摘要：介绍了配电网避雷器的结构、分类、基本特性以及其安装使用的一般原则和注意事项;确定了选择配电网避雷器的一般程序和性能要求;提出配电网避雷器的使用要求及运行管理要求。对配电网避雷器的选型、安装及运行使用具有重要的参考意义。
避雷器是电力系统过电压保护装置，又称过电压限制器。
在配电系统中，设备的主要风险来自感应雷和对所连架空线的直击雷。未与架空线连接的电缆系统，因故障或开关操作引起的过电压所占比例大，但也会产生雷电感应过电压，引起闪络并严重损坏设备，影响用户的正常供电。通过避雷器和绝缘装置的适当配合可防止这类事件的发生。
1 配电网避雷器的结构
1.1 配电网避雷器的分类和内外结构
配电网用避雷器结构分瓷套式避雷器和复合外套式避雷器2种。瓷外套金属氧化物避雷器的功能部分由不同的机械结构以及叠加起来的金属氧化物电阻片柱组成，具有非线性伏安特性。避雷器内空间介质通常是氮或干燥的空气;瓷外套用以保护避雷器功能元件免受环境的影响，其机械强度、闪络距离、爬电距离、污秽条件下的性能、防湿气侵入的密封性必须满足相关要求。
避雷器外套内壁和功能元件之间的空隙可能完全或部分填满了气体(如干燥的空气或氮气)，或固体或半固态材料(如硅橡胶)。避雷器相关标准未规定配电网用避雷器必须设置压力释放装置，当功能元件因能量过负荷被击穿或闪络后，避雷器外套可能会爆破。密封系统是避雷器(不仅指瓷外套避雷器)最敏感的部件，瓷外套避雷器中湿气浸入是影响金属氧化锌避雷器(metal oxide arrester，MOA)寿命的1个主要因素(MOV的电气寿命也是1个因素，例如其电压、电流特性的改变，但不是主要因素)E23。
1.2 配电网避雷器的结构形式
1.2.1 管型设计
这种避雷器采用的外套包含一定的气体体积(与瓷外套相似)，为非瓷性复合外套，外部有伞裙的由增强塑料玻璃纤维管制成，并直接模压在玻璃纤维管上。避雷器内部的周围介质一般为氮气或者空气。
目前常使用的外套是直接套在电阻片柱上，外套内不包含预留的气体。
1.2.2 缠绕型设计
避雷器的机械支撑部分使用玻璃纤维增强塑料(fiberglass—reinforced plastics，FRP)缠绕型结构，它可以通过环氧树脂浸透玻璃粗纱来实现，也可以用预浸渍网或带缠绕在电阻片柱上，然后在烘箱中固化而成，所得到的管型缠绕电阻片柱可以完全被包裹(可以预留薄弱点以保证在避雷器过载时外套打开)，也可以有预留窗口。这种缠绕也可能是1个预制的FRP管，包裹在MoV柱上，二者之间的空隙可用弹性材料填充。
1.2.3 笼型设计笼型设计
的M0V柱由FRP网或FRP棒或FRP带以极高的张力夹紧。MoV本身即为机械支持结构，而玻璃钢则形成1个开放的笼子，也有用带子缠绕玻璃钢笼子以增加机械强度，改善短路性能。外部伞裙必须直接模压在模件上，通常使用的是硅橡胶。
上述3种形式结构的避雷器的外部伞裙必须直接模压在模件上，通常使用的是硅橡胶。
2 配电网避雷器的基本特性
避雷器具有保护特性和运行特性。
避雷器的保护特性反映其限制电力系统过电压的能力，是输变电设备绝缘配合的基础。改善避雷器的保护特性可以提高被保护设备的运行安全可靠性，降低绝缘水平。
避雷器的保护特性由保护水平决定。避雷器的运行特性应包括动作负载稳定性和运行寿命特性(包括长持续时间运行电压下的寿命及各种过电压下的寿命)等。
3 配电网避雷器的选择
配电系统很少有防雷屏蔽，因此配电网避雷器会遭受直接雷击和较多的感应雷。应给予这种避雷器由雷电引起的瞬态过电压极大的关注，相对而言，操作过电压并不重要。配电设备包括避雷器，与电站设备相比是低廉的，但其用量巨大。对具有特殊用途的避雷器进行单独的研究通常不经济、不可行。因此，配电网避雷器的选型通常要考虑到使其能用于系统中任何相似的地方而不是某一特定的位置;而且配电网多为中性点绝缘和谐振接地系统，其接地故障暂时过电压持续时间比较长，所以配电网用避雷器的选择有特别要注意的地方。
3.1 选择配电网避雷器的一般程序
避雷器的保护特性和运行特性互相制约。提高避雷器额定电压，则避雷器的持续运行电压、工频过电压耐受能力以及能量吸收能力亦随之提高，但过电压下的保护裕度减小(即残压高)。因此，选择适当的避雷器是1个优化的过程，必须考虑大量的系统和设备参数。
选择配电网用避雷器的一般程序如下：
a)根据避雷器使用的当地条件，如海拔、气温、风速、污秽、地震等环境因素进行选择(如属于非正常使用条件，须经供需双方协商，拟订出非正常使用条件下的避雷器);
b)根据最高系统电压来确定避雷器的持续运行电压;
c)根据暂时工频过电压来确定避雷器的额定电压;
d)估算通过避雷器的预期雷电放电电流，选择避雷器的标称放电电流等级及大电流冲击值;
e)估算通过避雷器的预期操作冲击电流和能量，选择避雷器的方波冲击电流放电等级;
f)根据预期故障电流来选择避雷器的压力释放等级;
g)选择满足要求的避雷器，确定其雷电冲击保护特性;
h)确定被保护设备的配和用雷电冲击耐受电压，应考虑架空线路的雷电特性，确定典型的雷电过电压侵入波;确定避雷器和被保护设备之间的距离;
依据标准GB311.2～6～1983《高电压试验技术》确定被保护设备的额定雷电冲击绝缘水平;如果被保护设备的额定绝缘水平较低，则应重新考虑避雷器的额定电压、持续运行电压、标称放电电流等级、方波冲击电流放电等级及避雷器和被保护设备之间的距离。
3.2 按使用地区环境条件进行选择
按使用地区环境条件进行选择，考虑如温度、日照、风速、冰雪、相对湿度、污秽、海拔、地震、雨等环境条件。
4 配电网避雷器的应用
4.1 配电网避雷器的安装
对于金属氧化物避雷器的装配、安装、维护、运输、储存和废弃，制造厂家应给出清晰的说明，并在提供的使用说明书(手册)中明确规定。
避雷器用脱离器是当避雷器故障时，使避雷器与系统断开的装置，用于防止系统持续故障，并给出可见标识。脱离器脱离时切断流经避雷器的故障电流通常不是该装置的功能。脱离器通常直接置于避雷器接地侧，应隔离避雷器和地电位，并且指出应替换的故障避雷器。当避雷器正常运行时，如通过雷电流时，脱离器不应动作;只有当避雷器过负荷时，脱离器应自动将避雷器脱离，它们的接地引线应是软线，且必须保证避雷器下方有足够的绝缘距离，使脱离的接地引线能自由地摇摆。当脱离器动作后，在避雷器下部接地端会出现施加的运行电压时，不会引起放电。
脱离器可防止过负荷避雷器引起永久性短路而导致的系统跳闸，为用户持续供电[43。对于很难到达的地方或过负荷避雷器不能很快替换时，这是优点;缺点是当避雷器被脱离后，因无保护，应尽快替换事故避雷器，以免与系统脱离后失去控制。
绝缘托架与脱离器一并安装，以便能在避雷器故障后重合配电变压器，其他托架用于安装。
如果高压熔断器与脱离器在1条回路上，这2个保护装置的响应特性应彼此匹配。脱离器的响应速度应高于或至少应与高压熔断器一样。这是为了避免更换后的新熔丝由于短路存在而再次切断短路电流。故障指示器的功能是用鲜明的颜色材料显示避雷器已过负荷，需要替换，它们不能使避雷器与地电位脱离。故障指示器可以安装在避雷器高压端，也可以直接安装在避雷器接地端。如果避雷器过负荷，短路则是永久性的，应尽快检测出损坏的避雷器并进行替换。
4.2 连接引线
用户选择连接引线的截面积应保证通过避雷器的短路电流(给定短路电流持续时间)而不会导致连接引线熔化或扯掉;连接引线应保证有足够的机械强度，这一点适用于高压端连接引线，也适用于低压端连接引线。
若考虑快速上升的雷电冲击波，配电网避雷器相对于被保护设备之间的位置可能非常重要。当保护设备通过快速上升的雷电过电压，以及当与避雷器串联的连接引线、避雷器与被保护设备的并联引线均因其固有电感而产生不小的电压时，引线电压附加在避雷器的快波前特性上，因此连接引线须尽可能短且直，因冲击电流通过时，其本身的自感在每段导线上都会产生感性压降。当雷电流变化率di/dt很高时，必须考虑到感性压降。金属氧化物材料本身对陡电压和电流冲击的响应几乎是同时。就避雷器本身的尺寸和引线长度而言，总是存在着感性电压，必须考虑陡波电流的冲击。有关避雷器参数表中给出的规定残压值通常是仅指避雷器两端的值。
附加感性电压计算公式为U=L×df/d 。设1m长直线的电感为L=1 μH，雷电流波形的波头和波尾分别为8μ s、20μ s，幅值为10 kA，则每米连线的附加感性电压大约为1.2 kV;对于上升时间为1 μs、幅值为10 kA的陡波冲击电流，则每米连线的附加感性电压大约为10 kV。这就意味着必须尽可能地消除引线和回环的电感效应，更不用说避雷器和变压器必须在同一点接地。
4.3 配电网避雷器的接地
配电系统中的避雷器应紧靠被保护设备，如变压器 ]。避雷器接地端和被保护设备接地端应该用非常短且直的导线连接，接地电阻应尽可能小，以限制接地端地电位升高，减小危险性，避免变压器高压侧闪络，最好小于或等于10 Q。测量接地电阻主要采用直流电流或50 Hz交流电流。若采用高频(或含高频成分的冲击电流)，其值可能很高，因此要采用特殊的接地装置来释放冲击电流。
需要仔细设计柱上变压器的接地极，采用接地棒和接地网来降低接地电阻。应参考相应的接地规程。在变电站，如果避雷器的基础和被保护设备的基础连在一起，则避雷器的接地引下线应采用尽可能直，应避免弯曲的导线与主接地网连接。
4.4 配电变压器低压
侧过电压通常认为雷电击中配电线时，雷电放电电流会通过变压器原边避雷器的接地引下线。当用户的接地与市政供水管线或深井连在一起时，它们提供的接地可能比变压器处的接地较好，因为变压器原、副边的接地在电杆上是连在一起的，雷电流可以选择最好的路径人地。如果发生这种情况，则无论是雷击于变压器原边相线还是中性线，均可以轻易造成绝大部分雷电流流过用户的供电中性线。
当雷电流经由较远的用户供电电缆中性线接地点而非经较近的变压器下的接地引下线接地点时，变压器低压侧会产生过电压。如果与雷击点远处的电缆一端接地比电缆近端接地好的话，则过电压电流会流过电缆中性线，那么电缆两端无论哪一边遭遇雷击都一样。由于雷电流流经电缆，沿电缆则会产生电阻和电感的电压降，电缆电路回环中也会产生感应电压。
当回环短路时，回环内会产生电流，电流回路上就会存在压降，这就是低压侧过电压的起源。如果负荷侧开路，则在开路端子上很容易产生超过10 kV的过电压;如果负荷侧短接，可能由于存在某种类型电压保护装置的原因，回环内部分电压则叠加在变压器的二次侧。这可能会在变压器的一次侧感应出具有破坏性电压。因为过电压无论发生电缆哪一端，都会反过来影响电缆的另一端，因此，如果要提供过电压保护的话，则电路两端均应有保护，这一点很重要。
若配电系统的接地比负荷侧接地好，当变压器二次侧遭遇雷击时，电流则会反过来经供电电缆而引入配电系统。因此，变压器低压侧过电压问题并非仅限于架空配电系统，在地下配电系统中也很普遍，雷电无需击中电气结构才可进入供电电缆。负荷侧对地雷击时，雷电流都可能寻找到最佳人地路径进入供电电缆。
4.5 配电线路避雷器配电线路因雷击而引起的单相接地故障所占比例最高，配电网一般为中性点不接地系统，允许带单相接地故障运行几个小时，所以配电线路通常不需特意用避雷器加以保护。但如果因雷击而引起的单相接地故障以及因此而引起的两相短路过多、跳闸率过高时，可用避雷器加以保护。线路避雷器的安装位置应选在线路的易击段、易击点和易击相。
无间隙避雷器适当配合脱离器是必要的。当避雷器过负荷时，脱离器将线路用避雷器与线路隔离，其电气特性通常有别于一般的配电网避雷器的脱离器，因为，当脱离器不脱离时，动作负载比较重，而且还必须保证在其脱离之后，绝不允许避雷器任何部件(在风中摇摆)对地闪络。一方面地线必须足够长，以允许避雷器因风力而摆动;另一方面，地线应尽可能短，以减少电流环和快波前过电压下的电感压降。
有外串间隙避雷器可以采用故障指示器。当避雷器过负荷时，故障指示器应有颜色鲜明的指示 。
线路避雷器电气过负荷的风险率和随后由于雷电的过度能量和电荷量引起的故障可能高于电站避雷器。原因是变电站有屏蔽，可以避免高幅值直击雷。
4.6 避雷器故障模式
配电网避雷器功能失效或故障的原因主要有3个方面。
4.6.1 功能元件失效
功能元件失效主要是ZnO电阻片的失效[1 ，其表现有：在长期工作电压下的老化、漏流增大、参考电压降低以及过电压特别是雷电过电压下的闪络或击穿。雷电过电压下的闪络或击穿是广东地区配电网络避雷器故障记录中的最大原因。
4.6.2 密封失效
密封件/垫片随着时间的推移可能会变得脆弱，导致水分浸入，引起而内部漏电起痕，介质击穿和内部短路。密封失效是避雷器一直关注的问题。
4.6.3 避雷器安装处污秽增大
空心筒式结构避雷器(瓷套式和复合外套A型)对污秽比较敏感，避雷器故障可能因污秽增大而引起，新的污染源可能是1个新工厂、公路或铁路线。
5 结论
配电网避雷器对配电网的关键设备起着重要的保护作用，但由于其种类多、质量参差不齐、安装方式多种多样，造成其故障多，管理难度大。为此，分析与总结如下：
a)介绍了配电网避雷器的结构、分类、基本特性以及配电网避雷器安装使用的一般原则和注意事项;
b)确定了选择配电网避雷器的一般程序和性能要求;
c)提出配电网避雷器的使用要求及运行管理要求。 |
