避雷器：進化、材料、および雷保護について解説

避雷器及其进化

避雷器总是与它所保护的电气设备并联连接。在系统电压下，它不会干扰设备的正常运行。然而，当设备上出现危险的过电压时，避雷器会首先导通，将过电压安全地导向地面。

最早的最简单的避雷器形式由两根金属棒通过一个间隙隔开，并与电气设备并联连接。当这个间隙上的电压超过一定阈值时，空气（即间隙）会被击穿，从而保护设备。这种类型的避雷器被称为“排气间隙”或“保护间隙”。

闪电现象与此类似：雷云和大地作为两个导体（电极）。当它们之间的电压变得过高时，两者之间的空气会被击穿，导致闪电发生。

然而，有一个关键的区别。保护间隙直接连接在电力线路上。一旦危险的过电压导致间隙被击穿（即两根金属棒之间的空气被电离），发电厂或变电站无法察觉这一事件——或者反应不够迅速。因此，它继续向现在已经导通的间隙供电。由于间隙提供了一条通向地面的路径，电流会持续流动，导致电力系统的短路。因此，虽然保护间隙使用简单，但其操作会导致间隙之间持续产生电弧，进而引发短路状态。

如何在保护间隙操作后快速熄灭电弧？这导致了第二代避雷器——排气（或管型）避雷器的发展。这种设计首先将电弧限制在一个管内，然后采用方法将其熄灭。

然而，排气避雷器仍然有一个缺点：无论其熄弧能力如何，它们仍然会将电力系统的电流直接导向地面，造成瞬时接地故障（短路）。

理想的解决方案是一种在正常电压下阻止电流或仅允许最小泄漏的装置，从而避免短路，但在危险的过电压发生时能够迅速将大电流（如闪电）导向地面。简而言之，这样的装置就像一个“智能开关”，能够精确地知道何时打开和关闭。在避雷器中，这种“智能开关”最初是通过一种称为碳化硅（SiC）的材料实现的。用这种材料制成的避雷器被称为阀式避雷器，因为它们的功能类似于电气阀门。

需要注意的是，这里的“阀门”是一个电气元件，而不是像水龙头或管道阀门那样的机械阀门。机械阀门对于响应微秒级的闪电来说太慢了。相反，需要一个由非线性电阻制成的电气“阀门”。碳化硅是最早发现用于高压应用的非线性电阻材料。

技术不断进步。后来发现了另一种用于避雷器的非线性电阻材料：氧化锌（ZnO）。它的功能与碳化硅相似，但具有更好的“阀门”特性——专业上描述为具有更好的非线性。

什么是非线性？形象地说，就是反其道而行之：该大的时候小，该小的时候大——与线性元件成比例变化不同。

在避雷器中，非线性的表现如下：当电流很高（例如，在闪电浪涌期间）时，电阻变得非常低，电阻越低，非线性越好。当电流很低（闪电浪涌过后，系统恢复到正常工作电压）时，电阻变得非常高，电阻越高，非线性越好。

碳化硅表现出非线性，但并不理想。在正常工作电压下，其电阻不够高，允许少量漏电流通过避雷器——就像阀门没有完全关闭一样，导致持续的“细流”电流。

这种行为是材料固有的，通过改进材料来消除这种漏电流的努力大多未能成功。因此，在使用碳化硅制造避雷器时，采用了结构上的解决方案：避雷器最初与线路隔离，只有在浪涌期间才连接。这项任务是通过串联空气间隙完成的。因此，阀式避雷器几乎总是需要一个间隙。相比之下，氧化锌阀门在正常工作电压下“紧密关闭”，所以不需要串联间隙。

随着氧化锌制造技术的进步，早期的“关闭”能力不足的问题已经得到克服。但由于历史原因，许多氧化锌避雷器仍然包含间隙。不过，无间隙氧化锌避雷器占据了绝大多数。

由于氧化锌是一种金属氧化物，这些避雷器也被称为金属氧化物避雷器（MOSA）。

电力系统中的雷电保护

从雷电保护装置的角度来看，主要有三种类型：避雷针（空气终端）、架空地线（屏蔽线）和避雷器。前两种结构简单——基本上只是杆和线——而后一种则更为复杂，因为它依赖于作为“智能开关”的非线性电阻。

从被保护对象的角度来看，雷电保护可以分为：架空输电线路保护、变电站保护和电机保护。

架空线路跨越广阔的区域，暴露在开阔地带。为了尽量减少对陆地生命和生态系统的影响，它们被架设在相当高的位置。正如俗话说的，“最高的树最容易招风”，使它们成为雷电的主要目标。统计数据显示，大多数电网故障是由线路遭受雷击引起的。因此，必须保护架空线路。但由于其长度，绝对保护既不切实际也不经济。因此，线路保护是相对的：允许一些雷击直接击中线路并引起闪络。这种保护主要通过架空地线实现。

相比之下，变电站更为关键。它们是电力系统的枢纽，集中了大量的设备和人员。因此，对它们的雷电保护要求非常高。

雷电可以通过两条主要路径到达变电站：直接雷击，通过避雷针（有时是屏蔽线）缓解；以及从输电线路上雷击传播来的浪涌，主要通过避雷器处理。

电机（包括发电机、同步调相机、频率变换器和电动机）的雷电保护与变电站保护一样重要。发电机是电力系统的“心脏”，大型电机是重要的工业驱动器。这些组件受到雷电损坏会导致重大损失。然而，电机保护比变电站保护更具挑战性。电机是旋转机械，因此其绝缘层不能过厚且必须是固体（不像变压器中使用的液体绝缘）。固体绝缘容易老化，不仅需要使用避雷器进行主要保护，还需要额外的辅助保护措施。

复合外壳氧化锌避雷器

避雷器是一种电气装置，具有两个电极——一个通常接地，另一个连接高电压——中间由绝缘材料隔开，专业上称为绝缘体。

由于大多数电力系统设备暴露在大气中，绝缘表面直接接触环境。这部分绝缘称为外部绝缘或户外绝缘。

户外绝缘长期暴露在阳光、雨、风、雪、雾和露水中。因此，合格的户外绝缘材料不仅需要具备优良的电气和机械性能，还必须具有优异的耐候性和40至50年的使用寿命。目前，瓷是最广泛使用的工程户外绝缘材料，钢化玻璃也在线路应用中使用。

瓷和玻璃都是无机材料。除了优良的电气和机械性能外，它们的关键优势是环境稳定性——卓越的耐候性——使它们在近一个世纪以来主导了电力系统的外部绝缘。

然而，它们有一个共同的弱点：表面亲水。这使得绝缘体表面的污染层能够吸收水分。当污染与水分结合时，会使电流流动，可能在正常工作电压下导致绝缘体表面发生闪络。这通常被称为污闪，更具体地说，是在受污染和湿润的绝缘体表面上发生的表面放电。

近年来，硅橡胶在全球范围内被广泛用于替代传统的绝缘材料。硅橡胶是一种有机材料，具有很强的憎水性，显著提高了外部绝缘的污闪电压。

由有机材料制成的绝缘子通常被称为聚合物绝缘子（因为有机材料是聚合物）、非陶瓷绝缘子、复合绝缘子（因为外部绝缘是合成的），甚至在国外被称为塑料绝缘子。

在中国，它们以前被称为复合绝缘子或硅橡胶绝缘子。现在统一称为有机复合绝缘子（因为有机材料是复合材料，这些绝缘子通常由硅橡胶和环氧树脂玻璃纤维棒复合而成），简称复合绝缘子。

因此，复合外壳氧化锌避雷器使用有机材料——特别是硅橡胶——作为氧化锌避雷器的外部绝缘。