氧化锌避雷器的现状与发展趋势

精密制造与自动化　２０１３年第２期　氧化锌避雷器的现状与发展趋势　吕俊霞　（河南工业职业技术学院机电工程系　河南南阳４７３００９）　摘要阐述了氧化锌避雷器的现状与发展趋势，分析了氧化锌避雷器的现状与特点；根据氧化锌避雷器良好的　非线性伏安特性及防潮防爆特性，详细介绍了氧化锌避雷器的分类和选择使用。针对氧化锌避雷器存在的问题，提　出了改进措施，并推出添加纳米材料来改良氧化锌避雷器的性能，该措施可实现氧化锌避雷器的优良性能。　关键字氧化锌避雷器电阻片无间隙残压　我国从２０世纪７０年代起开始进行电力氧化锌　避雷器的研究，到２０世纪８０年代，我国的氧化锌　避雷器技术得到了很快的发展，并引进了国外先进　技术及生产线。目前，在国内生产的氧化锌避雷　器，无论从数量、规格，还是从质量上都已形成相　当的规模和水平，采用国际标准生产的产品，都已　接近或达到了国际先进水准。为了提高氧化锌避雷　器安全可靠运行的水平，在生产厂家不断提高产品　设计水平和制造质量的同时，加强了对运行中的氧　化锌避雷器的严格有效的检测和定期预防试验，并　开展了氧化锌避雷器的在线监测，这些都是保证其　安全可靠运行的有效手段。　１　氧化锌避雷器的发展　氧化锌避雷器是世界上公认的当代最先进的　防雷电器。２０世纪８Ｏ年代中期，西安电瓷研究　所、西安电瓷厂、抚顺电瓷厂联合引进了具有世　界先进水平的日立公司的ＭＯＡ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ａｒｒｅｓｔｅｒ，金属氧化物避雷器）制造技术后，国内　ＭＯＡ的生产质量有了长足的发展。其阀片以氧化　锌为主要材料，辅以少量精选过的金属氧化物，在　高温下烧结而成。氧化锌阀片具有很理想的非线性　伏安特性，也就是说，在工作电压下氧化锌阀片实　际上相当于一个绝缘体。　由于ＭＯＡ的芯体为氧化锌电阻片，具有非线　性好，能量密度大的特点。ＭＯＡ不仅能做成有间　隙的形式，而且可以做成无间隙（碳化硅避雷器只　能做成有间隙）形式。无间隙ＭＯＡ除了具有非线　性好，能量密度大的特点外，还具有结构简单、响　应速度快、无续流的特点，能保证强电设施在雷电　过电压或操作过电压破坏其他绝缘性能之前对其进　６２　行保护。有间隙ＭＯＡ因其间隙的时滞效应，其间　隙距离与其保护特性有相互配合的问题，相比较而　言，无间隙ＭＯＡ运用更简单、可靠。然而无间隙　ＭＯＡ由于没有间隙，内部氧化锌电阻片需长期承受　工作电压，相应参数选择应作适当的调整。在上世纪　８０年代中期，１０　ｋＶ配电系统的无间隙ＭＯＡ由于参　数选择没及时做出调整，加上当时氧化锌电阻片能　承受的最大荷电率偏低，只能达到５０％左右，致使　当时无间隙ＭＯＡ的事故率较高。通过调整相应参　数，并改善氧化锌电阻片的配方及工艺后，使得氧　化锌电阻片能承受的最大荷电率提高到８５％左右，从　而使无间隙ＭＯＡ的事故率降低到了正常水平。　２氧化锌避雷器特性　２．１金属氧化物避雷器的特点　现在使用的金属氧化物避雷器（ＭＯＡ）普遍是　无间隙的，它具有许多突出特点：优异的非线性伏　安特性、无间隙、无续流、电气设备所受过电压可　以降低、通流容量大。　２．２合成绝缘氧化锌避雷器　无间隙ＭＯＡ相对碳化硅避雷器，则具有通过　流容量大、响应时间快、保护可靠等优点。但它们　共同的弱点是瓷外套，只能两端密封，且内部有气　隙，批量生产时难以可靠密封。据行业统计，在正　常情况下，瓷外套避雷器损坏的原因有８０％以上是　因为自身密封不好受潮气侵入所致。１９９２年，人们　将有机合成绝缘的现代绝缘技术应用于ＭＯＡ，研　制出了新型的ＣＭＯＡ。ＣＭＯＡ除具有无间隙ＣＭＯＡ　的优点外，还具有：　（１）防潮。使用了特殊的材料灌封或整体模压工　艺，内部无气隙，潮气无法侵入。　吕俊霞氧化锌避雷器的现状与发展趋势　（２）防爆。即使遭受直接雷击，有机外套也不会　爆炸危及周围的人及物体，最多只是局部开裂。　（３）防污自洁：有机外套具有“憎水性”，不易积　（６）加固用的高分子材料，其电性能、耐热性能、　机械性能必须全面满足整体模压的工艺要求。　３氧化锌避雷器的分类　我国氧化锌避雷器的研制和生产现已形成集合　型和规模化的大生产体系。在经过引进、消化、移　植国外的先进技术之后，现在已经能够开发研制出　具有独立的知识产权的系列产品，部分产品已经达　到国际先进水平，和国际标准进行接轨，并参与国　际市场的竞争。以下结合我国生产的氧化锌避雷器　系列产品，根据其不同的技术指标进行分类。　垢，即使积垢后，污垢也随之具有“憎水性”，大大　提高了污闪电压，绝缘性能更好。　此外，由于无间隙和通流容量大，故氧化锌避　雷器体积小、重量轻、结构简单、运行维护方便，使　用寿命也长。由于无续流，故也可使用于直流输电　系统。　目前，各国生产的氧化锌避雷器在电压等级较低　时（如１１０　ｋＶ及以下），大部分是采用无间隙的。对　于超高压避雷器或需大幅度降低压比时，则采用并联　或串联间隙的方法。为了降低大电流的残压而又不加　大阀片在正常运行中的电压负担，以减轻氧化锌阀　３．１按照电压等级　氧化锌避雷器按额定电压值来分，可分为３类：　１）高压类。６６　ｋＶ以上等级的氧化锌避雷器系　列产品，大致可划分为５００　ｋＶ、２２０　ｋＶ、１１０　ｋＶ、　６６　ｋＶ４个电压等级。　片的老化，往往也采用并联或串联间隙的方法。　同时，氧化锌避雷器还具有体积小、重量轻、运　输中不破碎、不生锈及安装预试方便等优点。由于产　２）中压类。３～６６　ｋＶ（不包括６６　ｋＶ系列产品）　范围内的氧化锌避雷器系列产品，大致可划分为　３　ｋＶ、６　ｋＶ、１０　ｋＶ、３５　ｋＶ４个电压等级。　３）低压类。３　ｋＶ以下（不包括３　ｋＶ系列的产　品）的氧化锌避雷器系列产品，大致可划分为１　ｋＶ、　０．５　ｋＶ、０．３８　ｋＶ、０．２２　ｋＶ４个电压等级。　品保护强电设施的可靠性及自身的可靠性高，ＣＭＯＡ　可加大预防性试验时问间隔。ＣＭＯＡ的研制自１９９２　年以来，经历了以下三个阶段的改进。　第一阶段：伞群单个制作，然后黏结成整个外　套，最后在定位的外套与氧化锌电阻片之间灌入特　殊材料而制成（灌封型）。　第二阶段：多个伞群一次制作而成，克服了在　大量生产时单个伞群黏结不牢的质量问题（灌封型）。　３．２按放电电流标称　氧化锌避雷器按放电电流标称可划分为２０　ｋＡ、　１０　ｋＡ、５　ｋＡ、２．５　ｋＡ、１．５　ｋＡ５类。　第三阶段：将有机合成绝缘材料直接模压在氧　化锌电阻片芯体的外围，使之浑然一体。它克服了　第一、第二阶段工艺黏结不牢或因三层材料热膨胀　系数不同，在长期使用时可能出现两个界面相对滑　动而被潮气侵入的可能性（整体模压型）。　就国内目前制造ＣＭＯＡ所能具备的生产条件、　３．３按用途　氧化锌避雷器按用途可划分为系统用线路型、　系统用电站型、系统用配电型、并联补偿电容器组　保护型、电气化铁道型、电动机及电动机中性点型、　变压器中性点型７类。　３．４按结构　检测手段、配方的科学性及工艺的成熟性而言，国　内生产的ＣＭＯＡ应该能够达到２０世纪９０年代国　际同类产品的水平，完全能可靠保护强电设备安全　运行。实现上述目标必须达到下列要求：　（１）ｚ　Ｏ电阻片荷电率必须达到８０％以上；　氧化锌避雷器按结构可划分为两大类。　１）瓷外套。瓷外套氧化锌避雷器按耐污性分为　４个等级：（１）Ｉ级为普通型；（２）ＩＩ级为中等污秽　地区（爬电比距为２０　ｍｍ／ｋＶ）；（３）ＩＩＩ级为重污秽　地区（爬电比距为２５　ｍｍ／ｋＶ）；（４）ＩＶ级为特重污　秽地区（爬电比距为３１　ｍｍ／ｋＶ）。　２）复合外套。复合外套氧化锌避雷器是用复合　（２）Ｚ　Ｏ电阻片边釉由无机高阻层与防潮绝缘　漆构成，或是更新可靠的绝缘材料（经验证）；　（３）ＺｎＯ电阻片除了达到ＧＢ１１０３２—１９８９外，２　ｍｓ　（４）采用科学的橡胶配合及工艺；　（５）采用科学的整体模压工艺；　硅橡胶材料做外套，并选用高性能的氧化锌电阻片，　有硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点。该系列　产品除具有瓷外套氧化锌避雷器的一切优点外，还　方波必须经过逐片筛选，大电流冲击值必须得到提高；　内部采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成，具　６３　精密制造与自动化　具有高的绝缘性能，高的耐污秽性能、良好的防爆性　２０１３年第２期　作冲击保护水平等。　氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性，残　压随冲击电流波头时间的变化特性平稳，陡波响应　特性好，没有间隙的击穿特性和灭弧问题。其电阻　片单位体积吸收能量大，还可以并联使用，对保护　超高压、长距离的输电系统和大容量电容器组就显　得特别有利。　氧化锌避雷器没有串联主间隙，存在着在各种　电压作用下的老化、寿命和热稳定问题。由于中性　能及体积小、重量轻、平时不需要维护、不易破　损、密封可靠、耐老化性能优良等优点。　３．５按结构性能　氧化锌避雷器按结构性能可分为无间隙（Ｗ）、　带串联间隙（Ｃ）、带并联间隙（Ｂ）３类。　．　４氧化锌避雷器的选用　氧化锌避雷器在选用中应注意技术参数的正　确选择，否则将会在运行中发生各类问题，甚至　导致事故的发生。在选择时应按照使用地区的气　温、海拔、风速、污秽及地震等条件来确定避雷　器使用的环境条件，并按照系统的标称电压、系统　最高电压，额定频率、中性点接地方式、短路电　流值及接地故障持续时间等条件来确定避雷器的　系统运行条件：　（１）按照被保护的对象确定避雷器的类型。　（２）按长期作用于避雷器上的最高电压确定避　雷器的持续运行电压。　（３）按避雷器安装地点的暂时过电压幅值和持　续时间选择避雷器的额定电压。　（４）估算通过避雷器的放电电流幅值，选择避　雷器的标称放电电流。　（５）根据被保护设备的额定雷电冲击耐受电压和　额定操作冲击耐受电压，按绝缘配合的要求，确定避　雷器的雷电过电压保护水平和操作过电压保护水平。　（６）估算通过避雷器的冲击电流和能量，选择　避雷器的试验电流幅值、线路放电耐受试验等级及　能量吸收能力。　（７）按避雷器安装处最大故障电流，选择避雷　器的压力释放等级。　（８）按避雷器安装处环境污染程度，选择避雷　器瓷套的泄漏比距。　（９）按避雷器安装的引线拉力、风速和地震等　条件，选择它的机械幅度。　当避雷器不满足绝缘配合要求时，可采取适当　降低额定电压或标称放电电流等级或提高被保护设　备的绝缘水平等补救措施。当避雷器不满足绝缘配　合要求时，可采取适当降低其额定电压或标称放电　电流等级或提高保护设备的绝缘水平的补救措施。　选择ＭＯＡ的重要技术参数是额定电压、标称放　电电流、最大持续运行电压、雷电冲击保护水平、操　点直接接地，系统可能带单相接地持续运行一段时　间，易于发生时间长、倍数高的铁磁谐振过电压，　工作条件较差。因此，在非直接接地系统中，我国　的氧化锌避雷器在性能、价格上与磁吹阀型避雷　器相比，没有明显的优越性，因此，多在特殊情况　下才使用氧化锌避雷器。　５氧化锌避雷器存在的问题及改进措施　现代工程应用的氧化锌避雷器在配方和性能　上分为相互不能替代的两大类，即高压型氧化锌避　雷器和高能型氧化锌避雷器。这两种配方的性能差　别造成了在许多应用上的死区。　解决问题的有效方法是提高高压型氧化锌避　雷器的能量密度，或提高高能型氧化锌避雷器的电　压梯度和非线性系数（降低残压比），即开发高压高　能型氧化锌避雷器。　氧化锌压敏陶瓷属体型压敏材料，其电压、电　流特性对称，压敏电压和通流能力可以控制，具有　很高的非线性系数，成为当今压敏材料的一个重要　分支。为了解决高压型氧化锌避雷器与高能型氧化　锌避雷器在应用上的死区，特推出添加纳米材料以　改良氧化锌避雷器的性能。在添加纳米材料后将能　大幅度地提高电压梯度、非线性系数和能力密度。对　实现氧化锌避雷器的高压高能具有重要的现实意义。　参考文献　［１］　周志敏，周纪海，纪爱华．无功补偿电容器配置运行维　护［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９（８）．　［２］　周志敏，周纪海，纪爱华．电气电子系统防雷接地实用　技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５（１２）．　［３］　芮静康．建筑防雷与电气安全技术［Ｍ］．北京：中国建　筑工业出版社，２００３（１０）．　［４］　雷玉贵．变电检修［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６．