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整理避雷器
第五章避雷器
第一节避雷器结构和原理
一、概述
目前在电力系统中运行的避雷器主要有两种类型。
一类是以串联火花间隙与碳化硅阀片为主要元件的传统阀型避雷器,它又分为普通阀型避雷器和磁吹阀型避雷器;另一类是以氧化锌电阻片为主要元件的金属氧化物避雷器,它又分为无间隙、带并联间隙和带串联间隙的金属氧化物避雷器。
二、阀型避雷器
(一)阀型避雷器动作原理
阀型避雷器的主要部件是间隙和阀片。
避雷器在正常运行电压作用下,间隙介质处于绝缘状态,而当电力系统发生的过电压达到间隙的放电电压时,间隙就会放电,较大的冲击电流通过阀片流人大地,释放过电压能量。
由于避雷器的阀片具有非线性,即表现为电压高时电阻低、电压低时电阻高的特点,因此在间隙放电后,避雷器的残压较低,且低于被保护设备的绝缘水平,不致使设备受到危害。
当过电压过去后,在灭弧电压下,阀片电阻又增大,将工频续流限制到一定数值,当工频续流第一次过零瞬间时,间隙将工频续流切断,使电力系统恢复正常运行状态。
(二)阀型避雷器间隙
阀型避雷器的间隙应具备以下特点:
(1)放电伏秒特性曲线平坦,在0.5~20μs(或2000μs)的预放电时间内,放电电压的分散性要小,放电电压值要稳定。
(2)具有一定的灭弧能力,要在续流第一次过零时灭弧。
(3)多次通过额定冲击电流及工频续流后,放电电压不应变化。
我国目前生产的阀型避雷器的间隙形式主要有电弧固定型一平板间隙和电弧运动型一磁吹限流间隙两种。
其主要结构和特点分述如下。
1.平板间隙
单个平板型火花间隙剖面如图5—1所示。
每个火花间隙由两个黄铜电极和一个云母垫片组成,云母垫片的厚度约为O.5~lmm,单个间隙的工频放电电压在2.7~3.2kV(有效值)之间。
由于电极间隙的距离很小,电极间的电场比较均匀,因此间隙的伏秒特性也就比较平坦。
当间隙上的电压还不足以引起放电时,由于云母垫片和空气隙内的介电常数不同,使云母垫片的上、下空气隙中出现较高的电场强度,并导致空气游离,产生局部放电,在游离的同时,也有一部分带电质点复合,并使它们原来获得的游离能以光的形式释放,照射到工作面及其间的气体上产生新的游离,上述照射作用是沿着相当大的圆形区域进行的。
这两个因素都可以便工作面得到游离电子,因而使放电比较稳定、分散性小、伏秒特性平坦。
电场的分布均匀和照射这两个条件,可以使阀型避雷器的单个间隙的冲击系数下降到1.1左右(冲击系数=冲击放电电压/工频放电电压峰值)。
间隙的灭弧可以利用电弧电流周期性过零的特点来实现。
当电弧电流较小,且电极有良好的冷却条件时,可以利用冷阴极的近极效应在电流过零瞬间即获得介质强度的恢复。
对于铜电极,电弧电流过零瞬间间隙的绝缘介质强度可以恢复到250V左右,随着时间的推移,绝缘强度还将不断提高。
由于与间隙串联的阀片电阻具有非线性,因此使通过问隙的电流由正弦波变为尖顶波。
在电流过零前,续流被限制得很小。
阀片的非线性越好,限流的效果越明显,此限制相当于延长了续流过零的时间,所以间隙的初始恢复强度要增大,单个间隙的初始恢复强度可达到600~700V。
串联的间隙越多,总的初始恢复强度也就越大,所以用串联的短间隙来代替长间隙对熄弧是十分有利的。
火花间隙除了要有一定的初始恢复强度外,还必须有尽可能快的介质强度恢复速度。
如果介质强度恢复较慢,在恢复电压上升到某一值时就能使间隙重新击穿。
当电流过零后,间隙所能承受的最大工频电压称为间隙的灭弧电压,而把间隙的工频放电电压和灭弧电压之比称为间隙的切断比。
由于介质强度的恢复需要一个去游离过程,所以间隙的灭弧电压总是低于其工频放电电压的,也就是说切断比一般都大于1。
切断比越小说明间隙的介质恢复越快。
因此切断比是体现间隙熄弧能力的重要指标。
然而介质强度恢复的快慢是和所切断的电流大小有关的,所以切断比通常都和切断电流并提。
例如切断80A(幅值)续流时切断比为l.8。
实验证明,短间隙的介质强度恢复速度与间隙的距离有关,间隙距离越短时,其介质强度恢复越快。
这是因为短间隙的去游离主要是靠在极板上的复合以及通过极板的散热来实现的,电极间距离越短,去游离的作用就越强。
但间隙距离也不能过小,当小至0.5mm以下时,放电电压很难稳定。
2.磁吹限流间隙
磁吹限流间隙由灭弧盒、羊角电极和均压电阻等组成,其结构见图5—2。
由灭弧盒4上、下盖之间形成灭弧腔,两电极布置在同一平面上,电极间距离约1mm,照射装置2并联在均压电阻3旁。
照射产生的电子直接输送到间隙的放电部位,使之处于激发状态。
灭弧盒的直径在76~90mm之间。
均压电阻使电压在间隙组内的各个间隙上均匀分配。
间隙组通常由4~7个单间隙组成,每组内配置l~2个线圈,以产生吹弧磁场,线圈旁并联辅助间隙。
在冲击波下使线圈短路,即保护了线圈,同时又不增加电感压降。
灭弧盒内圈做成环齿状,以增加拉弧路径。
灭弧盒之间叠合非常紧密,防止电弧吹出间隙组外造成闪络。
当间隙击穿后,电弧将被磁吹线圈产生的轴向磁场拉入灭弧齿中,电弧的长度由起弧点1mm左右,不断拉长,到齿根时可达到150mm。
在齿根区电弧被拉长、挤压、冷却,强烈的去游离,形成了很高的电弧压降,起到了限制工频续流的作用,给击穿点的介质强度恢复创造了有利的条件。
减小灭弧盒夹缝的距离,使弧柱与灭弧盒壁充分接触,可以强化去游离,提高电弧压降。
不同材料制成的灭弧盒由于其导热系数和热容量不同,冷却效果不一样,电弧压降也不同。
采用这种间隙后,可以适当减少避雷器阀片,从而降低了残压。
因此,我国目前生产的磁吹避雷器基本采用这类间隙。
(三)阀型避雷器阀片
阀片是避雷器的主要元件之一,它是用碳化硅及结合剂制成的圆饼状物,其上下两面喷铝作为电极,侧面涂有绝缘釉,以防在高电压下发生沿侧面闪络。
非线性系数a(或伏安特性)和通流容量是表示阀片性能的两个主要指标。
阀片应具有良好的非线性和足够的通流能力。
1.阀片伏安特性
阀片的电阻值是随通过的电流而改变的。
阀片非线性伏安特性如图5—3所示。
计算公式为
U=cIa(5—1)
式中I——流过阀片的电流;
U——电流在阀片电阻上的压降;
f——与材料有关的常数;
a——非线性系数。
非线性系数“是表征阀片电阻非线性的重要参数,其值介于0~l之间。
当a=O时,为理想的非线性电阻;当a=1时,为线性电阻。
“值越小,则非线性程度越高,一般在O.2左右。
从图5—3的伏安特性上可以看到,当很大的雷电流流过非线性电阻时,非线性电阻将呈现很大的电导率,使避雷器上出现的残压U0不致过高。
当雷电流过去后,加在阀片上的电压是系统电压Ux时,非线性电阻的电导率将突然下降而将工频续流限制到很小的数值。
在这里,非线性电阻和阀门一样起着自动节流的作用,这也就是阀型避雷器名称的由来。
显然,续流的减小对避雷器的安全运行是十分有利的,它为火花间隙切断工频续流创造了良好的条件,也可以避免系统在避雷器动作时形成短路。
2.阀片通流容量
通流容量表示阀片通过电流的能力。
因为避雷器中通过的电流主要有两种:
一种是雷电流;另一种是工频电流。
所以通流容量也有冲击和工频两种。
试验证明,阀片的通流能力和通过阀片的累积能量有关,所以阿片的冲击通流容量要以具有一定波形和幅值的电流所允许通过的次数来表示,而工频通流容量则以具有一定幅值的半波电流所允许通过的次数来表示。
目前我国生产的碳化硅阀片按照材料配方和烧成温度可分成两大类:
一类是普通阀型避雷器用的低温阀片;另一类是磁吹阀型避雷器用的高温阀片。
低温阀片是在300~350℃的温度下烧成的,它的非线性系数小(约为0.2),但通流能力低且易受潮。
高温阀片是在1350~1390℃的氢气炉内烧成的,其通流能力较大(当波形为2000μs方波时,可达800~1000A),也不易受潮,但其非线性系数却较高(约为0.24)。
(四)阀型避雷器非线性并联电阻
前面只介绍了单个间隙的特性,事实上阀型避雷器的间隙是由数个或数十个单间隙组成的。
多个间隙串联后将形成一电容链。
由于电极片对地和对高压端盖的部分电容的影响,电压在各间隙上分布是不均匀的。
更严重的是这种不均匀属于不稳定的,它受瓷套表面情况影响很大,例如由于淋雨或湿污秽而使外瓷套上的电压分布改变时,间隙串的电压分布也就随着改变,这样避雷器的工频放电电压就很不稳定。
为了解决这个问题,可在每个间隙(或间隙组)上并联一分路电阻。
如果并联分路电阻后,流过分路电阻的电导电流比电容电流大得多,则间隙串上的电压分布将由分路电阻来决定。
此时只要使与间隙并联的分路电阻的阻值相等,各个间隙上的电压就基本上相等了。
必须注意到,采用分路电阻后,在系统额定相电压的作用下,分路电阻中将长期有电流通过(这一电流称为避雷器的泄漏电流),但这一电流较小,不会超过分路电阻的热容量。
非线性并联电阻的材料配方及工艺与高温阀片基本相同。
现有产品所采用的非线性并联电阻为弧形或扁条形状。
对于FZ型避雷器用的非线性并联电阻,在直流电流为60μA及600μA两点下测量时,其a值应在0.35~0.45范围内。
经过长期运行后的非线性并联电阻会逐渐老化的,一般表现为阻值增加,电导电流下降。
其主要原因是由于电晕、臭氧及电阻发热等的作用,引起碳化硅触点氧化膜增厚所致。
为了减缓电阻老化,在制造中均使之充分烧结和用冲击大电流进行稳定处理。
(五)阀型避雷器性能
阀型避雷器的基本性能有以下几方面。
(1)保护性能:
限制过电压,保护电气设备绝缘不受过电压损坏;
(2)灭弧性能:
过电压引起避雷器动作后,间隙能迅速熄灭电弧而不中断系统正常输电;
(3)通流能力:
避雷器动作过程中,耐受通过它的各种电流而不致损坏的能力。
表征这些性能的主要电气参数有:
额定电压、工频放电电压、冲击放电电压、冲击电流残压以及通流容量,现分别叙述如下。
1.额定电压
避雷器能在保证灭弧(切断工频续流)的条件下,允许加在避雷器上的最高工频电压,称为额定电压。
避雷器通常是接在导线和大地之间的,在正常运行情况下避雷器承受的只是系统相电压。
但当系统发生单相接地时,健全相上的避雷器所承受的电压就会高于系统的相电压。
避雷器应保证能在这一电压作用下可靠熄灭电弧。
单相接地时健全相对地工频电压升高和系统中性点接地方式有关。
一般可分为两种情况:
①中性点不直接接地的系统,其工频电压升高一般可达系统最大工作线电压的100%~110%;②中性点直接接地系统,其工频电压升高一般可达系统最大工作线电压的80%。
因此,一般3、6、l0kV的避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的110%,称为110%避雷器;35~60kV避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的100%,称为100%避雷器;而110、220kV避雷器的额定电压规定为系统最大工作线电压的80%,称为80%避雷器。
2.工频放电电压
避雷器的工频放电电压要规定上限和下限。
避雷器的工频放电电压不能过高。
因为当避雷器的结构一定时,它的冲击系数(冲击放电电压与工频放电电压的峰值之比)就一定了。
增大工频放电电压也就会使冲击放电电压升高,从而影响到避雷器的保护性能。
避雷器的工频放电电压也不能过低。
因为间隙的切断比给定时,降低工频放电电压就会使整个避雷器的额定电压降低,导致避雷器不能熄灭续流。
所以从灭弧的观点出发,避雷器的工频放电电压应不低于其额定电压和切断比的乘积。
另外,普通阀型避雷器的通流能力有限,一般是不允许在内部过电压下动作的。
考虑到中性点不直接接地电力系统中,内部过电压通常不超过最大相电压的3.5倍;而中性点直接接地时,电力系统中,内部过电压不超过最大相电压的3.0倍。
因此从防止避雷器在内部过电压下动作的观点出发,35kV及以下、110kV及以上避雷器的工频放电电压应分别不小于电力系统最大相电压的3.5与3.0倍。
3.冲击放电电压
避雷器的冲击放电电压是指预放电时间为1.5~20μ
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