摘要：为了保证信息系统与电气设备的安全，需要在输电线路上装设过电压抑制设备，这类设备就是避雷器。常用避雷器主要有四种类型:保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。

　　雷击在输电线路上感应出的雷电侵入波过电压能够沿线路进入建筑物内，危及建筑物内的信息系统和电气设备。为了保证信息系统与电气设备的安全，需要在输电线路上装设过电压抑制设备，这类设备就是避雷器。常用避雷器主要有四种类型:保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器。
　　
　　信息系统对雷电感应的防护，与建筑物对直击雷的防护是完全不同的，有许多新的特点和要求。雷电击中户外输电线引起的雷电波侵入和雷电击中避雷针引起的高电位反击，也会对室内电子信息系统带来危害，也需要防护，其防护措施与雷电感应过电压防护基本相同。
　　
　　一、避雷器保护原理及性能要求
　　
　　避雷器设置在与被保护设备对地并联的位置，如图2-23所示。各种避雷器均有一个共同的特性，即在高电压作用下呈现低阻状态，而在低电压作用下呈现出高阻状态。在发生雷击时，雷电侵入波过电压沿线路传输到避雷器安装点后，由于这时作用于避雷器上的电压很高，避雷器将动作，并呈现低阻状态，从而限制过电压，同时将过电压引起的大电流泄放入大地，使与之并联的设备免遭过电压的损坏。在雷电侵入波消失后，线路上又恢复了正常传输的工频电压，这一工频电压相对于雷电侵入波过电压来说是低的，于是避雷器将转变为高阻状态，接近于开路，此时避雷器的存在将不会对线路上正常工频电压的传输产生影响。
　　
　　

图2-23避雷器的设置

　　为使避雷器能够发挥出预计的保护效果，它必须满足两个基本性能要求。
　　
　　①避雷器应具有良好的伏秒特性，以易于实现与被保护设备的绝缘配合。
　　
　　图2-24说明避雷器与被保护设备之间伏秒特性的配合关系。在图2-24(a)中，避雷器伏秒特性2上有一部分高于被保护设备的伏秒特性1，当沿线路侵入的过电压波具有较短的波头时间时，在这种过电压作用下，被保护设备将首先被击穿，避雷器将起不到保护作用。在图2-24(b)中，避雷器的整个伏秒特性2低于被保护设备的伏秒特性1，在过电压作用下可以起到保护作用，但由于避雷器伏秒特性2过低，甚至低于被保护设备上可能出现的最高工频电压3，这样即使在没有雷电侵入波过电压作用时，避雷器也会在工频电压作用下发生误动作，因此它会妨碍被保护设备及其所在系统的正常运行，也是不可取的。从伏秒特性的配合情况来看，只有图2-24(c)才是比较合理的。为了实现理想的配合，不仅要求避雷器伏秒特性的位置要低，而且其整体形状要平坦，具有这种特性的避雷器才能发挥良好的保护作用。
　　
　　

　　图2-23避雷器的设置

　　为使避雷器能够发挥出预计的保护效果，它必须满足两个基本性能要求。
　　
　　①避雷器应具有良好的伏秒特性，以易于实现与被保护设备的绝缘配合。
　　
　　图2-24说明避雷器与被保护设备之间伏秒特性的配合关系。在图2-24(a)中，避雷器伏秒特性2上有一部分高于被保护设备的伏秒特性1，当沿线路侵入的过电压波具有较短的波头时间时，在这种过电压作用下，被保护设备将首先被击穿，避雷器将起不到保护作用。在图2-24(b)中，避雷器的整个伏秒特性2低于被保护设备的伏秒特性1，在过电压作用下可以起到保护作用，但由于避雷器伏秒特性2过低，甚至低于被保护设备上可能出现的最高工频电压3，这样即使在没有雷电侵入波过电压作用时，避雷器也会在工频电压作用下发生误动作，因此它会妨碍被保护设备及其所在系统的正常运行，也是不可取的。从伏秒特性的配合情况来看，只有图2-24(c)才是比较合理的。为了实现理想的配合，不仅要求避雷器伏秒特性的位置要低，而且其整体形状要平坦，具有这种特性的避雷器才能发挥良好的保护作用。
　　
　　

　　上(a)不正确的配台，中(b)不可取的配合，下(c)合理的配合
　　
　　图2-24避雷器和被保护设备的伏秒特性的配合
　　
　　1一被保护物的伏秒特性；2一避雷器的伏秒特性；3一最高工频电压

　　②避雷器应具有较强的绝缘自恢复能力，以利于快速切断工频续流，使被保护设备在雷电侵入波过电压结束后能尽快恢复正常工作。避雷器一旦在过电压作用下动作后，就转变为低阻状态，使被保护设备端接的线路对地接近于短路，经过短时间后，雷电侵入波过电压虽已消失，但原线路上的工频电压却仍作用于避雷器上，使避雷器开始导通工频短路电流。这时流过避雷器中的短路电流称为工频续流，它以电弧形式出现，只要这种工频续流不中断，则避雷器就仍处在低阻状态，被保护设备就无法正常工作。因此，避雷器应具有自行切断工频续流和快速恢复到高阻状态的能力。
　　
　　二、保护间隙
　　
　　保护间隙是一种最简单的避雷器，如图2-25所示。它由主间隙和辅助间隙串联而成。辅助间隙是为了防止主间隙被外物(如小鸟，短路而设置的，以防止误动作。主间隙的两个电极做成角形，可以使工频续流电弧在自身电动力和热气流作用下上升拉长而变得易于熄灭。当遇到雷电侵人波过电压时，间隙首先放电击穿，线路被短路接地，这就避免了后面被保护设备受到过电压的作用。在过电压消失后，间隙中仍可能有工频电压作用所产生的工频续流，由于保护间隙没有专门的灭弧措施，其灭弧能力是比较差的，所以会引起线路的跳闸事故，这是保护间隙的主要缺点。为了保证线路的可靠供电，需要将保护间隙与自动重合闸装置配合使用。由于保护间隙存在着灭弧能力差的缺点，它一般只使用于一些不太重要的场合或缺乏合适避雷器的场合。
　　
　　　　

图2-25保护间隙

         保护间隙的主间隙不应小于表2-4所列数值。辅助间隙可采用表2-5所列数值。

额定电压/KV	3	6	10	20	35
间隙数值/mm	8	15	25	100	210

表2-4  保护间隙的主间隙最小值

额定电压/KV	3	6～10	20	35
辅助间隙数值/mm	5	10	15	20

表2-5  辅助间隙的数值

　　三、管型避雷器
　　
　　管型避雷器是在保护间隙的基础上发展起来的一种具有较强灭弧能力的避雷器，其原理结构如图2-26所示。
　　
　　

图2-26  管型避雷器的示意图
1-产生气体的管子；2-棒形电极；3-环形电极；4-接地螺母；
5-喷弧管口；S1-内部火花间隙；S2-外部火花间隙

　　管型避雷器由两个间隙串联而成，一个间隙在产气管内，称为内间隙；另一个间隙装于产气管外，称为外间隙。外间隙的作用是使产气管在线路正常输电时与工频隔离。产气管用纤维、塑料或橡胶等在电弧高温下易于气化的有机材料制成。当雷电侵入波过电压沿线路袭来时，内、外两个间隙均被击穿，使过电压作用下产生的过电流流入大地。在过电压消失后，间隙中流过工频续流。在工频续流电弧的高温作用下，产气管内分解出大量气体，形成数十至上百个大气压的压力。高压气体从环形外部电极孔口急速喷出，猛烈地从纵向吹动续流电弧，是工频续流在第一次过零时即熄灭。管型避雷器的灭弧能力与工频续流的大小有关，续流太大则产气过多，会使管子发生爆炸；续流过小，则产气不足，不能熄灭电弧。因此，管型避雷器灭弧电流有上限值和下限值，这些限值通常在它的型号中标出，例如管型避雷器的型号通常记为

　　在这一记号中，UN(有效值)是额定电压，Imax和Imin分别是灭弧电流的上、下限值。使用时要根据安装点的线路运行条件，使单相接地短路电流不超过避雷器灭弧电流值的允许范围。管型避雷器有几个明显的缺点:一是其伏秒特性陡，难以和被保护设备实现配合;二是运行维护较为麻烦;三是动作时会产生高幅值的冲击载波，容易危害被保护设备(如变压器，的绝缘。因此，管型避雷器现在只用于输电线路的个别区段的保护，例如在线路交叉挡距或大跨距处以及变电所的进线段。
　　
　　管型避雷器外间隙的数值见表2-6所示。
　　
　　

表2-6  管型避雷器外间隙的数值

注:表中GB1指用于变电所进线段首端的管型避雷器。

           四、阀型避雷器

           阀型避雷器是由火花间隙和非线性电阻这两个基本元件组成的，如图2-27所示。

图2-27  FS-6型阀型避雷器

　　非线性电阻具有饱和特征，即电流越大，电阻越小;电流越小，电阻越大。当线路工常输电时，火花间隙将非线性电阻与线路隔开。而当雷电侵入波过电压沿线路袭来时，火花间隙首先击穿，过电压作用产生的过电流经非线性电阻流入大地。由于非续性电阻的非线性饱和特性，其电阻在流过大电流时将变得很小，所以过电流在非线性电阻上产生的压降将不会高，这一压降称为残压。残压低于被保护设备的耐受电压水平，设备便得到避雷器的保护。当过电压消失后，火花间隙中由于受线路正常输电工频电压的作用而仍将流过工频续流。此工频续流由于受到非线性电阻的限制，其值甚小，而此时的非线性电阻则变大，这样就迸一步限制了工频续流，使之在第一次过零时就能够将电弧熄灭，恢复线路的正常输电。
　　
　　实际的阀型避雷器中火花间隙是由一系列单个平板型间隙组成的，单个平板型间隙结构如图2-28所示。间隙的电极由黄铜材料冲压成小圆盘形状，中可以云母垫圈隔开，间隙之间的距离为0.5～1.0mm。由于间隙之间的电场接近于均匀场，而且在过电压作用下云母垫圈与电极之间的空气缝隙还会发生局部预游离，因此间隙的放电分散性较小，伏秒特性较为平坦。将阀型避雷器中的火花间隙做成由多个短间隙串联而成的串联体，将有助于切断工频续流。因为工频续流电弧被短间隙电极分割成许多段短弧，靠电极的复合与散热作用使去游离的程度提高，并使短弧能在工频续流过零后不易重燃，而被熄灭，所以这就在很大程度上改善了阀型避雷器的伏秒特性。实际阀型避雷器申的非线性电阻也是由多个圆形非线性电阻片串联而成的，每片非线性电阻称为阀片，阀片常由碳化硅(SiC)添加一部分氧化铝(A1203)用黏合剂压制后经高温焙烧而成。阀片的电阻值随流过电流的变化而呈现出非线性变化。
　　
　　

图2-28  单个平板型间隙
1一黄铜电极；2一云母片

　　为了进一步改善阀型避雷器的保护性能，在普通阀型避雷器的基础上，发展了一种磁吹避雷器。这种避雷器的基本原理和结构与普通阀型避雷器大致相同，其区别仅在于采用了灭弧性能较强的磁吹火花间隙和通流容量较大的高温阀片电阻，所以它也称为磁吹阀型避雷器。磁吹火花间隙是利用磁场对电弧的电动力作用来迫使间隙中的电弧加快旋转运动或延伸的，使间隙的去游离作用增强，从而提高灭弧能力。磁吹火花间隙通常有电弧旋转式和电弧拉长式两种。电弧旋转式磁吹间隙常用于额定电压较低(2～15kV)的避雷器中，其间隙为由内、外两个电极构成的同心圆，磁场由外加永久磁铁产生。电弧在外磁场作用下沿圆形间隙旋转运动，使弧道冷却，以加速去游离过程，因而灭弧能力可以提高。电弧旋转式磁吹间隙能可靠切断幅值为300A的工频续流。电弧拉长式磁吹间隙常用于额定电压较高(岁35kV)的磁吹避雷器，其间隙为一对羊角形电极，羊角形间隙装在由陶瓷或云母玻璃材料制成的灭弧盒内，盒的内周边做成锯齿形的灭弧栅，磁场由工频续流通过线圈来产生，工频续流电弧在电磁力作用下被拉长并进入灭弧盒的狭缝及其灭弧栅中，被拉长后的电弧可达起始时弧长的数十倍。被拉长的电弧受冷却后发生强烈的去游离而灭弧，使间隙的绝缘强度迅速恢复而不致发生电弧的重燃。在这种间隙上采用线圈是为了使磁场方向随工频续流方向的改变而电弧的运动方向不变。单个电弧拉长式间隙可切断450A的工频续流，约为普通间隙的4倍。

　　五、氢化锌避雷器
　　
　　氧化锌避雷器又称金属氧化物避雷器，是20世纪70年代初期出现的一种新型避雷器。它主要由具有良好非线性伏安特性的氧化锌电阻阀片构成。这种电阻阀片是以氧化锌(ZnO)为主要材料，掺迸少量的氧化秘(Bi202)、氧化钻(C0202)、氧化锰(MnO2)和氧化锑(Sb03)等金属氧化物添加成分，经成型高温烧结处理工艺而制成的。氧化锌电阻阀片的伏安特性如图2-29所示。
　　
　　在图2-29中，同时还给出了碳化硅电阻阀片的伏安特性。在正常线路电压下，氧化锌电阻阀片特性曲线对应的电流为l0～5OμA，而碳化硅电阻阀片特性曲线对应的电流为200～400A。因此，在正常线路电压的作用下，氧化锌电阻阀片中的电流很小，可以忽略不计，此时它实际上相当于一个绝缘体。所以氧化锌避雷器可以通过其阀片自身在线路正常电压下所呈现出的高电阻来有效地抑制工频续流，而不必像使用碳化硅阀片的阀型避雷器那样需要串联火花间隙。图2-30给出了一种低压氧化锌避雷器的结构。
　　
　　

图2-29氧化锌电阻阀片的伏安特性   图2-30低压氧化锌避雷器的结构

　　与阀型避雷器相比，氧化锌避雷器具有以下一些优点。
　　
　　①由于不串火花间隙，氧化锌避雷器结构简单，其体积可以缩小，而且能完全避免火花间隙放电受温度、湿度、气压和污秽等环境条件影响的缺点，所以其性能是稳定的。
　　
　　②在氧化锌避雷器中省去了火花间隙，也就避开了火花间隙放电需要一定时延的弊端，从而大大改善了避雷器的动作限压响应特性，特别是改善了对波头陡度大的雷电侵入波过电压的抑制效果，提高了对设备保护的可靠性。
　　
　　③氧化锌避雷器在雷电侵入波过电压消失后，实际上没有工频续流流过，这就使得它所泄放的能量大为减少，从而可以承受多次雷击，并可延长工作寿命。
　　
　　④氧化锌避雷器通流容量较大，由于没有串联火花间隙，其允许吸收能量不像阀型避雷器那样受间隙烧伤的制约，而仅与氧化锌电阻本身的强度有关。氧化锌阀片单位面积的通流能力可达碳化硅阀片的4～5倍，其残压约为碳化硅阀片的1/3，且电流分布特性均匀，可以通过并联氧化锌阀片或整只氧化锌避雷器并联的方式来提高避雷器的通流容量。
　　
　　⑤氧化锌避雷器的制造工艺简单，元件单一通用，造价低廉，适合于大批量生产。