避雷器和電湧保護器運用說明
目錄
一、\x09定義
二、\x09防雷器與浪湧保護器的比較
三、\x09線路避雷器運用及其說明
四、\x09浪湧保護器設計原理、特性、運用範疇
五、\x09參考依據與文獻
一、定義
1.避雷器
避雷器是變電站保護設備免遭雷電衝擊波襲擊的設備.當沿線路傳入變電站的雷電衝擊波超過避雷器保護水平時,避雷器首先放電,並將雷電流經過良導體安全的引入大地,利用接地裝置使雷電壓幅值限製在被保護設備雷電衝擊水平以下,使電氣設備受到保護.
2.浪湧保護器
也叫防雷器,是一種為各種電力設備、儀器儀表、通訊線路等提供安全防護的裝置.當電氣回路或者通信線路中因為外界的幹擾突然產生尖峰電流或者電壓時,浪湧保護器能在極短的時間內導通分流,從而避免浪湧對回路中其他設備的損害.
\x09從以下資料可以看出,浪湧保護器也是防雷器的一種,但是有很大的區別.
二、避雷器與浪湧保護器的比較
避雷器指建築物避雷器,與避雷針、接地排等一起形成一個法拉第籠,防止建築物被損壞,避雷器的基本原理是把雷擊電磁脈衝(LEMP)導入地進行消解.但是為什麽在安裝避雷器後仍有大量的建築物及其裏麵的設備被雷擊損壞呢?
首先,避雷器的導線采用銅鐵合金,因此其導線性能是有限的,反應速度僅為200微妙(uS).而LEMP的半峰速度(能量達到最大值)為20微妙(uS),也就是說LEMP的速度快於避雷器,這樣避雷器把第一次直擊雷導入地後,對於二次雷、三次雷往往反應不過來,直接泄漏打在設備上.也就是說,避雷器對二次雷、三次雷幾乎不起作用.
其次,LEMP導入地後,會從地返回形成感應雷.感應雷會從所有含有金屬的導線上泄漏到設備(網線、電源線、信號線、傳輸線等).由於避雷器是單向作用的,因此它對感應雷不起作用,感應雷可以直接打壞設備.更何況,導線部分往往不會安裝避雷器.
再次,浪湧隻有20%來自雷擊等外部環境,80%來自係統內部運行,避雷器對這80%是不起任何作用的.
根據分析來回答電湧保護器(SPD,有的稱浪湧保護器)和避雷器的區別：
1、應用範圍不同(電壓)：避雷器範圍廣泛,有很多電壓等級,一般從0.4kV低壓到500kV超高壓都有(詳見樓上分析),而SPD一般指1kV以下使用的過電壓保護器;
2、保護對象不同：避雷器是保護電氣設備的,而SPD浪湧保護器一般是保護二次信號回路或給電子儀器儀表等末端供電回路.
3、絕緣水平或耐壓水平不同：電器設備和電子設備的耐壓水平不在一個數量級上,過電壓保護裝置的殘壓應與保護對象的耐壓水平匹配.
4、安裝位置不同：避雷器一般安裝在一次係統上,防止雷電波的直接侵入,保護架空線路及電器設備;而SPD浪湧保護器多安裝於二次係統上,是在避雷器消除了雷電波的直接侵入後,或避雷器沒有將雷電波消除幹淨時的補充措施;所以避雷器多安裝在進線處;SPD多安裝於末端出線或信號回路處.
5、通流容量不同：避雷器因為主要作用是防止雷電過電壓,所以其相對通流容量較大;而對於電子設備,其絕緣水平遠小於一般意義上的電器設備,故需要SPD對雷電過電壓和操作過電壓進行防護,但其通流容量一般不大.(SPD一般在末端,不會直接與架空線路連接,經過上一級的限流作用,雷電流已經被限製到較低值,這樣通流容量不大的SPD完全可以起到保護作用,通流值不重要,重要的是殘壓.)
6、其它絕緣水平、對參數的著眼點等也有較大差異.
7、浪湧保護器適用於低壓供電係統的精細保護,依據不同的交直流電源電床可選擇各種相應的規格.電源浪湧保護器一精細由於終端設備離前級浪湧保護器距離較大,從而使得該線路上容易產生振蕩過電壓或感應到其他過電壓.適用於終端設備的精細電源浪湧保護,與前級浪湧保護器配合使用,則保護效果更好.
8、避雷器主材質多為氧化鋅（金屬氧化物變阻器中的一種）,而浪湧保護器主材質根據抗浪湧等級、分級防護（IEC61312）的不同是不一樣的,而且在設計上比普通防雷器精密得多.
9、從技術上來說,避雷器在響應時間、限壓效果、綜合防護效果、抗老化特性等方麵都達不到浪湧保護器的水平.
共同點：都能防止雷電過電壓
因為上述原因,SPD也就應運而生.
SPD的原理是把LEMP轉化為熱能進行消解,由於不是導通式,反應速度非常快,可低於納秒,可以有效防止二次雷和三次雷.SPD分為電源SPD,精密儀器SPD,數字線路SPD,而且也是雙向作用的,因此可以有效防止感應雷.因此,IEEE標準規定,在安裝避雷器的同時應該加上SPD,以形成防雷的雙保險.
此外,SPD對於內部的80%的浪湧也能起到有效抑製作用,這是避雷器所不能做到的.
總體上講,避雷器是專門針對電氣設備免受雷電衝擊波所設置的防護設備,而浪湧保護器是比避雷器更先進的防護設備,除開雷電衝擊波,還可以極大程度消弱電力係統自身所產生的其它破壞性浪湧衝擊.在用電單位高壓進線係統（10KV及以上）已裝設避雷器的情況下,在低壓係統中就應裝設防護功能更精密的浪湧保護器.
三、避雷器運用與說明
1、線路避雷器防雷的基本原理
雷擊杆塔時,一部分雷電流通過避雷線流到相臨杆塔,另一部分雷電流經杆塔流入大地,杆塔接地電阻呈暫態電阻特性,一般用衝擊接地電阻來表征.
雷擊杆塔時塔頂電位迅速提高,其電位值為
Ut=iRd L.di/dt (1)
式中 i——雷電流；
Rd——衝擊接地電阻；
L.di/dt——暫態分量.
當塔頂電位Ut與導線上的感應電位U1的差值超過絕緣子串50的放電電壓時,將發生由塔頂至導線的閃絡.即Ut-U1＞U50,如果考慮線路工頻電壓幅值Um的影響,則為Ut-U1 Um＞U50.因此,線路的耐雷水平與3個重要因素有關,即線路絕緣子的50放電電壓、雷電流強度和塔體的衝擊接地電阻.一般來說,線路的50放電電壓是一定的,雷電流強度與地理位置和大氣條件相關,不加裝避雷器時,提高輸電線路耐雷水平往往是采用降低塔體的接地電阻,在山區,降低接地電阻是非常困難的,這也是為什麽輸電線路屢遭雷擊的原因.
加裝避雷器以後,當輸電線路遭受雷擊時,雷電流的分流將發生變化,一部分雷電流從避雷線傳入相臨杆塔,一部分經塔體入地,當雷電流超過一定值後,避雷器動作加入分流.大部分的雷電流從避雷器流入導線,傳播到相臨杆塔.雷電流在流經避雷線和導線時,由於導線間的電磁感應作用,將分別在導線和避雷線上產生耦合分量.因為避雷器的分流遠遠大於從避雷線中分流的雷電流,這種分流的耦合作用將使導線電位提高,使導線和塔頂之間的電位差小於絕緣子串的閃絡電壓,絕緣子不會發生閃絡,因此,線路避雷器具有很好的鉗電位作用,這也是線路避雷器進行防雷的明顯特點.
以往輸電線路防雷主要采用降低塔體接地電阻的方法,在平原地帶相對較容易,對於山區杆塔,則往往在4個塔腳部位采用較長的輻射地線或打深井加降阻劑,以增加地線與土壤的接觸麵積降低電阻率,在工頻狀態下接地電阻會有所下降.但遭受雷擊時,因接地線過長會有較大的附加電感值,雷電過電壓的暫態分量L.di/dt會加在塔體電位上,使塔頂電位大大提高,更容易造成塔體與絕緣子串的閃絡,反而使線路的耐雷水平下降.因為線路避雷器具有鉗電位作用,對接地電阻要求不太嚴格,對山區線路防雷比較容易實現.
2 線路避雷器使用及動作情況
淄博電業局管轄的110kV龍博1線和35kV南黑線、炭謝線位於丘陵和山地,多年來經常發生雷擊跳閘故障,據統計110kV龍博1線在1989～1996年共發生5次雷擊掉閘,35kV南黑線、炭謝線分別在1994～1997年各發生6次雷擊掉閘,雖然采取了各種措施,效果均不明顯.1997年在易遭雷擊的龍博1線62～64號和南黑線87、89、90號及炭謝線51號分別裝設了7組共20隻線路型氧化鋅避雷器,安裝方式是在龍博1線和南黑線各懸掛3組9隻,在炭謝線51號上相和下相各懸掛1隻(該杆不久前遭雷擊),經過2個雷雨季節的考驗,線路未發生故障及掉閘事故.
3 避雷器的選型及安裝維護
線路避雷器有2種類型,即帶串聯間隙和無串聯間隙2種,因運行方式不同和電站避雷器相比在結構設計上也有所區別.
線路避雷器安裝時應注意：(1)選擇多雷區且易遭雷擊的輸電線路杆塔,最好在兩側相臨杆塔上同時安裝；(2)垂直排列的線路可隻裝上下2相；(3)安裝時盡量不使避雷器受力,並注意保持足夠的安全距離；(4)避雷器應順杆塔單獨敷設接地線,其截麵不小於25mm2,盡量減小接地電阻的影響.
投運後進行必要的維護：(1)結合停電定期測量絕緣電阻,曆年結果不應明顯變化；(2)檢查並記錄計數器的動作情況；(3)對其緊固件進行擰緊,防止鬆動；(4)5a拆回,進行1次直流1mA及75參考電壓下泄漏電流測量.
四、\x09浪湧保護器設計原理、特性、運用範疇
\x09設計原理
在最常見的浪湧保護器中,都有一個稱為金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor,MOV）的元件,用來轉移多餘的電壓.如下圖所示,MOV將火線和地線連接在一起.
MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料,由兩個半導體連接著電源和地線.
這些半導體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻.當電壓低於某個特定值時,半導體中的電子運動將產生極高的電阻.反之,當電壓超過該特定值時,電子運動會發生變化,半導體電阻會大幅降低.如果電壓正常,MOV會閑在一旁.而當電壓過高時,MOV可以傳導大量電流,消除多餘的電壓.隨著多餘的電流經MOV轉移到地線,火線電壓會恢複正常,從而導致MOV的電阻再次迅速增大.按照這種方式,MOV僅轉移電湧電流,同時允許標準電流繼續為與浪湧保護器連接的設備供電.打個比方說,MOV的作用就類似一個壓敏閥門,隻有在壓力過高時才會打開.
另一種常見的浪湧保護裝置是氣體放電管.這些氣體放電管的作用與MOV相同 ——它們將多餘的電流從火線轉移到地線,通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導體實現此功能.當電壓處於某一特定範圍時,該氣體的組成決定了它是不良導體.如果電壓出現浪湧並超過這一範圍,電流的強度將足以使氣體電離,從而使氣體放電管成為非常良好的導體.它會將電流傳導至地線,直到電壓恢複正常水平,隨後它又會變成不良導體.
這兩種方法都是采用並聯電路設計——多餘的電壓從標準電路流入另一個電路.有幾種浪湧保護器產品使用串聯電路設計抑製電湧——它們不是將多餘的電流分流到另一條線路,而是通過降低流過火線的電量.基本上說,這些抑製器在檢測到高電壓時會儲存電能,隨後再逐漸釋放它們.製造這種保護器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護,因為它反應速度更快,並且不會向地線分流,但另一方麵,這種分流可能會幹擾建築物的電力係統.
抑製二極管：抑製二極管具有箝位限壓功能,它是工作在反向擊穿區,由於它具有箝位電壓低和動作響應快的優點,特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件.抑製二極管在擊穿區內的伏安特性可用下式表示：I=CUα,上式中α為非線性係數,對於齊納二極管α=7～9,在雪崩二極管α=5～7.
\x09抑製二極管的技術參數主要有 ：
（1）額定擊穿電壓,它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓,這於齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V範圍內,而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V～200V範圍內.
（2）最大箝位電壓：它是指管子在通過規定波形的大電流時,其兩端出現的最高電壓.
（3）脈衝功率：它是指在規定的電流波形（如10/1000μs）下,管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積.
（4）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區,其兩端所能施加的最大電壓,在此電壓下管子不應擊穿.此反向變位電壓應明顯高於被保護電子係統的最高運行電壓峰值,也即不能在係統正常運行時處於弱導通狀態.
（5）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下,管子中流過的最大反向電流.
（6）響應時間：10-11us
作為輔助元件,有些浪湧保護器還配有內置保險絲.保險絲是一種電阻器,當電流低於某個標準時,它的導電性能非常好.反之,當電流超過了可接受的標準,電阻產生的熱量會燒斷保險絲,從而切斷電路.如果MOV不能抑製電湧,過高的電流將燒斷保險絲,保護連接的設備.該保險絲隻能使用一次,一旦燒斷就需要更換.
\x09SPD前端熔斷器應根據避雷器廠家的參數安裝.
如廠家沒有規定,一般選用原則：
根據（浪湧保護器的最大保險絲強度A）和（所接入配電線路最大供電電流B）來確定（開關或熔斷器的斷路電流C）.
確定方法：
當：B>A時 C小於等於A
當：B＝A時 C小於A或不安裝C
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