避雷器能量耐受有多重要？關係到設備會不會熱失控

這就是避雷器 它是變電站裏最重要的電氣設備之一 避雷器主要用於保護變電站內 變壓器、段度器、母線套管等高壓關鍵設備 避免直擊雷、臨近雷擊、電磁脈衝、靜電放電 以及電力系統頭切操作產生的過電壓 對設備造成損壞 本期視頻我們深度講解避雷器的工作原理 帶你搞懂 這麼一個看似結構簡單的裝置 是如何在雷擊產生巨大能量浪湧時 守護變電站核心設備安全的 當雷電直接擊中變電站帶電導線時 短短几微秒內 海量電能會瞬間湧入電力系統 系統電壓會飆升至正常運行電壓的數倍 此時變壓器等設備的絕緣層 會承受遠超設計極限的絕緣耐壓應力 關鍵時刻 避雷器就會立刻介入工作 把浪湧電流導入避雷器本體 再安全泄放到大地 抑制電壓異常飆升 從而保護其餘電力設備不受損壞 避雷器的種類有很多 本期我們重點講解 無鍵系金屬氧化物避雷器 憑藉超高工作效率 極快響應速度和高可靠性 它也是現代電力系統中 應用最廣泛的避雷器類型 老式碳化硅避雷器 在帶電端和接地端之間設有空氣鍵系 而無鍵系避雷器沒有任何外置空氣鍵系 核心工作元件只有一個 堆疊式金屬氧化物壓敏電阻柱 這根電阻柱連同支撐結構 構成了避雷器唯一的工作核心 電阻柱由一片片獨立的 金屬氧化物電阻圓盤疊裝而成 圓盤主材爲氧化鑫 還添加了少量氧化B 氧化T 以及錫 鈷 鎳等多種金屬氧化物配方 電阻圓盤上下電極表面打磨得十分光滑 目的是增大疊片之間的接觸面積 電阻圓盤的直徑 直接決定了雷擊浪湧下的通流能力 常規金屬氧化物電阻圓盤直徑 在30到100毫米之間 單片高度一般爲20到45毫米 高度和耐壓能力直接掛鉤 行業不會生產超大尺寸 超高厚度的單片電阻圓盤 因爲尺寸越大 生產時越難保證電阻材料的材質均勻性 電阻柱外側配有多根玻璃缸支撐拉桿 像龍體一樣包裹住電阻柱 同時每隔一段距離設置玻璃缸固定甲板 防止支撐拉桿向外變形彎折 也避免整體結構向外殼側壁傾斜形變 碧雷奇選用金屬氧化物材料的核心原因 是它具備極強的非線性福安特性 普通電阻絲這類歐姆材質 在恆定溫度下 電壓和電流呈線性正比關係 電壓升高 電流按比例增大 完全遵循歐姆定律 所以叫歐姆元件 而金屬氧化物壓敏電阻屬於非歐姆材料 電壓和電流不再是線性關係 它的電阻值會隨外加電壓時時變化 這也讓它在正常公平電壓 和雷擊過電壓兩種工況下 呈現出完全不同的工作狀態 金屬氧化物電阻柱的整體高度 由碧雷奇的耐壓等級決定 單片電阻圓盤的耐壓 通常按伏每毫米計算 標準值在300到400伏每毫米 舉個例子 想要達到800千伏的雷電衝擊保護水平 單片圓盤高度約50毫米 耐壓300伏每毫米 就需要疊裝約54片圓盤 整體柱體高度可達2.7米 受運輸安裝和機械強度限制 這麼長的核心柱體 不會封裝在單個外殼裏 中高壓碧雷奇一般分成兩節 特高壓系統甚至會做成三節 方便運輸吊裝 同時提升整體結構機械強度 碧雷奇外殼中壓工況 常用石英磁氧化鋁磁 也有大量採用硅橡膠材質 高壓電力場景 目前仍以磁套外殼爲主 磁套外殼的強度不只是由壁厚決定 磁套直徑等幾何結構 也起到關鍵作用 外殼除了遮擋灰塵 油污 溼氣 保護內部核心元件外 還必須保證足夠爬電距離 防止表面產生泄漏電流 因此外殼外側設計有多層散群 散群結構會根據使用場景 做差異化設計 外殼兩端配有鋁合金法蘭 同時兼具定向泄壓功能 當壁壘氣內部過載 壓力驟升時 可及時釋放內部壓力 法蘭通過硫磺膠與磁套牢牢固定 法蘭內部兩端裝有高強度壓縮彈簧與定位環 緊緊頂住金屬氧化物電阻柱 把核心元件穩固固定在外殼內部 整套密封結構由密封環 和優質鋼材涅材泄壓隔膜組成 全程密封隔絕水汽 保障壁壘氣全使用壽命週期內 鎖緊環會把外殼法蘭內部所有構建牢牢緊固爲一體 瞭解完金屬氧化物壁壘氣的結構 我們再來講解它的核心技術參數 最大持續運行電壓MCOV是壁壘氣關鍵參數之一 代表壁壘氣可以長期穩定承受的公平電壓等級 選行時 壁壘氣最大持續運行電壓 必須比系統最高向地持續電壓高出至少5% 系統正常運行 電壓低於或等於最大持續運行電壓時 金屬氧化物電阻塊會呈現極高阻值 整個壁壘氣只有微氨級的微小泄漏電流流過 這個微弱電流不會造成系統相遞短路 對電網正常運行毫無影響 一旦發生雷擊 系統電壓會飆升至正常電壓的3-10倍 此時 依靠金屬氧化物圓盤的非線性特性 壁壘氣阻值瞬間驟降 哪怕電壓小幅上升 電流也會瞬間暴漲數個數量級 壁壘氣快速把雷擊浪湧導入大地 將端子電壓鉗制在安全範圍 保護後端關鍵設備免遭擊穿損壞 無論正常運行還是雷擊浪湧攻礦 電流都從帶電端經金屬氧化物電阻柱 法蘭導通至接地端 壁壘氣接地端和大地之間會串聯安裝雷擊計數器 用來記錄壁壘氣動作次數 同時監測運行泄漏電流 正常運行時泄漏電流極小 但即便微小電流也會在電阻柱內部產生熱量 穩態下這些熱量能順利散發到外界環境中 金屬氧化物電阻具備溫敏特性 如果內部產熱速度大於散熱速度 電阻圓盤溫度就會持續升高 溫度上升又會進一步增大泄漏電流產生更多熱量 如果這個惡性循環無法終止 壁壘體就會熱失控 溫度持續飆升直至燒燬炸裂 這種現象就叫熱崩潰 雷擊浪湧發生時 瞬時電流最高可達200千安級別 雖然只持續幾微秒 但會在電阻圓盤內部瞬間產生大量熱量 讓氣濺溫度急劇升高 浪湧泄放完畢 系統電壓恢復正常後 壁壘球必須快速把積聚的熱量散發出去 一旦散熱不及時 溫升會拉高泄漏電流 硅橡膠外殼壁壘器結構比磁套壁壘器更簡潔 核心工作原理完全一致 同樣採用金屬氧化物電阻圓盤作爲核心元件 但固上狀態下的表現差異很大 如果發生熱失控 內部壓力劇增 硅橡膠外殼會平穩開裂泄壓 不會飛濺碎片損壞周邊設備 而磁套屬於脆性材質 必須配備專用泄壓結構 若內部壓力無法及時釋放 磁套會直接炸裂 極易損壞周邊電力設備