總述 　　金屬氧化物避雷器，而不是碳化硅避雷器，在中壓電網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛。本文將描述這種技術(shù)快速發(fā)展的原因，以及金屬氧化物避雷器的重要特征。金屬氧化物避雷器的殘壓低，能夠滿足中壓電網(wǎng)絕緣的要求，還可保護(hù)電纜網(wǎng)絡(luò)，改善其運(yùn)行特性，延長(zhǎng)電纜及電氣設(shè)備的壽命。 1． 避雷器的發(fā)展概述 最近二十年，避雷器技術(shù)有兩種基本的變化。首先，是一種以碳化硅為基本元件的簡(jiǎn)單的火花間隙避雷器，隨后又發(fā)展為磁吹閥式避雷器。但是，它們都是以碳化硅電阻為基礎(chǔ)的避雷器，稱為碳化硅避雷器。第三代避雷器是所謂的無(wú)間隙避雷器，它是以更強(qiáng)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(yōu)良的特性，已被迅速引進(jìn)到各電壓等級(jí)。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(hù)性能穩(wěn)定，而且殘壓低，不但在理論上如此，在全世界十年以上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(huì)使用更長(zhǎng)一些時(shí)間，這有以下三方面原因。 第一，不存在要立即降低該避雷器殘壓的技術(shù)要求，所以碳化硅避雷器還是有價(jià)值的。 第二個(gè)原因就是許多國(guó)家實(shí)際上中壓電網(wǎng)的中性點(diǎn)為非有效接地。為了減小短路電流，變壓器的中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)線性電阻接地，或通過(guò)限流電抗器接地（如消弧線圈）。因此，既使出現(xiàn)單相接地故障，電網(wǎng)也將運(yùn)行一段時(shí)間而不會(huì)拉閘。雙重接地故障和長(zhǎng)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(shí)健全相不會(huì)有故障電流流過(guò)，但其電壓實(shí)際已上升至線電壓。因此避雷器必須標(biāo)線電壓，金屬氧化物避雷器也是如此。在中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中，金屬氧化物避雷器在保護(hù)水平上沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。 第三個(gè)原因則是金屬氧化物避雷器的價(jià)格稍為貴些。但是，隨著運(yùn)行人員價(jià)值觀念的改變，那種認(rèn)為“便宜的避雷器”不可靠日益風(fēng)行，并且金屬氧化物避雷器價(jià)格已不再重要。而這種長(zhǎng)壽命，高可靠性的新型避雷器會(huì)帶來(lái)更快的回報(bào)。 前面所述保留傳統(tǒng)避雷器的二種觀點(diǎn)，即較大的保護(hù)裕度和較低的接地故障電流，已愈來(lái)愈不重要了。因?yàn)榭陀^的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)顯示出有必要重新認(rèn)識(shí)其內(nèi)在的技術(shù)特性。 由于絕緣的老化的特性，尤其對(duì)于變壓器和電纜，以及戶外絕緣的污染，導(dǎo)致了提高中壓電網(wǎng)絕緣強(qiáng)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(gè)更低的電網(wǎng)絕緣強(qiáng)度要求，這會(huì)使其絕緣及其它電氣元件延長(zhǎng)使用壽命，減少污閃。盡管這種效益很難從理論和文獻(xiàn)上準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，但近年來(lái)的供電實(shí)踐強(qiáng)有力地證明了這個(gè)希望是能實(shí)現(xiàn)的。 2． 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(hù)水平和能量吸收能力。保護(hù)水平用避雷器兩端出現(xiàn)的最高電壓來(lái)定義，對(duì)于碳化硅避雷器就是其放電電壓，即此時(shí)火花放電。我們也可稱其為殘壓，即此時(shí)的電壓降是由流過(guò)的放電電流所產(chǎn)生的。電流越大，電壓越高，能量越大。此時(shí)，串聯(lián)的Sic閥片會(huì)呈現(xiàn)高阻抗，當(dāng)工頻電壓下次過(guò)零時(shí)，放電間隙就能切斷續(xù)流。圖2簡(jiǎn)單地表示了這種放電現(xiàn)象。尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)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(guān)，所以碳化硅避雷器保護(hù)水平可用圖3表示。圖中由制造廠確定的“a,b,c”三點(diǎn)表示了最大的過(guò)電壓倍數(shù)，而由“d”點(diǎn)表示的是50Hz的放電電壓最小值。實(shí)踐表明，由于制造有誤差，將會(huì)存在散射區(qū)，尤其是碳化硅避雷器。 操作電壓很難引起火花放電，也是這類避雷器的優(yōu)點(diǎn)。但此電壓雖然不高，可是有數(shù)毫秒之長(zhǎng)，這時(shí)放電間隙的電侵蝕會(huì)使避雷器放電電壓的準(zhǔn)確性變壞。無(wú)間隙避雷器不表示放電電壓。和碳化硅避雷器相比，殘壓的上升是相當(dāng)平緩的。保護(hù)水平（殘壓）的隨電流而變化的。 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(chǔ)上比較。當(dāng)WG24型避雷器和MWB型金屬氧化物避雷器同時(shí)流過(guò)10kA沖擊電流時(shí)，金屬氧化物避雷器殘壓的明顯改進(jìn)是其最為陡峭的過(guò)電壓波形，30μs后才是所謂操作過(guò)電壓下的殘壓波形。而這種陡波僅在雷電沖擊時(shí)出現(xiàn)。然而，這是很危險(xiǎn)的，因?yàn)榕潆娮儔浩鲗?duì)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”。 電網(wǎng)中的操作過(guò)電壓是一種典型的非常危險(xiǎn)的電壓振蕩，如在截流時(shí)，最高可至三至五倍的相電壓，有時(shí)甚至更高，振蕩頻率由電網(wǎng)參數(shù)決定。在數(shù)千赫茲范圍內(nèi)。當(dāng)幾百安培的電流通過(guò)時(shí)，金屬氧化物避雷器會(huì)限制振幅在較低操作電壓保護(hù)水平內(nèi)，如圖6所示。電網(wǎng)中的感性貯存能量也會(huì)通過(guò)避雷器流入大地。另一種危險(xiǎn)的過(guò)電壓形式是，在操作大容量電容器組，電纜網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償性電池組等產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象應(yīng)予注意。在操作電容器組時(shí)，有缺陷的操作裝置，負(fù)荷開關(guān)，或者高壓熔斷器都可能引起重?fù)舸┗螂娀≈厝?。?dāng)電容器出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，是通過(guò)避雷器卸流的。因此，這就要求該避雷器必須在操作過(guò)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(jià)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(guī)格的碳化硅避雷器高三到五倍。 因?yàn)榻饘傺趸锉芾灼饔休^低的殘壓，所以會(huì)比碳化硅避雷器釋放過(guò)電壓次數(shù)更多些。同時(shí)性能也不會(huì)變壞。事實(shí)上，碳化硅避雷器不能抵御長(zhǎng)時(shí)間的操作過(guò)電壓對(duì)火花間隙的侵蝕。只要金屬氧化物避雷器不過(guò)載，那么它的性能是穩(wěn)定的。調(diào)查表明：數(shù)千次過(guò)電壓后，金屬氧化物避雷器的特性沒(méi)有任何變化。 金屬氧化物避雷器也能在交流電壓下短時(shí)過(guò)載，暫時(shí)工頻過(guò)電壓（TOV）產(chǎn)生的放電電流不會(huì)損壞避雷器，這就是金屬氧化物避雷器的短時(shí)過(guò)載能力。 3． 金屬氧化物避雷器的設(shè)計(jì) 新型避雷器的設(shè)計(jì)是很簡(jiǎn)單的。主要部件是圓柱形的金屬氧化物電阻。ABB公司還設(shè)計(jì)了棒式，即所謂“單塊體”等不同規(guī)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(dāng)然，對(duì)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(xù)運(yùn)行電壓，一般每千伏要求10mm高度。電阻塊的圓柱形側(cè)面有玻璃狀的鈍化層，用火焰將鋁噴燒在上、下端的導(dǎo)電面，把電阻塊一個(gè)一個(gè)地疊起來(lái)就可以滿足更高電壓的要求了。 金屬氧化物電阻由堅(jiān)硬的螺簧固定，螺簧同時(shí)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。 4． 特殊類型 任何避雷器都有可能過(guò)載。原因即有強(qiáng)雷電波沖擊，又可能是2次以上的多次復(fù)合沖擊，還有可能是系統(tǒng)閃絡(luò)，此時(shí)是兩個(gè)不同的電壓等級(jí)發(fā)生了短路。 一種或另一種形式造成的一次過(guò)載就會(huì)使金屬氧化物電阻閥片上穿孔，并在閥片柱和殼體之間產(chǎn)生電弧。電弧使氣體壓力迅速上升。為防止過(guò)壓爆炸，避雷器的兩端的壓力釋放閥幾乎是同時(shí)打開，并使熱浪溢出。當(dāng)電弧氣流溢出后將在避雷器外部產(chǎn)生閃絡(luò)，從而釋放了內(nèi)部壓力，這幾乎不會(huì)有任何危險(xiǎn)或者危險(xiǎn)很輕微。而電弧在閥片上的熔化軌跡會(huì)使避雷器熄弧后更易被發(fā)現(xiàn)。MWB避雷器的釋壓件可根據(jù)要求，用標(biāo)有顏色的小片來(lái)關(guān)閉。它很容易被靈活的釋壓裝置打開，這使得那種有缺陷的避雷器更易被查覺(jué)。極少情況下短路電弧會(huì)接觸避雷器殼體的內(nèi)壁或外壁，熱沖擊會(huì)使瓷外套斷裂，并導(dǎo)致壓力釋放時(shí)避雷器碎落。但是，檢測(cè)說(shuō)明書明確規(guī)定：只要避雷器瓷套的碎片掉在規(guī)定半徑范圍以內(nèi)，那么是允許的。當(dāng)然，這不是我們所希望的。 電網(wǎng)中許多地方還是要求避雷器高度安全的。于是產(chǎn)生了MWK系列避雷器。這種類型的避雷器和MWB型具有同樣的電氣參數(shù)，但殼體是用硅聚合物制成。這種既輕又具有彈性的殼體不會(huì)因主元件的損壞而斷裂。相反，當(dāng)殼體微孔被擊穿后，會(huì)立即導(dǎo)致外部開始閃絡(luò)，殼壁會(huì)逐漸碳化。這使已受損的避雷器易于辯別。 MWK避雷器的特殊耐短路能力在小電流或大電流檢測(cè)中都有試驗(yàn)記錄。所有試驗(yàn)都表明殼體絲毫沒(méi)有碎落。因此，我們可以這樣假設(shè)：一支過(guò)載的、或有缺陷的MWK型避雷器在配電網(wǎng)中表示一次永久性短路。如有重合閘，同一地方會(huì)立即重新短路，電弧也會(huì)重燃。這將會(huì)更容易發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)及故障點(diǎn)的避雷器。 MWK系列避雷器的耐污性能相當(dāng)先進(jìn)。雖然無(wú)間隙配電（瓷套）金屬氧化物避雷器比舊型號(hào)的避雷器耐污能力強(qiáng)，但是硅橡膠外套的避雷器耐污能力更強(qiáng)，即便在鹽霧場(chǎng)所也能使用，尤其適應(yīng)于沿海地區(qū)和工業(yè)污染嚴(yán)重的地區(qū)。實(shí)踐證明，MWK系列避雷器是先進(jìn)的。 MWF避雷器是另一種特殊系列產(chǎn)品，通常用在開閉所室內(nèi)，保護(hù)長(zhǎng)度超過(guò)10米的電纜的套管。MWF型還更多應(yīng)用于室內(nèi)開閉所的相與相之間，一般它們之間距離都很近。 5． 在中壓電網(wǎng)中的應(yīng)用 避雷器技術(shù)的發(fā)展有效地提高了中壓電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。具有更先進(jìn)性能的避雷器將會(huì)問(wèn)世。那么我們采用殘壓較低的避雷器，就可以降低絕緣強(qiáng)度了，也可期望延長(zhǎng)電纜和變壓器的壽命?？梢?jiàn)避雷器保護(hù)配合的好，還會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。而產(chǎn)品的品種多允許在技術(shù)與費(fèi)用的矛盾中作出最佳選擇。 “輕”型避雷器額定放電電流5kA，能量吸收能力較小。與以前裝在中壓電網(wǎng)中的碳化硅避雷器最類似。中等重型避雷器能吸收較多的能量，而且殘壓也比較低。最強(qiáng)型MWA避雷器代表目前的最高水平，能達(dá)到最高耐壓。 避雷器的能量吸收能力很重要。眾所周知，IEC（2）中收集的資料表明了中壓電網(wǎng)的耐壓強(qiáng)度是由雷擊決定的。全世界范圍的文獻(xiàn)記載了50％的雷電流大約37kA，而每回第二次來(lái)雷時(shí)，都至少包括兩次閃擊。盡管這樣的雷擊釋放能量不高，但避雷器必須快速動(dòng)作記錄下來(lái)。由雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓若遠(yuǎn)離線路時(shí)通常都不足以使傳統(tǒng)的碳化硅避雷器放電4 ，但在某個(gè)反射點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)。但用金屬氧化物避雷器不可能出現(xiàn)這種情況。即使產(chǎn)生電壓處于最低值，也會(huì)反復(fù)出現(xiàn)反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。 隨著中壓電網(wǎng)中電纜線路增多，中等重型避雷器日益重要。早期刊物5曾講過(guò)，在電纜末端的套管上或架空線引入處安裝避雷器保護(hù)是必要的。因雷電和操作過(guò)電壓在電纜網(wǎng)中存貯了較多的能量，因此建議使用中等重型避雷器保護(hù)。 一只避雷器的保護(hù)水平是更重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。無(wú)間隙避雷器的殘壓是由金屬氧化物電阻的直徑和高度來(lái)決定的（取決于操作電壓）。閥片采用的截而越大，吸收能量的能力越高，并可獲得較低的殘壓。由于新型金屬氧化物避雷器的殘壓很低，沒(méi)有必要把U C限到最小值以適應(yīng)全電網(wǎng)，而現(xiàn)在能使不同避雷器有不同的負(fù)載。 前面已經(jīng)講到，新型金屬氧化物避雷器的基本元件是非線性電阻。在工頻過(guò)電壓下，如出現(xiàn)系統(tǒng)閃絡(luò)或諧振過(guò)電壓，所有并聯(lián)的避雷器都同樣承受過(guò)壓或過(guò)載。但是人可以對(duì)此進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，不讓所有避雷器均在故障時(shí)出問(wèn)題，而只讓特殊的或預(yù)先設(shè)定的一個(gè)承擔(dān)。例如，假設(shè)開閉所室內(nèi)安裝的避雷器Uc高于室外線路上避雷器約10％，那么工頻過(guò)載時(shí)，僅會(huì)損壞室外避雷器，并產(chǎn)生短路。這時(shí)唯有電弧電壓在故障點(diǎn)出現(xiàn)。它當(dāng)然低于電網(wǎng)運(yùn)行電壓，也會(huì)低于同相線路上其它未受沖擊避雷器兩端上的壓降。所以，即使工頻過(guò)壓時(shí)，也不會(huì)有危險(xiǎn)。 6． 總結(jié) 關(guān)于中壓配電網(wǎng)的保護(hù)，可以作如下總結(jié)。根據(jù)安裝場(chǎng)所的地理位置，重要性及設(shè)備的價(jià)值來(lái)選擇避雷器的類型。室外露天安裝和在電網(wǎng)中那些特殊點(diǎn)要求選用吸收能力最高的最強(qiáng)型避雷器，特殊設(shè)計(jì)MWA系列避雷器即為此而用。MWB型中等重型避雷器適用于絕大多數(shù)配電電網(wǎng)中。這種先進(jìn)的避雷器隨處可裝。如開關(guān)站架空進(jìn)出線；戶外電纜套管；柱上變壓器或者架空線交接處等。與電網(wǎng)一部分并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，還可使用間隙或有間隙的避雷器，而不會(huì)出問(wèn)題。MWK型產(chǎn)品適用于重污穢場(chǎng)所或者不允許避雷器殼體損壞的地方。MWF型產(chǎn)品體積小，適合室內(nèi)安裝，特別是空間狹小的配電柜或組合式單元柜中使用。這時(shí)室外安裝的避雷器必須考慮與室內(nèi)避雷器配合，以防止室內(nèi)避雷器出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象。