氧化锌避雷器的综述报告
一．国内外研究动态
1.1概述
自从1967年日本发现氧化锌压敏特性以来,具有优异非线性伏安特性的金属氧化物电阻片及金属氧化物避雷器迅速发展，在全球低压、高压及超高压领域的应用日益广泛。近年来又不断呈现新的特点。
1.2国外发展动态
1.2.1日本：最早研究与开发，发展较快又具特色。
日本在避雷器开发方面具有以下几点：
1)高梯度电阻片的开发
首先研究开发出高梯度电阻片为上世纪九十年代中期。其梯度为400V／mm约是通常电阻片的两倍，近年来研究已达600V／mm。这种高梯度电阻片，开始主要用于金属封闭避雷器和油浸避雷器中，随后用于所有的避雷器产品。第一台使用高梯度电阻片的154kV金属封闭避雷器运行已超过六年，到目前采用高梯度电阻片的避雷器业已超过5000相，运行情况正常。
2)线路避雷器的开发
据介绍，在日本输电线路的电气故障超过半数是由于雷电引起的。为了降低雷电灾害，采取了多种对策，如降低接地电阻、架设保护线、保护角减小等等。利用金属氧化物避雷器保护线路。于1980年开始，用在66kV和77kV系统目前已发展至500kV线路。线路避雷器绝大部分有间隙，电压等级集中在66kV和77kV系统。
近几年的发展表明，66-154kV线路安装仍然较多，产品是小型化后的轻便型，便于安装，也减低了成本。铁塔单方向全装的情况为多，这种紧凑结构的轻便线路避雷器值得我们研究、借鉴。通过计数器来统计发生故障的情况观察了1903处杆塔、安装线路避雷器后，证明有97％ 的保护效果；另外，观察到53起安装了线路避雷器仍然发生闪络的情况，表明是避雷器的串联间隙与绝缘子安装的保护间隙绝缘配合不当。其中，还有一起避雷器损坏事故。紧凑型避雷器得到迅速发展。通过13处杆塔20相避雷器的观察66kV线路1999年到2001年3年的对比，未安装避雷器两条线路发生闪络12起，而安装避雷器两条线路只发生闪络5起，其中一条线路未发生闪络。
1.2.2俄罗斯：世界上具有最高电压等级的国家，1150kV线路于I977年初试运行。
俄罗斯一方面是利用复合金属氧化物避雷器及复合绝缘子的特点，开展了紧凑型线路方面的研究。再者其电阻片制造技术较一般，避雷器均采用电阻片并联，其对电阻片并联、避雷器电位分布及污秽性能等都很有研究。也正是由于后者，为我国制造商提供了不少商机。
1.2.3英国:由Tyco公司开发了系列多柱(四柱)并联的避雷器。
英国这种系列并联避雷器具有一系列通常单柱或多柱所不具有的电气和机械性能，其独特的几何一体化结构带来得均压作用，不需要象平常的避雷器那样专门考虑用均压环来调整电位分布。
超过1O年在高压／超高压系统可靠的运行经验，证明了该系列并联避雷器的设计思路是可行的。虽然，其与常规的，包括IEC所推荐的思路有明显的不同。该产品与瓷套型以及非一体化的复合外套避雷器之间。以两种不同的方法或角度，电场分布非常接近。热等效模型试验证明其内部的容性和阻性电流也有明显的优势。经长期运行实践的考验，结果显示电阻片也没有老化的情况。从英国所作的工作来看，对于我国将来开发发展特高压避雷器还是具有参考意义的。
1.2.4其他国家和地区概况
德国(siemens)、瑞士(ABB)、芬兰等国家及公司进行了复合外套避雷器长期性能研究和探讨：包括避雷器的污秽性能、外绝缘的长期性能、密封性能等，也包括5000h的循环试验。
瑞典(ABB)与荷兰(KEMA)对复合外套避雷器的短路试验进行了研究，分析了短路电流预期故障模式。试验中试品的预处理，试验条件及试验方法等，对IEC标准建议的短路试验也进行了分析，并提出了相应的建议。
1.3国内发展动态
国内专家关注氧化锌压敏特性也是在上世纪六十年代末期，七十年代进行了大量的科研基础工作，至八十年代末期前后两次“两部” 避雷器运行调查，金属氧化物避雷器全面取代碳化硅避雷器已成定局。金属氧化物避雷器经两部鉴定为八十年代中期世界先进水平。之后，国内金属氧化物避雷器制造业迅猛发展，可以用雨后春笋来形容。国内产品完全占领了国内市场，一些优秀企业走向了世界。九十年代中后期，线路避雷器快速发展。1997年第一台500kV线路金属氧化物避雷器挂网运行(国内第一台220kV线路避雷器于1986年用于镇江大跨距过江铁塔瓷套型始装于铁塔的一个平台上)。如今，750kV金属氧化物避雷器投入运行。
当然，我们还有一些不成熟的地方：
1)在电阻片研究方面虽然作了多年的工作，目前来看效果不太明显特别是在高梯度研究方面。虽有曙光再现，又无明显突破；
2)国内的无序竞争，行业监管束手无策，加之外资的涌入，唯一的出路只有靠与国际接轨，积极迎战国际竞争；
3)在线路避雷器开发方面，对线路的雷电过电压研究方面不够深入，对线路避雷器的额定值的选取、避雷器能量吸收等的确定有待研究，一些参数的不当选择可能使避雷器太笨重，不利于实际安装使用、影响推广。这方面可多参考日本和俄罗斯的研究工作，进一步再开展一些基础研究，增强线路避雷器开发、运行的效果；
4)对于复合外套金属氧化物避雷器，其长期性能应是大家比较关注的问题。例如我国自然条件复杂：南方有台风，北方有沙尘暴。因此，国内在完善试验研究条件，参考IEC标准开展一些研究工作(如5000h)的同时，建议积聚行业的力量。在国内典型的地域比如高原、东南沿海，西北、东北、电气化铁道隧道等情况，建立长期的自然老化、污秽站、对典型的复合外套避雷器绝缘子等开展研究，这样就可以提高行业在国际上的威望。使国内的企业在国际上具有较强的竞争力。
二.基本原理和结构
2.1氧化锌避雷器工作原理
2.1.1避雷器的作用
避雷器的作用是过电压以保护电气设备。避雷器就是在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，在过电压下间隙被击穿接地，放电降压起到保护线路或设备绝缘的作用。
2.1.2氧化锌避雷器工作原理
图1.ZnO避雷器的伏安特性
氧化锌避雷器是世界公认的当代最先进防雷电器。其结构为将若干片ZnO阀片压紧密封在避雷器瓷套内。ZnO阀片具有非常优异的非线性特性，在较高电压下电阻非常小，可以泄放大量雷电流，残压很低，在电网运行电压下电阻很大，泄漏电流只有50—150μA，电流很小，可视为无工频续流，这就是可以做成无间隙氧化锌避雷器的原因。它对陡坡和雷电幅值同样有限压作用，防雷保护功能完全是其突出优点。在我国先生产使用的正是无间隙氧化锌避雷器，运行实践表明，它有损坏爆炸率高，使用寿命短等缺点。究其原因，暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点，同时有暂态过电压承受能力强的特点，是一种理想的扬长避短的产品，结合我国国情可在3—35kV系统串联间隙氧化锌避雷器。
2.1.3线路氧化锌避雷器防雷的基本原理
雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。
雷击杆塔时塔顶电位迅速提高，其电位值为
Ut=iRd+Ldi／dt
式中i—雷电流；Rd—冲击接地电阻；Ldi／dt—暂态分量。
当塔顶电位ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串5O％的放电电压(uso)时，将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut—U1>U50，如果考虑线路工频电压幅值Um 的影响，则为Ut—U1+Urn>U50。因此．线路的耐雷水平与3个重要因素有关，即线路绝缘子的50％放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说，线路的50％放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和大气条件相关，不加装避雷器时。提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻。在山区，降低接地电阻是非常困难的，这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。
加装氧化锌避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从避雷线传人相临杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。
因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络。因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。以往输电线路防雷主要采用降低塔体接地电阻的方法，在平原地带相对较容易，对于山区杆塔，则往往在4个塔脚部位采用较长的辐射地线或打深并加降阻剂。以增加地线与土壤的接触面积降低电阻率，在工频状态下接地电阻会有所下降。但遭受雷击时，因接地线过长会有较大的附加电感值，雷电过电压的暂态分量Ldi／dt会加在塔体电位上，使塔顶电位大大提高，更容易造成塔体与绝缘子串的闪络，反而使线路的耐雷水平下降，因为线路避雷器具有钳电位作用。对接地电阻要求不太严格，对山区线路防雷比较容易实现，实践证明加装线路避雷器对防雷效果是十分明显的。
2.2线路氧化锌避雷器的结构
目前的线路氧化锌避雷器分为无间隙带脱离器结构及带串联间隙结构两种。
2.2.1无间隙带脱离器结构氧化锌避雷器
图2.无间隙带脱离器氧化锌避雷器
图2为无间隙带脱离器的结构。避雷器通过高压接线夹接在高压线上，下接脱离器，脱离器与地之间用软电缆连接，避免脱离器受力，中间用接地绝缘子过渡固定，并接监测器。当避雷器发生故障时，脱离器用来将避雷器与系统脱离，以防系统发生永久性故障,并给出故障避雷器的明显指示。正常运行状态下和电站型没有太大差别，受污秽影响较小，在正常运行中长期荷电，维修和监测工作量较大。
2.2.2带串联间隙结构氧化锌避雷器
图3.带串联间隙结构氧化锌避雷器
分为纯空间间隙和复合绝缘子固定间隙两种，其结构如图3。复合绝缘子固定间隙结构即是把两个环状间隙用一段复合绝缘子固定，并与避雷器本体串联。优点是间隙与避雷器本体形成一个整体，可方便地以任何角度安装在不同杆塔上，维护和更换较为方便。避雷器本体与高压导线用间隙隔离，正常运行中基本不荷电，阻性电流和功率损耗极小，避雷器电阻片不存在老化问题，有利于延长避雷器的寿命，安装、维护方便。纯空间间隙结构则弥补了无间隙避雷器正常运行中长期荷电和复合绝缘子固定间隙结构受污秽影响较大的缺陷，安装难度较大。
三．关键技术与特点
3.1氧化锌避雷器的关键技术
3.1.1氧化锌避雷器运行中出现的问题
据资料从氧化锌避雷器运行在110KV母线上发生的事故来看，均为氧化锌避雷器本体爆炸，其运行寿命最长达110个月。最短的仅有11个月，从运行时间上、安装的环境、气候、及生产厂，对损坏的氧化锌避雷器进行技术分析。造成氧化锌避雷器运行中爆炸的原因可归纳如下几项：
（1）氧化锌避雷器的密封问题：氧化锌避雷器密封老化问题，主要是生产厂采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定。在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而后使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化而引起爆炸。
（2）电阻片抗老化性能差：在氧化锌避雷器运行在其产品寿命的后期，电阻片劣化造成泄漏电流上升，甚至造成与瓷套内部放电，放电严重时避雷器内部气体压力和温度急剧增高，而引起氧化锌避雷器本体爆炸，内部放电不太严重时可引起系统单相接地。
3.1.2解决氧化锌避雷器运行问题的关键技术措施
针对氧化锌避雷器几次事故分析的结论，要保证氧化锌避雷器在电网上安全可靠运行，应采取以下措施：
（1）设计选型
在设计选型上，应首选有多年稳定运行实践的产品，在选择生产厂时，应选择有先进的工艺设备和完善的检测手段的生产厂，才能保证所选用的氧化锌避雷器具有高的抗老化、耐冲击性能，以使在产品的寿命周期内稳定运行。
（2）防污措施
采用必要的避雷器瓷套的防污措施，如定期清扫或涂以防污闪硅油。
在氧化锌避雷器选型上选用防污瓷套型的氧化锌避雷器。
（3）技术管理
加强对氧化锌避雷器的技术管理工作，即对运行在电网上的每一只氧化锌避雷器建立技术档案，对出厂报告、定期测试报告及在线监测仪的运行记录均要存人技术档案，直至该避雷器退出运行。据国外有关技术资料统计，氧化锌避雷器损坏的原因有雷电和操作过电压，受潮、污闪、系统条件、本身故障等，但仍有一定比例损坏的原因不详，故仍有其在运行中对事故原因不明确的问题。又因氧化锌避雷器的劣化速度的离散性，及雷电、操作过电压、谐波、运行环境等的随机性，都决定着氧化锌避雷器的安全运行的可靠性，故需在今后的工作实践中去研究、实验、探索和总结，以使得其在运行中的不安全因素可得以预防和完善。
3.2氧化锌避雷器的特点
3.2.1氧化锌避雷器优点
(1)具有完全的防雷功能， 即对雷电陡波和雷电幅值同样有限压保护作用；
(2)防雷保护作用不会造成电力网接地故障或相间短路故障；
(3)防雷保护作用不应有短路电流或工频续流等工频能源浪费；
(4)动作特性应具有长期运行稳定性，免受暂态过电压危害；
(5)具有连续雷电冲击保护能力；
(6)有较小的外形尺寸，小型化轻量化更便于室内手车柜使用；
(7)具有20年以上使用寿命；
(8)能附带脱离器监察运行工况，当其失效时自动退出运行。
3.2.2氧化锌避雷器缺点
氧化锌避雷器的损坏主要是爆炸和老化。老化引起的损坏极少，而爆炸事故时有发生，且事故率很高，严重影响系统供电。仅以1996年统计，运行35kv及以上的避雷器共1910相，预试中发现损坏的48相，运行中发生损坏的有15相，共发现损坏的避雷器63相(其中国产55相，进口8相)，损坏率为3.3％。
爆炸事故的特点有：①既有大型骨干厂生产的也有小厂生产的：②既有国产的也有进口；③既有发生在雷雨天，也有发生在晴天的；④既有发生在操作时， 也有发生在无操作时的；⑤既有发生在中性点非直接接地系统的，也有发生在中性点直接接地系统的。
从各方面调查的分析表明，氧化锌避雷器爆炸事故原因69％为制造质量问题。25％为运行不当，6％ 为选型不当而造成的。而内部受潮直接影响产品质量，是引起氧化锌避雷器爆炸事故的主要原因。
四.结论与展望
4.1展望
未来20年，世界范围内化石类矿物燃料仍为世界主要能源(约占80%)。围绕着以高效、节能、环保为主题，提高能源利用效率，保护生态环境和发展适应各类现代技术市场需求的新型输变(配)电装备，都将是电力能源装备之一的高压电气设备的技术发展趋势。
我国电力设备将来会朝着一下方向发展：
*超特高压、大容量技术与装备
研制超、特高压电气设备是目前电气设备制造业的迫切任务。
*小型化、紧凑型设备
通过产品优化设计、元件小型化、功能复合集成及新技术的应用等技术措施，使产品结构紧凑，体积缩小，实现产品小型化，节能、减材、低耗。同时，也减少了设备占地面积。
*环境适应性、协调和保护类设备
环境保护问题已成为全社会普遍关注的问题，产品不仅要可靠运行，还要同四周环境配合、协调一致，尽量减少或不对环境产生影响，包括空气污染、电磁污染和噪声污染等。
*高可靠、少(免)维护设备
高可靠、少(免)维护是保证电力系统及其电气设备与人身安全，提高供电质量及效率的重要保证。
*智能化技术装置
电气装备的智能化就是进行电器设备二次技术现代化。实现一、二次融合不仅可对电气设备进行在线检测、运行状态监视、分析判断、控制和保护，还可实现设备的智能(受控)操作等。不仅要开发智能化单元，还要开发适合智能测控的开关设备，同时具有更高的操作可靠性和特性精度。
*加强设备试验技术研究
电气设备是确保电力系统安全运行至关重要的输变电设备。而电气设备本身的技术性能和产品质量可靠性水平，只有通过对产品进行各类试验研究才能对其做出全面、科学的评价。
4.2结论
对于氧化锌非线性电阻片来说，为了适应氧化锌避雷器超高电压、小型化、直流输电及安全化的需要，添加新的元素(如稀土元素)、优化工艺和配方、利用新的设备等来提高阀片的电位梯度、降低残压、提高通流容量及改善老化性能等。同时开发适合直流输电用的直流用氧化锌非线性电阻片和稀土元素系列阀片。
随着电力需要的迅速增加和电源太规模化及变电站的有效利用空间，同时为了解决由此产生的电力系统问题，氧化锌避雷器向大容量小型化、特高电压化、直流输电及稀土系列M0A方向发展。
特高电压输电在我国势在必行，我国已实现1000kV电压等级的特高压输电。因此，我们可进行特高压MOA、直流MOA及高电位梯度高性能M0A阀片等研究工作，以满足国内电力系统的需要．缩小MOA技术与世界先进水平的差距。
随着科技的发展，避雷器定会向着运行安全可靠、试验方法简单、动作准确率高的方向发展。
【参考文献】
《电气绝缘结构设计原理》 刘其昶
《科技信息-氧化锌避雷器在电力系统中的应用问题分析》 赵飞燕 赵先垄
《产品与应用-国内外避雷器研究开发现状》 余明宣 伍本才 程龙
《专家视点-国内外高压电气设备技术发展述评》 吴怀权
《浅谈氧化锌避雷器及其在输电线路中的应用》 王猛
《日本氧化锌避雷器的发展动向》 王兰义
《氧化锌避雷器爆炸原因及防止措施》 蒙庆叁
《氧化锌避雷器的工作原理、优点、功能特性分析》 高岩
