第六分册避雷器.docx
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第六分册避雷器
避雷器培训教材
第一章避雷器介绍及分类
1.1分类
避雷器有管式和阀式两大类。
阀式避雷器分为碳化硅阀式避雷器和金属氧化物避雷器（又称氧化锌避雷器）。
管式避雷器内间隙（又称灭弧间隙）置于产气材料制成的灭弧管内，外间隙将管子与电网隔开。
雷电过电压使内外间隙放电，内间隙电弧高温使产气材料产生气体，管内气压迅速增加，高压气体从喷口喷出灭弧。
管式避雷器具有较大的冲击通流能力，可用在雷电流幅值很大的地方。
但管式避雷器放电电压较高且分散性大，动作时产生截波，保护性能较差。
主要用于变电所、发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护。
碳化硅避雷器其基本工作元件是叠装于密封瓷套内的火花间隙和碳化硅阀片（电压等级高的避雷器产品具有多节瓷套）。
火花间隙的主要作用是平时将阀片与带电导体隔离，在过电压时放电和切断电源供给的续流。
碳化硅避雷器的火花间隙由许多间隙串联组成，放电分散性小，伏秒特性平坦，灭弧性能好。
碳化硅阀片是以电工碳化硅为主体，与结合剂混合后，经压形、烧结而成的非线性电阻体，呈圆饼状。
碳化硅阀片的主要作用是吸收过电压能量，利用其电阻的非线性（高电压大电流下电阻值大幅度下降）限制放电电流通过自身的压降（称残压）和限制续流幅值，与火花间隙协同作用熄灭续流电弧。
碳化硅避雷器按结构不同，又分为普通阀式和磁吹阀式两类。
后者利用磁场驱动电弧来提高灭弧性能，从而具有更好的保护性能。
碳化硅避雷器保护性能好，广泛用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘。
金属氧化物避雷器其基本工作元件是密封在瓷套内的氧化锌阀片。
氧化锌阀片是以ZnO为基体,添加少量的Bi2O3、MnO2、Sb2O3、Co3O3、Cr2O3等制成的非线性电阻体，具有比碳化硅好得多的非线性伏安特性，在持续工作电压下仅流过微安级的泄漏电流，动作后无续流。
因此金属氧化锌避雷器不需要火花间隙，从而使结构简化，并具有动作响应快、耐多重雷电过电压或操作过电压作用、能量吸收能力大、耐污秽性能好等优点。
由于金属氧化锌避雷器保护性能优于碳化硅避雷器，已在逐步取代碳化硅避雷器，广泛用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘，尤其适合于中性点有效接地（见电力系统中性点接地方式）的110千伏及以上电网。
1.2作用
避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。
避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。
保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。
阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。
第二章基本原理
2.1设计
避雷器设计应遵循以下原则：
2.1.1选用避雷器必须满足的要求是：
避雷器的VS特性、VA特性要分别与被保护设备的VS特性和VA特性正确配合；避雷器的灭弧电压与安装地点的最高工频相电压应正确配合。
这样，即使在系统发生一相接地故障的情况下，避雷器也能可*地熄灭工频续流电弧，避免避雷器发生爆炸。
2.1.2选择管型避雷器时应注意管型避雷器不能用作有绕组的电气设备的过电压保护，而只用于线路、发电厂和变电站进线的保护；管型避雷器遮断电流的上限应不小于安装处短路电流的最大值，下限不大于安装处短路电流的最小值。
2.1.3阀型避雷器分普通型和磁吹型两大类，选择时应注意避雷器的保护比Kb数值大小要按照额定电压的大小来选择。
要注意校验避雷器的额定电压、工频放电电压、冲击放电电压及残压，要注意与被保护电气设备的距离。
2.1.4选择氧化锌避雷器时，要计算或实测避雷器安装处长期的最大工作电压。
应使避雷器的额定电压大于或等于避雷器安装点的暂态工频过电压幅值。
注意残压与被保护设备绝缘水平的配合。
2.2结构
避雷器由主体元件，绝缘底座，接线盖板和均压环（220kV以上等级具有）等组成。
避雷器内部采用氧化锌电阻片为主要元件。
当系统出现大气过电压或操作过电压时，氧化锌电阻片呈现低阻值，使避雷器的残压被限制在允许值以下，从而对电力设备提供可靠的保护；而避雷器在系统正常运行电压下，电阻片呈高阻值，使避雷器只流过很小的电流。
避雷器采用微正压结构，内部充有高纯度干燥氮气或SF6气体。
避雷器带有压力释放装置，当避雷器在异常情况下动作而使内部气压升高时，能及时释放内部压力，避免瓷套炸裂。
220kV等级以上避雷器为改善电位分布，外部带有均压环。
2.3工作原理
避雷器能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路。
避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。
当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。
2.4附件
每只应配备避雷器底座、接地引线绝缘子，对110kV以上避雷器应配备均压罩,35kV及以上电压等级的每只避雷器应配备放电动作记录器，部分避雷器放电电流幅值记录装置和脱离器。
2.4.1避雷器在线监测器
避雷器监测器（以下简称监测器）是串联在避雷器低压端，用来监测避雷器泄漏电流的变化、动作次数以及报知的一种设备。
适用于电力系统各种电压等级氧化锌避雷器、碳化硅避雷器的运行监测。
按其使用对象可分为：
瓷壳或复合外套避雷器和GIS罐式避雷器用两种。
按其配套避雷器的系统标称电压可分为：
35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等。
2.4.2均压环
避雷器上部均压环用来改善电场分布，防止避雷器的上下节电压分布严重不均匀（220kV以上等级具有），110KV及以下一般不分节且电压低电场强度比较弱，所以不装均压环。
第三章试验与检修
3.1型式试验（设计试验）
3.1.1绝缘电阻试验
由制造厂提供避雷器绝缘电阻的试验数值及测量用兆欧表的电压等级。
3.1.2最大工作电压持续电流试验
应测量每节与整只避雷器在合同规定的最大持续运行电压和系统持续运行电压下的阻性电流峰值与全电流值。
前者用于检验避雷器是否符合合同规定值，后者为现场试验提供对比参数。
3.1.3工频（直流）参考电压试验
工频（直流）参考电压应在避雷器比例单元和每节上测量，在工频参考电压下阻性电流峰值为1mA～5mA，在直流参考电压下电流为1mA，该电流应在环境温度为（20±15）℃下进行测量。
3.1.4残压试验
残压试验在3只完整的避雷器或避雷器比例单元上进行。
避雷器的额定电压高于3kV时，试品的额定电压至少应为3kV，但不应超过12kV。
放电的间隔时间应能使试品冷却到接近环境温度。
当在避雷器比例单元上进行试验时，整个避雷器的残压等于比例单元所测得的残压值乘上其额定电压与比例单元的额定电压之比值。
3.1.4.1雷电冲击电流残压试验
对每只试品避雷器施加3次雷电冲击电流 ［（8±1）/（20±2）μs］，其峰值分别近似为0.5、1.0和2.0倍的避雷器标称放电电流峰值，将所得的9个试验点的最大包络线绘成残压—电流曲线，从曲线上读出对应于标称放电电流下的残压值。
3.1.4.2陡波冲击电流残压试验
对每只试品避雷器施加峰值为其标称放电电流值的陡波冲击电流 ［（1±0.1）/5μs］1次（峰值误差为±5%），取3个电压峰值中的最大值为陡波冲击电流残压值。
3.1.4.3操作冲击电流残压试验
对每只试品避雷器施加1次操作冲击电流 ［（30±3）/（30±3）μs］，其峰值按表1确定。
避雷器在相应电流下的操作冲击残压取3个电压峰值中的最大值。
制造厂应提供表1中操作冲击电流的0.25倍下的残压值，供用户校核使用。
表1、操作冲击电流值
标称放电电流kA
20
10
10
操作冲击电流A
2000
1000
500
3.1.5长持续时间冲击电流耐受试验
长持续时间冲击电流耐受试验应在3只未进行任何试验的新的整只避雷器、避雷器比例单元或电阻片上进行。
电阻片可暴露在静止的（20±15）℃空气中。
如果避雷器的额定电压不低于3kV，则试品避雷器的额定电压至少应为3kV，但无需超过3kV。
如果避雷器的脱离器与避雷器设计成一体，这些试验应按运行条件带脱离器进行。
所有这些试验必须在分布参数冲击发生器上进行。
每个试品避雷器的长持续时间冲击电流耐受试验共进行18次放电，其中每3次为1组，共分3组。
每两次动作之间的时间间隔应为50s～30s，每组之间的时间间隔应能使试品避雷器冷却到接近环境温度，
在试验过程中，均应录取第1次和第18次放电时试品避雷器的电压和电流示波图。
图1长线释放等级及比能量
在进行长持续时间冲击电流耐受试验后，当试品避雷器冷却到接近环境温度时，为了便于与试验前的测量值进行比较，应对试品避雷器重新进行残压试验。
残压值的变化不应超过5%。
试验完成后，应对试品避雷器进行检查，金属氧化物电阻片应无击穿、闪络、开裂或其它损坏痕迹。
对标称放电电流为20kA和10kA的避雷器，其长线释放试验参数见表2。
对不同长线释放等级的试验，避雷器吸收的比能量W′（二次长线释放能量之和）与避雷器操作冲击残压Ures和避雷器额定电压Ur之比值存在一定的关系，见图1。
对于5、2.5、1.5kA避雷器长持续时间冲击电流耐受试验，其电流峰值的视在持续时间为2000μs，其电流值见表3。
表210、20kA避雷器长持续时间冲击电流耐受试验参数
标称电流kA
长线释放等级
线路冲击阻抗Z（Ω）
峰值持续时间T（μs）
充电电压U（kV）
10
1
4.9Ur
2000
3.2Ur
10
2
2.4Ur
2000
3.2Ur
10
3
1.3Ur
2400
2.8Ur
20
4
0.8Ur
2800
2.6Ur
20
5
0.5Ur
3200
2.4Ur
注：
Ur是试品额定电压，kV为有效值
表35、2.5、1.5kA避雷器长持续时间冲击电流值
标称电流kA
避雷器保护对象
电流峰值A
持续峰值时间μs
5
配电网
75
2000
5
配电网
75
2000
5
配电网
75
2000
5
配电网
75
2000
注：
根据电容器容量和保护接线方式确定方波电流值
3.1.6动作负载试验
对避雷器施加规定次数的规定冲击电流，并同时施加规定的工频电压，以模拟运行条件的试验，在施加工频电压过程中，电压的变化不得大于1%。
动作负载试验在3只完整的避雷器或避雷器比例单元上进行。
试验时试品避雷器周围的静止空气温度为（20±15）℃，试验前试品避雷器在烘箱中预热，使试验开始时试品避雷器温度为（30±3）℃。
如果整只避雷器的额定电压不小于3kV，则试品避雷器的额定电压至少应为3kV，但无需超过12kV。
也可在避雷器比例单元上进行。
避雷器能否通过动作负载试验的重要参数是电阻片的功率损耗。
因此动作负载试验应该在没有老化的电阻片上，在提高的试验电压U*c和U*r下进行。
电阻片在该电压下与老化过的电阻片在正常Uc和Ur电压值下，具有相同的功率损耗。
提高的试验电压值应由加速老化试验确定。
加速老化试验在加热到（115±4）℃的3只试品避雷器上进行，施加电压Uct。
Uct值与被试避雷器的总高L（m）有关，可由下式确定
Uct=Uc（1+0.05L）
（1）
也可按试验或计算所得避雷器电阻片上的电压分布不均匀系数确定，在施加电压Uct后1h～2h内测量Uct下电阻片的功率损耗P1ct，并在相同的条件下测量老化1000（0+100）h后电阻片的功率损耗P2ct，在这个过程中试品加压不得间断，令Kct=P2ct/P1ct；选取3个功率损耗比值中的最大值。
若Kct＞1时，为补偿由于老化而引起的功率损耗的增长，在进行动作负载试验时将Uc和Ur提高到U*c和U*r；若Kct≤1时，Uc和U就不进行修正。
U*c和U*r值由以下方法试验中最大值确定。
在环境温度下，对3个新的电阻片分别测量在电压Uc和Ur下的功率损耗P1c和P1r，然后将电压增长到U*c和U*r，使在该电压下的功率损耗P2c和P2r符合下列关系：
P2c/P1c=Kct，P2r/P1r=Kct
3.1.6.1雷电冲击动作负载试验
在进行雷电冲击动作负载试验前，在环境温度下测定3只试品避雷器在标称放电电流下的雷电冲击残压值，然后试品避雷器在1.2U*c电压作用下承受20次波形为8/20μs标称电流值的冲击放电试验，放电时间间隔为50s～30s。
冲击电流的极性应与工频半波的极性相同，并且冲击电流应在工频电压峰值前30°±15°电角度内施加。
在环境温度为（20±15）℃时，对每个试品避雷器施加（4±0.5）/（10±1）μs冲击电流两次，其值见表4规定，误差不超过10%，该冲击电流与上述规定试验具有相同的极性，在两次冲击之间，避雷器比例单元应冷却或预热到（30±3）℃。
表4、避雷器分类
标称放电电流（kA）
20
10
5
2.5
1.5
避雷器额定电压Ur
避雷器额定电压Ur（kV）
360≤Ur≤468
3≤Ur≤360
Ur≤96
Ur≤36
Ur≤150
适用系统标称电压（kV）
500电站
3～330电站
3～66
3～26保护电机
3～500保护变压器中性点
配电网
保护电容器
长持续时间冲击电流耐受
长线释放
见表2
—
冲击电流
—
见表3
大冲击电流4/10μs（kA）
100
100
65
25
在最后一次大电流冲击之后，应尽快（不超过100ms）在试品避雷器上施加修正过的额定电压（U*r）和修正过的持续运行电压（U*c），此电压保持时间分别为10s和30min。
图210kA1级放电等级和5、2.5、1.5kA避雷器的动作负载试验In—标称放电电流
图310kA2、3级放电等级和20kA4、5级放电等级避雷器的动作负载试验
In—标称放电电流
试验时，应监视电阻片的温度或电流的阻性分量或功率损耗，以判断是否热稳定。
完成上述试验后，当试品避雷器冷却到环境温度时，重新进行残压测量，其值与试验前残压值相比，变化应不大于5%。
雷电冲击动作负载试验程序见图2。
3.1.3.2操作冲击动作负载试验
在进行操作冲击动作负载试验之前，在环境温度下测量3只试品避雷器在标称放电电流下的雷电冲击残压值，然后试品避雷器在1.2U*c电压作用下承受20次波形为/20μs的标称电流值的冲击放电试验，放电间隔为50s～30s，再承受2次由表4规定幅值的4/10μs大电流冲击试验，极性与电角度的规定同3.1.3.1条。
将进行过上述试验的试品避雷器预热到（30±3）℃，试品避雷器应承受表2规定的长持续时间冲击电流2次，放电时间间隔为50s～30s，并使长持续时间冲击电流与上述规定冲击电流具有相同极性。
在第二次长持续时间冲击电流试验后，避雷器比例单元必须在3倍峰值视在持续时间（即3T），脱离试验线路，然后在100ms之内立即接到工频电源上，对试品避雷器施加修正过的额定电压（U*r）和修正过的持续运行电压（U*c），电压持续时间分别为10s和30min。
试验时，应监视电阻片的温度或电流的阻性分量或功率损耗，以判断是否热稳定。
完成上述试验后，当试品避雷器冷却到接近环境温度时，重新进行残压测量，其值与试验前残压值相比变化应不得大于5%。
操作冲击动作负载试验程序见图3。
3.1.7工频电压耐受时间特性试验
工频电压耐受时间特性曲线包括从0.1s～20min的范围，对中性点非直接接地系统，时间应扩展至24h。
用比例单元作为试品，对试品避雷器施加不同的工频电压和持续时间，施加最高电压不得低于比例单元额定电压的1.2倍。
试品避雷器预热到（30±3）℃，在承受了大电流冲击或长持续时间冲击电流后，紧接着施加预定的工频电压和持续时间，然后降至持续运行电压U*c30min，试品避雷器应无损坏或发生热崩溃。
试验程序见图4和图5。
曲线至少由3个试验数据绘出，并在曲线上注明施加工频电压之前试品避雷器吸收的能量。
图410kA1级放电等级和5、2.5、1.5kA避雷器的工频电压耐受时间特性试验程序
图510kA2、3级放电等级和20kA4、5级放电等级避雷器的工频电压耐受时间特性试验程序
3.1.8压力释放试验
瓷套密封带有压力释放装置并在大气中使用的避雷器应进行该项试验，当避雷器故障时不应引起瓷套粉碎性爆炸。
每次试验应在新瓷套组装的试品避雷器上进行，一只试品避雷器在大电流下试验，另一只试品避雷器在小电流下试验，其值见表10。
表5、避雷器压力释放等级
标称放电电流kA
20
10
5
最大电流kA
63
63
16
50
50
5
40
40
20
20
10
最小电流kA
0.8
为在试品避雷器内部引起短路电流，全部非线性电阻片可用熔丝旁路。
熔丝应在试验电流导通后第一个30°电角度内熔断，旁路非线性电阻片的熔丝沿着电阻片的轮廓紧贴其外表面装配。
其底座应与一个近似圆形围栏的顶部在同一水平面上，围栏至少高30cm，试品避雷器围在中心，围栏直径等于试品避雷器直径加上2倍试品避雷器高度，最小直径应为1.8m，试验后避雷器所有部分都包在围栏内部，即通过试验。
压力释放试验应在不同设计的每一种避雷器最长的一节上进行，并认为该试验结果适用于同一设计所有额定电压的避雷器。
在进行大电流释放试验时，电流的短路容量应足够大，当用阻抗可忽略的连线将避雷器短路时，电流周期分量的有效值在0.2s内不会降到规定值的75%以上。
试验回路的短路功率因数不应大于0.1。
在进行小电流释放试验时，在电流导通后约0.1s时测得试品避雷器电流有效值为800A，直到发生放气为止。
试验时，电流降低量不得超过起始测量值的10%。
3.1.9密封试验
在每节避雷器上都要进行密封试验。
由于国际上没有统一的试验方法，各制造厂都有自己的试验方法，因此，该项试验方法由供需双方协商确定。
3.1.10内、外缘绝工频耐压试验
该试验应分别在干燥和淋雨状态下进行，试品避雷器应是洁净的整只避雷器，并尽可能按实际情况安装，并无电阻片，内部绝缘构件保留原安装方式。
其耐压值按表6选取。
表6、避雷器（无电阻片）耐压值
标称电压（有效值）kV
3
6
10
35
66
110
220
330
500
工频耐压（有效值）kV
25/18
30/23
42/30
95/80
—/140
200/185
—/395
—/510
—/680
—/740
—/160
操作耐压（峰值）kV
—
—
—
—
—
—
—
950
1175
1240
雷电耐压（峰值）kV
40
60
75
185
325
450
950
1175
1550
1675
350
注：
工频耐压分子为干试电压值，分母为湿试电压值
3.1.11局部放电量试验
避雷器施加额定电压10s，然后降至1.05倍持续运行电压保持1min，测量局部放电量，局部放电量不得大于10pC。
3.1.12电压分布试验
电压分布是指整只避雷器在持续运行电压下电阻片上的电压分布，应提供不同安装高度和周围设备距离情况下的电压分布曲线。
电压分布曲线可用计算方法获得，也可用试验获得，试验方法可由供需双方协商确定。
3.1.13污秽试验
目前尚无成熟的污秽试验方法，可由供需双方协商确定。
3.1.14机械强度试验
在整只避雷器端部施加水平力和垂直力，见表7，并计入避雷器本体所受最大风荷载，避雷器所承受的应力的安全系数不小于2.5。
表7、避雷器端部受力值
避雷器额定电压kV
3～90
96～252
264～468
避雷器额定电压kV
3～90
96～252
264～468
水平力N
500
1000
1500
垂直力N
150
300
500
3.1.15抗震试验
该试验频率为试品避雷器共振频率，波形为正弦波，时间为3个周波。
试品避雷器不带基础试验时，应乘以1.2倍的放大系数，并放入25%最大风荷载，安全系数不小于1.37，且按统计法以瓷件抗震强度3倍标偏值计算。
试验后，基础、瓷件、电阻片及其它部件不应损坏或开裂，一切连接仍应牢固。
3.1.16脱离器试验
脱离器应进行如下试验。
3.1.16.1冲击电流和动作负载耐受试验
该试验应具备3只试品脱离器，与避雷器一起进行试验。
长持续时间冲击电流按表3列出的冲击电流值进行试验，动作负载试验按图6进行。
上述试验，脱离器不应动作。
图65、2.5、1.5kA避雷器的动作负载试验
3.1.16.2时间电流曲线试验
时间电流曲线参数应在3个不同的对称起始电流（有效值）下获得：
20±10%、200±10%、800±10%A，这些电流流经试品脱离器。
试验电压可为任一合适值，只要该值能足以维持避雷器元件的电弧电流，并足以产生和维持脱离器动作所决定的间隙的电弧即可。
试验电压应不超过带脱离器的最低额定值的避雷器的额定电压。
脱离器动作前，电流的流通应保持在所要求的水平。
3个电流等级的每一个都至少应有5个新的试品脱离器进行试验。
对于所有被试样品，应记录流经试品脱离器的电流有效值和脱离器开始动作的时间，脱离器的时间—电流特性曲线应经过代表最长时间的点绘成光滑曲线。
对于具有相当长的动作时延的脱离器，时间—电流曲线试验应在试品脱离器承受电流的控制期间内进行，以便确定3种电流下的每个最小持续时间，该时间可使脱离器成功动作。
对于确定的时间—电流曲线的点，脱离器的动作应在5次试验中5次成功，如果发生1次不成功的试验，则在同一电流水平和时间下进行5次附加试验应动作成功。
3.2常规试验
出厂的每只避雷器都要进行常规试验，试验包括以下项目：
a）最大工作电压持续电流试验，见3.1.2条；
b）工频（直流）参考电压试验，见3.1.3条；
c）标称放电电流残压试验，见3.1.4.1条；
d）局部放电量试验，见3.1.11条；
e）密封试验，见3.1.9条；
f）多柱并联避雷器的电流分配试验。
该试验在避雷器所有中部没有电气联结的单元组上进行，在由制造厂确定的放电电流（0.01倍～1.0倍标称放电电流）下进行测量，测得的最大柱电流应不超过制造厂规定的上限值。
3.3预防性试验
表3.3.1避雷器预防性试验项目、周期和要求
序号
项目
周期
要求
说明
1
绝缘电阻
1）发电厂、变电所
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