第七章高压氧化锌避雷器.docx

1、第七章 高压氧化锌避雷器第七章 高压氧化锌避雷器第一节 概 述 随着输电电压等级的提高，由于技术、经济上的要求，特别是外绝缘的空气间隙对操作过电压放电特性的饱和趋势，迫使绝缘水平大幅度下降，以便于超高压输变电设备（如大型变压器、高压绝缘件）的制造和运输。因此，在超高压的绝缘配合上，各国都倾向以先进的保护电器进一步降低绝缘水平，使制造的输变电设备更经济合理。据专家估计，绝缘水平降低一级，其成本可降低约67，提高避雷器的电气特性即可达到提高输电系统可靠性、降低绝缘水平，可以减少设备重量和体积。在远距离输电中，输变电设备受到各种过电压的威胁。输电电压较低时，决定输变电系统绝缘水平的主要因素是雷电过电

2、压，采用单纯的火花间隙避雷器加以保护。后来改用串联碳化硅（SiC）等非线性电阻，发展了阀式的避雷器，既能限制远雷过电压，又能限制近雷过电压。随着输电电压向高压、超高压和特高压发展，雷电过电压并随之按比例升高，而操作过电压则逐渐成为决定输变电系统绝缘水平的主要因素，因而相应的发展了磁吹阀式避雷器、限流型磁吹阀式避雷器，达到具有限制雷电过电压和操作过电压的目的。七十年代初，随着对氧化锌（ZnO）非线性电阻元件的研究和应用，成功研制出氧化锌避雷器，氧化锌电阻片（MOR）具有优异的非线性特性，极好的通流能力及其他优点。在近几年，氧化锌避雷器得到迅速发展，现已形成低压、中压、高压、超高压各个等级的系列产

3、品，并正向压比小、梯度高、能量大的方向发展。氧化锌避雷器发展已成为避雷器的主导方向。电力用避雷器发展过程可概括为四个阶段，见图71。图7-1 避雷器的发展过程第二节 阀式避雷器 阀式避雷器的分类及其主要特点 阀式避雷器按其用途可分为配电型（保护配电变压器用）、电站型（保护电站设备用）、线路型（限制输电线路向电站侵袭的雷电过电压和操作过电压）、旋转电机型（保护直接配电的发电机或电动机）。按其间隙结构可分为普通阀式、磁吹式及限流型磁吹阀式避霄器三种。按电流又可分为交流和直流避雷器。 一般评定阀式避雷器性能的主要参数有以下几个： （1）保护比：避雷器的保护水平，其值等于避雷器冲击放电电压或额定电流下

4、的残压除以灭弧电压（峰值）。保护比越小，表示避雷器能限制过电压的性能越好。 （2）切断比：其值等于避雷器工频放电电压下限值除以灭弧电压，切断比越小，表示避雷器保证切断续流、恢复绝缘强度的能力越大。 （3）通流容量：它表示避雷器能耐受一定波形的通过电流的能力，一般有模拟雷电电流和操作波电流两种。 一、普通阀式避雷器 普通阀式避雷器主要由火花间隙（大多数为平板间隙）和碳化硅非线性电阻片组成，磁吹阀式和限流型磁吹阀式避雷器均以此为基础发展起来的。 普通阀式避雷器主要应用于配电型避雷器。 二、磁吹阀式避雷器 随着高压输电的发展，当系统切合空载长线，断路器重燃时，输变电设备受到来自系统本身的所谓操作过电

5、压的威胁，因此，发展了磁吹式阀式避雷器。采用磁吹间隙，能限制雷电过电压，也可以限制操作过电压。 磁吹阀式避雷器，主要由磁吹间隙和碳化硅阀片所组成，设计了产生磁场的装置，以增加火花间隙的熄弧能力，性能比一般阴极压降熄弧的阀式避雷器好。 该种避雷器主要用于中压配电型避雷器，少数用于高压避雷器。 三、限流型磁吹阀式避雷器 普通间隙和磁吹间隙两端无电压降，全靠碳化硅阀片限制放电电流，当残压降低时，续流也增加，在这种情况下，极易发生系统所固有的恢复电压，施加于阀片的负载也增加，往往会降低动作负载能力。限流型磁吹阀式避雷器正是适应这种要求而发展起来的。 它的主要特点： （一）吸收能量由阀片和间隙两者分担，

6、可进一步增加避雷器能量，提高避雷器的性能； （二）较高的续流遮断能力，可靠的熄灭操作过电压续流。 （三）由于限流型间隙只有弧压降，可取代部分阀片，而降低避雷器残压，提高保护性能，降低高压、超高压系统的绝缘水平。 四、保护旋转电机用避雷器 这种避雷器主耍用于防止雷电波的侵袭，要求其冲击放电电压及残压很低。采用磁吹限流间隙后，因其灭弧性能好，且能减轻阀片的负担，就可制造出能保护电机绝缘的避雷器，为了降低冲击放电电压，前苏联曾在部分间隙上并联电容，也有加大杂散电容屏蔽的作用，造成间隙冲击电压均匀分布，以降低冲击电压。五、六氟化硫（SF6）避雷器 六氟化硫避雷器有普通阀式和限流型磁吹阀式两种，其间隙的

7、绝缘均用六氟化硫气体，故有如下优点： （1）能耐受高速重合闸过电压和断路器操作时的重燃过电压等重负载； （2）用绝缘性能良好的SF6，使串联间隙数量比充氮气（N2）时大大减少；可简化间隙结构，缩小避雷器尺寸； （3）SF6的电子亲和力强，灭弧性能好。 六、直流避雷器为了保护交直流变电站的各种设备，需要设置直流避雷器，但直流输电系统与交流输电系统不同，前者电压和电流设备没有零点为恒定值电压包括高次谐波，加之输送距离长，故对避用器要求极其苛刻。例如，用线路直流避霄器，限制从直流线路入侵的过电压，是作为变电站的第一道保护，保护水平选的比变电站用避雷器低，所以要承受最苛刻的动作负载。第三节 氧化锌避雷

8、器 一、氧化锌（ZnO）避雷器发展概况 由于磁吹和限流技术的应用，使阀式避雷器的性能有了较大的提高，基本可满足输变电的要求，但对于高压、超高压、大容量、远距离输电系统，仍然存在结构复杂（如为了得到较平均的伏秒特性，来用了并联电容、点火间隙等复杂的电压控制措施）、体积庞大、价高、制造难度大等问题。有时，其间隙在工频续流下熄不了弧，导致电网重大事故。因此，有人认为这种避雷器至七十年代初已到发展的极限，欲在技术上进一步提高，就要有更好的非线性电阻元件。 1968年日本松下电器产业公司首创的氧化锌非线性电阻，已广泛应用于电子设备的稳压和保护，继而用于低压电力设备，以防止真空开关切断感性电流时产生的过电

9、压的危害（即所谓浪涌吸收器），嗣后，其应用范围日益扩大。鉴于ZnO非线性电阻有极其优异的非线性，可不经串联火化间隙接入电路而其工作电流异常微小，在抑制过电压时流过相当大的过电压电流，而其上的电压降却不高，就可能使避霄器实现无间隙化。金属氧化物电阻片（MOR）是一种具有非线性电流电压特性和大的吸收能量能力的陶瓷半导体器件。在电网运行电压下，通流极小，约0.12？mA。用MOR叠制成交流系统无间隙金属氧化物避雷器（WGMOA），使阀式避雷器进入新的一代，是当今电力系统广泛使用的过电压保护装置。 二、氧化锌避雷器的特点 2.1 不存在间隙放电电压随避雷器内部气压变化而变化的问题，因此无间隙避雷器是最

10、理想的高原地区避雷器。 2.2 特别适用于直流输电设备的保护。直流电弧不象交流电弧有自然过零点，因此熄弧比较困难。无间隙避雷器不存在灭弧问题，所以用作直流避雷器是很理想的。 2.3 作为SF6全封闭组合电器中的一个组件是特别适合的，这可解决传统避雷器的间隙在SF6中放电分散性大和放电电压易随气压变化而变化等问题。 2.4 用于重污秽地区，氧化锌避雷器比传统避雷器有更大的优越性，因为不存在污秽影响间隙电压分布的问题。2.5 陡彼下保护特性改善。尽管氧化锌电阻片与碳化硅相似，残压随冲击电流波前的减小而增大，但因为不存在间隙放电电压随雷电波陡度的增加而增大的问题，所以陡波下保护特性可以得到改善。 金

11、属氧化物避雷器在有些情况下仍带有火花间隙，使其能耐受较高的工频过电压而不损坏。但这种情况下间隙只起隔离作用，不起灭弧作用。 由干不存在灭弧问题，所以传统碳化硅避雷器的最重要参数灭弧电压对MOA是毫无意义的。对于MOA来说，工频参考电压是一个重要参数，一般取通过避雷器的阻性电流分量等于1mA时避雷器上的工频电压峰值。 三、MOR简介 氧化辟避雷器的主要元件是氧化锌阀片，下面就其性能、微观结构、配方、工艺等方面作一下介绍。 3.1 氧化锌阀片的性能 （1） 伏安特性 与碳化硅阀片相比，氧化锌阀片的主要优点是它具有优异的非线性，图31示出ZnO阀片与SiC阀片的伏安特性曲线。由图可看出，在正常运行电

12、压流过SiC阀片的电流将达数十至几百安培，而流过ZnO阀片的电流只有几十微安，这就可以取消串联间隙，实现无间隙避雷器。 氧化锌阀片的伏安特性曲线可以分为三个区域，如图72所示：图72 氧化锌阀片及碳化硅阀片的伏安特性 I为小电流区域，此区域内的伏安特性曲线比较陡峭，亦即非线性较差，且具有负的电阻温度系数（约为0.05）。 为击穿区域，在这一区域内的伏安特性非常平坦，具有极好的非线性，服从下面的实验关系式： IKU 且具有很小的正电阻温度系数，当ZnO阀片并联使用时，这一特性有助于改善电流的分布。 为反转区，在此区域内ZnO晶体的固有电阻开始起作用，特性曲线开始向上翘，非线性变差。 和 SIC阀

13、片一样，随着冲击电流波前时间变短，ZnO阀片的残压升高，但它对于冲击电流波头时间的响应特性远优于SiC阀片。图32表示ZnO阀片与SiC阀片的残压的电流波形响应曲线，由图可看出，当彼头时间由8s变为 1s时，SiC阀片的残压将增加 15，而 ZnO阀片的残压仅增加约 6。电流波前时间（s）图73 ZnO阀片残压对电流波前时间的响应曲线 （2） 静电电容 ZnO阀片具有与陶瓷电容器相近的电容（r10002000），这对于改善其在污秽状态下的电位分布是有利的。 （3） 通流容量与碳化硅避雷器一样，对ZnO阀片也要考核其短持续时间大电流遣流容量及长持续时间通流容量。图74、图75分别为ZnO阀片的U

14、1mA与大电流耐受及方波耐受之关系。由图可看出ZnO阀片随着短波前电流幅值之增加，U1mA也逐渐增大，而通过矩形波电流时的情况不一样，当方波电流幅值小于某一数值时，ZnO阀片的U1mA值几乎没什么变化，而当方波电流幅值超过某一数值时，U1mA骤然猛降，阀片击穿。图74 图75 （4） 运行寿命ZnO阀片在长期运行电压作用下，将逐渐老化，表现为其阻性电流分量将随着施加电压的时间增加而逐渐增大，一旦其发热超过散热时，就会发生热崩溃，使ZnO阀片破坏。运行寿命是ZnO阀片的一项很重要的指标，通常利用阿仑累斯公式来评价运行寿命，此公式是假定温度引起的劣化是由于化学反应所致，可用下式来表达：tt0exp

15、Eaf（V）RT式中：t达到热崩溃前的时间； t0、R常数； E0反应激活能； T绝对温度； V施加于ZnO电阻片上的电庄由上式可看出，t与电阻片的荷电率（ ）有关，t的对数与1/T比例.因此，可以利用提高温度的办法，来进行加速劣化试验。通过对氧化锌阀片大量的试验，进一步得出了2.5倍法则，即温度每增加10，氧化锌阀片的寿命缩短到远寿命的1/2.5，即氧化锌阀片的温度加速劣化系数为： Aft = 2.5 例如对氧化锌阀片在115下进行劣化试验，寿命为1000小时，则折合到40环境温度下其寿命可达： 2.5 1000 110年 这就是LECTC34WG4推荐标准草案上规定在115下对ZnO片进行

16、1000小时加速劣化试验的依据。 3.2 氧化锌阀片的微观结构 图76说明，阀片有ZnO晶粒及包围这些晶粒的晶界层和零散的分布于晶界层内的尖晶石（Zn7Sb2O12）晶粒三部分所组成。ZnO晶粒中因溶有Co、Mn、Ni等杂质，其电阻率约为110-cm，晶粒的平均直径为10m左右。晶界层以Bi2O3为主，还包含有相当数量的锌及为量的其它杂质，厚度约为0.1m，其电阻率在低电场下在1010cm以上。因此所加电压几乎全部加在此高电阻的晶界层上。随着电压增高，晶界层电阻下降，因而呈现出非线性。尖晶石相是氧化锌与氧化锑的复合氧化物，此外还含有少量的Co、Mn、Ni、Cr等杂质，其粒径约为3m左右，其作用

17、在于抑制 ZnO晶粒的生长，对非线性无直接影响。图7-6 ZnO阀片的微观结构1-晶界层 2-尖晶石晶粒 3-ZnO晶粒3.3氧化锌阀片的配方与制造过程 日本松下电器产业公司早期研究成功的ZnO非线性电阻片是由ZnO、Bi2O3和PbO三种氧化物组成。1970年他门与明电舍公司合作，在原有配方基础上制成了合95以上ZnO，并添加有Bi2O3、Sb2O3、MnO2、Cr2O3、CO2O3五种氧化物的ZnO阀片，使通流容量与非线性均有很大改善。首先用来制成了6kV带简单间隙的配电型避雷器和66kV电站无间隙避雷器。此后为了进一步改进ZnO阀片的性能，又添加了SiO2、NiO、CeO2、SnO2、A

18、1（NO3）等，形成了目前用于生产ZnO非线性电阻的各种配方，下表列出了最普通的五种添加物配方和曾为我国较广泛采用的九元添加物配方。ZnOBi2O3CO2O3MnO2Sb2O3Cr2O3H3BO3SnO2CeO2PbONiOSiO2A1(NO3)3五元mo1%970.50.50.51.00.5九元mo1%94.70.71.00.51.00.50.11.00.525ppm九元mo1%8651.00.56.50.350.10.10.10.20.25 ZnO ZnO阀片的主要成分，占总摩尔量的90以上，是生成ZnO晶粒的主体。在ZnO晶粒中，由于氧缺位，形成低阻的ZnO主体，这一点对于降低大电流下残

19、压，降低压比是重要的。 Bi2O3是形成包围 ZnO晶粒的主要成分，在一定范围内增加 Bi2O3的含量时，可降低U1ma值及减少电流，降低压比,改善通流容量及吸收过电压能量能力。 Sb2O3是构成尖晶石的重要原料如前所述，尖晶石相的主要作用，是在烧成过程中抑制ZnO晶粒的长大，因此增加Sb2O3在配方中的含量，可显著增加U1ma值，并使压比降低，但过多地增加Sb2O3将使泄露电流增加，井降低其通流容量及吸收过电压能量的能力。 CO2O3增加CO2O3的含量可降低U1ma，减少泄露电流，但却使压比增加；适量地增加 CO2O3的含量，可提高通流容量及吸收过电压能量的能力；但过多地加入 CO2O3后

20、又会使通流容量及吸收过电压能量能力降低。 MnO2 在烧成过程中可以抑制Bi2O3的挥发，是烧成温度提高，晶界层加厚。此外部分Mn进入晶格，可以活化晶格，助长晶粒的生长。增加MnO2的食量可显著降低泄露电流，井使U1ma的值增加，压比降低，但同时却使耐受过电压能量的能力降低。 Cr2O3增加Cr2O3可增加U1ma，同时却使泄露电流增加，在一定的范围内增加Cr2O3会使压比增加，进一步增加CrO3的含量，又会使压比降低；对过电压能量吸收能力无明显的影响。A1（NO3）3加入少量的A1（NO3）3，可明显地减少气孔，提高热稳定性、抗老化性，但同时增加泄露电流。 CuO及 S 这些杂质对 ZnO阀

21、片极为有害，CuO导致材料易闪络，S可使ZnO阀什的压比增加百分之十几。 各个制造厂制造ZnO阀片的工艺流程不完全一样，我国目前许多厂家采用的工艺流程如下： Zno原料煅烧 混料 造粒 成型 喷电极 研磨 烧成 涂敷高阻层 电性能测量 ZnO原料煅烧，主要为了减少烧成过程中ZnO的收渐。提高ZnO原料的锻烧温度有利于提高阀片通流容量，但会增加压比。煅烧温度过高时原料也不易粉碎。 混料 可用塑料滚筒或振磨机进行。增加混料时间，可提高混料的均匀性及细度，但当混料时间达到一定值后，进一步延长磨料时间，对细度的影响不大。 造粒 目前国内大多采用过筛造粒法，即先用较低的压力将混合料压成荒坯，然后在破碎过

22、筛。用这种方法造粒，颗粒形状不规则，除了粗的颗粒外，还合有一些粉料，容量较小，流动性较差，成型时水份含量要求较高（69），成型坯件的体比重较低（一般低于3gcm3），因而烧成时收缩较大，容易形成烧成开裂等缺陷。采用喷雾造粒可以获得球状、流动性极好的成型料，料的容量也大（可达1.41.5gcm3），可在12的水份下成型，有助于减少烧成缺陷。为了获得较粗颗粒 （100150 m）的成型料，一般都采用并流式压力喷嘴型喷雾干燥器。 成型 成型压力一般在300600kgcm3，太小时坯件的干燥强度太低；太大，则由于压力传递不均，容易在坯件内形成应力，这是形成烧成缺陷的原因之一。 为了避免成型时发生层裂，

23、加压速度不宜太快，中间最好采用排气的措施。 烧成 烧成是使材料具有某种显微组织结构，是整个工艺过程中最关键的一环，他影响材料的性能和组织结构。 烧成过程中，首先根据材料在加热过程中的失重及收缩曲线来制订烧成曲线。图36是ZnO阀片在7001200的失重及收缩曲线，由图可见，在800900区间，坯件的径向及轴向的收缩均很大，因此，在这个温度范围内，应该减慢升温速度。一般陶瓷制品都是把最大收缩时的温度定为侥成温度，但对于ZnO M片，则主耍应考虑产品的性能，应该把获得综合最佳特性的温度定为烧成温度。一般来说，随着温度升高，ZnO晶粒逐渐发育，包围ZnO晶粒的富铋相及富锑尖晶石相逐渐形成，产品特性不

24、断提高，但当温度达到某一最佳温度后，再进一步提高烧成温度，就会出现过分发育的晶粒，同时铋的蒸发加剧，伴随着制品特性的恶化。温度（）温度（）图3-6 ZnO阀片的失重及收缩曲线许多厂象为了改善ZnO阀片的稳定性，都在烧成后增加一道热处理工序，即将阀片升至某一温度后逐渐冷却下来，或对阀片进行一定的冷热循环。 四、氧化锌避雷器（WGMOA）的几个重要参数 无间隙金属氧化锌避雷器是由非线性金属氧化锌电阻片串联成并联组成且无串联成并联放电间隙的避雷器，下面介绍避雷器的几个重要参数： 4.1避雷器额定电压（Ur） 施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值，按照此电压所设计的邀雷器，能在所规定的动作负载试

25、验中确定的暂时过电压下正确地工作。它表明避雷器运行特性的一个重要参数，但它不等于系统标称电压。 4.2避雷器持续运行电压（Uc） 允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压有效值。 4.3避雷器额定频率 避雷器设计使用的电力系统的频率。 4.4 雷电冲击电流 一种 820波形冲击电流。因设备调整的限制，视在波前时间的实测值为 7 s9 s波尾视在半峰值时间为 18 s22 s。 4.5长持续时间冲击电流 一种方波冲击电流，其迅速上升到这大值、在规定时间内大体保持恒定、然后迅速降至零值的冲击波。定义方彼冲击电流的参数为：极性、峰值、峰值视在持续时间和总的视在持续时间。4.6避雷器的放电电流逊雷器动作

26、时通过避雷器的冲击电流。4.7避雷器的标称放电电流（In）用来划分避雷器等级、具有820波形的雷电冲击电流峰值。4.8避雷器的持续电流 施加持续运行电压时流过避雷器的电流。 为了比较，持续电流可用有效值或峰值表示。 注：持续电流由阻性和容性分量组成，随温度、杂散电容和外部污秽影响而变化。因此试品持续电流可不同于整只避雷器的持续运行电流。 4.9避雷器的参考电压（Uref） 参考电压分为工频参考电压（UACref）和直流参考电压（UDCref） 4.9.1避雷器的工频参考电压（UACref） 在避雷器通过工频参考电流时测出的避雷器的工频电压最大峰值除以2多元件串 联组成的避雷器的电压是每个元件工

27、频参考电压之和。 注：测量工频参考电压对动作负载试验中正确选择试品是必需的。 4.9.2避雷器的直流参考电压（UDC.ref） 在避雷器通过直流参考电流时测出的避雷器的直流电压平均值。 注：测量直流参考电压对动作负载试验中正确选择试品是必需的。 4.10避雷器的参考电流 4.10.1避雷器的工频参考电流 用于确定避雷器工频参考电压的工频电流阻性分量的峰值（如果电流是非对称的，取 两个极性中较高的峰值）。工频参考电流应足够大，使杂散电容对所测避雷器或元件（包括设计的均压系统）的参考电压的影响可以忽略，该值由制造厂家规定。注：工频参考电流取决于避雷器的标2. 称放电电流及（或）线路放电等级。对单柱

28、避雷器，参考电流值的典型范围为每平方厘米电阻片面积O.05mA到1.0mA。 在工频参考电流被形因极性而不对称情况下，应取两极性中较高的电流来确定参 考电流。 4.10.2避雷器的直流参考电流 用于确定避雷器直流参考电压的直流电流平均值。 注：避雷器直流参考电流通常取lmA到5mA。 4.11 0.75倍直流参考电压下漏电流 在O.75倍直流参考电压下流过避雷器的漏电流。 4.12避雷器的残压（Ures） 放电电流通过避雷器时其端子间的最大电压峰值。 4.13避雷器的保护特性 由以下各项组合： a）波电流冲击下残压； b）雷电冲击电流下残压； c）操作冲击电流下残压。避雷器的雷电（过电压）保护

29、水平是取下列两项的较高者；陡波电流冲击下最大残压除以1.15；标称放电电流下最大残压。 避雷器的操作冲击保护水平是规定的操作冲击电流下的最大残压。 4.14避雷器的热稳定 避雷器热稳定是指避雷器在动作负载试验后引起温度上升，在规定的环境条件下对避雷器施加规定的持续运行电压，电阻片的温度能随时间而下降，则称此避雷器是热稳定的。 五、氧化锌避雷器的试验避雷器的各项性能必须通过各种试验来验证和考核，新产品定型时，必须通过GB ll032200O 交流无间隙金属氧化物避雷器规定的型试试验项目，避雷器的型试试验项目见下表。 避雷器型试试验项目序号试验项目名称试验依据试验方法试品数量1持续电流试验6.48

30、.12额定电压288kV及以上避雷器1只，其余3只2残压试验a.陡波冲击残压试验b.雷电冲击残压试验c.操作冲击残压试验6.68.33只避雷器（或比例单元）3长持续时间电流冲击耐受试验a.线路放电试验b.方波冲击电流试验6.118.43只比例单元2只避雷器或比例单元4工频电压耐受时间特性试验6.14附录D每点1只比例单元5工频参考电压试验6.3.18.13额定电压288kV及以上避雷器1只，其余3只6动作负载试验a.速老化试验b.大电流冲击动作负载试验c.操作冲击动作负载试验6.138.63只避雷器或比例单元3只避雷器或比例单元3只避雷器或比例单元7密封试验6.88.10额定电压288kV及以上避雷器1只，其余3只8外套的绝缘耐受试验6.28.242kV及以上1只外套42kV以下3只外套9压力释放试验a.大电流压力释放试验b.小电流压力释放试验6.158.71只避雷器（或元件）1只避雷器（或元件）10机械负荷试验6.178.942kV及以上1只避雷器42kV以下3只避雷器11直流参考电压试验6.3.28.14额定电压288kV及以上避雷器1只，