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金屬氧化物避雷器的發展與應用(一)
[ 通信界 | 周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團公司動力部 | m.6611o.com | 2009/6/25 15:28:59 ]
 

  摘  要:文中結合金屬氧化物避雷器的發展,論述了金屬氧化物避雷器與碳化硅避雷器的技術特性,重點論述了復合絕緣氧化鋅避雷器的的結構和特性,并對運行中存在的問題作以分析,提出了保證氧化鋅避雷器安全可靠運行的基本技術措施。 
  關鍵詞:避雷器 分類 選型 運行 

1.概述
  避雷器作為輸變電設備中的主要設備,在電網中運行時主要承受的電壓有:雷電過電壓、操作過電壓、工頻長期工作電壓。正常條件下,避雷器能承受上述電壓而正常工作。但在運行環境污穢條件下,避雷器將會不同程度地降低其絕緣性能。在污穢條件下,在長期工作電壓作用下會使絕緣下降,導致污穢閃絡的大面積停電事故。工頻污閃事故造成的危害比雷電事故嚴重的多,已經成為電力系統安全運行的大敵。
  隨著電壓等級的不斷提高,電力系統對避雷器的要求越來越高。避雷器是保證電網安全可靠運行的關健設備之一。其性能優劣將影響整個電網的運行安全,隨著電網向超高壓大容量發展,作為統治高壓電網近百年的瓷絕緣避雷器越來越明顯地暴露出性能上固有的缺陷與弱點,如笨重易碎、強度低、易劣化成零值、表面呈親水性、易產生污閃事故、清掃維護量大等,已不適應電力工業發展的要求。
  用作避雷器絕緣的材料可分為無機和有機兩種。無機材料主要是電工陶瓷和鋼化玻璃,但這兩種材料的濕閃電壓和污閃電壓低是其難以克服的缺點;有機材料包括環氧樹脂、聚四氟乙烯、乙丙橡膠和有機硅材料等,有些國家甚至還采用了丁基橡膠、聚烯烴類材料等。其中,硅橡膠具有耐高低溫(-110~300℃)、耐臭氧、耐紫外線、耐氣候、電絕緣和疏水等優點;另外,硅橡膠重量輕、耐沖擊,在運輸和安裝過程中不易損壞。故特別適合應用于高壓避雷器的外絕緣。值得一提的是,在嚴酷的環境條件下,如長時間的干燥帶電弧放電,以及表面沉積污穢層都會使絕緣子表面變為親水性,從而導致閃絡事故的發生。而硅橡膠復合絕緣避雷器能夠在一定時間后自動恢復其表面的憎水性,并能使其表面的污穢層變得具有憎水性,表現出優異的耐污閃與耐濕閃性能,因硅橡膠所獨有的性能使其在眾多的材料中脫穎而出,成為最具競爭力的高壓絕緣材料。

 2.避雷器的發展

  最近二十年,避雷器技術有兩種基本的變化。首先,是一種以碳化硅為基本元件的簡單的火花間隙避雷器,隨后又發展為磁吹閥式避雷器。但是,它們都是以碳化硅電阻為基礎的避雷器,稱為碳化硅避雷器。第三代避雷器是所謂的無間隙避雷器,它是以更強的非線性金屬氧化物作為基本元件的,這即眾所周知的氧化鋅避雷器。由于其優良的特性,已被迅速引進到各電壓等級。在50kV以上的新建工程中,氧化鋅避雷器正在成為專用避雷器。金屬氧化物避雷器的高能量吸收力,保護性能穩定,而且殘壓低,不但在理論上如此,在全世界十年以上的實踐經驗也表明如此。
  碳化硅避雷器仍在36kV以下的配電中使用,也許還將會使用更長一些時間,這有以下三方面原因。
  中壓電網中最低絕緣耐壓水平與系統額定電壓的函數關系,與50kV以上高壓電網相比,中壓電網的絕緣耐壓(LIWL)與工頻電壓峰值間的裕度是很大的。可見碳化硅避雷器的殘壓(FKS)的保護水平是綽綽有余的,所以碳化硅避雷器還是有價值的。
  第二個原因就是許多國家實際上中壓電網的中性點為非有效接地。為了減小短路電流,變壓器的中性點通過一個線性電阻接地,或通過限流電抗器接地(如消弧線圈)。因此,既使出現單相接地故障,電網也將運行一段時間而不會拉閘。雙重接地故障和長距離小電流接地故障引起的相電壓不平衡是可以接受的,這時健全相不會有故障電流流過,但其電壓實際已上升至線電壓,因此避雷器必須標線電壓。在中性點有效接地系統中,金屬氧化物避雷器在保護水平上沒有明顯優勢。
  第三個原因則是金屬氧化物避雷器的價格稍為貴些。但是,隨著運行人員價值觀念的改變,金屬氧化物避雷器價格已不再重要。因而使這種長壽命,高可靠性的新型避雷器在50kV以下電網中更具有競爭力。  
前面所述保留傳統避雷器的二種觀點,即較大的保護裕度和較低的接地故障電流,已愈來愈不重要了。因為客觀的經濟評價顯示出有必要重新認識其內在的技術特性。
  由于絕緣的老化的特性,尤其對于變壓器和電纜,以及戶外絕緣的污染,導致了提高中壓電網絕緣強度的必然性。而我們恰恰希望一種更低殘壓的避雷器和一個更低的電網絕緣強度要求,這會使其絕緣及其它電氣元件延長使用壽命,減少污閃。盡管這種效益很難從理論和文獻上準確地預測,但近年來的供電實踐強有力地證明了這個希望是能實現的。
2.1碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器
  碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器主要有兩方面不同:保護水平和能量吸收能力。保護水平用避雷器兩端出現的最高電壓來定義,對于碳化硅避雷器就是其放電電壓,即火花放電,也可稱其為殘壓。此時的電壓降是由流過的放電電流所產生的,電流越大,電壓越高,能量越大。此時,串聯的Sic閥片會呈現高阻抗,當工頻電壓下次過零時,放電間隙就能切斷續流。尺寸設計優良的碳化硅避雷器的殘壓和放電電壓差不多相等,因兩者都與沖擊波形有關,實踐表明,由于制造有誤差,將會存在散射區,尤其是碳化硅避雷器。這一散射區已明顯高于工作電壓。操作電壓很難引起火花放電,也是這類避雷器的優點。但此電壓雖然不高,可是有數毫秒之長,這時放電間隙的電侵蝕會使避雷器放電電壓的準確性變壞。氧化鋅避雷器通常用在電網的相電壓稍低于UC的情況下,金屬氧化物避雷器端子上的電壓超過Uref時,避雷器立即開始導通其電阻降得越低,其端電壓的上升越小。和碳化硅避雷器相比,其殘壓的上升是相當平緩,并隨電流而變化的。
 
  如果想比較碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器的殘壓,那么必須在同一電流的基礎上比較,在10kA沖擊電流下的比較。當WG24型避雷器和MWB型金屬氧化物避雷器同時流過10kA沖擊電流時,金屬氧化物避雷器殘壓的明顯改進是其最為陡峭的過電壓波形,30μs后才是所謂操作過電壓下的殘壓波形。而這種陡波僅在雷電沖擊時出現。然而,這是很危險的,因為配電變壓器對陡波很敏感。而且避雷器和變壓器的距離也很重要,即所謂的“分離效果”。避雷器殘壓低意味著可以增加保護距離。
  電網中的操作過電壓是一種典型的非常危險的電壓振蕩,如在截流時,最高可至三至五倍的相電壓,有時甚至更高,振蕩頻率由電網參數決定。在數千赫茲范圍內。當幾百安培的電流通過時,金屬氧化物避雷器會限制振幅在較低操作電壓保護水平內。電網中的感性貯存能量也會通過避雷器流入大地。另一種危險的過電壓形式是,在操作大容量電容器組,電纜網絡等產生的,這種現象應予注意。在操作電容器組時,有缺陷的操作裝置,負荷開關,或者高壓熔斷器都可能引起重擊穿或電弧重燃。當電容器出現過電壓時,是通過避雷器卸流的。因此,這就要求該避雷器必須在操作過電壓下有較低的殘壓并伴有大吸收能量。這就是以往只有使用火花間隙避雷器,并且是唯一的代價高昂的解決辦法。而金屬氧化物避雷器能量吸收力要比同規格的碳化硅避雷器高三到五倍。
  因為金屬氧化物避雷器有較低的殘壓,所以會比碳化硅避雷器釋放過電壓次數更多些。同時性能也不會變壞。事實上,碳化硅避雷器不能抵御長時間的操作過電壓對火花間隙的侵蝕。只要金屬氧化物避雷器不過載,那么它的性能是穩定的。調查表明:數千次過電壓后,金屬氧化物避雷器的特性仍沒有任何變化。金屬氧化物避雷器也能在交流電壓下短時過載,暫時工頻過電壓(TOV)產生的放電電流不會損壞避雷器,這就是金屬氧化物避雷器的短時過載能力。
 
2.2金屬氧化物避雷器的設計
新型氧化鋅避雷器的設計是很簡單的。主要部件是圓柱形的金屬氧化物電阻。ABB公司還設計了棒式,即所謂“單塊體”等不同規格的品種。圓柱直徑由避雷器能量吸收能力及額定放電電流決定。10kA,47mm的圓形閥片是最為常用的。當然,對于5kA放電電流,也可以使用更小的閥片,圓柱高度決定了持續運行電壓,一般每千伏要求10mm高度。電阻塊的圓柱形側面有玻璃狀的鈍化層,用火焰將鋁噴燒在上、下端的導電面,把電阻塊一個一個地疊起來就可以滿足更高電壓的要求了。
金屬氧化物電阻由堅硬的螺簧固定,螺簧同時還提供了電阻與端子的緊密接觸壓力。上下兩端巨型帽狀物是鑄鋁的,是避雷器的壓力釋放裝置。
  金屬氧化物避雷器是國外60年代開始發展起來的過電壓保護的新技術,我國從1976年開始進行電力金屬氧化物避雷器的研究,自80年代以來,我國的金屬氧化物避雷器技術發展很快,并引進國外先進技術及生產線,到目前國內金屬氧化物避雷器的生產,無論從數量、規格、還是從質量上都已形成相當的規模和水平,

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1作者:周志敏 山東萊蕪鋼鐵集團公司動力部 來源:專網通信世界-中國電力通信網 編輯:顧北

 

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