01

避雷器標(biāo)稱放電電流

發(fā)、變電站如果不裝避雷針，則在一般地區(qū)幾十年會(huì)落雷一次，如果裝了避雷針或避雷線，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，則幾百年才會(huì)遭受一次雷擊。

發(fā)、變電站里的電氣設(shè)備所遭受到的外部過電壓 往往是從線路上傳過來的雷電波。

例如110kV的線路，一般使用7片瓷絕緣子，它的絕緣水平只能耐受700kV的沖擊電壓。當(dāng)線路上的雷電波電壓高于700kV時(shí)，就會(huì)對絕緣子造成閃絡(luò)，于是就有700kV的沖擊波傳到變電站來，又由于經(jīng)濟(jì)上的原因，電器設(shè)備的絕緣水平通常低于線路的絕緣水平，例如110kV的變壓器只能耐受480kV的沖擊電壓。

現(xiàn)在傳來的雷電波有700kV，變壓器必壞無疑，所以發(fā)、變電站中所有的電流設(shè)備均應(yīng)當(dāng)受到避雷器的保護(hù)。

但光靠避雷器也是不行的，由于受到氧化鋅材料和制造水平的限制，氧化鋅閥片一般只能通過20kA以下的雷電流，絕大多數(shù)的氧化鋅閥片只能通過5kA的雷電流。

我們知道，在我國，60％以上的雷電流越過20kA，80％以上的雷超過10kA，所以我們還必須想其它的辦法，把襲入線路的雷電流限制在20kA或10kA甚至5kA以下，其次再讓這些過濾下來的雷電流通過避雷器，這個(gè)電流就是避雷器的標(biāo)稱放電電流。

按照我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：避雷器的標(biāo)稱放電電流按不同的電壓等級分別為20、10、5、3、1kA五級，即氧化鋅閥片在這個(gè)電流下可以可靠地工作而本身不會(huì)損壞。

為何叫標(biāo)稱，是因?yàn)橥ㄟ^其它的防雷措施，實(shí)際流過避雷器的雷電流不會(huì)達(dá)到上述規(guī)定的數(shù)值。

例如110kV的氧化鋅避雷器，流過避雷器的雷電流僅為4kA左右，而相應(yīng)的避雷器的標(biāo)稱放電電流為10kA。

02

避雷器的標(biāo)稱雷電波的殘壓

如果懂得了避雷器標(biāo)稱放電電流的含義，則該電流流過避雷器時(shí)，在其非線性電阻片上造成的壓降，即為避雷器的標(biāo)稱雷電波殘壓。

03

避雷器的保護(hù)水平

任何一種電器設(shè)備都有其保護(hù)水平。

例如110kV的變壓器，可以耐受480kV的沖擊電壓，則稱其沖擊絕緣水平為480kV。

如果雷電波超過480kV，則設(shè)備就要損壞。如果我們在設(shè)計(jì)中，把避雷器的標(biāo)稱雷電波殘壓限制在480kV以下，即低于設(shè)備的絕緣水平，則設(shè)備是安全的，所以把避雷器的標(biāo)稱雷電波殘壓叫做避雷器的保護(hù)水平，該保護(hù)水平被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平之差即為保護(hù)裕度。

04

避雷器的額定電壓Ur

一般電力設(shè)備的額定電壓是最好理解的，它們大多與系統(tǒng)的額定電壓相一致，但對于避雷器的額定電壓就不同了，它首先不等于系統(tǒng)的額定電壓，而且碳化硅避雷器和氧化鋅避雷器兩者的額定電壓還不一樣，甚至對于后者的額定電壓有無必要，至今國內(nèi)外的專家還有不同意見。

出現(xiàn)上述情況的主要原因是因?yàn)楸芾灼魇且环N過電壓的保護(hù)設(shè)備。

這種保護(hù)設(shè)備必須做到：

  1）要在比系統(tǒng)正常工作電壓高一定數(shù)值的過電壓出現(xiàn)時(shí)立即導(dǎo)電。

  2） 在該過電壓低于一定的數(shù)值時(shí)，馬上停止導(dǎo)電，恢復(fù)絕緣狀態(tài)。

而避雷器的額定電壓就與比系統(tǒng)正常工作電壓高一定數(shù)值的過電壓有關(guān)，也與避雷器停止導(dǎo)電后能否正常恢復(fù)絕緣水平有關(guān)，所以避雷器的額定電壓不是一個(gè)簡單的問題，它涉及到系統(tǒng)的額定電壓，系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，避雷器在雷電標(biāo)稱放電電流動(dòng)作之后避雷器如何動(dòng)作？

例如對于閥型避雷器，其動(dòng)作是靠空氣間隙的導(dǎo)通，隨之雷電流通過間隙后還要能可靠的滅弧，這樣避雷器才能正常地恢復(fù)到絕緣狀態(tài)。

而對于氧化鋅避雷器，由于它沒有間隙，沒有滅弧的問題，那么用什么來衡量避雷器動(dòng)作后能恢復(fù)到正常絕緣狀態(tài)呢？

這時(shí)就要用到額定電壓的概念，即氧化鋅避雷器在其額定電壓下堅(jiān)持運(yùn)行10秒鐘，然后再降低到持續(xù)運(yùn)行電壓30分鐘，避雷器不會(huì)出現(xiàn)熱崩潰現(xiàn)象。

所以氧化鋅的額定電壓是對避雷器的熱負(fù)荷的考驗(yàn)，是用高于系統(tǒng)額定電壓的一種電壓值來檢驗(yàn)避雷器的耐熱能力。

再進(jìn)一步說明一下：

一般作用于電器設(shè)備上的電壓可以分為：正常運(yùn)行條件下的工頻電壓、暫態(tài)過電壓（產(chǎn)生這種過電壓最通常的原因是單相接地故障）、操作過電壓（產(chǎn)生這種過電壓的主要原因是由于斷路器的操作）和雷電過電壓。

由于氧化鋅避雷器沒有間隙，所以它不僅要直接承受正常工作電壓和暫時(shí)過電壓的作用，而且還要承受雷電過電壓和操作過電壓的作用。

因?yàn)楸芾灼饕軌虺惺軙簳r(shí)過電壓的作用，人們就不得不考慮在暫時(shí)過電壓下避雷器的老化、壽命和熱穩(wěn)定問題。而避雷器的耐受暫時(shí)過電壓的能力，就要用避雷器的額定電壓來衡量，所以避雷器的額定電壓往往大于系統(tǒng)的額定電壓，避雷器在其額定電壓下，運(yùn)行一段時(shí)候（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為10秒鐘）后，能夠正常冷卻下來而不發(fā)生熱崩潰。所以用避雷器的額定電壓來衡量其耐受暫時(shí)過電壓的能力是一個(gè)很復(fù)雜的問題，因?yàn)樯婕暗降倪\(yùn)行條件是復(fù)雜的。避雷器額定電壓的確定、額定電壓的加壓時(shí)間是否與實(shí)際系統(tǒng)有等價(jià)性、合理性都存在許多問題。

例如在標(biāo)準(zhǔn)GB11032－89中，對于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)用無間隙氧化鋅避雷器，通常取1.1倍的最大工作線電壓作為避雷器的額定電壓，于是對于10kV系統(tǒng)用避雷器的額定電壓為：

1.15×10×1.1＝12.65≈12.7（kV）

這就是在1989年的氧化鋅避雷器的國家標(biāo)準(zhǔn)中，10kV產(chǎn)品的額定電壓為12.7kV的由來，上式中的1.15是因?yàn)橄到y(tǒng)的最大運(yùn)行電壓高于正常系統(tǒng)電壓5～15％是正常的，而10kV系統(tǒng)的最大運(yùn)行電壓往往取其上限值15％。

但是還有一種意見認(rèn)為：為了保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，建議提高避雷器的額定電壓。例如電力部安全生產(chǎn)司1993年12月30日第十七期《安全情況通報(bào)》就提出了“關(guān)于提高3--66kV無間隙金屬氧化物避雷器額定電壓和持續(xù)運(yùn)行電壓”的要求，在1997年的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，也對中性點(diǎn)非直接接地的氧化鋅避雷器提高了額定電壓和持續(xù)運(yùn)行電壓。

現(xiàn)在我們知道了，提高了避雷器的額定電壓，就是提高了產(chǎn)品耐受暫時(shí)過電壓的能力，即增加了其使用壽命，但是對于氧化鋅材料而言，額定電壓提高了，殘壓也會(huì)隨之升高，所以避雷器的保護(hù)裕度減小了。

國外有的公司干脆就把避雷器的額定電壓與系統(tǒng)的額定線電壓相對應(yīng)，例如美國G.E.公司的產(chǎn)品目錄中，將中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)用避雷器的額定電壓定為系統(tǒng)額定線電壓的 75～90％，將中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)用避雷器的額定電壓定為系統(tǒng)額定線電壓的1.05～1.25％。

在我們國家，對于在220kV及以下的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，避雷器的額定電壓習(xí)慣上都取為相電壓的1.4倍，對于500kV電網(wǎng)，由于線路較長，電容效應(yīng)的影響較大，所以在母線側(cè)和線路側(cè)的暫時(shí)過電壓不一樣，在線路側(cè)額定過電壓要大一些，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定避雷器的額定電壓在母線側(cè)和線路側(cè)分別取最大相電壓的1.3倍和1.4倍，所以同樣電壓等級的避雷器,往往有幾個(gè)額定電壓就是這樣得出來的。

05

避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓Uc

避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓基本上與系統(tǒng)的最大相電壓相當(dāng)，但對于中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓又要大于故障期間的最大相對地額定工頻電壓。

由于氧化鋅避雷器沒有間隙，于是電網(wǎng)的工頻電壓一直加在它身上，這種電壓的持續(xù)作用有可能使氧化鋅產(chǎn)品產(chǎn)生老化（性能逐漸劣化），所以在避雷器的試驗(yàn)中，當(dāng)危險(xiǎn)的過電壓過去之后，要用額定電壓模擬暫時(shí)過電壓加在避雷器上，時(shí)間為10秒鐘（這個(gè)時(shí)間是由接在電網(wǎng)中的斷路器的動(dòng)作時(shí)間決定的，而在超高壓系統(tǒng)中，即使考慮后備繼電保護(hù)的動(dòng)作，也不超過1秒鐘的時(shí)間），這還不夠，因?yàn)闀簳r(shí)過電壓之后避雷器還要承受系統(tǒng)的運(yùn)行電壓，這時(shí)就用持續(xù)運(yùn)行電壓去模擬系統(tǒng)的最大運(yùn)行相電壓，即系統(tǒng)最大運(yùn)行線電壓除以根號3，加壓時(shí)間為30分鐘，然后再觀察避雷器的溫度是下降還是繼續(xù)上升并造成熱崩潰。所以在某種意義上來說，避雷器的額定電壓和持續(xù)運(yùn)行電壓在試驗(yàn)上具有很大意義而在運(yùn)行中意義不大。

為了說明這一點(diǎn)，我們再看一例。在I.E.C.標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中，要做避雷器的加速老化試驗(yàn)。

因?yàn)檠趸\避雷器長期接在電網(wǎng)中，連續(xù)不斷地承受電網(wǎng)的電壓，所以產(chǎn)品有可能老化，產(chǎn)品接在實(shí)際電網(wǎng)中的老化是自然老化，如果我們認(rèn)為某種避雷器在電網(wǎng)中的正常運(yùn)行時(shí)間為100年，如果用自然老化的方法，那我們要等上100年，這種等待對于任何新產(chǎn)品的開發(fā)是受不了的，所以必須要做人工加速老化試驗(yàn)，即在人為的因素下，用一段不太長的時(shí)間（當(dāng)然不能太短），使產(chǎn)品加速老化，然后把這段時(shí)間去等效自然老化的時(shí)間。

在避雷器的加速老化試驗(yàn)中，首先要加電壓，這個(gè)電壓就規(guī)定要加持續(xù)運(yùn)行電壓，加壓時(shí)間為1000個(gè)小時(shí)（大約42天），如果氧化鋅閥片的表面溫度一直能保持在115±4oC的范圍內(nèi)，則認(rèn)為該避雷器能在持續(xù)運(yùn)行電壓下運(yùn)行100年，這就是人工加速老化的作用，它把人工加壓時(shí)間1000小時(shí)與自然加壓時(shí)間100年聯(lián)系起來，真是極大地提高了效率，真可以這樣說：沒有人工加速老化幾乎就沒有任何電器設(shè)備。

當(dāng)然，至于能否這樣等價(jià)，各國還在進(jìn)一步的研究，但能夠耐受持續(xù)運(yùn)行電壓1000小時(shí)是對氧化鋅閥片的起碼要求，但它真的可以等效100年嗎？

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