摘　要：文章介紹了國內外氧化鋅（ZnO）非線性電阻片技術的發展過程及改良成果；避雷器電場設計技術的變遷，三維電場解析軟件在避雷器設計中的應用；瓷套型避雷器、GIS型避雷器、復合外套型避雷器的技術進步；以及伴隨ZnO電阻片性能的提高所帶來的避雷器小型化、輕型化、高可靠性和長壽命。文章最后還介紹了IEC標準制定各個階段的討論重心、成果以及今后要解決的課題。 關鍵詞：避雷器；氧化鋅電阻片；電位分布；電場強度 　　 20世紀60年代，日本率先開發出氧化鋅（ZnO）非線性電阻片。由于其具有殘壓低、無續流、動作時延小、通流容量大等優點，使得由ZnO非線性電阻片組裝成的金屬氧化物避雷器（MOA）在電力系統中取代SiC避雷器而得到廣泛應用及快速發展。目前，MOA已成為電力系統中性能最好且發展最快的過電壓保護裝置，其應用范圍極其廣泛。MOA從產品結構分有瓷套型避雷器、GIS型避雷器、復合外套型避雷器和油浸避雷器（用于變壓器中）4種；按保護設備類型分有配電系統過電壓防護、變電站的過電壓防護、并聯及串聯補償電容器保護、發電機的過電壓保護、限制電動機投切產生的操作過電壓、線路載波通信中阻波器保護用、限制中性點未直接接地變壓器的中性點過電壓用、輸電線路防雷保護、直流輸電系統換流站過電壓保護、大型發電機轉子回路滅磁過程中的過電壓保護和能量吸收、超高壓直流斷路器開斷時系統中的能量吸收等11類。由于通過提高被保護設備可靠性和降低過電壓水平能帶來巨大的經濟效益，而ZnO非線性電阻特性又對限制過電壓起著至關重要的作用，所以世界各國都在竭力研究改進ZnO非線性電阻片的原材料和生產工藝，并力求將最新的技術應用于對避雷器的設計中，同時開發新型材料，以期達到更理想的防護效果。 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息 1 ZnO非線性電阻片的技術變遷 　　 自20世紀60年代末產業化以來，ZnO非線性電阻片技術通過不斷改進提高，國際上現在已經發展到了第4代。第1代ZnO非線性電阻片于20世紀60年代末產生，延續使用至80年代中期。它的應用是電力系統防護雷電過電壓和操作過電壓方面的一次革命。但它還存在V - A曲線不夠平坦、荷電率低、泄漏電流大、老化性能劣化等缺陷。第2代ZnO非線性電阻片自80年代初產業化以來一直延續使用至今。第2代電阻片較之第1代電阻片在添加物配合的最佳化方面做了很多的改良，使其老化壽命和非線性性能得到了較大的改善。我國撫順電瓷廠、西安高壓電瓷廠和西安電瓷研究所于80年代中期引進了日本公司的第2代電阻片技術，通過20多年的技術消化、吸收及改良，現在其技術性能已經在第2代基礎上有了進一步的改進。第3代ZnO非線性電阻片技術產生于80年代中期，以日本東芝公司的技術為代表。其主要特點是V - A特性曲線更平坦，保護特性提高；荷電率更高，電阻片老化性能更好；2 ms方波耐受能力提高近1倍，在同等吸收能量的情況下電阻片體積減少近50%，既節省了原材料，又實現了避雷器的輕型化；側面采用低鉛玻璃釉，具有耐受4/10 μs大電流的能力，同時耐濕性能增強，適應各種絕緣介質。因此可以在各種氣體、絕緣油以及直接注射成形的硅橡膠中使用。第3代電阻片因上述卓越的性能而被譽之為高性能電阻片。第4代ZnO非線性電阻片在90年代實現了產業化，它是在第3代電阻片技術的基礎上通過添加新的成份，將單位高度的參考電壓提高了2～3倍，達到了400 V/mm和600 V/mm，即在同等參考電壓下將電阻片高度減至原來的1/2以下。目前，它主要應用于組合電器用罐式避雷器中，它的應用可大大減小罐式避雷器的體積，使其實現小型化。現階段正在進行將其應用于復合型帶串聯間隙線路避雷器的研究，它的開發應用將可以使線路避雷器實現小型化與輕型化，更便于安裝。第4代電阻片被稱之為高梯度電阻片。電阻片技術的發展情況見表1。 　　 綜上所述，隨著電阻片技術的飛速發展及電阻片性能的不斷提高，避雷器的結構也相應發生了很大改變，且保護性能也越來越好。 來源:http://www.tede.cn 2 避雷器的技術變遷 　　2.1 避雷器設計技術的發展 　　 避雷器設計主要包括電氣性能設計和機械性能設計。電氣性能設計主要是對避雷器進行電位控制，使其電位分布盡量均勻、電場強度滿足設計值的要求。在20世紀80年代前，主要是通過電路計算來力求分布的均勻，并使用電流法進行驗證。后來開始使用二元電場解析軟件來進行電場分析計算，并用氖燈管測量避雷器中電阻片電位，這種計算方法一直延續至20世紀90年代。以上這些方法只能對設計進行粗略的指導,進一步的設計工作還需要通過大量的試驗驗證和調整,因此工作量極大。現在世界上著名的生產廠家都采用精確的三維電場解析軟件進行電場的分析計算，此軟件能分析非對稱均壓環和其他介質對電場的影響。通過小型電阻片 - 光纖方法，沿著電阻片連續測量電位分布，可以實現對于局部最大電壓不均勻系數的測量。實踐證明,三維電場解析軟件能夠非常精確地計算避雷器中電位分布和電場強度,如圖1所示，這給設計工作帶來極大的方便。運用高精度分析技術設計、選用的均壓環可以完全取代陶瓷電容器，進而實現最佳的電位分擔（布）及電場強度。 　　2.2 瓷套型避雷器的技術進步 　　 330 kV及以上電壓等級所使用的避雷器,避雷器芯體由于受對地雜散電容的影響,其上電位分布極不均勻,從而使避雷器上部的電阻片要承擔過高的電壓,其結果是加快了電阻片的劣化,進而導致避雷器損壞。為了解決這個問題,需要從2個方面著手:①提高電阻片的荷電率；②減少對地雜散電容的影響,使電位分布盡量均勻。 　　在第3代電阻片產生之前，由于設計手段和電阻片性能的限制,僅僅通過均壓環補償雜散電容的影響遠遠滿足不了要求，因此在早期通過在電阻片上并聯同軸電容和均壓環來實現均壓，其效果是能將電位分布不均勻率抑制在10%左右。但它的缺點是結構復雜，且同軸電容成本極高。為了解決成本高的問題,生產廠家后來在設計中將同軸電容用在電阻片旁邊并聯陶瓷電容來取代。但它同樣存在下列缺陷：①由于電容是分節進行補償，因此在電容的連接部位電位分布不連續,電容連接部位電阻片的電壓負擔比較大；②電容的荷電壽命以及固定電容環氧管的老化壽命成為避雷器可靠性的重要保障。 　　隨著第3代高性能電阻片技術的出現和三維電場解析軟件的應用,世界知名的生產廠家均取消了并聯電容的設計,而采用均壓環來補償雜散電容的影響。這種結構可以將500 kV避雷器的電壓分布不均勻率控制在15%以內。由于電阻片荷電率的提高，以及避雷器電壓分布不均勻率被控制在了15%以內，因此完全能滿足避雷器壽命要求。此結構的優點是:①可以使瓷套的直徑減小,從而減輕了避雷器的質量；②減少了近60%的零部件,結構得以簡化,可靠性得到提高；③電阻片上的電位分布沒有突變,電阻片的壽命得到保證。 　　2.3 罐式避雷器的技術進步 　　當前，以具有卓越絕緣性能SF6氣體為絕緣介質的氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）因具有占地面積小、免維護及高可靠性等優點，在世界范圍內得到了越來越廣泛地應用。對電壓等級為110～1 050 kV的GIS，隨著電壓等級的提高，與之相配套的避雷器的體積也越來越高大。在330 kV及以上電壓等級的GIS中，若與之配套使用的避雷器芯體采用單柱結構，則避雷器本體會非常地高。為了解決高度問題，若使用普通梯度的電阻片（200 V/mm），則只能采取多柱并聯、曲折形串聯結構，隨之也會產生筒徑大、零件個數多（中間需加絕緣墊塊）、中間連接導線電感影響保護水平等不利因素。高梯度電阻片較之普通梯度電阻片的高度降低了1/2，它的出現使得800 kV及以下罐式避雷器的芯體采用單柱結構設計成為可能，避雷器的結構也因此而簡單化。800 kV GIS型避雷器的直徑僅為1 400 mm、高為3 600 mm。實現了體積的小型化，更便于運輸。 　　為了進一步使罐式避雷器小型化，日本東芝公司在此基礎上又研制開發了超高梯度電阻片,其梯度達到600 V/mm,使得800 kV GIS型避雷器的尺寸減小到直徑1 200 mm、高2 700 mm,體積減小了45%。在特高壓輸電中, 避雷器的保護水平將直接影響工程造價,出于對避雷器能量吸收能力及保護水平的要求,世界知名廠家都采用電阻片多柱并聯（一般4柱并聯）結構,其體積很大,因此給運輸造成了極大的困難。超高梯度電阻片的出現,大大減小了避雷器的體積。可以預見，使用超高梯度電阻片設計的避雷器必將在特高壓輸電系統中得到廣泛地應用。 　　2.4 復合外套型避雷器的技術進步 　　針對瓷套配電型避雷器一般不帶壓力釋放裝置、故障率高、發生故障時瓷套會發生爆炸等缺點，美國通用電氣公司（GE公司）于1979年研制出了配電系統用復合外套型避雷器。由于該復合外套型避雷器具有內部受潮隱患低、低電壓避雷器裙套無爆炸危險、體積小、質量輕、耐污性能好等優點，故目前其在世界各國的發展很快。在我國，電站型避雷器已經研制到220 kV電壓等級，它所具有的體積小、質量輕、便于現場安裝的特點，使其可以被安裝在輸電線路桿塔上，從而有效地提高了線路的耐雷水平。尤其是在某些雷電活動強烈，采取降低接地電阻措施有困難的地段，電站型避雷器為解決因雷擊而引起輸電線路事故、降低線路過電壓、保護絕緣子串提供了強有力的手段。我國線路避雷器已經研制到500 kV電壓等級，隨著電壓等級的提高和緊湊型桿塔的廣泛采用，使用常規梯度電阻片的線路避雷器本體過長、安裝不便的缺點被突顯出來。目前日本正在進行將高梯度電阻片應用于線路避雷器方面的研究，同時也在為IEC標準的制定做前期的研究開發工作。 3 IEC標準的變化情況 　　無間隙金屬氧化物避雷器的第一個標準是日本于1984年制定的國家標準，版本號是JEC - 217，它是世界最早的無間隙避雷器標準，包括瓷套型、GIS型避雷器。IEC第1個無間隙金屬氧化物避雷器標準于1991年第1次出版，版本號是IEC 60099 - 4，它是在綜合了帶間隙避雷器標準和各國無間隙避雷器標準的基礎上修改制定而成的。它包括了500 kV及以下所有等級避雷器，在此標準里明確提出了密封要求，壓力釋放試驗沿用帶間隙避雷器的規定，但沒有對于污穢試驗方法的規定。IEC 60099 - 4于1998年進行了第1次修訂，在這次修訂中明確了污穢試驗方法。2001年進行了第2次修訂，這次修訂對所有種類避雷器（包括復合型、油浸型、GIS型）的試驗方法均作了具體規定，同時對復合外套避雷器的試驗方法進行了討論，但對于壓力釋放試驗和機械強度試驗仍未作出具體規定。2004年出版了IEC 60099 - 4第2版，在這一版里充實了各種避雷器的相關規定，對壓力釋放試驗、機械強度試驗均進行了修改。2002年出版了54 kV及以下電壓等級線路避雷器的標準，現階段以日本、法國和美國為首正在進行線路用避雷器標準的修訂工作，目的是實現所有等級線路避雷器的標準化。其中一個很重要的內容，就是討論將高梯度電阻片應用在線路避雷器中，使避雷器本體高度降低，以更好地應用于高壓和特高壓系統中。 4 結束語 　　無間隙金屬氧化物避雷器的研制成功和推廣應用是在電力系統過電壓保護方面取得的最突出的科研成果，它使得電力系統的過電壓防護技術達到了一個新的水平。隨著電阻片性能的不斷改善和提高，以及設計技術的進步，避雷器結構更趨簡單化、小型化，可靠性更高，保護性能亦更卓越。新材料、新技術的應用，拓展了避雷器的保護范圍，使得電力系統過電壓水平進一步降低，從而給電力系統帶來更大的經濟效益。 　　 　　作者簡介：宋繼軍（1962 - ），男，高級工程師，從事避雷器技術管理工作； 　　菅雅弘（1954 - ），男，碩士，高級工程師，長期從事避雷器的設計開發及管理工作； 　　潘仰光（1966 - ），男，碩士，高級工程師，從事避雷器的檢測及質量管理工作。