片代替了原有的碳化硅阀片，氧化锌阀片具有优良的非线性特性（a=0.04~0.05），它的伏安特性曲线很平坦，在正常的系统运行电压下，ZnO阀片只流过几微安至几十微安的电流，因此早期的 ZnO 避雷器动作响应很快，吸收过电压的能量大，残压小，故对电气设备免受过电压的损坏，有着优良的保护性能。特别适应真空断路器这种灭弧性能优良的电气设备在操作中产生过电压的吸收，加之体积小、重量轻，因此很受真空断路器生产单位的欢迎。但这种ZnO避雷器在电力系统的使用过程中，确实经历过一个非常艰难的历程 。由于制造质量问题，结构不合理问题、材料选型及配方问题，使得ZnO避雷器在中性点不接地的系统中使用时，经常在运行中烧坏和在系统中使用时，经常在运行中烧坏和在系统中发生单相接地时造成爆炸事故，从而引起了人们对使用ZnO避雷器的种种顾虑。
2：氧化锌避雷器的使用性能标志氧化锌避雷器性能的一个关键参数，就是在直流一毫安时的标称电压U1mA。它是在其ZnO阀片组上加一个直流电压，当测其流过的电流为1mA时，此时施加到避雷器上的电压就是U1mA。当小接地电流系统发生单相接地故障或产生弧光接地过电压时，施加在ZnO避雷器上的电压或为健全的工频线电压或为工频过电压。这个电压设为Um，它与标称电压U1mA的比值被称为荷电率，用K表示：
【氧化锌避雷器的性能与分析】（1）早期产品的荷电率只有65%~75%左右（有的厂家资料称可达到80%），因此ZnO在小电流接地系统中的使用条件就非常苛刻。在这种系统中，ZnO在正常运行时就要持续地耐受工频相电压（Um=Us），当发生弧光接地时，ZnO将承受系统完整的最大线电压（Um=Us），当发生弧光接地过电压时，将承受高达2.5~3.5倍的系统相电压的冲击。我国国家标准GB11032—89中对ZnO避雷器有关参数的规定见表1所示。表中U1mA的数值可由下式决定：
U1mA=×1.05×Uo（2）式中Uo-----ZnO避雷器额定运行电压例如，对6KVZnO的额定电压为7.6kV，故U1mA（6）=×1.05×7.6kV=11.28kV表中取U1mA（6）=11.3KV对10KV系统ZnO的额定电压为12.7KV 故U1mA（10）=×1.05×12.7kV=18.85kV表中取U1mA（10）=18.9KV我们以10 KV系统为例，在这一标称电压下的ZnO避雷器，当系统发生单相接地故障时，考虑到系统最高运行电压（Um=1.1Up，Up为系统平均运行电压，10KV为10.5 KV）则，健全相的对地电压将由Up升到Um=1.1×10.5KV=11.5KV，这时ZnO避雷器的荷电率为：
而当前ZnO阀片允许长期运行的荷电率平均只有70%~80%左右，因此当发生单相接地时，这种ZnO避雷器就会造成经常性地损坏，如果单相通过不稳定的电弧接地，即接地点的电弧间隙性地熄灭和重燃，则在健全相上就会产生弧光接地过电压，这个过电压一般可达到2.5~3.5倍的系统相电压（文献4）。这个电压加到ZnO避雷器上，所产生的荷电率将达到：
如此高的荷电率必然会造成ZnO的爆炸事故（我厂84年7月因单相接地造成FCD—6型磁吹避雷器的爆炸事故，据文献3分析，当时所产生的弧光接地过电压到了3.8倍）。由上述分析可见，这种ZnO避雷器，在自身都难保的情况下，如何能保护电气设备？3氧化锌避雷器对高压电动机保护效果这里我们进一步分析，在真空断路器操作时产生过电压，ZnO对高压电动机的保护效果。对于在运行中的高压电动机，其相对地和相对相之间的绝缘所能承受的过电压数值，可用下式计算（文献1）：
Us=（2Uo+1）×0.75×K1
（3）式中；U0----电动机额定电压K1----冲击系数，我国标准取1.15。依（3）式，对6KV高压电动机Us为Us=（2×6kV+1）×0.75×1.15=25.6kV对10KV高压电动机Us为Us=2（2×10kV+1）×0.75×1.15=25.6kV当系统发生C相接地时，C相ZnOC被短路，此时施加到A相ZnOA和相ZnOB上的电压即为系统正常运行时的最高线电压，其最大值为：Um=×1.15kV×Ue（4）式中Ue----电动机的额定电压按（4）式对6KV高压电动机回路计算有：Um（6）=×1.15kV×+6kV=9.76kV对10KV高压电动机回路计算有：Um（10）=×1.15kV×+10kV=16.3kV在这种情况下，为了保证ZnO避雷器的安全运行，就必须使其标称电压U1mA大于Um。所以在产品手册中对6KV的ZnO通常取U1mA=11.3KV~13.8KV，而对10KVZnO通常取U1mA=18.9KV~23KV（见表2）我国当前生产的ZnO避雷器的操作冲击残压与标称电压U1mA的比值，对有串联间隙的为1.3，对无串联间隙的为1.4。于是对无串联间隙的ZnO避雷器的冲击残压：10KV冲击残压UC（10）UC（10）=1.4×（18.5KV~23KV）=29.5KV~32.2KV6KV冲击残压UC（6）UC（6）=1.4×（11.3KV~13.8KV）=15.8KV~19.32KV将上述UC与（3）式算出的US比较，已有UC＞US了。故断言，无间隙ZnO避雷器对保护高压电动机的相对地的绝缘是很困难的。采用有间隙的ZnO避雷器，因间隙的存在，所以它的操作冲击残压值可以做到1.3倍，一般的产品都可以将冲击残压做到：对6KV产品UC（6）=13.5KV对10KV产品UC（10）=21.5KV可见此时已有UC＜US，故对高压电动机的相对地绝缘，这种ZnO可以起到保护作用。
上述分析可知，对高压电动机的相对地绝缘，不带间隙的ZnO避雷器，不能在真空断路器产生操作过电压时起到保护高压电动机的作用，带间隙的ZnO避雷器，可以起到保护作用 。但对于图1的 Y接线方式的 ZnO避雷器，不论是否带有间隙，对高压电动机的相间绝缘，都不能起到保护作用。分析原因是，对于Y接法ZnO避雷器，是两只ZnO相串联，故它们加到一起的冲击放电电压也提高一倍。如对10KV不带串联间隙的ZnO避雷器2UC（10）=2（29.5KV~32.2KV）=51.8KV~64.4KV对6KV不带串联间隙的ZnO避雷器2UC（6）=2（15.8KV~19.32KV）=31.6KV~38.64KV对10KV带串联间隙的ZnO避雷器2UC（10）=2×21.5KV=43KV对6KV带串联间隙的ZnO避雷器2UC（6）=2×13.5KV=27KV由这些计算结果可见，它们都远远大于用式（3）计算出的电动机所能耐受的最大冲击电压值。于是得出结论，这种结线方式的ZnO避雷器，不论是否带有间隙，对高压电动机相与相之间的绝缘都是不能起到作用的。4新型三相组合式氧化锌过电压保护器新型三相组合式氧化锌过电压保护器（以下简称TBP）。是国内自前生产的一种新型组合结构。
图中CG为串联的放电间隙，FR 为氧化锌非线性电阻器。这种TBP 在结构上为带串联间隙式，在接线方式上有较大突破，不似以往的Y接线方式。以往的 Y接线方式均是把中心点直接地，而TBP是在Y接线的中心点上再串联一只ZnO元件后接地。这从技术面上看确有较大改观，它使得不论是相对地还相与相之间看进去，均有两只ZnO元件串联，因此，只要在技术特性上保证相对地的放电特性与高压电动机的绝缘相配合，那么就能做到相对相的放电特性与高压电动机绝缘相配合；也就是说，这种TBP相对地的放电特性和相与相之间的放电特性，对高压电动机的绝缘，在防护性能上是一致的，技术性能见表3示。归纳它的特点如下:
4.1这种 TBP 是有间隙的 ZnO 避雷器一类，因间隙的存在，则不论是正常运行还是单相接地故障，只要过电压不超过TBP的动作电压，TBP里是不流过电流的，这时它是荷电率为零，延缓了元件的老化问题，提高了可靠性。4.2因间隙的存在，故U1mA可以做得很低，由表3中可见，10KV U1mA=16.5KV、6KVU1mA=10.5KV。所以TBP的操作冲击残压值远低于同类产品在相同冲击电流下的残压值。4.3由于特殊结构，可将相间过电压大大降低，与常规ZnO避雷器相对，相与相之间过电压下降了至少60~70%，可靠地保护了被保护的电气设备。5结语对于TBP的组合式结构所带来的优良特性是无可非议的，但因TBP保护间隙的存在，使得它与常规带间隙的ZnO避雷器一样，引起了人们的异议：5.1因间隙的存在，则操作过电压、工频暂态过电压等只要不在幅值上超过 TBP 的动作电压，则对ZnO阀片是不产生影响的、可靠性似乎提高了，但同时却把ZnO所具有的良好的非线性特性、过电压能量吸收力强、响应特快等一系列优点抛弃了。5.2间隙的存在，使ZnO阀片限制内过电压及大气过电压的积极作用，也荡然无存。5.3过去带间隙的碳化硅避雷器，因受潮而使其放电电压不稳定，这种缺点TBP上也依然存在。5.4这种组合式TBP 把 4只ZnO 做死在一起，坏一只则一组TBP全不能用，代价太高。笔者认为，其它厂家不妨将单只ZnO的特性按现在产品的制造，在用户现场由用户自由组合，其效果更好。总之，技术的发展是无止境的，人们总在不断发展中不断改进、提高。TBP的性能是否优良，从表3中是可以看到的，但仍需长期运行的考验，这种组合式结构的优点，是勿须置疑的。
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