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避雷器的分类与应用

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  • 发布时间:2020-07-14 13:10
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  避雷器器是一种过电压保护装置,当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时,避雷器动作,释放电压负荷,将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下,从而保护设备绝缘所能承受的水平,现代避雷器除了限制雷电过电压外,还能限一部分操作过电压,因此称之过电压限制器是否确切的。

  避雷器装在需限制过电压的地方,例如:变压器高低压侧、线路进出线侧、母线、电缆端头、发电机出口、架空线路等地方。所以很多电力设备中应用得很广泛。

  一、避雷器的作用

  避雷器是变电站被保护设备免遭雷电冲击波袭击的设备。当沿线路传入变电站的雷电冲击波超过避雷器保护水平时,避雷器首先放电,并将雷电流经过良导体安全的引入大地,利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下,使电气设备受到保护。

  避雷器实质上是一种放电器,并联连接在被保护设备附近。避雷器保护作用原理如图所示。避雷器的击穿电压要比被保护设备的低。当过电压波沿线路入侵并超过避雷器的放电电压时,避雷器首先放电把入侵波导入大地,限制了作用于设备上的过电压数值,从而保护了设备绝缘免遭击穿破坏。当入侵波消失后,避雷器应能自行恢复绝缘能力,以免造成工频接地短路事故。

  二、避雷器在变压器的应用

  过电压对变压器的伤害是非常大的。变压器过电压有大气过电压和操作过电压两类。操作过电压的数值一般为额定电压的2——4.5倍,而大气过电压则可达到额定电压的8—12倍。变压器设汁的绝缘强度—般考虑能承受2.5倍的过电压。因此超过2.5倍的过电压,不论哪—种过电压都有可能使变压器绝缘损坏。变胀器内部的电压分布受电压的频率和变压器的电阻、感抗、容抗的影响有很大差异,在工频电压情况下容抗是很大的,由它构成的电路相当于断路,因此,正常情况下变压器内部电压分布只考虑电阻和电感就可以了,其分布基本均匀的。大气过电压或操作过电压基本是冲击波,由于冲击波的频率很高,波前陡度很大,波前时间为1.5μs的冲击波其频率相当于160kHz,因此,在过电压冲击波的作用下,变压器容抗很小,对变压器内部电压的分布影响很大。

  为了防止过电压损坏变压器,首先安装避雷器,不使超过绕组绝缘强度的电压幅值作用到绕组上。并且在高空的雷击时会先通过其避雷器把高放电电流导入地下,从而使变压器等设备得到保护。

  三、避雷器的分类

  避雷器按其发展的先后可分为:

  保护间隙——是最简单形式的避雷器

  管型避雷器——也是一个保护间隙,但它能在放电后自行灭弧。

  阀型避雷器——是将单个放电间隙分成许多短的串联间隙,同时增加了非线性电阻,提高了保护性能。

  磁吹避雷器——利用了磁吹式火花间隙,提高了灭弧能力,同时还具有限制内部过电压能力、

  氧化锌避雷器——利用了氧化锌阀片理想的伏安特性(非线性极高,即在高电压时呈低电阻特性,限制了避雷器上的电压,在正常工频电压下呈高电阻特性),具有无间隙、无续流残压低等优点,也能限制内部过电压,被广泛使用。

  在上述的分类类型中,保护间隙和管型避雷器主要用于配电系统、线路和发电厂、变电所进线段的保护,以限制入侵的大气过电压;阀型避雷器和氧化锌避雷器用于变电所、发电厂及变压器的保护,在220kV及以下系统中主要用于限制大气过电压,在超高压系统中还用来限制内过电压或作内过电压后备保护。阀型避雷器和氧化锌避雷器的保护性能对变电器或其他电器设备的绝缘水平的确定存在着直接影响。

  避雷器有高压和低压避雷器之分, 电涌保护器的种类名目繁多,在我国的市场上已经超过了上百种,如何对不同品牌、不同型号的避雷器进行分类也许就摆在我们面前。从组合结构分;现在市场上的避雷器有几下几种:

  1.间隙类——开放式间隙、密闭式间隙

  2.放电管类—开放式放电管密封式放电管

  3.压敏电阻类——单片、多片

  4.抑制二极管类

  5.压敏电阻/气体放电管组合类——简单组合、复杂组合

  6.碳化硅类——按照其保护性质有可以分为:开路式避雷器、短路式避雷器或开关型、限压型。

  四、避雷器的结构和特性

  1、开放式间隙避雷器:工作原理:基于电弧放电技术,当电极间的电压达到一定程度时,击穿空气电弧在电极上进行放电。优点:放电能力强,通流量大(可以达到100KA)漏电流小热稳定性好缺点:残压高,反映时间慢,存在续流。工艺特点:由于金属电极在放电时承受较大电流,所以容易造成金属的升华,使放电腔内形成金属镀膜影响避雷器的启动和正常使用。放电电极的生产主要还是集中在国外一些避雷器生产企业,,电极的主要成分是钨金属的合金。工程应用:该种结构的避雷器主要应用在电源系统做B级避雷器使用。但由于避雷器自身的原因容易引起火灾,避雷器动作后(飞出)脱离配电盘等事故。根据型号的不同适合与各种配电制式。工程安装时一定要考虑安装距离,避免引起不必要的损失和事故。

  2、密闭式间隙避雷器:现在国内市场有一种多层石墨间隙避雷器,这种避雷器主要利用的是多层间隙连续放电,每层放电间隙相互绝缘,这种叠层技术不仅解决了续流问题而且是逐层放电,无形中增大了产品自身的通流能力。优点:放电电流大测试最大50KA(实际测量值)漏电流小无续流 无电弧外泻 热稳定性好。缺点:残压高,反映时间慢。工艺特点:石墨为主要材料,产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时的散热问题,不存在后续电流问题,最大的特点是没有电弧的产生,且残压与开放式间隙避雷器比较要低很多。工程应用:该种避雷器应用在各种B、C类场合,与开放式间隙比较不用考虑电弧问题。根据型号的不同该种产品适合与各种配电制式。

  3、开放式放电管避雷器:实质与开放式间隙避雷器是一样的产品,都属于空气放电器。但是与间隙放电器比较它的通流能力就降了一个等级。优点:体积小通流能力强(10-15KA) 漏电流小 无电弧喷泻缺点:残压较高 有续流 产品一致性差(启动电压、残压)反映时间慢。

  4、密闭式气体放电管:也叫惰性气体放电管,主要是内部充盈了惰性气体,放电方式是气体放电,靠击穿气体来起到一次性泻放电流的目的。一般有2极和3极两种结构。。优点:体积小(气体管可以很小)通流量大无电弧。缺点:产品一致性差(启动电压、残压)有续流残压较高工艺特点:空气放电管还是属于开放式产品,在工作时不保证绝对没有点火花从排压孔喷出,气体放电管是密封结构,一般有2极和3极良种结构形式,一般3极有热保护装置(短路装置),在放电管工作时温度超过了一定范围,短路装置启动使放电管整体导通。防止温度过高造成放电管内气压生高器件爆裂。工程应用:一般空气放电管现在很少应用,而气体放电管现在被广泛的应用在信号防雷器上。型号的不同也有在电源避雷器上使用

  5、单片压敏电阻避雷器:是80年代由日本最先发明使用。直到现在,单片敏电阻的使用率也是避雷器中最高的。压敏电阻避雷器的工作原理是利用了压敏电阻的非线性特点。当电压没有波动时氧化锌呈高阻态,当电压出现波动达到压敏电阻的启动电压时压敏电阻迅速呈现低阻态,将电压限制在一定范围内。

  6、多片压敏电阻避雷器:由于单片压敏电阻的通流量一直不够理想(一般单片压敏电阻最大放电电流在20KA\8/20uS),在这种前提下多片组合压敏电阻避雷器产生,多片压敏电阻组合避雷器主要是解决了单片压敏电阻的通流量较小,不能满足B级场合的使用。多片压敏电阻的产生从根本上解决了压敏电阻通流量的问题。优点:通流容量大,残压较低,反应时间较快(≤25ns),无跟随电流(续流)。缺点:漏电流较大,老化速度快。热稳定一。工艺特点:多数采用积木结构。工程应用:根据结构不同,压敏电阻避雷器广泛的应用在B、C、D级以及信号避雷器。但是应解决的问题是工程中有个别产品存在燃烧现象,所以在产品选型时应注意厂家使用的外壳材料。

  7、抑制二极管类防雷器:抑制二极管类防雷产品主要是网络等信号避雷产品中大量的应用,主要采用的器件有P*KE(雪崩管)等系列等产品。工作原理是基于PN结反向击穿保护。优点:残压低动作精度高 反应时间快无续流 体积小缺点:通流量小。

  8、组合式避雷器:典型结构是N-PE结构形式,这种避雷器与单一结构的避雷器相比,综合了两种不同产品的优点,而减少了单一器件的缺点。优点:通流量大反应时间快。缺点:残压相对较高。工程应用:仅在N-PE制式使用的避雷器,适合电压波动率较大地区使用。

  9、复杂型组合式避雷器:这种避雷器充分发挥各种元器件的优点,在结构上一般使用数量较多的压敏电阻和气体放电管。这种结构的避雷器一般具有较高的通流能力,且残压较低。行业内也称这种结构的避雷器为一体化避雷器。优点:通流量大反映时间快 残压低无续流 热稳定性好。缺点:无声音报警 无计数器。工艺特点:一体化避雷器的电路结构紧凑,充分发挥了氧化锌电阻反映时间快的特点,有结合了气体放电管具有较高通流能力的优点。在电路上避雷器使用了较多的氧化锌电阻来提高整体避雷器的通流能力,用气体放电管作为备用放电通道。基于这种完善的电路结构使避雷器的使用寿命大大提高。工程应用:一体化避雷器根据型号的不同广泛应用与B、C、D各种安装环境。由于是一体化设计,所以更适合在不具备安装距离的场合使用。(IEC规定B、C、D模块化避雷器三级间的最短距离在10M以上)。

  上图为阀型避雷器,它由火花间隙及阀片电阻组成,阀片电阻的制作材料是特种碳化硅。利用碳化硅制作发片电阻可以有效的防止雷电和高电压,对设备进行保护。当有雷电高电压时,火花间隙被击穿,阀片电阻的电阻值下降,将雷电流引入大地,这就保护了电气设备免受雷电流的危害。在正常的情况下,火花间隙是不会被击穿的,阀片电阻的电阻值上升,阻止了正常交流电流通过。阀型避雷器是利用特种材料制成的避雷器,可以对电气设备进行保护,把电流直接导入大地。

  五、避雷器型号规格

  要了解一个避雷器的使用,了解它的型号说明也是非常有必要的。如下图介绍了金属氧化物避雷器的型号规格说明。

  一般来说,对避雷器一般有如下几个基本要求:首先要具有较强的绝缘自恢复能力,其次是具有平直的伏秒特性曲线,最后是具有一定通流容量。所以在制造电力避雷器的涉及的几个指标需要我们予以关注的

  (1)伏秒特性:指电压与时间的对应关系。

  (2)工频续流:指雷电压或过电压放电结束,但工频电压仍作用在避雷器上,使其流过的工频短路接地电流。

  (3)绝缘强度自恢复能力:电气设备绝缘强度与时间的关系,即恢复到原来绝缘强度的快慢。

  (4)避雷器的额定电压:把工频续流第一次过零后, 间隙所能承受的,不至于引起电弧重燃的最大工频电压,又称电弧电压。

  在给电力设备安装避雷器时,需要注意它的正常使用条件:①适合于户内外运行;②环境温度为+40℃~-40℃;③可经受阳光的辐射;④海拔高度不超过其设计高度;⑤电源的频率不小于48Hz、不超过62Hz;⑥长期施加于避雷器的工频电压不超过避雷器持续运行电压的允许值;⑦地震烈度7度及以下地区。当注意到这些条件的时候,才能把避雷器安装在正确的场合使它发挥我们所需要的保护效果。

  在避雷器的运行中也会有事故的发生,例如在避雷器运行中发生爆炸的事故是经常发生的,爆炸的原因可能由系统的原因引起,也可能为避雷器本身的原因引起:

  由于中性点不接地系统中发生单相接地,使非故障相对地电压升高到线电压,即使避雷器所承的电压小于其工频放电电压,而在持续时间较长的过电压作用下,可能会引起爆炸;

  由于电力系统发生铁磁谐振过电压,使避雷器放电,从而烧坏其内部元件而引起爆炸;

  线路受雷击时,避雷器正常动作。由于本身火花间隙灭弧性能差,当间隙承受不住恢复电压而击穿时,使电弧重燃,工频续流将再度出现,重燃阀片烧坏电阻,引起避雷器爆炸;

  或由于避雷器阀片电阻不合格,残压虽然降低,但续流却增大,间隙不能灭弧而引起爆炸;

  由于避雷器密封垫圈与水泥接合处松动或有裂纹,密封不良而引起爆炸 、

  六、避雷器运行注意事项

  1、雷雨时,人员严禁接近防雷装置,以防止雷击泄放雷电流产生危险的跨步电压对人的伤害,防止避雷针上产生较高电压对人的反击,防止有缺陷的避雷器在雷雨天气可能发生爆炸对人的伤害。

  2、500kV避雷器泄漏电流值相与相之间差值不能超过20%,以及每相泄漏电流值变化不能超过20%。

  3、避雷器的泄漏电流明显增加时,应申请停电试验,查明原因进行处理。

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