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| 高性能氧化锌避雷器及其应用 |
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西安高压电器研究所——李建基 ［摘 要］介绍作为高性能氧化锌避雷器的高电位梯度氧化锌避雷器及其应用。它用于GIS，有助于GIS小型化。同时介绍户外避雷器对绝缘的改进。 ［关键词］氧化锌避雷器 高电位梯度ZnO元件 金属封闭开关设备GIS 外绝缘 氧化锌避雷器ZnO的开发是过电压保护装置的一次突破。特别是最新高性能ZnO元件用于封金属闭式开关设备GIS，降低了雷电冲击水平，使GIS及绝缘尺寸大大减小，带来巨大的技术经济效益。举例来说，日本在新开发的550kV单断口GIS中，使用了高性能的SF6避雷器，使GIS的雷电冲击耐受水平LIWV从1800kV降至1425kV。新开发的1100kV双断口GIS，由于使用了高性能的ZnO避雷器，虽然运行电压提高了一倍，但GIS的雷电冲击水平仅为1.5倍，即2250kV。因此，高性能ZnO避雷器的开发对降低高压设备的雷电冲击耐受能力非常有效。 1.高性能ZnO避雷器 传统ZnO元件的基准电压约为200V/mm，用控制晶粒大小的方法就可提高基准电压。新研制的高电位梯度ZnO元件的基准电压约为普通型的二倍。图1示出普通和高电位梯度ZnO元件的V－I特性。由图可见，普通型ZnO元件的基准电压约为200V/mm，而高电位梯度ZnO元件的基准电压约为400V/mm。同时还可看到ZnO的晶粒在高电位梯度ZnO元件中大大地细化了。 日本三菱、东芝、日立等公司在研制高性能ZnO元件方面都付出了努力，并富于成效。提高ZnO元件电压额定值主要是改进制造工艺和微观结构。图2示出三菱公司新的和老的ZnO元件微观结构的比较。由图可见，在新型ZnO元件中，微观结构紧密。 2.新型ZnO避雷器的应用 新型即高性能或高电位梯度ZnO避雷器的应用，带来巨大的技术经济效益，不仅大大提高了雷电和操作冲击过电压保护特性，有效地降低了输配电设备雷电保护水平，而且显著地减小了避雷器的尺寸。图3示出了三菱公司500kV新型和老型ZnO避雷器的尺寸比较。由图可见，相比老型，新型的高度减为60％，宽度减为92％。 对于更高电压和更大电流额定值，可由ZnO电阻串并联而成。图4示出三菱公司ZnO电阻三柱布置的示意图。 ZnO避雷器的典型结构有两种：一为支柱式，另一为GIS型罐式结构。 支柱式ZnO避雷器可单独装设使用，而罐式结构装于GIS内。支柱式的外壳经历了瓷绝缘——EPDM三元乙丙胶——硅橡胶。罐式尺寸的减少有助于缩小GIS。 3.支柱式ZnO避雷器 自从80年代末和90年代初以来，ZnO避雷器的使用和被用户普遍认可，大大减少了电力系统的保护问题。在初期的结构中，ZnO元件装在瓷套内，而且端部封装一胶要用O型密封圈加以密封。随着时间的推移，特别在恶劣的环境中，密封圈容易劣化而让潮气侵入。80年代，聚合物壳体避雷器问世，英国Bowthorpe EMP公司制造出一整个系列聚合物壳体避雷器，电压直到400kV。在设计时，ZnO元件柱的表面被玻纤增强的树脂均匀地包封。这种结构无气孔，机械强度高，而且在ZnO柱的表面形成均匀的介电强度。这种壳体的材料为EPDM三元乙丙胶。它抗电痕，特别适用于污秽地区。图5示出Bowthorpe EMP公司聚合物壳体的ZnO避雷器。ZnO元件由起散热作用的散热板隔开。对于更高电压和更大电流，可由多个ZnO元件串一并联而成模块式结构。 继EPDM聚合物之后，出现了硅像胶壳体，硅橡胶壳体相比EPDM壳体，具有明显的优势，这特别表现在：1.硅橡胶的主化学键上不含碳氮化合物，使之具有高度抗表面污染力和防止碳化泄漏通道时的形成；2.硅原上了附着许多CH3使之具有疏水性，若表面沉积污秽层，硅能将它的疏水性转移到附着膜上，这就是说，低分子量的硅油能够从本体转移到表面，这就叫低浓度硅迁移；3.硅橡胶中硅氧键是一个很强的化学键，因之硅像股能受环境的影响诸如臭氧、紫外线辐射或温度极端波动。 4.硅橡胶外壳在内部出现过压力时，它不会像瓷那样爆炸，并有碎片飞出，危及人身及设备安全，硅橡胶仅形成小洞，将压力排出。 5.硅像胶运输方便，安装容易。 硅橡胶相比瓷绝缘减轻重量约50％，减小长度25％。 由于硅橡胶具有以上优异性能，越来越多的制造公司在避雷器上用硅橡胶取代瓷绝缘。如ABB公司目前提供的中压避雷器，80％为硅橡胶避雷器。 6.罐式新型避雷器 将避雷器作成罐式结构，广泛地用于SF6封闭式组合电器GIS中。高电位梯度ZnO元件的使用，大大降低了避雷器的高度。图6示出220kVGIS避雷器的内部结构比较。由图可见，普通ZnO元件避雷器高度为470mm，而高电位梯度ZnO元件避雷器高度仅为250mm。其高度约为普通式的一半，这有助于减小GIS的尺寸。图7和图8示出275kV和500kVGIS中采用高电位梯度ZnO元件的避雷器内部结构。采用高电位梯度ZnO元件，可使避雷器呈单柱式，而不需要柱间引线。这就减小了罐式避雷器的内部电感。高电位梯度ZnO元件的单个通讯能力亦好于普通的ZnO元件。 日立公司已为765kV电力系统新研制出使用主电位梯度ZnO元件的垂直安装型避雷器图9。 由于降低了串联ZnO元件的高度，使避雷器的设计紧凑。高电位梯度ZnO元件的固有电容小，晶粒细化，这对元件的电位分布至为重要。在SF6绝缘的罐式避雷器中，采用适当的电场同轴屏蔽，就可使ZnO元件之间的电位分布小于1.1。 7.结语 避雷器技术的进步，对变电站设备的雷电冲击耐受水平有着直接的影响。特别是避雷器从SIC加火花间隙走向无间隙的ZnO避雷器，这是技术上一次突破。ZnO避雷器也在不断发展。日本为550kV和1100kVGIS研制出了新型高性能避雷器，这种避雷器被称之为高电位梯度ZnO避雷器，它使550kVGIS的雷电冲击耐受水平从1800kV降为1425kV，使1100kVGIS的雷电冲击耐受水平仅增加为1.5倍。这使GIS的性能提高且体积大大缩小。在支柱式避雷器方面，绝缘外壳也不断地在改进，从原来的瓷绝缘改为EPDM聚合物绝缘直到今天的硅橡胶绝缘。绝缘的改进使支柱式避雷器的机械绝缘强度和介电强度更好特别是硅橡胶绝缘使之表面具有疏水性、抗污秽性、能耐受环境的影响，而且相比瓷绝缘减轻重量约50％。 参考文献 1S.Shirakawa等.Appliation of High Voltage Gradient Zinc Oxide Elemnets to SF6 Gas Insulated Surge Arresters for 22kV～765kV Power System.IEEE Transactions on power Delivery.1999.Vol14.N2419～924 2 Toshiba.Surge Arrester RVCQ SERIES 产品样本 3 Walter Schmidt POLIN新一代硅橡胶绝缘中压避雷器，ABB样本 4 E.Ruffel等.High Voltage Engineering：Fundamentals第二版，Newnes出版社，瑞士皇家工学院 5 李建基.高中压开关设备实用技术.机械工业出版社：北京，2001年 |
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