金属氧化物避雷器

金属氧化物避雷器(MOA)是用于保护输变电设备的绝缘免受过电压危害的重要保护电器,它具有响应快、伏安特性平坦、性能稳定、通流容量大、残压低、寿命长、结构简单等优点,广泛使用于发电、输电、变电、配电等系统中。复合外套金属氧化物避雷器是用硅橡胶复合材料做外套,和传统的瓷外套避雷器相比,具有尺寸小、重量轻、结构坚固、耐污性强、防爆性能好等优点。

金属氧化物避雷器的非线性电阻阀片主要成分是氧化锌,氧化锌的电阻片具有极为优越的非线性特性。正常工作电压下其电阻值很高,实际上相当于一个绝缘体,而在过电压作用下,电阻片的电阻很小,残压很低。但正常工作电压下,由于阀片长期承受工频电压作用而产生劣化,引起电阻特性的变化,导致流过阀片的泄漏电流的增加。电流中的阻性分量急剧增加,会使阀片上温度上升而发生热崩溃,严重时,甚至引起避雷器的爆炸事故。依照《金属氧化物避雷器通用技术规范》规定,金属氧化物避雷器的检测项目共6项,分别为(1)绝缘电阻;(2)直流U1mA及0.75U1mA下的泄漏电流;(3)运行电压下的交流泄漏电流;(4)工频参考电流下的工频参考电压;(5)底座绝缘电阻;(6)检查放电计数器动作情况。

金属氧化物避雷器的基本结构是阀片,阀片用氧化锌(ZnO)为主要材料,掺以少量其他金属氧化物添加剂经高温焙烧而成,具有良好的非线性压敏电阻特性,因此又叫压敏避雷器。

这种烧结体的基本结构是高电导的氧化锌晶粒,电阻率为1 Ω⋅ cm。边缘由高电阻性的(主要是金属氧化物附加物)粒界层包围,电阻率在低电场强度下约为1010 ~ 1014Ω⋅cm。在较高的电压作用下,金属氧化物附加物的粒界层中的价电子被拉出,或者由于碰撞电离产生电子崩而使载流子大量增加。当电场强度达到104 ~ 105V / cm时,其电阻率即降到1 Ω⋅ cm;当外加作用电压降低时,由于复合使载流子减少,电阻又变大,因此具有良好的非线性。且它的非线性伏安特性在正、反极性是对称的。

金属氧化物阀片在正常工作电压下, 通过的阻性电流很小, 一般约为10 ~ 15μA,接近绝缘状态。作用于阀片上的电压升高时,电流加大。把通过阀片的阻性电流为1mA时,作用于避雷器上的电压mA U1 为起始动作电压。由于氧化锌阀片有良好的非线性特性,在通过10kA冲击电流时残压与mA U1 的比值一般不大于1.9,压比越小,其保护性能越好。mA U1 的值约为最大允许工作电压峰值的1.05~1.15倍。

金属氧化物避雷器又称金属氧化锌避雷器,它是70年代初期出现的新型避雷器,迄今为止,在我国电网中已广泛应用。它与普通阀型避雷器的主要区别在于阀片材料不同,普通阀型避雷器的阀片材料是碳化硅(金刚砂),而金属氧化物避雷器的阀片材料是由半导体氧化锌和其他金属氧化物(如氧化钻、氧化锰等)在高温(1000℃以上)下烧结而成。

氧化锌阀片又称压敏电阻,具有比碳化硅更优良和更理想的非线性电阻特性。在系统运行电压下,它的电阻很大,通过的电流很小,阻性分量仅为10~15uA左右,这样小的电流不会烧坏阀片,因此可以不用串联间隙来隔离工频运行电压;当电压升高时,它的电阻变得很小,可以通过大电流,残压也很低,使设备得到保护,而过电压消失之后,它又恢复原状。

只有压敏电阻片的新型避雷器,压敏电阻片是由氧化锌等金属氧化物烧结而成的多晶半导体陶瓷元件,具有理想的阀特性。同时具有非线性系数小、保护特性好、能量吸收能力强、通流能力大、结构简单和稳定性好等优点。

非线性系数α 值很小。在金属氧化物阀片中通过1mA~10kA这个范围内电流时,α 值一般在0.02~0.06之间。在额定电压作用下,通过的电流极小,因此可以做成无间隙避雷器。保护性能好。它不需要间隙动作,电压一旦升高,即可迅速吸收过电压能量,抑制过电压的发展;有良好的陡度响应特性;无间隙的氧化物避雷器的性能几乎不受温度、湿度、气压、污秽等环境条件的影响,因而性能稳定。

金属氧化物避雷器基本无续流,动作负载轻,耐重复动作能力强。伏安特性是对称的,没有极性问题,可制成直流避雷器。

通流容量大。避雷器容易吸收能量,没有串联间隙的制约,仅与阀片本身的强度有关。同碳化硅阀片比较,氧化物阀片单位面积的通流能力大4~4.5倍。因此,用这样的阀片制成避雷器,不但可以限制大气过电压,而且完全可以用来限制操作过电压,甚至还可以耐受一定持续时间的短时(工频)过电压。

结构简单,尺寸小,易于大批量生产,造价低。

适用于多种特殊需要。金属氧化物避雷器耐污性能好,不会由于污秽或者带电清洗时改变外套表面电位分布而影响避雷器的性能。同时,由于阀片不受大气环境影响,能适应于各种绝缘介质,所以也适用于高海拔地区和6 SF 全封闭组合电器等多种特殊需要。

金属氧化物避雷器有一系列优点,发展潜力很大,是世界各国避雷器发展的主要方向,必将逐步取代传统的带间隙的避雷器,也将是未来特高压系统关键的过电压保护设备。

金属氧化物避雷器(MOA)在正常工作时与配变并联,上端接线路,下端接地。当线路出现过电压时,此时的配变将承受过电压通过避雷器、引线和接地装置时产生的三部分压降,称作残压。在这三部分过电压中,避雷器上的残压与其自身性能有关,其残压值是一定的。接地装置上的残压可以通过使接地引下线接至配变外壳,然后再和接地装置相连的方式加以消除。对与如何减小引线上的残压就成为保护配变的关键所在。引线的阻抗与通过的电流频率有关,频率越高,导线的电感越强,阻抗越大。从U=IR可知,要减小引线上的残压,就得缩小引线阻抗,而减小引线阻抗的可行方法是缩短MOA距配变的距离,以减小引线阻抗,降低引线压降,所以避雷器应安装在距离配电变压器近点更合适。

如果配变低压侧没有安装MOA, 当高压侧避雷器向大地泄放雷电流时,在接地装置上就产生压降,该压降通过配变外壳同时作用在低压侧绕组的中性点处。因此低压侧绕组中流过的雷电流将使高压侧绕组按变比感应出很高的电势(可达1000 kV),该电势将与高压侧绕组的雷电压叠加,造成高压侧绕组中性点电位升高,击穿中性点附近的绝缘。如果低压侧安装了MOA,当高压侧MOA放电使接地装置的电位升高到一定值时,低压侧MOA开始放电,使低压侧绕组出线端与其中性点及外壳的电位差减小,这样就能消除或减小“反变换”电势的影响。

MOA的接地线应直接与配电变压器外壳连接,然后外壳再与大地连接。那种将避雷器的接地线直接与大地连接,然后再从接地桩子上另引一根接地线至变压器外壳的作法是错误的。另外,避雷器的接地线要尽可能缩短,以降低残压。

定期对MOA进行绝缘电阻测量和泄露电流测试,一旦发现MOA绝缘电阻明显降低或被击穿,应立即更换以保证配变安全健康运行。

金属氧化物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,造成其密封不良后使潮气浸入,造成内部绝缘水平下降,加速了电阻片的劣化而引起爆炸。

在金属氧化物避雷器产品运行寿命的后期,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,而引起金属氧化物避雷器本体爆炸,内部放电不太严重时可引起系统单相接地。

工作在室外的金属氧化物避雷器,瓷套易受到环境粉尘的污染,特别是设置在冶金厂区内变电所,由于粉尘中金属粉尘的比例较大,故给瓷套造成严重的污染而引起污闪或因污秽在瓷套表面的不均匀,而使沿瓷套表面电流也不均匀分布,势必导致电阻片中电流IMOA的不均匀分布(或沿电阻片的电压不均匀分布),使流过电阻片的电流较正常时大1~ 2个数量级,造成附加温升,使吸收过电压能力大为降低,也加速了电阻片的劣化。

冶金企业电网随着大吨位电弧炉、大型整流、变频设备的应用及轧钢生产的冲击负荷等影响,使电网上的高次谐波值严重超标。由于电阻片的非线性,当正弦电压作用时,还有一系列的奇次谐波,而在高次谐波作用时就更加速了电阻片的劣化速度。

金属氧化物避雷器多在操作过电压或雷电条件下发生事故,其原因是因电阻片在制造工艺过程中,由于其各工艺质量控制点控制不严,而使电阻片的耐受方波冲击能力不强,在频繁吸收过电压能量过程中,加速了电阻片的劣化而损坏,失去了自身的技术性能。

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