氧化鋅避雷器電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

郭俊峰 韓琦 毛天華 李毅

摘 要：為了測(cè)試氧化鋅避雷器的效果，了解氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)，工作原理以及功能特性。進(jìn)行了氧化鋅避雷器效驗(yàn)，同時(shí)也詳細(xì)介紹了端口保護(hù)器件的抗干擾能力的等級(jí)劃分。雷擊是引起電力系統(tǒng)故障的主要原因之一，雷擊可造成的雷電流的數(shù)值可以非常高，從而引起電磁效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)造成破壞，這種電磁效應(yīng)就可以用HEMP注入脈沖源來模擬，脈沖源的輸出可以等效這種場(chǎng)景，選擇氧化鋅避雷器為效應(yīng)物，對(duì)氧化鋅避雷器做效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：氧化鋅避雷器;電磁脈沖效應(yīng);過電壓保護(hù);抗干擾能力

雷電產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)于我們身邊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)都會(huì)帶來很嚴(yán)重的影響，全球每年都會(huì)因?yàn)檫@種電磁脈沖導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)故障，這樣會(huì)導(dǎo)致極高的經(jīng)濟(jì)損失，為國(guó)家?guī)韲?yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。[1-2]在現(xiàn)在飛速發(fā)展的社會(huì)中，加入民用和軍事上的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)受到電磁脈沖的影響，就會(huì)受到很嚴(yán)重的損失，軍事上可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)國(guó)家的安全問題，民用上可能會(huì)破壞社會(huì)秩序，所以電磁脈沖及其工程防護(hù)的理論和技術(shù)很受關(guān)注并且全球?qū)ζ溲芯繜岫纫埠芨摺?/p>

一、氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)

氧化鋅避雷器主要有兩種結(jié)構(gòu)，即帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器以及無間隙氧化鋅避雷器[3]。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器中的間隙有著阻隔的作用，這樣就導(dǎo)致了一部分電阻片就沒有運(yùn)行工作電壓，也就會(huì)面臨著系統(tǒng)老化問題，這樣就會(huì)導(dǎo)致容易發(fā)生故障，對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行存在著極大的隱患。而無間隙氧化鋅避雷器內(nèi)部電阻為氧化鋅電阻，使用這樣的電阻使性能有著明顯的提升。

（一）無間隙氧化鋅避雷器

該氧化鋅避雷器上邊連接高壓線夾，高壓線夾在連接至高壓線上，下邊連接脫離器，脫離器連接電纜和監(jiān)測(cè)器，相當(dāng)于直接連接各系統(tǒng)，沒有間隙。這樣的構(gòu)造能使避雷器不易發(fā)生損傷，即一旦監(jiān)測(cè)器檢測(cè)出避雷器有故障的時(shí)候，脫離器就會(huì)作用，讓避雷器與電壓線不連接，以免讓避雷器發(fā)生永久性的損傷，也會(huì)讓電網(wǎng)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生永久性的故障。因?yàn)闆]有間隙的原因，避雷器里的物件會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作，容易老化。

而影響壽命，對(duì)于非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，這樣的避雷器很容易熬成重大損失。無間隙氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（二）帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器除了本身還包含串聯(lián)間隙部分，串聯(lián)間隙部分與絕緣子串并聯(lián)，在陰雨雷電的天氣下，很容易引起雷電流在避雷器周圍形成高電壓，使氧化鋅避雷器的串聯(lián)間隙部分可能會(huì)被擊穿，使電位差減少，這樣絕緣子閃絡(luò)的問題就會(huì)得到解決，同時(shí)可以減少線路發(fā)生跳閘停電的事故。在避雷器的串聯(lián)間隙部分工作之后，氧化鋅避雷器本身含有的電壓遠(yuǎn)小于絕緣子串上的電壓即絕緣子閃絡(luò)電壓，也必須保證電弧在特定電壓下可以熄滅，來保證整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。氧化鋅避雷器的串聯(lián)間隙部分又可以分為復(fù)合絕緣子固定間隙和純空氣間隙兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)合絕緣子固定間隙的避雷器安裝起來很隨意，任意角度下都可以安裝到所需設(shè)備上，在檢修時(shí)會(huì)非常的方便。并且避雷器的本身與高壓線之間有隔離間隙，這就導(dǎo)致了即使在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候避雷器也不會(huì)帶電，這種避雷器自身的功率損耗也非常小，避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不會(huì)長(zhǎng)期帶電導(dǎo)致問題的發(fā)生，這使避雷器的壽命大大增加。帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器如圖2所示。

二、氧化鋅避雷器的功能特性

（一）氧化鋅避雷器的作用

氧化鋅避雷器是用來保護(hù)電氣設(shè)備的，它是通過限制過電壓來實(shí)行保護(hù)的，它所配備的防護(hù)功能非常完善，體積以及質(zhì)量都非常小，并且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，獲得了應(yīng)用的廣泛性。它就是在電氣線路上或者設(shè)備上人工安裝間隙裝置，該裝置的擊穿電壓要比電氣線路上或者設(shè)備上的擊穿電壓低，在系統(tǒng)正常工作時(shí)該間隙裝置并不影響系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)電壓升高到擊穿電壓時(shí)，間隙裝置直接接地實(shí)施放電來實(shí)現(xiàn)降壓來保護(hù)電氣設(shè)備[4]。

（二）氧化鋅避雷器功能特性

避雷器的特性就是過電壓保護(hù)，而氧化鋅避雷器可以在電力系統(tǒng)上起到限壓保護(hù)作用，但是對(duì)于沒有上限的過電壓，最主要的就是暫態(tài)過電壓，其頻率是正常的數(shù)倍，一旦暫態(tài)過電壓成為避雷器的工作電壓，避雷器就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)并且發(fā)熱，而導(dǎo)致避雷器的不可逆損害。我們一般會(huì)將所有的暫態(tài)過電壓移到保護(hù)死區(qū)內(nèi)并且保證不能外泄，這樣避雷器就不容易損壞，也就是暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng)，反之則不同。

三、氧化鋅避雷器的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

按照原理圖對(duì)其進(jìn)行安裝，效應(yīng)物為氧化鋅避雷器，通過容性注入的方法對(duì)氧化鋅避雷器做效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)試出的雙指數(shù)脈沖對(duì)其氧化鋅避雷器進(jìn)行輸出，將充電電壓升至30kV，達(dá)到相對(duì)完美輸出。我們選用220V，1kV，3kV，10kV，35kV等型號(hào)的氧化鋅避雷器，將該輸出注入到不同型號(hào)的氧化鋅避雷器上，我們依次做注入實(shí)驗(yàn)，對(duì)于35kV以下的避雷器，其實(shí)驗(yàn)輸出如圖3所示，由于結(jié)果幾乎一樣，我們選擇采用注入220V氧化鋅避雷器實(shí)驗(yàn)結(jié)果來演示，我們發(fā)現(xiàn)這樣的輸出對(duì)于220V，1kV，3kV，10kV即35kV以下的避雷器能夠達(dá)到擊穿，輸出的結(jié)果達(dá)到了擊穿的效果，但是對(duì)于其中的抗干擾能力仍大有不同，型號(hào)是220V，1kV和3kV的避雷器就有了實(shí)質(zhì)性的功能損壞，（下轉(zhuǎn)第209頁(yè)）

（上接第207頁(yè)）造成了不可逆的損壞，也就是避雷器直接報(bào)廢，所在的電子系統(tǒng)也會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，這類屬于功能損壞;型號(hào)是10kV的避雷器仍舊可以使用，但相應(yīng)的電子系統(tǒng)也會(huì)受到影響，我們只需立即重新啟動(dòng)電子系統(tǒng)，避雷器所在的電子系統(tǒng)仍然可以正常使用，避雷器也沒有造成不可逆的損害，仍然可以起到防護(hù)的作用，這類屬于工作干擾。

最后我們又實(shí)驗(yàn)了型號(hào)為35kV及以上的氧化鋅避雷器，最后輸出的結(jié)果為如圖4所示。

從中我們看到了輸出結(jié)果仍為雙指數(shù)脈沖波形，說明了該型號(hào)的避雷器沒有被擊穿，也就表明了這樣的輸出并沒有影響到氧化鋅避雷器，氧化鋅避雷器達(dá)到了防護(hù)，電子系統(tǒng)可以正常工作，也就是這樣的脈沖輸出對(duì)于型號(hào)為35kV以上的避雷器基本沒有影響，可以正常工作。

四、結(jié)論

a）介紹了兩種氧化鋅避雷器，分別為無間隙氧化鋅避雷器和帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能做出了詳細(xì)的闡述。

b）氧化鋅避雷器是用來保護(hù)電氣設(shè)備的，它是通過限制過電壓來實(shí)行保護(hù)的，所配備的防護(hù)功能非常完善，體積以及質(zhì)量都非常小，并且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，獲得了應(yīng)用的廣泛性。

c）上升時(shí)間在20ns左右，脈沖寬度450～500ns，電流峰值不小于1kA的雙指數(shù)脈沖對(duì)于型號(hào)35kV以下的氧化鋅避雷器有著影響，可以影響到其所在的電子系統(tǒng)，對(duì)于型號(hào)10kV以下的氧化鋅避雷器造成功能損害，電子系統(tǒng)也會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，對(duì)于型號(hào)為10kV的避雷器造成工作干擾，重啟系統(tǒng)，避雷器和電子系統(tǒng)仍舊可以工作，對(duì)于35kV及以上的型號(hào)，氧化鋅避雷器可以正常防護(hù)使其電子系統(tǒng)可以正常工作。

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