摘要：本文主要介绍了1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器。此设备是用于1000kV变电站电气设备免受过电压侵害得保护装置。再把避雷器在特高压工程应用中的问题分析与1000kV避雷器技术要求和特点相比照，得出结论。
关键词：1000千伏避雷器；结构原理；技术参数；问题分析；技术措施
1 引言
中国发电资源地理分布的严重不均衡及负荷的持续增长致使远距离、大容量、低损耗的特高压电网电力输送方式成为电网发展的必然方向。但是，过电压问题一直是特高压电网建设的难关。雷击输电线路以及引起操作过电压等对电气设备的安全可靠运行仍存在较大的威胁和影响。为确保变电站安全可靠运行，蒙西-天津南交流特高压试验示范工程引入Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器用于1000kV变电站电气设备免受过电压侵害得保护装置。以下是1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器的详细介绍及避雷器在电力系统应用中的问题分析。
2 1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器结构与原理
该避雷器由四节互相独立的避雷器元件串联组成，每相邻两节避雷器元件之间加有一块与法兰几何形状相同的垫板，元件之间有用标准螺栓紧固。避雷器顶部装有均压环和为用户接线连接的接线板。在避雷器底部装有一只绝缘底座，该底座为监测仪提供了足够的绝缘。绝缘底座安装时，底座的上部与下一节避雷器元件的下部用螺栓紧固，下部则与变电站设计的构架连接；监测器跨接在避雷器底座和接地排之间，为使避雷器距地1.5m处的场强控制在10kV/m以内，在底座上端还装有控制场强用的屏蔽环。避雷器内部采用具有良好伏安特性的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抗值，使避雷器的残压被限制在允许值之下，从而对电力设备提供可靠的保护；当避雷器运行在系统正常电压下时，由于优异的非线性，电阻片呈现高阻值，避雷器流过的电流只有微安级。可以省去传统的碳化硅不可缺少的灭弧间隙，使避雷器的结构大为简化。
避雷器元件由电阻片、绝缘杆、瓷件、隔弧筒、防爆片、密封圈以及紧固件等构成。产品内部采用4柱电阻片柱并联结构，并在电阻片组间加装有均流电极，用于改善产品电流分布性能。密封结构采用了西瓷公司获得专利的微正压结构，每节避雷器配有逆止阀。压力释放结构采用了西瓷公司非常成功的设计，可以确保在避雷器故障时将压力可靠释放，能避免瓷套炸裂损坏邻近设备；每台避雷器配备的监测器，可以监测避雷器的动作次数和泄漏电流大小。（整体结构如下图）
3 特高压避雷器的特点
磁吹阀式避雷器因利用了磁吹式火花间隙，间隙的去游离作用增强，提高了灭弧能力，从而改进了它的保护作用。70年代又出现了一种新型避雷器——氧化锌避雷器，它具有无间隙、无续流、残压低等优点。磁吹阀式避雷器和氧化锌避雷器除能限制雷电过电压外，还具有限制电力系统内部过电压的能力。目前500kV设备用这两种避雷器作过电压保护。
氧化锌阀片具有理想的伏安特性，在雷电冲击电流作用下迅速动作呈现小电阻使其残压足够低，从而使保护电气设备不受雷电过电压损坏。而当冲击电流过后，工频电压作用下，避雷器阀片呈现大电阻，使工频续流趋于零。所以氧化锌避雷器不用串联间隙。相比磁吹阀式避雷器，氧化锌避雷器无串联间隙，结构简单，性能稳定，可直接将阀片置于六氟化硫组合电气中或充油设备中。不论是涌流能力、保护性能还是工作寿命，氧化锌避雷器都更胜一筹。
但500kV氧化锌避雷器由于器身较高，杂散电容大，若不采取措施避雷器整体电位将分布不均匀。因此在避雷器顶端装设均压环，多节避雷器各节并联装设不同数值的电容器，都是为了改善其电位分布。为防止避雷器万一发生爆炸，避雷器均设有压力释放装置。而1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器作为特高压设备免受过电压侵害的保护装置，在一般氧化锌避雷器的基础上做了进一步的升级：
1.避雷器采用4柱电阻片柱并联结构，并在电阻片组间加装有均流电极，改善其电流分布性能。
2.避雷器底座上端装有控制场强用的屏蔽环，使其距地1.5m处的场强控制在10kV/m以内。
3.在避雷器底座和接地排之间装有监视器，可以监测避雷器的动作次数和泄漏电流大小。
以上是1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器所特有的配置，也是在原有氧化锌避雷器基础上的优化。从发展的角度看这是必然的结果，特高压交流试验示范工程造就了氧化锌避雷器的发展，同时新型避雷器为特高压工程的发展奠定了良好的基础。
4 避雷器在特高压工程应用中的问题分析
4.1 应用中的问题探讨
4.1.1 避雷器自身过电压防护问题
避雷器是过电压保护电器，其自身仍存在过电压防护问题。对于能量有限的过电压如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。对能量是无限（有补充能源）的过电压，如暂态过电压（工频过电压和谐振过电压的总称），其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总有合拍的时候，如因某些原因而激发暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量，即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸，因此暂态过电压对避雷器有致命危害。如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器，称之为暂态过电压承受能力强，反之称暂态过电压承受能力差。碳化硅避雷器暂态过电压承受能力强，但由于运行中动作特性稳定性差，常因冲击放电电压（保护动作区起始电压）值下降，仍可能遭受暂态过电压危害。对暂态过电压危害有效防护办法是加结构性能稳定的并联电阻将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其危害。串联无间隙氧化锌避雷器有此独具优点。
4.1.2 避雷器自身对电力系统不安全影响
保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力
系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行。应用串联无间隙氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。
4.1.3 避雷器其连续雷电冲击保护能力
有时高压电力装置可能遭受连续雷电冲击，连续雷电冲击是指两次雷电入侵波间隔时间仅数百μs至数千μs，间隔时间极短。碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗最大达10000μs，一次保护循环时间要远大于10000μs才能恢复到可进行再次动作能力，故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力。氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流，雷电流泄放（小于100μs）完毕，立即恢复到可进行再次动作能力，故串联无间隙氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对于多雷区或雷电活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。
4.1.4 工频能源的浪费
只关注防雷器件泄放雷电流的限（降）压保护作用，轻视或忽视有些器件同时泄放工频电流浪费能源作用。保护间隙或管型避雷器保护动作可能伴随短路电流（几kA至几十kA）对地放电，碳化硅避雷器保护动作有工频续流（避雷器FS型为50A，FZ型为80A，FCD型为250A）对地放电，而造成能源浪费，使用串联无间隙氧化锌避雷器可彻底避免保护作用带来的工频能源浪费。
4.2 氧化锌避雷器运行中的问题分析
4.2.1 氧化锌避雷器的密封问题
氧化锌避雷器密封老化问题，主要是生产厂采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而后使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化而引起爆炸。
4.2.2 电阻片抗老化性能差
在氧化锌避雷器运行在其产品寿命的后期，电阻片劣化造成泄漏电流上升，甚至造
成与瓷套内部放电，放电严重时避雷器内部气体压力和温度急剧增高，而引起氧化锌避雷器本体爆炸，内部放电不太严重时可引起系统单相接地。
4.2.3 瓷套污染
由于工作在室外的氧化锌避雷器，瓷套受到环境粉尘的污染，特别是设置在金属粉尘的比例较大，故给瓷套造成严重的污染而引起污闪或因污秽在瓷套表面的不均匀，而使沿瓷套表面电流也不均匀分布，势必导致电阻片中电流IMOA的不均匀分布（或沿电阻片的电压不均匀分布），使流过电阻片的电流较正常时大1—2个数量级，造成附加温升，使吸收过电压能力大为降低，也加速了电阻片的劣化。
4.2.4 抗冲击能力差
氧化锌避雷器多在操作过电压或雷电条件下发生事故，其原因是因电阻片在制造工艺过程中，由于其各工艺质量控制点控制不严，而使电阻片的耐受方波冲击能力不强，在频繁吸收过电压能量过程中，加速了电阻片的劣化而损坏，失去了自身的技术性能。
5 结论
对特高压来说，由于电压很高，设备的体积和造价在很大程度上决定于绝缘水平，因此要求对避雷器的保护性能作更大的改进，同时，在限制过电压时，通过避雷器的能量与电压的平方成正比，由于电压高，也要求避雷器通流能力加大。这些对MOA都是个挑战。从使用的观点出发，避雷器的保护特性和运行特性是互相制约的。当系统条件一定，阀片性能一定的条件下，若提高避雷器额定电压，则避雷器的持续运行电压，避雷器工频过电压的耐受能力，以及避雷器的能量吸收能力亦随之提高，但过电压下的保护裕度减小了（即残压高了）。相反，避雷器的额定电压降低，耐受工频电压能力，及能量吸收能力降低，但保护裕度增大了（即残压低了）。因此，选择适当的避雷器不仅考虑避雷器的保护特性，还要保证避雷器应构成为系统的可靠部分，足以耐受在污秽及其它安装环境条件下的各种电压和电流。
为保障1000kV蒙西-天津南交流特高压工程的顺利投运。1000kV Y20-828/1620瓷外套式无间隙金属氧化物避雷器在设计上克服了道道难关，从原理结构到避雷器的技术特性都与其它避雷器有很大不同。满足特高压工程的各项技术要求，为日后交流特高压试验示范工程的安全稳定运行提供了有力保障。
7 参考文献
[1]刘振亚.特高压电网，2006.
[2]中国电力出版社.变电运行岗位技能培训教材（500kV），2007.
[3]交流无间隙金属氧化物避雷器简介，2006.
[4]避雷器在电力系统应用中的问题分析，2007.
[5]国网运行有限公司.特高压输电技术，2006.
作者简介：
李文刚（1985.9-），男（汉族），内蒙古呼和浩特市，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，职称：工程师；研究方向：电力系统。
论文作者:李文刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：避雷器论文; 过电压论文; 氧化锌论文; 间隙论文; 电阻论文; 雷电论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第34期论文;