氧化物避雷器工作原理及特性分析

氧化物避雷器工作原理及特性分析

作者：王骅 李翊 张日迪 张金波 陈善平 来源：《中国科技博览》2013年第09期

[摘 要]本文对氧化物避雷器工作原理进行了详细分析，并对其伏安特性及工频运行电压下的状态进行了详细分析，对今后避雷器性能监测提供重要的理论基础。 [关键词]MOV、性能、工作原理、泄漏电流

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0020-02 0 引言

避雷器是一种重要的过电压保护电器，担负着限制雷电过电压和操作过电压的双重保护任务，其正常运行对保证电气设备的安全运行和电力系统的安全供电起着重要作用。传统的避雷器是由放电间隙和碳化硅阀片电阻构成的。20世纪70至80年代间，一种新型的以氧化锌为阀片原料的无间隙氧化物避雷器（Metal Oxide Surge Arrester，简称MOA）问世，它具有优越的保护性能，并且性能稳定，抗老化能力强，能适应严重污染和高海拔地区，以及GIS等多种特殊需要。MOA已经成为避雷器发展的主要方向，并有逐渐取代传统的带间隙避雷器的趋势。 氧化锌阀片具有优越的非线性特性，在正常工作电压下电阻很高，实际上相当于一个绝缘体，因此可以不用串联火花间隙来隔离工作电压；在过电压作用下，其电阻很小，残压很低。正常工作电压下，流过氧化锌电阻片的电流仅为微安级，然而由于阀片长期承受工频电压作用而产生劣化，引起电阻特性变化，导致流过阀片的泄漏电流增加，致使避雷器绝缘特性遭到破坏而失去保护作用[1]。另外，由于MOA本身结构不良或密封不严等使内部构件和阀片受潮或污秽等，也会导致运行中MOA泄漏电流的增加。泄漏全电流中阻性分量的急剧增加（MOA功率增加）会使阀片温度上升而发生热崩溃，严重时甚至引起MOA的爆炸事故，而一旦发生MOA事故，后果很严重。国内外因MOA绝缘性能下降引起电力事故的例子并不少见，造成较大经济损失，带来很多负面影响[2]，因此对MOA的可靠性能检测已成为一个引人注目的问题。为能够及时发现MOA受潮、老化或其它的隐患，避免事故发生，一方面要强化质量管理，提高MOA产品可靠性；另一方面应经常对MOA的性能和绝缘特性进行检测，以便在发现异常后及时采取预防措施消除事故隐患，保证其在良好的状态下运行。为保证电力系统安全运行，必须对运行中的MOA进行定期检查，监测和检测其性能状态。

MOA性能检测是近年来国内外同行研究的重要课题之一，在线带电检测更是现在国内外关注的焦点问题，其研究成果的进一步突破对电力系统的安全运行有着深远的意义。

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为了更安全、更可靠和更方便地对MOA进行性能检测，本文的研究将为MOA制造厂和科研单位用于其相关研究以及MOA运行部门在线检测其性能带来极大的方便，同时其深入研究也必将为电力系统其它相关参量的无线检测提供重要的理论和实际指导意义。 1 氧化物避雷器特点及工作原理

为了对MOA进行有效的性能检测，首先必须对检测对象有一个充分的了解，下面本文将对MOA的特点及工作原理做一个简单的论述，以明确检测的内容和目标。 1）氧化物避雷器特点

MOA的结构主要由瓷套、阀片和绝缘构架等部分组成，其中重要基本结构就是阀片。阀片以氧化锌为主要成分，并添加少量的金属氧化物，将其充分混合后经过特定工艺过程而制成。这种阀片具有优良的非线性和较大的通流容量，由于阀片是由金属氧化物组成的，所以称为氧化物避雷器。

MOA具有优良的非线性特性，可以做成无间隙避雷器，在工作电压作用下，氧化锌阀片实际相当于一个绝缘体，不会使其烧坏。MOA由于无间隙，因而对波头陡的冲击波能迅速响应且放电无延迟，限制过电压效果很好，既提高了对电力设备保护的可靠性，又降低了作用于电力设备上的过电压。MOA无续流，只有当作用到氧化锌阀片上的电压达到其起始作用电压时，才发生“导通”，“导通”后，氧化锌阀片上的残压与流过其中的电流大小基本无关而为一定值，当作用电压降到动作电压以下时，氧化锌阀片“导通”状态终止，又相当于一个绝缘体。MOA由于无续流，使动作后通过的能量很小，对重复雷击或操作波等短时间可能重复发生的过电压保护特别适用。

MOA除上文所述具有无间隙、无续流和电气设备所受过电压低等优点，还具有通流容量大、体积小、重量轻、结构简单、运行维护方便、使用寿命长、以及没有因无续流而导致的熄弧问题，可运用于多雷区和多重雷区等优点。 2）氧化物避雷器阀片等值电路

MOA阀片的电特性可用图1所示的等值电路表示[4]，图中，RC为ZnO晶粒本体的电阻；C为晶界层的固有电容等效电容；R为晶界层的等效非线性电阻；IX为全泄漏电流；IC为容性泄漏电流；IR为阻性泄漏电流。其中非线形电阻R随阀片外施电压U的变化而变化，当U小于某一电压值（称为阀片的拐点电压）时，阀片呈现很大的电阻，阻值变化很小；而当U超过拐点电压时，非线形电阻R阻值减小很快，阻性电流值迅速增加。MOA晶界层的相对介电常数可达500～2000，使閥片具有相当大的电容量，在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。当U低于拐点电压时，晶界电容C变化很小，可视为常定值；当U超过拐点电压时，MOA晶界电容增加较快。

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