基于集膚效應的避雷器爆炸原因探究

[摘 要]氧化鋅避雷器（MOA）是保證電力系統中安全運行的重要保護設備。本文介紹了一起典型的MOA爆炸故障情況，對故障相MOA進行了解體，從“集膚效應”這個角度分析MOA對爆炸原因進行了總結分析。

[關鍵詞]氧化鋅避雷器；爆炸；集膚效應

氧化鋅避雷器是目前廣為使用的避雷裝置，其基本組成部件是由氧化鋅壓敏電阻組成的閥片，可用于輸電線路對直擊雷、繞擊雷的防護。因為氧化鋅壓敏電阻閥片自身所具有良好的非線性電阻特性，以及其他符合電氣工程技術要求的特點，應用廣泛[1-2]。

避雷器在運行中長期承受系統電壓作用，其閥片逐漸會產生劣化，若由于內部受潮，會加速閥片的劣化，達到一定程度后，避雷器在正常或過電壓下運行時會出現爆炸。傳統觀點認為避雷器受潮是造成避雷器爆炸的主要原因，本文提出基于集膚效應原理也是避雷器爆炸的原因之一。

一、故障情況

1.故障經過

2017年6月22日，天下暴雨，伴有雷聲，下午2點50分左右，某變電站內發生巨大響聲，現場檢查發現220 kV變壓器本體避雷器A相發生故障，外瓷套和底座有明顯電弧噴射燒黑的痕跡。避雷器計數器燒毀破裂，相關保護動作正確，其他設備無異常。故障發生時，所在區域打雷現象，因此可以初步斷定出現雷電過電壓的可能。

2.氧化鋅避雷器結構

氧化鋅避雷器組成部件除了氧化鋅壓敏電阻閥片之外，還有密封線圈、環氧管、填充膠、彈簧等，有部分產品還裝有均壓電容器。

目前世界上采用的氧化鋅避雷器多是無間隙閥片避雷器，下圖為避雷器外觀及剖面圖：

1.上接線端 2、火化間隙 3、云母墊片 4、瓷套圈 5、閥片 6、下接線端

3.現場檢查

這是避雷器爆炸事故現場。由下圖可知，該避雷器損壞嚴重，外殼面目全非，內部氧化鋅閥片也支離破碎，可見避雷器爆炸的嚴重性。

二、原因分析

1.雷電過電壓放電過程

避雷器與絕緣子串的設計尺度差異易導致橫向放電的發生，進而引起絕緣沿面閃絡。這是避雷器設計安裝中難以避免的因素，特別是對高電壓等級的桿塔。如下圖所示：

該圖顯示了避雷器在受雷擊時放電的三個階段，在避雷器正常泄放雷電流的同時，后續殘壓會給避雷器和絕緣子、線路造成很大影響，如一次閃絡對絕緣子產生很大的沖擊置其絕緣老化、二次閃絡和三次閃絡直接在絕緣子表面放電，嚴重會造成短路。

2.集膚效應對避雷器影響

避雷器運行過程不可忽視的而一個重要因素--集膚效應。根據集膚效應，幾乎所有的通流能量都沿著ZNO閥片的最外層表面通過，能量密度大，短時間內產生的熱效應極易使避雷器破損或爆炸。額定工頻電壓作用下避雷器事故模擬實驗，額定工頻電壓作用下即可導致避雷器爆炸破裂，因此在高頻沖擊電壓作用下，避雷器必然發生燒灼或破裂，故障率幾乎100%。表面燒壞嚴重，閥片幾乎沒有受損。

根據肌膚效應的產生機理，避雷器的閥片連接體相當于在一個理想導體中，閥片的電流密度J衰減函數可表示為：

（1）

（2）

其中：

=導體的電阻率

ω=交流電的角頻率=2π×頻率

μ=導體的絕對磁導率=，其中是真空磁導率，是導體相對磁導率

雷電在通過導體時存在集膚效應，因此就有可能是這樣情況：避雷器在雷電流經過時由于集膚效應而爆炸。

圖4可知，避雷器在通過雷電流時，避雷器閥片的溫度自里向外呈現上升的趨勢，閥片表面的溫度遠遠高于閥片中心溫度，這就符合肌膚效應的產生的外部條件。同時，從圖中還可以看到，通過避雷器閥片的電流密度變化趨勢與溫度吻合，越靠近表面的區域，電流密度越大，這就更容易引發溫度過高而發生爆炸事故。

三、結語

避雷器在防雷領域為電力工作者不斷改進更新，取得了引人注目的成果，通過以下兩個方面的完善可以一定程度上降低集膚效應對避雷器劣化的影響：

1.制造工藝方面

避雷器對制造工藝水平要求較為嚴格，避雷器的主要構成部件氧化物閥片是一個嚴格、嚴密的產品，確保其良好的非線性特性，需要在避雷器內部制造一個絕對優異的導通環境，嚴重可造成避雷器極易爆炸。

2.工作原理上

避雷器是泄放雷電電流，防止過電壓對電力系統造成的危害。對避雷器的研究，現有研究更多集中在研究金屬氧化物的非線性導電特性，不斷的研發更為良好的配比、組合材料，以及加工方面做更嚴格的要求，使集膚效應對避雷器的影響已減少到最低程度。

參考文獻：

[1]蔡浩忠.220kV變電站避雷器故障原因及解決措施[J].科技展望，2017，27（30）：75+77.

[2]吳厚寬.電網輸電線路防雷方法研究[J].電子世界，2017，（14）：159.

[3]董昱煒.220kV氧化鋅避雷器故障的處理及分析[J].電工技術，2017，（06）：80-81.

[4]唐夢穎，一起220kV避雷器爆炸故障分析與防范措施[J].電工電氣，2017，（02）：36-38+42.

[5]王巨豐，胡習凱，氧化鋅非線性電阻片集膚效應的分析與探討[J].電瓷避雷器，2014，（03）：88-95.

作者簡介：吳國強（1983.8—），男，廣西科技大學，研究方向：現代電力系統防雷、智能電網。

基金項目：廣西科技大學，校科自174531