氧化锌避雷器电磁脉冲效应实验研究

郭俊峰 韩琦 毛天华 李毅

摘 要：为了测试氧化锌避雷器的效果，了解氧化锌避雷器的结构，工作原理以及功能特性。进行了氧化锌避雷器效验，同时也详细介绍了端口保护器件的抗干扰能力的等级划分。雷击是引起电力系统故障的主要原因之一，雷击可造成的雷电流的数值可以非常高，从而引起电磁效应对系统造成破坏，这种电磁效应就可以用HEMP注入脉冲源来模拟，脉冲源的输出可以等效这种场景，选择氧化锌避雷器为效应物，对氧化锌避雷器做效应实验。

关键词：氧化锌避雷器;电磁脉冲效应;过电压保护;抗干扰能力

雷电产生的电磁脉冲对于我们身边的网络系统，通信系统和电力系统都会带来很严重的影响，全球每年都会因为这种电磁脉冲导致的网络系统，通信系统和电力系统频频出现故障，这样会导致极高的经济损失，为国家带来严重的经济负担。[1-2]在现在飞速发展的社会中，加入民用和军事上的网络系统，通信系统和电力系统受到电磁脉冲的影响，就会受到很严重的损失，军事上可能会导致整个国家的安全问题，民用上可能会破坏社会秩序，所以电磁脉冲及其工程防护的理论和技术很受关注并且全球对其研究热度也很高。

一、氧化锌避雷器的结构

氧化锌避雷器主要有两种结构，即带串联间隙氧化锌避雷器以及无间隙氧化锌避雷器[3]。串联间隙氧化锌避雷器中的间隙有着阻隔的作用，这样就导致了一部分电阻片就没有运行工作电压，也就会面临着系统老化问题，这样就会导致容易发生故障，对电力系统正常运行存在着极大的隐患。而无间隙氧化锌避雷器内部电阻为氧化锌电阻，使用这样的电阻使性能有着明显的提升。

（一）无间隙氧化锌避雷器

该氧化锌避雷器上边连接高压线夹，高压线夹在连接至高压线上，下边连接脱离器，脱离器连接电缆和监测器，相当于直接连接各系统，没有间隙。这样的构造能使避雷器不易发生损伤，即一旦监测器检测出避雷器有故障的时候，脱离器就会作用，让避雷器与电压线不连接，以免让避雷器发生永久性的损伤，也会让电网系统不会发生永久性的故障。因为没有间隙的原因，避雷器里的物件会长时间工作，容易老化。

而影响寿命，对于非直接接地系统发生单相接地故障的现象出现时，这样的避雷器很容易熬成重大损失。无间隙氧化锌避雷器的结构图如图1所示。

（二）带串联间隙氧化锌避雷器

带串联间隙氧化锌避雷器除了本身还包含串联间隙部分，串联间隙部分与绝缘子串并联，在阴雨雷电的天气下，很容易引起雷电流在避雷器周围形成高电压，使氧化锌避雷器的串联间隙部分可能会被击穿，使电位差减少，这样绝缘子闪络的问题就会得到解决，同时可以减少线路发生跳闸停电的事故。在避雷器的串联间隙部分工作之后，氧化锌避雷器本身含有的电压远小于绝缘子串上的电压即绝缘子闪络电压，也必须保证电弧在特定电压下可以熄灭，来保证整个系统能够稳定运行。氧化锌避雷器的串联间隙部分又可以分为复合绝缘子固定间隙和纯空气间隙两种结构。对于复合绝缘子固定间隙的避雷器安装起来很随意，任意角度下都可以安装到所需设备上，在检修时会非常的方便。并且避雷器的本身与高压线之间有隔离间隙，这就导致了即使在系统运行的时候避雷器也不会带电，这种避雷器自身的功率损耗也非常小，避雷器内部结构也不会长期带电导致问题的发生，这使避雷器的寿命大大增加。带串联间隙氧化锌避雷器如图2所示。

二、氧化锌避雷器的功能特性

（一）氧化锌避雷器的作用

氧化锌避雷器是用来保护电气设备的，它是通过限制过电压来实行保护的，它所配备的防护功能非常完善，体积以及质量都非常小，并且可以长期稳定运行，获得了应用的广泛性。它就是在电气线路上或者设备上人工安装间隙装置，该装置的击穿电压要比电气线路上或者设备上的击穿电压低，在系统正常工作时该间隙装置并不影响系统的正常工作，当电压升高到击穿电压时，间隙装置直接接地实施放电来实现降压来保护电气设备[4]。

（二）氧化锌避雷器功能特性

避雷器的特性就是过电压保护，而氧化锌避雷器可以在电力系统上起到限压保护作用，但是对于没有上限的过电压，最主要的就是暂态过电压，其频率是正常的数倍，一旦暂态过电压成为避雷器的工作电压，避雷器就会长时间处于工作状态并且发热，而导致避雷器的不可逆损害。我们一般会将所有的暂态过电压移到保护死区内并且保证不能外泄，这样避雷器就不容易损坏，也就是暂态过电压承受能力强，反之则不同。

三、氧化锌避雷器的效应实验

按照原理图对其进行安装，效应物为氧化锌避雷器，通过容性注入的方法对氧化锌避雷器做效应实验，通过调试出的双指数脉冲对其氧化锌避雷器进行输出，将充电电压升至30kV，达到相对完美输出。我们选用220V，1kV，3kV，10kV，35kV等型号的氧化锌避雷器，将该输出注入到不同型号的氧化锌避雷器上，我们依次做注入实验，对于35kV以下的避雷器，其实验输出如图3所示，由于结果几乎一样，我们选择采用注入220V氧化锌避雷器实验结果来演示，我们发现这样的输出对于220V，1kV，3kV，10kV即35kV以下的避雷器能够达到击穿，输出的结果达到了击穿的效果，但是对于其中的抗干扰能力仍大有不同，型号是220V，1kV和3kV的避雷器就有了实质性的功能损坏，（下转第209页）

（上接第207頁）造成了不可逆的损坏，也就是避雷器直接报废，所在的电子系统也会受到严重的破坏，这类属于功能损坏;型号是10kV的避雷器仍旧可以使用，但相应的电子系统也会受到影响，我们只需立即重新启动电子系统，避雷器所在的电子系统仍然可以正常使用，避雷器也没有造成不可逆的损害，仍然可以起到防护的作用，这类属于工作干扰。

最后我们又实验了型号为35kV及以上的氧化锌避雷器，最后输出的结果为如图4所示。

从中我们看到了输出结果仍为双指数脉冲波形，说明了该型号的避雷器没有被击穿，也就表明了这样的输出并没有影响到氧化锌避雷器，氧化锌避雷器达到了防护，电子系统可以正常工作，也就是这样的脉冲输出对于型号为35kV以上的避雷器基本没有影响，可以正常工作。

四、结论

a）介绍了两种氧化锌避雷器，分别为无间隙氧化锌避雷器和带串联间隙氧化锌避雷器，对其结构与功能做出了详细的阐述。

b）氧化锌避雷器是用来保护电气设备的，它是通过限制过电压来实行保护的，所配备的防护功能非常完善，体积以及质量都非常小，并且可以长期稳定运行，获得了应用的广泛性。

c）上升时间在20ns左右，脉冲宽度450～500ns，电流峰值不小于1kA的双指数脉冲对于型号35kV以下的氧化锌避雷器有着影响，可以影响到其所在的电子系统，对于型号10kV以下的氧化锌避雷器造成功能损害，电子系统也会受到严重的破坏，对于型号为10kV的避雷器造成工作干扰，重启系统，避雷器和电子系统仍旧可以工作，对于35kV及以上的型号，氧化锌避雷器可以正常防护使其电子系统可以正常工作。

参考文献：

[1] 吕治辉，高功率自己穿气体火花开关多脉冲运行特性研究【D】.长沙：国防科技大学，2005：45-50.

Lv Zhi hui.Investigationof spark gap switch multi pulse operating in the selfbreakdown model[D].Changsha：National University Defense of Technology，2005：45-50.

[2] Alex Pokryvailo，Yefim Yankelevich，Shapira M.A compact source of su bgigawatt subnanosecond pulses[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2004，32（5）：1909-1918.

[3]应卫华，王军华，王孝华.氧化锌避雷器在送电线路的应用[J].湖州师范学院学报，2009，31（S1）：119-120+132.

[4]高岩. 浅析氧化锌避雷器[J].广播电视信息（下半月刊），2008，11：56-59.