金属氧化物避雷器现状及发展趋势

 20世纪60年代，日本率先开发出氧化锌（ZnO）非线性电阻片。由于其具有残压低、无续流、动作时延小、通流容量大等优点，使得由ZnO非线性电阻片组装成的金属氧化物避雷器（MOA）在电力系统中取代SiC避雷器而得到广泛应用及快速发展。目前，MOA已成为电力系统中性能最好且发展最快的过电压保护装置，其应用范围极其广泛。MOA从产品结构分有瓷套型避雷器、GIS型避雷器、复合外套型避雷器和油浸避雷器（用于变压器中）4种；按保护设备类型分有配电系统过电压防护、变电站的过电压防护、并联及串联补偿电容器保护、发电机的过电压保护、限制电动机投切产生的操作过电压、线路载波通信中阻波器保护用、限制中性点未直接接地变压器的中性点过电压用、输电线路防雷保护、直流输电系统换流站过电压保护、大型发电机转子回路灭磁过程中的过电压保护和能量吸收、超高压直流断路器开断时系统中的能量吸收等11类。由于通过提高被保护设备可靠性和降低过电压水平能带来巨大的经济效益，而ZnO非线性电阻特性又对限制过电压起着至关重要的作用，所以世界各国都在竭力研究改进ZnO非线性电阻片的原材料和生产工艺，并力求将最新的技术应用于对避雷器的设计中，同时开发新型材料，以期达到更理想的防护效果。

1 ZnO非线性电阻片的技术变迁

自20世纪60年代末产业化以来，ZnO非线性电阻片技术通过不断改进提高，国际上现在已经发展到了第4代。第1代ZnO非线性电阻片于20世纪60年代末产生，延续使用至80年代中期。它的应用是电力系统防护雷电过电压和操作过电压方面的一次革命。但它还存在V - A曲线不够平坦、荷电率低、泄漏电流大、老化性能劣化等缺陷。第2代ZnO非线性电阻片自80年代初产业化以来一直延续使用至今。第2代电阻片较之第1代电阻片在添加物配合的最佳化方面做了很多的改良，使其老化寿命和非线性性能得到了较大的改善。我国抚顺电瓷厂、西安高压电瓷厂和西安电瓷研究所于80年代中期引进了日本公司的第2代电阻片技术，通过20多年的技术消化、吸收及改良，现在其技术性能已经在第2代基础上有了进一步的改进。第3代ZnO非线性电阻片技术产生于80年代中期，以日本东芝公司的技术为代表。其主要特点是V - A特性曲线更平坦，保护特性提高；荷电率更高，电阻片老化性能更好；2 ms方波耐受能力提高近1倍，在同等吸收能量的情况下电阻片体积减少近50%，既节省了原材料，又实现了避雷器的轻型化；侧面采用低铅玻璃釉，具有耐受4/10 μs大电流的能力，同时耐湿性能增强，适应各种绝缘介质。因此可以在各种气体、绝缘油以及直接注射成形的硅橡胶中使用。第3代电阻片因上述卓越的性能而被誉之为高性能电阻片。第4代ZnO非线性电阻片在90年代实现了产业化，它是在第3代电阻片技术的基础上通过添加新的成份，将单位高度的参考电压提高了2～3倍，达到了400 V/mm和600 V/mm，即在同等参考电压下将电阻片高度减至原来的1/2以下。目前，它主要应用于组合电器用罐式避雷器中，它的应用可大大减小罐式避雷器的体积，使其实现小型化。现阶段正在进行将其应用于复合型带串联间隙线路避雷器的研究，它的开发应用将可以使线路避雷器实现小型化与轻型化，更便于安装。第4代电阻片被称之为高梯度电阻片。电阻片技术的发展情况见表1。
综上所述，随着电阻片技术的飞速发展及电阻片性能的不断提高，避雷器的结构也相应发生了很大改变，且保护性能也越来越好。

2 避雷器的技术变迁

2.1 避雷器设计技术的发展

避雷器设计主要包括电气性能设计和机械性能设计。电气性能设计主要是对避雷器进行电位控制，使其电位分布尽量均匀、电场强度满足设计值的要求。在20世纪80年代前，主要是通过电路计算来力求分布的均匀，并使用电流法进行验证。后来开始使用二元电场解析软件来进行电场分析计算，并用氖灯管测量避雷器中电阻片电位，这种计算方法一直延续至20世纪90年代。以上这些方法只能对设计进行粗略的指导,进一步的设计工作还需要通过大量的试验验证和调整,因此工作量极大。现在世界上著名的生产厂家都采用精确的三维电场解析软件进行电场的分析计算，此软件能分析非对称均压环和其他介质对电场的影响。通过小型电阻片 - 光纤方法，沿着电阻片连续测量电位分布，可以实现对于局部最大电压不均匀系数的测量。实践证明,三维电场解析软件能够非常精确地计算避雷器中电位分布和电场强度,如图1所示，这给设计工作带来极大的方便。运用高精度分析技术设计、选用的均压环可以完全取代陶瓷电容器，进而实现最佳的电位分担（布）及电场强度。

2.2 瓷套型避雷器的技术进步

330 kV及以上电压等级所使用的避雷器,避雷器芯体由于受对地杂散电容的影响,其上电位分布极不均匀,从而使避雷器上部的电阻片要承担过高的电压,其结果是加快了电阻片的劣化,进而导致避雷器损坏。为了解决这个问题,需要从2个方面着手:①提高电阻片的荷电率；②减少对地杂散电容的影响,使电位分布尽量均匀。
在第3代电阻片产生之前，由于设计手段和电阻片性能的限制,仅仅通过均压环补偿杂散电容的影响远远满足不了要求，因此在早期通过在电阻片上并联同轴电容和均压环来实现均压，其效果是能将电位分布不均匀率抑制在10%左右。但它的缺点是结构复杂，且同轴电容成本极高。为了解决成本高的问题,生产厂家后来在设计中将同轴电容用在电阻片旁边并联陶瓷电容来取代。但它同样存在下列缺陷：①由于电容是分节进行补偿，因此在电容的连接部位电位分布不连续,电容连接部位电阻片的电压负担比较大；②电容的荷电寿命以及固定电容环氧管的老化寿命成为避雷器可靠性的重要保障。
随着第3代高性能电阻片技术的出现和三维电场解析软件的应用,世界知名的生产厂家均取消了并联电容的设计,而采用均压环来补偿杂散电容的影响。这种结构可以将500 kV避雷器的电压分布不均匀率控制在15%以内。由于电阻片荷电率的提高，以及避雷器电压分布不均匀率被控制在了15%以内，因此完全能满足避雷器寿命要求。此结构的优点是:①可以使瓷套的直径减小,从而减轻了避雷器的质量；②减少了近60%的零部件,结构得以简化,可靠性得到提高；③电阻片上的电位分布没有突变,电阻片的寿命得到保证。

2.3 罐式避雷器的技术进步

当前，以具有卓越绝缘性能SF6气体为绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）因具有占地面积小、免维护及高可靠性等优点，在世界范围内得到了越来越广泛地应用。对电压等级为110～1 050 kV的GIS，随着电压等级的提高，与之相配套的避雷器的体积也越来越高大。在330 kV及以上电压等级的GIS中，若与之配套使用的避雷器芯体采用单柱结构，则避雷器本体会非常地高。为了解决高度问题，若使用普通梯度的电阻片（200 V/mm），则只能采取多柱并联、曲折形串联结构，随之也会产生筒径大、零件个数多（中间需加绝缘垫块）、中间连接导线电感影响保护水平等不利因素。高梯度电阻片较之普通梯度电阻片的高度降低了1/2，它的出现使得800 kV及以下罐式避雷器的芯体采用单柱结构设计成为可能，避雷器的结构也因此而简单化。800 kV GIS型避雷器的直径仅为1 400 mm、高为3 600 mm。实现了体积的小型化，更便于运输。
为了进一步使罐式避雷器小型化，日本东芝公司在此基础上又研制开发了超高梯度电阻片,其梯度达到600 V/mm,使得800 kV GIS型避雷器的尺寸减小到直径1 200 mm、高2 700 mm,体积减小了45%。在特高压输电中, 避雷器的保护水平将直接影响工程造价,出于对避雷器能量吸收能力及保护水平的要求,世界知名厂家都采用电阻片多柱并联(一般4柱并联)结构,其体积很大,因此给运输造成了极大的困难。超高梯度电阻片的出现,大大减小了避雷器的体积。可以预见，使用超高梯度电阻片设计的避雷器必将在特高压输电系统中得到广泛地应用。

2.4 复合外套型避雷器的技术进步

针对瓷套配电型避雷器一般不带压力释放装置、故障率高、发生故障时瓷套会发生爆炸等缺点，美国通用电气公司（GE公司）于1979年研制出了配电系统用复合外套型避雷器。由于该复合外套型避雷器具有内部受潮隐患低、低电压避雷器裙套无爆炸危险、体积小、质量轻、耐污性能好等优点，故目前其在世界各国的发展很快。在我国，电站型避雷器已经研制到220 kV电压等级，它所具有的体积小、质量轻、便于现场安装的特点，使其可以被安装在输电线路杆塔上，从而有效地提高了线路的耐雷水平。尤其是在某些雷电活动强烈，采取降低接地电阻措施有困难的地段，电站型避雷器为解决因雷击而引起输电线路事故、降低线路过电压、保护绝缘子串提供了强有力的手段。我国线路避雷器已经研制到500 kV电压等级，随着电压等级的提高和紧凑型杆塔的广泛采用，使用常规梯度电阻片的线路避雷器本体过长、安装不便的缺点被突显出来。目前日本正在进行将高梯度电阻片应用于线路避雷器方面的研究，同时也在为IEC标准的制定做前期的研究开发工作。

3 IEC标准的变化情况

无间隙金属氧化物避雷器的第一个标准是日本于1984年制定的国家标准，版本号是JEC - 217，它是世界最早的无间隙避雷器标准，包括瓷套型、GIS型避雷器。IEC第1个无间隙金属氧化物避雷器标准于1991年第1次出版，版本号是IEC 60099 - 4，它是在综合了带间隙避雷器标准和各国无间隙避雷器标准的基础上修改制定而成的。它包括了500 kV及以下所有等级避雷器，在此标准里明确提出了密封要求，压力释放试验沿用带间隙避雷器的规定，但没有对于污秽试验方法的规定。IEC 60099 - 4于1998年进行了第1次修订，在这次修订中明确了污秽试验方法。2001年进行了第2次修订，这次修订对所有种类避雷器（包括复合型、油浸型、GIS型）的试验方法均作了具体规定，同时对复合外套避雷器的试验方法进行了讨论，但对于压力释放试验和机械强度试验仍未作出具体规定。2004年出版了IEC 60099 - 4第2版，在这一版里充实了各种避雷器的相关规定，对压力释放试验、机械强度试验均进行了修改。2002年出版了54 kV及以下电压等级线路避雷器的标准，现阶段以日本、法国和美国为首正在进行线路用避雷器标准的修订工作，目的是实现所有等级线路避雷器的标准化。其中一个很重要的内容，就是讨论将高梯度电阻片应用在线路避雷器中，使避雷器本体高度降低，以更好地应用于高压和特高压系统中。

4 结束语

无间隙金属氧化物避雷器的研制成功和推广应用是在电力系统过电压保护方面取得的最突出的科研成果，它使得电力系统的过电压防护技术达到了一个新的水平。随着电阻片性能的不断改善和提高，以及设计技术的进步，避雷器结构更趋简单化、小型化，可靠性更高，保护性能亦更卓越。新材料、新技术的应用，拓展了避雷器的保护范围，使得电力系统过电压水平进一步降低，从而给电力系统带来更大的经济效益。