江苏电器 (2007 No.3)氧化锌避雷器技术性能和选择原则
氧化锌避雷器技术性能和选择原则
于梅花
（昆山盛英电气有限公司，江苏 昆山 ２１５３００）
摘 要：分析了避雷器在电力系统中的作用及它的基本特征。针对氧化锌避雷器的三个最重要的参数：额定电压、持续运行电压和雷电波残压，给出了不同使用场合的避雷器的技术参数及选用原则。正确选择氧化锌避雷器，确保电力系统安全经济运行。
关键词：额定电压；持续运行电压；雷电波残压
中图分类号：ＴＭ８６２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７－３１７５（２００７）０３－００３６－０５
Zinc Oxide Arrester Technical Performance and Selecting Principle
YU Mei-hua
（Kunshan Shengying Electrical Co., Ltd, Kunshan 215300, China）
Abstract: Analysis was made on the functionality and its basic features of arresters in power system. Aiming at three most important parameters of zinc oxide arrester: rated voltage, continuous running voltage and lightning wave residual voltage, technicalparameters and selecting principle are given for arresters used in different sites so as to select correct zinc oxide assester, ensuring power system in safe and economic operation.
Key words: rated voltage; continuous running voltage; lightning wave residual voltage
０ 前言
在电力系统中运行的电力设备，除承受正常运行条件下的工频电压外，还会经受暂时过电压、操作过电压、雷电过电压的作用，由于雷电过电压和操作过电压的电压幅值均含超过电力设备的绝缘耐受水平，在过电压的冲击下会损坏设备，发生事故。因此，必须采取各种措施限制电力系统中的过电压。
避雷器是专门用于限制过电压的一种电气设备。对于电力系统的所有电压等级，避雷器都是变电站设备防护雷电冲击耐受电压的基础。在较高电压等级（３３０～５００ｋＶ电力系统中），避雷器主要用以防护操作过电压，也作为决定设备的额定操作冲击耐受电压的基础。
在电力系统运行中的电力设备前装设避雷器，当过电压幅值达到避雷器的动作电压时，避雷器导通，将巨大的雷电流泻入大地，加到电气设备上的
电压为避雷器残压，只要变压器的冲击水平（耐受）高于避雷器残压，变压器在雷电波冲击下就会得到保护。
避雷器的发展史，避雷器的发展经历了四个时期，即：保护间隙、管型避雷器、阀式避雷器和目前的氧化锌避雷器。
氧化锌避雷器就是仅用氧化锌电阻片作为一种阀片元件串联或并联组装成的避雷器。在正常工作电压下，电阻片表现为一个很大的电阻。通过的泄漏电流极小（一般小于几十微安），可视为绝缘体，而在过电压作用下，阀片动作时呈现出低阻特性。来直接释放过电压电流，且残压随释放电流的变化而变小。当冲击或外加电压低于动作电压后，阀片会恢复到原有绝缘状态。因氧化锌电阻片具有良好的长期稳定性，因此氧化锌避雷器不再需要用火花间隙使阀片与电网电压隔离，故通用氧化锌避雷器均为无间隙避雷器。
我国从１９７５年开始进行氧化锌避雷器的研究，生产的氧化锌避雷器，已从低压、高压、发展到超
作者简介：于梅花（１９６８－ ），女，工程师，大专，研究方向为高低压配电盘的设计。
江苏电器 (2007 No.3)
高压（直至５００ｋＶ），性能稳定、质量可靠，在电力系统和电力用户中大量使用，已基本取代阀式避雷器。
１）正常运行条件下的工频电压：是长期施加在
氧化锌避雷器上的工作电压，它与避雷器的持续运行电压相对应，要按系统最高工作电压标，见表１。
表１ 系统最高工作电压
系统电压／ｋＶ最高工作电压／ｋＶ
３３．６
６７．２
１０１２
２０２４
３５
６６
１１０
２２０２５２
３３０３６３
５００５５０
１ 氧化锌避雷器的基本特征
氧化锌避雷器电阻片的材料组成是以高纯度的ＺｎＯ为主要成份，加入少量的氧化铋、氧化钴、氧化铬、氧化锰、氧化锑以及微量金属氧化物等添加剂经过混合造粒、成型、高温烧结而成。氧化锌电阻片低阻的ＺｎＯ晶粒和高阻的晶粒界层表现出优异的非线性伏安特性。在低电压下，ＺｎＯ晶粒的电阻率约为１０Ω・ｍ，在高电压下转为低阻状态。
氧化锌电阻片在交直流小电流区域中的特性： （１）在直流电压作用下，小电流区域为１～２ｍＡ直流泄漏电流。
（２）在交流电压作用下，ＺｎＯ电阻片的电流主要是容性电流和阻性电流，两者之比值为５～２０（一般为１０）。
氧化锌避雷器放电容量水平的评价指标应符合以下三条标准：
（１）在雷电过电压或操作过电压作用下，不致形成破坏的放电能量限度。要求：在此能量等级下，ＺｎＯ电阻片在动作负载试验中，不被击穿或沿面闪络放电以致形成破坏，并须完成规定次数的试验。 （２）在反复动作负载试验过程中，Ｕｒｅｆ（参考电压）等有关特性的变化范围应在允许的范围内。要求：一般以Ｕｒｅｆ变化的１０％为使用限度。 （３）动作负载试验后温度升高，在持续运行电压下经过规定时间，泄漏电流不应有实质性增大，不发生热崩溃。要求：在承受规定的负载时引起温度升高后，在继续的工作电压下避雷器的温度能稳定下来。
４０．５７２．５１２６
２）暂时过电压：通常产生于系统接地故障、负荷突变、谐振与铁磁谐振。它的严重性取决于其幅值持续时间。
３）操作过电压：产生于线路的合闸和重合，故障和切除故障，切合电容性负荷，切合空载变压器、感性负荷等。
４）雷电过电压：又称大气过电压，是由直击雷和反击雷或者感应雷产生过电压，幅值高、能量大，对设备的绝缘构成很大威胁，２２０ｋＶ系统及以下电气设备绝缘水平由避雷器残压决定。２．１ 氧化锌避雷器基本参数２．１．１ 避雷器额定电压
按ＩＥＣ标准规定，避雷器注入标准规定的能量后，必须能耐受相当于额定电压数值的暂时过电压至少１０ｓ，是避雷器运行的重要指标。 避雷器额定电压按（１）式选择［１］：
Ｕｒ≥ｋＵｔ （１） 式中：Ｕｒ—避雷器额定电压 Ｕｔ—暂时过电压
ｋ —切除短路故障时间系数。１０ｓ及以内切除故障ｋ＝１．０，１０ｓ以上切除故障ｋ＝１．３。 在选择避雷器额定电压时，仅考虑单相接地时，甩负荷和长线电容效应引起的暂时过电压，可按表２选取。避雷器额定电压推荐值，见表３。
２ 氧化锌避雷器特性的基本参数及技术要求
根据过电压波形划分，作用于设备上的电压可分为：正常运行条件下的工频电压、暂时过电压、操作过电压和雷电过电压四种。
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表３ 避雷器额定电压推荐值
接地方式
电压类别
非直接接地
１０ｓ及以内切除故障
系统标称电压／ｋＶ
３ ６ １０ ２０ ３５ ６６
１０ｓ以上切除故障３ ６ １０ ３５ ６６
１１０（９６）
避雷器额定电压／ｋＶ４ ８ １３．２ ２６．４ ４２ ７２
５ １０ １７ ５４ ９６
１０２１０８
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直接接地
２２０（１９２）２０４２１６
３３０母线（２７６）２８８３００
线路（２８８）３００３１２
５００母线（３９６）４２０４４４
注：圆括号内数据适用于输电线路较短，暂时过电压较低的电缆。
保护发电机的避雷器额定电压按１．２５倍发电机额定电压选择，见表４。
表４ 保护发电机避雷器额定电压推荐值
发电机额
３．１５６．３１０．５１３．８１５．７５１８２０２２２４２６
定电压／ｋＶ避雷器额
４８１３．２１７．５２０２２．５２５２７．５３０３２．５
定电压／ｋＶ
如：２ｍｓ方波容量为４００Ａ。
表６ 保护电容器组避雷器的选用
避雷器电压／ｋＶ０．２８０．５０
系统电压／ｋＶ０．２２０．３８
避雷器持续运行电压／ｋＶ
０．２４０．４２
放电电流１．５ｋＶ残压峰值／ｋＶ１．３２．６
直流１ｍＡ参考电压／ｋＶ０．６１．２
变压器中性点避雷器额定电压选择，见表５。变压器中性点避雷器的雷电保护因数不得小于１．２５，宜尽量选择额定电压值较高的避雷器。一般用于直接接地系统时，不低于系统最高工作相电压。非直接接地系统可按１０ｓ以上切除故障的线端避雷器额定电压选取。
表５ 变压器中性点避雷器额定电压推荐值
电压类别系统标称电压／ｋＶ避雷器额定电压／ｋＶ
３５
６
中性点绝缘水平
全绝缘１０
３５５４
６６９６
１１０８４
分级绝缘２２０１５０
３３０８４
５００１０２
１０１７
中性点的绝缘水平为３５ｋＶ级的１１０ｋＶ变压器宜采用Ｙ１Ｗ－６０型避雷器。在相电压下可以运行１００ｓ，排除断路器非全相动作时间超过１００ｓ，应采用１３０ｍｍ的棒间隙并联使用。对１９８５年后产生的１１０ｋＶ变压器其中燃烧绝缘水平为４０ｋＶ级，应选用Ｙ１Ｗ－７３型避雷器保护。
保护补偿性电容器组用避雷器的选用，见表６。电力系统中，供电负荷变化很大，其功率因数也有相当大的波动，采用大量电容器进行补偿。以稳定系统电压，提高功率因数，减少线损。在投切电容器过程中，因并联补偿电容器的容量大，故操作冲击能量很大，应采用氧化锌避雷器才能有效的保护。对保护电容器组避雷器的选用主要考虑其能量吸收能力和操作过电压的保护水平。保护电容器组避雷器通流容量大，不同于同级电压的其他保护避雷器，２．１．２ 避雷器最大持续运行电压Ｕｃ
避雷器最大持续运行电压Ｕｃ应与避雷器额定电压Ｕｒ近似成正比，一般情况Ｕｃ≥０．８Ｕｒ，且不得低于以下规定值（进口氧化锌避雷器取Ｕｃ＝０．８Ｕｒ）： （１）直接接地系统：Ｕｃ≥Ｕｍ （２）非直接接地系统：１０ｓ及以内切除故障时Ｕｃ≥Ｕｍ；１０ｓ以上切除故障时Ｕｃ≥Ｕｍ（３５～６６ｋＶ），Ｕｃ＞１．１Ｕｍ（３～１０ｋＶ）。
保护发电机避雷器持续运行电压不得小于发电机额定电压值。
无间隙金属氧化锌避雷器持续运行电压和额定电压见表７［２］。２．１．３ 避雷器分类
按标称放电电流分为２０、１０、５、２．５、１．５ｋＡ五类见表８［１］。
２．１．４ 保护水平
１）雷电冲击保护水平，标称放电电流（８／２０μｓ）下的残压值为避雷器的雷电冲击保护水平。陡波标称放电电流（１／５μｓ）下的残压值与标称放电电流下的残压值之比不得大于１．１５。 ２）雷电保护因数，电气设备全波冲击绝缘水平与雷电冲击保护水平之比值为避雷器的雷电保护因数，该因数不得小于１．４。 ３）操作波保护因数，电气设备操作冲击绝缘水平与操作冲击保护水平之比值为避雷器的操作波保护因数，该因数不得小于１．１５。
氧化锌避雷器技术性能和选择原则
表７ 无间隙金属氧化锌避雷器持续运行电压和额定电压
系统方式有效接地不接地
１１０ｋＶ２２０ｋＶ３３０、５００ｋＶ３～２０ｋＶ３５、６６ｋＶ消弧线圈低电阻高电阻
持续运行电压／ｋＶ
相地ＵｍＵｍＵｍＵｍ）１．１Ｕｍ；Ｕｍｇ
ＵｍＵｍ；Ｕｍｇ０．８Ｕｍ１．１Ｕｍ；Ｕｍｇ
１．１ＵｍＵｍｇ中性点０．４５Ｕｍ
０．１３Ｕｍ（０．４５Ｕｍ）
０．１３Ｕｍ
０．６４Ｕｍ；ＵｍｇＵｍＵｍＵｍｇ相地０．７５Ｕｍ０．７５Ｕｍ
０．７５Ｕｍ（０．８Ｕｍ）１．３８Ｕｍ；１．２５Ｕｍｇ
１．２５Ｕｍ
１．２５Ｕｍ；１．２５Ｕｍｇ
Ｕｍ
１．３８Ｕｍ；１．２５Ｕｍｇ
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额定电压／ｋＶ
中性点０．７５Ｕｍ
０．１７Ｕｍ（０．５７Ｕｍ）
０．１７Ｕｍ
０．８Ｕｍ；０．７２Ｕｍｇ
０．７２Ｕｍ
０．７２Ｕｍ；０．７２Ｕｍｇ０．８Ｕｍ；０．７２Ｕｍｇ
注：１．２２０ｋＶ括号外数据分别对应变压器中性点经接地电抗器和不接地。 ２．３３０ｋＶ、５００ｋＶ括号外、内数据分别与工频过电压１．３ｐ．ｕ和１．４ｐ．ｕ对应。
３．２２０ｋＶ变压器中性点经接地电抗器接地和３３０ｋＶ、５００ｋＶ变压器或高压并联电抗器中性点经接地电抗器接地时，接地 电抗器的电抗与变压器或高压并联电抗器的零序电抗之比小于或等于１／３。 ４．Ｕｍｇ为发电机系统最高工作电压。
表８ 避雷器分类
标称放电电流／ｋＡ
２０１０５２．５１．５
避雷器额定电压Ｕｒ／ｋＶ３６０≤Ｕｒ≤４６８３≤Ｕｒ≤３６０Ｕｒ≤９６Ｕｒ≤３６Ｕｒ≤１５０
适用系统标称电压／ｋＶ
５００（电站）３～３３０（电站）３～３３６
（配电网、保护电容器）３～２６（保护电机）３～５００（保护变压器中性点）
大冲击电流／ｋＡ（４／１０μｓ）
１００１００６５２５
３ 氧化锌避雷器的选用原则
氧化锌避雷器的选择按上述氧化锌避雷器特性的基本参数及技术要求选择确定，并须符合氧化锌避雷器的使用条件：系统最高工作电压、额定频率、海拔高度、环境温度、最高相对湿度、最大风速、敷冰厚度、日照能量、污秽等级、耐地震能力等。氧化锌避雷器有很多个参数，在我们选用氧化锌避雷器时，它的额定电压、持续运行电压和雷电波残压三个参数最为重要。３．１ 避雷器额定电压Ｕｒ
氧化锌避雷器的额定电压是指施加在避雷器两端的最大允许工频电压有效值。按照此电压设计的避雷器，能在所规定的动作负载试验中确定的暂时过电压下正确地工作。也就是说避雷器在一次或多次雷电冲击作用后能承受规定时间（１０ｓ）的额定电压，随后在持续运行电压下（３０ｍｉｎ）能够达到热稳定状态。 因此，额定电压是表征氧化锌避雷器运行特性
的一个重要指标，它实际上表明了避雷器对暂时过
电压的耐受能力。
氧化锌避雷器额定电压的选择主要决定于其安装地点的暂时过电压。这个暂时过电压主要考虑单相接地时，健全相电压的升高、长线路电容效应和甩负荷等因素，它与系统接地状态有关，避雷器的额定电压应不低于安装地点的暂时过电压值；在中性点非有效接地系统，３～６６ｋＶ通常取１．２５～１．３８倍最高工作电压Ｕｍ作为避雷器额定电压。而对１１０～５００ｋＶ直接接地系统，避雷器的额定电压通常取０．７５～０．８倍最高工作电压Ｕｍ。３．２ 持续运行电压Ｕｃ
氧化锌避雷器持续运行电压是允许持久的施加在避雷器两端之间的工频电压有效值。国外制造厂生产的氧化锌避雷器要进行２０００ｈ运行验证。氧化锌避雷器额定电压是约为持续运行电压的１．２５倍。避雷器的持续运行电压不低于安装地点的最高工作电压；在中性点非有效接地系统中３～６６ｋＶ通常取１．２５～１．３８倍最高工作电压。在直接接地系统，
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１１０～５００ｋＶ系统通常取最高工作电压除以 ３，即Ｕｍ３．３ 氧化锌避雷器残压
氧化锌避雷器的保护水平完全由它的残压来决定，它包括陡波残压、标称雷电波残压和操作波残压。
陡波残压：在发变电站附近的直击雷，其过电压是陡波。用１／（５～２０）μｓ波形的标称放电电流下的残压值表征。标称雷电波残压：它是标称雷电波电流流过避雷器时在其非线性电阻片上的压降。电器设备全波冲击绝缘水平与雷电冲击保护水平之比值为避雷器的雷电保护因数。该因数不得小于１．４，这也是我们在选择避雷器时的重要指标。
４ 结语
避雷器在电力系统中是必不可少的重要设备，
它的性能可确定其他电器设备绝缘水平。在电力系统运行的电器设备受到雷电冲击和操作过电压时由于避雷器的保护，确保电力系统安全经济运行。为此，正确选择好氧化锌避雷器是极为重要的。
参考文献
［１］ ＤＬ／Ｔ６１３－１９９７ 进口交流无间隙金属氧化物避雷 器技术规范［Ｓ］，１９９７．
［２］ ＤＬ／Ｔ６２０－１９９７ 交流电气装置的过电压保护和绝 缘配合［Ｓ］，１９９７．
修稿日期：２００７－０３－２１
（上接第１３页）
次比较型的转换器具有较快的转换时间，适合数据实时转换的电路，Ａ／Ｄ０８０９和单片机的硬件接口有３种方式：查询方式、中断方式和等待延时方式，由于需要实时转换数据，中断方式是较好的选择。
制部分，采用模块化结构，在程序设计上充分考虑系统各功能模块之间的协调，监控程序用于控制系统的工作状态，包括系统的初始化、键盘扫描和执行、数据显示。控制过程的流程图如图４所示。
３ 控制系统软件设计
４ 结语
程序采用ＭＣＳ－５１汇编语言编写，主要是系统控
系统采用单片机对信号的采集﹑处理过程进行
控制，使用软件编程减少了硬件电路设计的复杂性，有较强的数据处理能力，具有较好的精度和稳定性。由南京某路桥公司实际应用表明：该矿石皮带输送
机具有较好的动态测量性能，测量结果准确可靠，硬件电路结构较之传统的称重系统相对简单。
参考文献
［１］ 夏静，张石平．连续物料输送机单片机称重装置设 计［Ｊ］．起重运输机械，２００６（８）：２２－２５．
［２］ 吕泉．现代传感器原理及应用［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，２００６．
［３］ 吴国经．单片机应用技术［Ｍ］．北京：中国电力出 版社，２００４．
［４］ 邹逢兴．计算机硬件技术及应用基础［Ｍ］．北京：国
图４ 软件流程图
防科技大学出版社，２００１．
收稿日期：２００７－０２－１５
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