高性能氧化鋅避雷器及其應用

［關鍵詞］氧化鋅避雷器　　高電位梯度ZnO元件　　金屬封閉開關設備GIS　外絕緣

　　氧化鋅避雷器ZnO的開發是過電壓保護裝置的一次突破。特別是最新高性能ZnO元件用于封金屬閉式開關設備GIS，降低了雷電沖擊水平，使GIS及絕緣尺寸大大減小，帶來巨大的技術經濟效益。舉例來說，日本在新開發的550kV單斷口GIS中，使用了高性能的SF6避雷器，使GIS的雷電沖擊耐受水平LIWV從1800kV降至1425kV。新開發的1100kV雙斷口GIS，由于使用了高性能的ZnO避雷器，雖然運行電壓提高了一倍，但GIS的雷電沖擊水平僅為1.5倍，即2250kV。因此，高性能ZnO避雷器的開發對降低高壓設備的雷電沖擊耐受能力非常有效。

1.高性能ZnO避雷器

　　傳統ZnO元件的基準電壓約為200V/mm，用控制晶粒大小的方法就可提高基準電壓。新研制的高電位梯度ZnO元件的基準電壓約為普通型的二倍。普通型ZnO元件的基準電壓約為200V/mm，而高電位梯度ZnO元件的基準電壓約為400V/mm。同時還可看到ZnO的晶粒在高電位梯度ZnO元件中大大地細化了。
　　日本三菱、東芝、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元件電壓額定值主要是改進制造工藝和微觀結構。在新型ZnO元件中，微觀結構緊密。

2.新型ZnO避雷器的應用

　　新型即高性能或高電位梯度ZnO避雷器的應用，帶來巨大的技術經濟效益，不僅大大提高了雷電和操作沖擊過電壓保護特性，有效地降低了輸配電設備雷電保護水平，而且顯著地減小了避雷器的尺寸。相比老型，新型的高度減為60%，寬度減為92%。
　　對于更高電壓和更大電流額定值，可由ZnO電阻串并聯而成。
　　ZnO避雷器的典型結構有兩種：一為支柱式，另一為GIS型罐式結構　。支柱式ZnO避雷器可單獨裝設使用，而罐式結構裝于GIS內。支柱式的外殼經歷了瓷絕緣——EPDM三元乙丙膠——硅橡膠。罐式尺寸的減少有助于縮小GIS。

3.支柱式ZnO避雷器

　　自從80年代末和90年代初以來，ZnO避雷器的使用和被用戶普遍認可，大大減少了電力系統的保護問題。在初期的結構中，ZnO元件裝在瓷套內，而且端部封裝一膠要用O型密封圈加以密封。隨著時間的推移，特別在惡劣的環境中，密封圈容易劣化而讓潮氣侵入。80年代，聚合物殼體避雷器問世，英國Bowthorpe EMP公司制造出一整個系列聚合物殼體避雷器，電壓直到400kV。在設計時，ZnO元件柱的表面被玻纖增強的樹脂均勻地包封。這種結構無氣孔，機械強度高，而且在ZnO柱的表面形成均勻的介電強度。這種殼體的材料為EPDM三元乙丙膠　。它抗電痕，特別適用于污穢地區。圖5示出Bowthorpe EMP公司聚合物殼體的ZnO避雷器。ZnO元件由起散熱作用的散熱板隔開。對于更高電壓和更大電流，可由多個ZnO元件串一并聯而成模塊式結構。
　　繼EPDM聚合物之后，出現了硅像膠殼體，硅橡膠殼體相比EPDM殼體，具有明顯的優勢，這特別表現在：1.硅橡膠的主化學鍵上不含碳氮化合物，使之具有高度抗表面污染力和防止碳化泄漏通道時的形成；2.硅原上了附著許多CH3使之具有疏水性，若表面沉積污穢層，硅能將它的疏水性轉移到附著膜上，這就是說，低分子量的硅油能夠從本體轉移到表面，這就叫低濃度硅遷移；3.硅橡膠中硅氧鍵是一個很強的化學鍵，因之硅像股能受環境的影響諸如臭氧、紫外線輻射或溫度極端波動。

4.硅橡膠外殼在內部出現過壓力時，它不會像瓷那樣爆炸，并有碎片飛出，危及人身及設備安全，硅橡膠僅形成小洞，將壓力排出。

5.硅像膠運輸方便，安裝容易。

　　硅橡膠相比瓷絕緣減輕重量約50%，減小長度25%。

　　由于硅橡膠具有以上優異性能，越來越多的制造公司在避雷器上用硅橡膠取代瓷絕緣。如ABB公司目前提供的中壓避雷器，80%為硅橡膠避雷器。

6.罐式新型避雷器

　　將避雷器作成罐式結構，廣泛地用于SF6封閉式組合電器GIS中。高電位梯度ZnO元件的使用，大大降低了避雷器的高度。圖6示出220kVGIS避雷器的內部結構比較。由圖可見，普通ZnO元件避雷器高度為470mm，而高電位梯度ZnO元件避雷器高度僅為250mm。其高度約為普通式的一半，這有助于減小GIS的尺寸。采用高電位梯度ZnO元件，可使避雷器呈單柱式，而不需要柱間引線。這就減小了罐式避雷器的內部電感。高電位梯度ZnO元件的單個通訊能力亦好于普通的ZnO元件。

　　日立公司已為765kV電力系統新研制出使用主電位梯度ZnO元件的垂直安裝型避雷器。由于降低了串聯ZnO元件的高度，使避雷器的設計緊湊。高電位梯度ZnO元件的固有電容小，晶粒細化，這對元件的電位分布至為重要。在SF6絕緣的罐式避雷器中，采用適當的電場同軸屏蔽，就可使ZnO元件之間的電位分布小于1.1。

7.結語

　　避雷器技術的進步，對變電站設備的雷電沖擊耐受水平有著直接的影響。特別是避雷器從SIC加火花間隙走向無間隙的ZnO避雷器，這是技術上一次突破。ZnO避雷器也在不斷發展。日本為550kV和1100kVGIS研制出了新型高性能避雷器，這種避雷器被稱之為高電位梯度ZnO避雷器，它使550kVGIS的雷電沖擊耐受水平從1800kV降為1425kV，使1100kVGIS的雷電沖擊耐受水平僅增加為1.5倍。這使GIS的性能提高且體積大大縮小。在支柱式避雷器方面，絕緣外殼也不斷地在改進，從原來的瓷絕緣改為EPDM聚合物絕緣直到今天的硅橡膠絕緣。絕緣的改進使支柱式避雷器的機械絕緣強度和介電強度更好特別是硅橡膠絕緣使之表面具有疏水性、抗污穢性、能耐受環境的影響，而且相比瓷絕緣減輕重量約50%。

　　參考文獻

1S.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.N2419～924
2 Toshiba.Surge Arrester RVCQ SERIES 產品樣本
3 Walter Schmidt POLIN新一代硅橡膠絕緣中壓避雷器，ABB樣本
4 E.Ruffel等.High Voltage Engineering：Fundamentals第二版，Newnes出版社，瑞士皇家工學院
5 李建基.高中壓開關設備實用技術.機械工業出版社：北京，2001年