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溫州盾開電氣有限公司
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一、架空輸電線路雷電過電壓概述
架空輸電線路地處曠野，綿延數千千米，很容易遭受雷擊.雷擊是造成線路跳閘的主要原因.同時，雷擊線路形成的雷電過電壓波.沿線路傳播侵人變電所.也是危害變電所設備運行的重要因素。
根據過電壓形成的物理過程，雷電過電壓可以分為兩種。一是直擊雷過電壓。它是雷電直接擊中桿塔、避雷線或導線（見圖2. 1中①、②或③）引起的線路過電壓。二是感應雷過電壓。它是在雷擊線路附近大地，由于電磁感應在導線上產生的過電壓。運行經驗表明.直擊雷過電壓對電力系統的危害大，感應雷過電壓只對35 kV及其以下的線路有威脅。圖2.1 雷擊輸電線路部位示意圖
按照雷擊線路部位的不同，直擊雷過電壓又分為兩種情況.一種是雷擊線路桿塔或避雷線時，雷電流通過雷擊點阻抗使該點對地電位大大升高.當雷擊點與導線之間的電位差超過線路絕緣的沖擊放電電壓時，會對導線發生閃絡，使導線出現過電壓。因為這時桿塔或避雷線的電位(值)反而高于導線。故通常稱為反擊。另一種是雷電直接擊中導線(無避雷線時)或繞過避雷線(屏蔽失效)擊中導線.直接在導線上引起過電壓。后者通常稱為繞擊。
雷擊線路可能導致兩種破壞性后果。一是使線路發生短路接地故障。雷電過電壓的作用時間雖然很短(數十秒)，但導線對地(避雷線或桿塔)發生閃絡以后，工頻電壓將沿此閃絡通道繼續放電，進而發展成為工頻電弧接地。此時繼電保護裝置將會動作，使斷路器跳閘，影響線路正常送電。二是形成沿輸電線路侵人變電站的雷電波，在變電站內產生復雜的折反射過程，可能使電力設備承受很高的過電壓，以致設備絕緣破壞.造成停電事故。
輸電線路防雷性能的優劣，工程上主要用耐雷水平和雷擊跳閘率這兩個指標來衡盆。耐雷水平是指線路遭受雷擊時所能耐受的不致引起絕緣閃絡的大雷電流幅值(單位為kA).耐雷水平越高，線路的防雷性能越好.雷擊跳閘率是指在折算至年雷電日數為40的標準條件下.每百千米線路每年因雷擊引起的線路跳閘次數.單位為:次/百千米·年。需擊跳閘率是衡量線路防雷性能的綜合性指標。二、感應過電壓
在雷云對地放電過程中.放電通道周圍的空間電磁場將發生急劇變化。因而當雷擊輸電線附近的地面時，雖未直擊導線。由于雷電過程引起周圍電磁場的突變，也會在導線上感應出一個高電壓來.這就是感應過電壓。感應過電壓包含靜電感應和電磁感應兩個分量，一般以靜電感應分量為主。
雖然對于感應過電壓形成的物理解釋已經有了一個比較一致的認識，但由于難以得到雷電放電過程的原始數據等原因，感應過電壓有多種不同的計算方法，而且結果還差別較大。
由于感應過電壓對各相導線來說基本相同，所以不會發生相間閃絡。又由于感應過電壓是因電磁感應而產生的，其極性與雷云電荷.即與雷電流的極性正相反，因而絕大部分感應過電壓是正極性的，這一點與直擊雷過電壓不同。另外，感應過電壓的波形較直擊雷過電壓更平緩，波頭由幾秒至幾十秒，波尾則可達數百秒。避雷線由于對導線有屏蔽作用.因而能降低導線上的感應過電壓幅值。避雷線與導線間的藕合系數越大，導線上的感應過電壓就越低。
三、雷擊導線過電壓
無避雷線的線路，當雷閃放電過分靠近線路時，發生的就不是雷擊地面的感應過電壓，而是雷電直擊導線的過電壓。在我國110 kV及其以上線路一般都架
有避雷線.以免導線直接遭受雷擊，但由于各種偶然因素的影響.仍有可能發生避雷線屏蔽失效.雷電繞過避雷線而擊中導線的情況，通常稱繞擊.
繞擊發生的概率雖然很低，但一旦雷電擊中導線，導致線路跳閘的幾率將很高。四、雷擊塔頂過電壓
雷擊塔頂(包括雷擊塔頂附近的避雷線)時，桿塔電感與接地電阻的存在將使塔頂電位瞬時升高，其電位位甚至大大超過導線電位，引起絕緣子串閃絡，即反擊，造成線路跳閘，同時在線路上形成向線路兩側傳播的過電壓波.過電壓波侵人發電廠、變電站。
除上述二種雷電過電壓外，還有一種雷擊避雷線擋距中央時的過電壓.國內外大量的運行經驗表明，此時引起擋距中央避需線與導線空氣問隙發生閃絡是非常罕見的，故對這種雷電過電壓此處不再分析。
應當指出，上面的感應過電壓、雷擊導線過電壓、雷擊塔頂過電壓的計算公式都沒有考慮絕緣子串的運行電壓，亦即導線的運行電壓.對220 kV及其以下的線路來說，運行電壓所占比重不大，一般可以忽略。但在超高壓線路中，隨著電壓等級的提高，工作電壓不應再被忽略，有人建議至少應按照導線運行相電壓峰值的一半來考慮，且電壓極性與雷電流極性相反。因為任何時刻都至少有一相導線運行在與雷電流相反的極性下。如果按照統計法計算，則雷擊時的導線工作電壓瞬時值及其極性應作為一個隨機變來考慮。但這些還都沒有列入電力行業的相關規程中。
五、雷擊跳閘率
當雷閃放電造成線路產生雷電過電壓時，若雷電流超過相應情況下的耐雷水平，則導致線路絕緣發生閃絡。但雷電過電壓的持續時間極短，只有幾十秒、高壓開關還來不及跳閘.只有當沖擊閃絡后的閃絡通道發展成穩定的工頻電弧時才會導致線路跳閘。這些過程都有隨機性。因此工程中除耐雷水平外.還采用雷擊跳閘率作為一個綜合指標，來衡量線路防雷性能的優劣。我國電力行業標準DL/T 620 1997給出了一般上壤電阻率地區有避雷線線路的耐雷水平和雷擊跳閘率數值.見表2.
表2 架空輸電線路典型桿塔的耐雷水平及雷擊跳閘率
本文通過對進口防雷器的核心技術和參數進行詳細介紹，并對選擇電源防雷器的幾個重要的參數進行對比分析，對技術人員以后在電源防雷器上的選擇起到一定的參考。
1、電源防雷器介紹
電源防雷器，即電源SPD，在電源系統的防雷中起著重要的作用。它并聯在線路中為雷電流提供一個泄放通道，并將加在后端設備的過電壓限制在一定的范圍內，從而對后面的設備進行保護。
組成電源SPD的元器件主要有陶瓷氣體放電管（GDT）、氧化鋅壓敏電阻（MOV）、瞬態抑制二極管（TVS）。根據三種主要元件器的組合方式不同，可以分為單一元件的電源SPD和組合式的電源SPD。國內的電源SPD都是采用單一的氣體放電管或壓敏電阻組成SPD，成本較低，但存在許多缺陷，如單一的氣體放電管具有殘壓高、響應時間長、工頻續流等缺點，而單一的壓敏電阻存在漏電的問題，這將大大減小SPD的使用壽命，并且可能產生自然自爆的現象。因此，為了克服上述元器件的缺點，充分發揮各自的優點，對元器件進行各種組合，并在技術工藝上進行革新，使得電源SPD的性能和技術參數指標得到優化，更加和有效地保護電氣設備。2、 四種進口電源SPD核心技術介紹
四種進口電源SPD擁有的核心技術分別是：Palmas的復合型技術、PHOENIX的AEC能量配合技術、德國DEHN
的RADAX Flow技術、OBO的多層石墨火花間隙技術。
2.1復合型技術
該技術是將n個壓敏電阻（MOV）、n個陶瓷放電管（GTD）、n個瞬態二極管（TVS）、浪涌電阻（SR）、溫度控制保險管等各種瞬態過電壓保護元器件通過串聯和并聯的矩陣方式排列在PCB電路板，由主放電電路（為雷電流泄放提供通道，并將殘壓逐步限制在很低的水平）和控制電路（用于監測各種防雷元件器的工作和老化狀態）組成，充分利用不同元器件的優點，發揮其作用。它主要解決了殘壓、響應時間、漏電流、通流量、工頻續流、使用壽命的問題。
2.2 AEC能量控制技術
主動能量控制的核心是一個屬于B+C類的SPD，該SPD是在一個用特殊合金材料間隙的電極間加裝了一個主動能量控制器，監測后級SPD的殘壓，在后級能量承受極限之前，主動觸發放電間隙使之工作，并因開關型SPD工作之后維持放電電弧的電壓較低，從而使得點火電路和后級SPD不再因過電壓而處于工作狀態，使得其承受的能量極小。它解決了殘壓、通流量、使用壽命的問題。
2.3 RADAX Flow技術
續流抑制、遮斷專利技術，工作原理以徑向和軸向吹弧優化電弧冷卻為基礎，必須的冷卻氣體是在電弧的影響下由周圍的塑料材料產生的。它可實現被保護電氣裝置工作的高可靠性，與DEHNventil
M 輔助電路配合使用，可以有效降低防雷器的電壓保護水平。它解決了殘壓、能量配合、工頻續流的問題。
2.4多層石墨火花間隙技術
該技術的裝置由九層火花間隙組成，這九層火花間隙由十片高能石墨電極圓盤疊合在一起夠成，高耐熱的特氟綸隔環，可靠地保證了火花間隙內部的距離，用螺栓固定的壓鑄鋅金屬連接板，將火花間隙組合在一起，箝制在的位置上，九層火花間隙中的八層間隙經過了大容量電容控制，因而保證了設定的保護電壓水平小于2KV。
1.內部防雷裝置(internal lightning protection system):除外部防雷裝置外，所有其他附加設施均為內部防雷裝置，主要用于減小和防護雷電流在需防護空間內所產生的電磁效應。2.避雷器(surge arrester):通過分流沖擊電流來限制出現在設備上的沖擊電壓、且能返回到初始性能的保護裝置，該裝置的功能具有可重復性。3.內部引下線(internal down-conductor):位于被防雷保護的建筑物內部的引下線.4.保護器(protector):防止設備或人身受到高壓或強電流危害的裝置.5.保護導體(protective conductor):提供目的(如防觸電)的導體。6.保護電路(protective circuit):以保護為目的的一種輔助電路或部分控制電路。7.保護模式(mode of protection): SPD的保護器件可能按接在相線與相線、PE線與PE線、相線與中性線、中性線與PE線或者以上的組合等方式接入，這些接入方式被稱為防護模式。8.過載故障模式(overetressed fault mode):模式1-在這種情況中，SPD的限壓部分已斷開。限壓功能不再存在，但是線路仍可運行.模式2-在這種情況中.SPD的限壓部分已被SPD內部的一個很小的阻抗短路。線路不可運行，但是設備仍被短路保護.模式3-在這種情況中.SPD的限壓部分網絡側內部開路。線路不運行，但是設備仍然受到開路線的保護。9.浪涌保護器[surge protection device(SPD)]:用于限制暫態過電壓和分流浪涌電流的裝置.它至少應包含一個非線性電壓限制元件.也稱浪涌保護器.10.號浪涌保護器(signal surge protecting device):用于模擬號、數字號、控制號等息網絡通道的防雷裝置。11.保護電容器(capacitor for voltage protection):接于電源線與地之間，用以抑制浪涌電壓的電容器。12.保護系統和裝置(protection system and device):用于防止在有過電流(由于過負載引起)，故障電流和接地故障電流的情況下.危及人、畜和損壞設備的系統和裝置。13.電壓開關型浪涌保護器(voltage switching type SPD):在無電涌時呈現高阻抗，當出現電壓浪涌時其突變為極低的阻抗，通常采用放電間隙，氣體放電管，晶閘管和三端雙向可控硅元件作這類SPD的組件。有時稱這類SPD為“短路開關型"SPD.14.多級浪涌保護器(multi-stage SPD):具有不只一個限壓元件的SPD.這些限壓元件可以是被一系列元件在電氣上分離開，也可以不是。這些限壓元件可以是開關型的，也可以是限壓型的。15.限壓型浪涌保護器(voltage-clamping-type SPD):這種浪涌保護器在無浪涌時呈現高阻抗，但隨浪涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小。用作這類非線性裝置的常見器件有壓敏電阻和鉗位二極管.這類浪涌保護器有時也稱為“鉗位型”。16.組合型浪涌保護器(combination-type SPD):由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關型或限壓型或這兩者都有的特性，這決定于所加電壓的特性。17.一端口浪涌保護器(one-port SPD):與保護電路并聯連接的電涌保護器，一個單端口浪涌保護器可以有單獨的輸入輸出端口，但它們之間并無專門的串聯阻抗.18.二端口浪涌保護器(two-port SPD):具有獨立的輸入輸出端口的電涌保護器。在這些端口之間插入有一個專門的串聯阻抗.19.雷電保護系統[lightning protection system(LPS)]:用以對某一空間進行雷電效應防護的整套裝置，它由外部防雷裝置和內部防雷裝置兩部分組成.在特定情況下，雷電保護系統可以僅由外部防雷裝置或內部防雷裝置組成，也稱防雷裝置。20.非線性金屬氧化物電阻片(壓敏電阻) (nonlinear metal oxide varistor) :避雷器的主要工作部件.由于其具有非線性伏安特性，在暫態電壓作用時呈低電阻，從而限制避雷器端子間的電壓，而在正常運行時呈現高電阻。21·過電流保護(over-current protection):電源裝置和所連接的設備為防護過大的輸出電流(包括短路電流)而施加的一種保護。22.過電流保護器(over-current protector) :與保護對象串聯，用來防止其過電流的一種保護器。23.額定電流(rated current):一個限流SPD在不引起限流元件動作特性產生變化的持續流過的大電流。24.額定負載電流(rated load current):可以供給接到SPD輸出端負載的大連續額定均方根或直流電流。25.標稱放電電流(nominal discharge cL rrent) :8/20ms沖擊電流波流過SPD的電流峰值。用于對SPD做II級分類試驗，也用于對SPD做I級和II級分類試驗的預試驗。26.不可恢復的限流(non-resettable current limiting): SPD的只能限流一次的功能。27.可恢復限流(resettable current limiting):SPD在動作后可人為復原的限流功能。28.殘流(residual current):SPD按制造廠家的說明連接，不帶負載，施加大持續工作電壓時流過保護接線端子的電流。29.交流耐受能力(a. c. durability):表征SPD容許通過規定幅值的交流電流.并耐受規定次數的特性。30.連續工作電流(continuous operating current):SPD每一種防護方式在大連續工作電壓作用下分別流過的電流，相當于流過SPD防護器件的電流和流過SPD中與防護器件并聯的所有內部電路的電流之和。31.電流恢復時間(current reset time):一個自恢復限流器恢復到正常和靜止狀態所需要的時間。32.電流響應時間(current response time):在特定的電流和特定的溫度下限流元件動作所要求的時間。33·限流(current limiting):至少包含有一個非線性限流元件的SPD降低所有超過預定電流值的一種功能。34.大放電電流(maximal discharge current):允許通過SPD的電流峰值，該電流具有根據Ⅱ類工作狀態試驗的測試程序所規定的波形(8/20ms)及幅值。35·限流電壓(current-limiting voltage):加在規定輸出端之間，輸出電流開始被限制時的電壓值。36.續流(ollow current):當SPD通過放電電流脈沖后，隨后而至的由電源系統提供的電流，與連續工作電流完全不同.37.自恢復限流(self-resettable current limiting):在干擾電流消失后，SPD能自動恢復限流的功能。38.沖擊耐受能力((impulse durability):表征SPD容許通過規定的波形和峰值的沖擊電流，并耐受規定次數的特性。39.過電壓保護(over-voltage protection):電源裝置和所連接的設備為防止電源故障以至于產生過高的輸出電壓(包括開路電壓)而施加的一種保護。40.殘壓(residual voltage) :在放電電流通過時，在SPD端子間呈現的電壓峰值。41.限壓(voltage limiting): SPD降低所有超過預定電壓值的一種功能。42.持續工作電壓(continuous operating voltage):連續施加在SPD端子間不會引起SPD傳輸特性衰變的直流或交流(有效值)電壓.43.電壓保護水平(voltage protection level):表征一個SPD限制其兩端電壓的特性參數.這個電壓數值不小于浪涌電壓限制的大實測值，是由生產商確定的。44.實測限制電壓(measured limiting voltage):在規定波形和幅值作用下在SPD端子間測量到的電壓大值。45.大持續運行電壓(maximum continuous operating voltage):可連續施加在SPD端子上，且不致引起SPD傳輸性能降低的大電壓(直流或均方根值)。46.大中斷電壓(maximum interrupting voltage):可施加在SPD限流元件上，且不致引起SPD傳輸性能降低的大電壓(直流或有效值)。這個電壓可等于SPD的大持續運行電壓.或根據SPD內部限流元件的配置可高于SPD的大持續運行電壓。47.雙端口浪涌保護器負載側沖擊耐受能力(load-side surge withstand ca-pability for a two-port SPD):雙端口SPD輸出端耐受來自負載側沖擊的能力.48.插入損耗(insertion loss):由于在傳輸系統中插入一個SPD所引起的損耗.它是在SPD插入前后面的系統部分的功率與SPD插入后傳遞到同一部分的功率之比。這個插入損耗通常用分貝表示。49.絕緣電阻(insulation resistance):SPD指定的端子之間施加大持續運行電壓時呈現的電限。50.劣化((degradation):SPD由于浪涌或不利環境引起的原始性能參數的變壞。51.盲點(blind spot):高于大持續運行電壓，但可引起SPD不完全動作的工作點。所謂SPD的不完全動作是指一個多級SPD在沖擊試驗時不是所有各級都能動作。這可造成SPD中的一些元件遭受過載。52.熱崩質(thermal runaway): SPD持續的熱損耗超過了外殼及連線的散熱能力，導致內部元件溫度逐步增加直至損壞，這樣一種狀態又稱為熱失控.53.熱穩定(thermal stability):在工作狀態測試引起溫度升高，在特定環境溫度和大連續工作電壓作用下，SPD溫度隨著時間而下降至穩定溫度，這樣稱SPD是熱穩定的。
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