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避雷器的几种基本特性
时间:2021-08-25 15:38:43浏览次数:

01

避雷器的参考电压

对于任何类型的避雷器而言,所有国家的设计师们总是力图从下面三个方面努力,来探求一种最佳的避雷器特性,它们是;

1)在系统正常工作电压以上的某个电压值导通

2)在过电压作用期间,在它上面的电压值变化很小

3)在过电压低于某个电压值时导通终止。

从上面的三点看,避雷器的导通特性占了两点,所以导通特性是避雷器的最重要和最首要的特性,如果这个特性不好,其它均免谈。

碳化硅避雷器的导通靠间隙,即过电压超过间隙的击穿电压时,间隙马上放电,所以碳化硅避雷器的放电特性很重要。

氧化锌避雷器没有间隙,因为它的非线性特性好,所以不需要间隙,因此氧化锌避雷器没有放电特性。

那么我们马上就要问:氧化锌避雷器是靠什么来导通的呢?简单地说,是靠它优异的非线性导通的。

什么是非线性?非线性反映在纸上就是一条曲线(线性反映在纸上是一条直线),既然是曲线,则一定在某处要拐弯,所以曲线至少存在一个拐点,这个拐点对应的电压就是氧化锌的导通电压。

日本标准干脆就把这个拐点电压称为避雷器的起始动作电压,而IEC标准则把它称为工频参考电压,细究起来,IEC的这个名称并不好,有些故弄玄虚,而起始动作电压的名称很直接,就是避雷器的导通电压之意,这个起名人一定是一个体察民情的人。

    因为只有在系统正常工作电压以上的某个电压值避雷器才允许导通,所以这个导通电压(即工频参考电压)应该大于系统的正常工作电压,即应该大于避雷器的持续运行电压。又由于避雷器能够耐受暂时的过电压(即在暂时过电压时避雷器不能导通),而避雷器的额定电压与暂时过电压相对应,所以这个咬口的工频参考电压还应该大于避雷器的额定电压。

我们知道,避雷器实质上是一个电气开关,正常电压时它断开,不让送到千家万户的发电厂的电流随随便便地经过它旁路掉;在危险的过电压时,避雷器该出手了,于是它关闭,让危险的大电流引火烧身。从某种意义上说,非线性这条曲线的拐点也是一个开关,在拐点之前,它不释放大电流,而在拐点之后,它把大电流释放。

为什么IEC标准中要加上“参考”两个字呢?部分原因是:非线性曲线的拐点电压以及相应的拐点电流实际上很难精确地测量,因为氧化锌避雷器的非线性特性是一条曲线而不是折线,对于折线而言有很明确的拐点,而曲线的拐弯处也是一小段曲线,所以很难确定到底是在哪一个点拐弯,而只能说:在一小段区域内曲线开始拐弯。何况在电气的高压测量中,还要受到周围各种因素的影响,更增加了测量的误差性,具体到氧化锌避雷器,拐点电压还要受到氧化锌材料和加工工艺的影响,因此加上“参考”两个字比较妥当。

此外,由于在拐弯点之前,即使出现暂时过电压,避雷器也不能动作,所以拐点电压可以表征避雷器的耐受短时工频过电压的能力,这种能力又与避雷器的寿命、热稳定性有关,因此拐点电压对确定产品的寿命、热稳定性具有重要的参考意义,所以加上“参考”两个字也有一定的必要。

最后我们来把在避雷器中接触到的各种电压按大小排一个顺序:系统额定电压(相电压<线电压)<避雷器持续运行电压<避雷器额定电压<避雷器参考电压<避雷器的残压。

02

避雷器的通流能力

对于任何避雷器来讲,它的主要参数有三个:残压、非线性系数和通流能力。

任何产品都有使用寿命问题,通流能力就是表征避雷器阀片能够通过多大电流的能力,当然这些电流是雷电过电压和操作过电压产生的,这些过电压把雷电的能量和电力系统中的能量用电流的形式倾泻到避雷器的阀片上,看它能否能承受住。

在系统电压较低时(220kV及以下),操作过电压产生的能量大部分是很低的,避雷器的能量吸引能力(即通流能力)由雷电过电压决定。又由于在220kV及以下的电力系统,通常在接地问题上和其它防雷措施上下的工夫不多,所以增加了避雷器对于雷电波的承受能力。

在试验中,用什么方法来衡量避雷器对于雷电波的承受能力呢?一般地说,即用一定波形一定幅值的冲击电流通过阀片数次而阀片不致破坏,这称为冲击通流能力试验,我国现行标准规定该试验的电流波形为4/10微秒。

 这是因为如果雷落在变电站附近,则事故严重。经过计算表明:在最严重的时候,通过避雷器的雷电流可以在1-3微秒内达到最大值,幅值可达60kA。

所以试验标准采用4/10微秒的冲击电流波,幅值视避雷器的等级不同分别为10、25、60、100千安,施加次数为二次,这样的波作用在避雷器上,持续的作用很短。

除上述试验之外,避雷器还要做长持续时间通流能力试验,一般又称为方波通流能力试验或2ms方波通流能力试验。

这是因为通过避雷器的雷电流往往拖有比较长的尾巴,即在雷电流的主放电之后,常常伴随一个幅值较低,但持续时间较长的电流,波形接近矩形波。

另一个原因是随着超高压输电线路的发展,操作过电压的危害日益严重,这种过电压的波形也接近矩形波,我国标准规定方波的持续时间为2ms,幅值视避雷器的等级不同,分别为75、200、400、600、800~1000安,施加次数为3次1组,共6组18次

03

避雷器的荷电率

首先我声明,我不喜欢荷电率这个名称,避雷器是外来物,所以荷电率是我国的学者翻译过来的,我认为翻译得不好。首先荷电就不符合我国的习惯,念起来咬口,理解起来也不易明白。

当然,避雷器中的所有其它术语都只针对一件事,比如额定电压、持续运行电压、残压、通流等等,而荷电率有“率”这个字,“率”就表示涉及两个事情,而且这两件事情要做除法,这就意味着荷电率这个概念应该比其它概念理解起来要困难一些。

我们先不管“荷电”这两个字,先看看氧化锌避雷器在系统中的运行特点,在叙述中偶尔插入“荷电”两个字。

1)由于它不带间隙,所以系统的工作电压长期作用在氧化锌阀片上

这是氧化锌避雷器的特点,阀形避雷器有间隙,所以系统电压不会作用在它上面,即碳化硅阀片正常运行时它不带电,换句咬口的话说,就是它不荷电。反之,氧化锌阀片(也称为ZnO阀片,或ZnO电阻片,我们下面经常把这几种说法交替使用,让大家熟悉不同的说法)在正常运行时长期荷电,于是它会逐渐老化,甚至最终导致热崩溃,这是决定氧化锌避雷器寿命的主要因素。

老化还存在一个速度问题,实际表明,ZnO阀片的老化速度取决于长期作用的系统工作电压,即取决于ZnO阀片的长期荷电,在这个意义上,我们可以说荷电与阀片的老化有关。而系统工作电压与持续运行电压相对应,所以荷电也与持续运行电压有关,为了保证ZnO电阻的寿命,我们必须限制其持续运行电压。

2)由于它不带间隙,所以避雷器的导通是依靠其阀片的非线性曲线的拐点完成的。

ZnO避雷器什么时候才能不长期荷电呢?只有在其导通之后,而参考电压与避雷器的拐点导通电压相对应,所以,在这个意义上,我们可以说,参考电压与避雷器脱离“荷电”有关。现在我们再来看荷电率的意义,它是持续运行电压峰值与参考电压的比值,而分子代表荷电,分母代表“不荷电”,又因为避雷器在持续运行电压下不能导通,所以荷电率永远小于1。

最后再谈谈荷电率的名称,从上面我们看到,荷电实际就是加压,对于中国人来讲,加压比荷电更易于接受,而持续运行电压有“持续”两个字,所以表示长期加压。另外“率”表示两者相比,所以荷电率的的含义是:没有导通时长期加的电压(该电压相对比较小)与导通时的电压(该电压相对比较大)之比。