金属氧化物避雷器，而不是碳化硅避雷器，在中压电网中应用日益广泛。本文将描述这种技术快速发展的原因，以及金属氧化物避雷器的重要特征。金属氧化物避雷器的残压低，能够满足中压电网绝缘的要求，还可保护电缆网络，改善其运行特性，延长电缆及电气设备的寿命。

　　1.避雷器的发展概述

　　最近二十年，避雷器技术有两种基本的变化。首先，是一种以碳化硅为基本元件的简单的火花间隙避雷器，随后又发展为磁吹阀式避雷器。但是，它们都是以碳化硅电阻为基础的避雷器，称为碳化硅避雷器。第三代避雷器是所谓的无间隙避雷器，它是以更强的非线性金属氧化物作为基本元件的，这即众所周知的氧化锌避雷器。由于其优良的特性，已被迅速引进到各电压等级。在50kV以上的新建工程中，氧化锌避雷器正在成为专用避雷器。金属氧化物避雷器的高能量吸收力，保护性能稳定，而且残压低，不但在理论上如此，在全世界十年以上的实践经验也表明如此。

　　碳化硅避雷器仍在36kV以下的配电中使用，也许还将会使用更长一些时间，这有以下三方面原因。

　　图1表示了中压电网中最低绝缘耐压水平与系统额定电压的函数关系。与50kV以上高压电网相比，中压电网的绝缘耐压（LIWL）与工频电压峰值间的裕度是很大的。图中可见碳化硅避雷器的残压（FKS）的保护水平是绰绰有余的。因此，不存在要立即降低该避雷器残压的技术要求，所以碳化硅避雷器还是有价值的。

　　第二个原因就是许多国家实际上中压电网的中性点为非有效接地。为了减小短路电流，变压器的中性点通过一个线性电阻接地，或通过限流电抗器接地（如消弧线圈）。因此，既使出现单相接地故障，电网也将运行一段时间而不会拉闸。双重接地故障和长距离小电流接地故障引起的相电压不平衡是可以接受的，这时健全相不会有故障电流流过，但其电压实际已上升至线电压。因此避雷器必须标线电压，金属氧化物避雷器也是如此。在中性点有效接地系统中，金属氧化物避雷器在保护水平上没有明显优势。

　　第三个原因则是金属氧化物避雷器的价格稍为贵些。但是，随着运行人员价值观念的改变，那种认为“便宜的避雷器”不可靠日益风行，并且金属氧化物避雷器价格已不再重要。而这种长寿命，高可靠性的新型避雷器会带来更快的回报。

　　前面所述保留传统避雷器的二种观点，即较大的保护裕度和较低的接地故障电流，已愈来愈不重要了。因为客观的经济评价显示出有必要重新认识其内在的技术特性。

　　由于绝缘的老化的特性，尤其对于变压器和电缆，以及户外绝缘的污染，导致了提高中压电网绝缘强度的必然性。而我们恰恰希望一种更低残压的避雷器和一个更低的电网绝缘强度要求，这会使其绝缘及其它电气元件延长使用寿命，减少污闪。尽管这种效益很难从理论和文献上准确地预测，但近年来的供电实践强有力地证明了这个希望是可以实现的。

　　2.碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器

　　碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器主要有两方面不同：保护水平和能量吸收能力。保护水平用避雷器两端出现的最高电压来定义，对于碳化硅避雷器就是其放电电压，即此时火花放电。我们也可称其为残压，即此时的电压降是由流过的放电电流所产生的。电流越大，电压越高，能量越大。此时，串联的Sic阀片会呈现高阻抗，当工频电压下次过零时，放电间隙就能切断续流。图2简单地表示了这种放电现象。尺寸设计优良的碳化硅避雷器的残压和放电电压差不多相等，因两者都与冲击波形有关，所以碳化硅避雷器保护水平可用图3表示。图中由制造厂确定的“a,b,c”三点表示了****的过电压倍数，而由“d”点表示的是50Hz的放电电压最小值。实践表明，由于制造有误差，将会存在散射区，尤其是碳化硅避雷器，如图3所示。

　　这一散射区已明显高于图1所示的工作电压。操作电压很难引起火花放电，也是这类避雷器的优点。但此电压虽然不高，可是有数毫秒之长，这时放电间隙的电侵蚀会使避雷器放电电压的准确性变坏。图4表示了操作冲击波对碳化硅避雷器的试验结果，它证实了上述看法。

　　无间隙避雷器不表示放电电压，这可以从图5中看到。图5是典型的金属氧化物电阻或金属气化物避雷器的电压、电流特性。这种避雷器通常用在电网的相电压稍低于U C的情况下。金属氧化物避雷器端子上的电压超过U ref时，避雷器立即开始导通其电阻降得越低，其端电压的上升越小。图5还表示了残压与过电压波形的关系。图中可见，和碳化硅避雷器相比，残压的上升是相当平缓的。保护水平（残压）的随电流而变化的。

　　如果想比较碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器的残压，那么必须在同一电流的基础上比较，图6表示在10kA冲击电流下的比较。当WG24型避雷器和MWB型金属氧化物避雷器同时流过10kA冲击电流时，图中可见：金属氧化物避雷器残压的明显改进是其最为陡峭的过电压波形，30μs后才是所谓操作过电压下的残压波形。而这种陡波仅在雷电冲击时出现。然而，这是很危险的，因为配电变压器对陡波很敏感。而且避雷器和变压器的距离也很重要，即所谓的“分离效果”如果想得知一个避雷器对被保护物防雷击的距离L，可用以下公式

　　式中U L表示耐雷电冲击电压（见图1中的LIWL），U P指避雷器的残压，K表示过电压的陡度，V表示输电线中过电压波通过的速度，即约300m/μs。可见，避雷器残压低意味着可以增加保护距离。

　　电网中的操作过电压是一种典型的非常危险的电压振荡，如在截流时，最高可至三至五倍的相电压，有时甚至更高，振荡频率由电网参数决定。在数千赫兹范围内。当几百安培的电流通过时，金属氧化物避雷器会限制振幅在较低操作电压保护水平内，如图6所示。电网中的感性贮存能量也会通过避雷器流入大地。另一种危险的过电压形式是，在操作大容量电容器组，电缆网络，补偿性电池组等产生的，这种现象应予注意。在操作电容器组时，有缺陷的操作装置，负荷开关，或者高压熔断器都可能引起重击穿或电弧重燃。当电容器出现过电压时，是通过避雷器卸流的。因此，这就要求该避雷器必须在操作过电压下有较低的残压并伴有大吸收能量。这就是以往只有使用火花间隙避雷器，并且是唯一的代价高昂的解决办法。而金属氧化物避雷器能量吸收力要比同规格的碳化硅避雷器高三到五倍。

　　因为金属氧化物避雷器有较低的残压，所以会比碳化硅避雷器释放过电压次数更多些。同时性能也不会变坏。事实上，碳化硅避雷器不能抵御长时间的操作过电压对火花间隙的侵蚀。只要金属氧化物避雷器不过载，那么它的性能是稳定的。调查表明：数千次过电压后，金属氧化物避雷器的特性仍如图6所示，没有任何变化。

　　金属氧化物避雷器也能在交流电压下短时过载，暂时工频过电压（TOV）产生的放电电流不会损坏避雷器，这就是金属氧化物避雷器的短时过载能力，如图7所示。T表示MWB避雷器过载能力，t表示其过载时间，在阳光直接照射下，环境湿度为45℃时的能力。不必担心，图7仍能适用于低U C和低残压避雷器的暂时过载能力的判断。

　　3.金属氧化物避雷器的设计

　　新型避雷器的设计是很简单的。主要部件是圆柱形的金属氧化物电阻。ABB公司还设计了棒式，即所谓“单块体”等不同规格的品种。图8表示了几种柱形电阻阀片。圆柱直径由避雷器能量吸收能力及额定放电电流决定。10kA，47mm的圆形阀片是最为常用的。当然，对于5kA放电电流，也可以使用更小的阀片，圆柱高度决定了持续运行电压，一般每千伏要求10mm高度。电阻块的圆柱形侧面有玻璃状的钝化层，用火焰将铝喷烧在上、下端的导电面，把电阻块一个一个地叠起来就可以满足更高电压的要求了。

　　图9表示MWB配电避雷器的剖面简图。金属氧化物电阻由坚硬的螺簧固定，螺簧同时还提供了电阻与端子的紧密接触压力。上下两端巨型帽状物是铸铝的，是避雷器的压力释放装置。

　　4.特殊类型

　　任何避雷器都有可能过载。原因即有强雷电波冲击，又可能是2次以上的多次复合冲击，还有可能是系统闪络，此时是两个不同的电压等级发生了短路。

　　一种或另一种形式造成的一次过载就会使金属氧化物电阻阀片上穿孔，并在阀片柱和壳体之间产生电弧。电弧使气体压力迅速上升。为防止过压爆炸，避雷器的两端的压力释放阀几乎是同时打开，并使热浪溢出。图10简单地表示了这一过程。当电弧气流溢出后将在避雷器外部产生闪络，从而释放了内部压力，这几乎不会有任何危险或者危险很轻微。而电弧在阀片上的熔化轨迹会使避雷器熄弧后更易被发现。MWB避雷器的释压件可根据要求，用标有颜色的小片来关闭。它很容易被灵活的释压装置打开，这使得那种有缺陷的避雷器更易被查觉。

　　极少情况下短路电弧会接触避雷器壳体的内壁或外壁，热冲击会使瓷外套断裂，并导致压力释放时避雷器碎落。但是，检测说明书明确规定：只要避雷器瓷套的碎片掉在规定半径范围以内，那么是允许的。当然，这不是我们所希望的。

　　电网中许多地方还是要求避雷器高度安全的。于是产生了MWK系列避雷器（图11）。这种类型的避雷器和MWB型具有同样的电气参数，但壳体是用硅聚合物制成。这种既轻又具有弹性的壳体不会因主元件的损坏而断裂。相反，当壳体微孔被击穿后，会立即导致外部开始闪络，壳壁会逐渐碳化。这使已受损的避雷器易于辨别。

　　MWK避雷器的特殊耐短路能力在小电流或大电流检测中都有试验记录。所有试验都表明壳体丝毫没有碎落。因此，我们可以这样假设：一支过载的、或有缺陷的MWK型避雷器在配电网中表示一次永久性短路。如有重合闸，同一地方会立即重新短路，电弧也会重燃。这将会更容易发现故障点及故障点的避雷器。

　　MWK系列避雷器的耐污性能相当先进。虽然无间隙配电（瓷套）金属氧化物避雷器比旧型号的避雷器耐污能力强，但是硅橡胶外套的避雷器耐污能力更强，即便在盐雾场所也能使用，尤其适应于沿海地区和工业污染严重的地区。实践证明，MWK系列避雷器是先进的。
MWF避雷器是另一种特殊系列产品，通常用在开闭所室内，保护长度超过10米的电缆的套管。MWF型还更多应用于室内开闭所的相与相之间，一般它们之间距离都很近。图12列举了MWF系列产品，它们工作电压是以Kv为一级的。图13是MWF避雷器安装在开关柜中的例子，除了保护开关装置外也通常用于保护高压电机。

　　5.在中压电网中的应用

　　避雷器技术的发展有效地提高了中压电网运行可靠性。具有更先进性能的避雷器将会问世。那么我们采用残压较低的避雷器，就可以降低绝缘强度了，也可期望延长电缆和变压器的寿命。可见避雷器保护配合的好，还会带来较大的经济效益。而产品的品种多允许在技术与费用的矛盾中作出****选择。
表1汇总了ABB公司最重要的中压避雷器的主要电气参数。“轻”型避雷器额定放电电流5kA，能量吸收能力较小。与以前装在中压电网中的碳化硅避雷器最类似。中等重型避雷器能吸收较多的能量，而且残压也比较低。最强型MWA避雷器代表目前的最高水平，能达到最高耐压。

　　避雷器的能量吸收能力很重要。众所周知，IEC（2）中收集的资料表明了中压电网的耐压强度是由雷击决定的。全世界范围的文献记载了50%的雷电流大约37kA，而每回第二次来雷时，都至少包括两次闪击。尽管这样的雷击释放能量不高，但避雷器必须快速动作记录下来。由雷电产生的过电压若远离线路时通常都不足以使传统的碳化硅避雷器放电4 ，但在某个反射点上，会出现闪络。但用金属氧化物避雷器不可能出现这种情况。即使产生电压处于最低值，也会反复出现反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。

　　随着中压电网中电缆线路增多，中等重型避雷器日益重要。早期刊物5曾讲过，在电缆末端的套管上或架空线引入处安装避雷器保护是必要的。因雷电和操作过电压在电缆网中存贮了较多的能量，因此建议使用中等重型避雷器保护。

　　一只避雷器的保护水平是更重要的评价指标。无间隙避雷器的残压是由金属氧化物电阻的直径和高度来决定的（取决于操作电压）。阀片采用的截而越大，吸收能量的能力越高，并可获得较低的残压。由于新型金属氧化物避雷器的残压很低，没有必要把U C限到最小值以适应全电网，而现在能使不同避雷器有不同的负载。

　　前面已经讲到，新型金属氧化物避雷器的基本元件是非线性电阻。在工频过电压下，如出现系统闪络或谐振过电压，所有并联的避雷器都同样承受过压或过载。但是人可以对此进行配置和设计，不让所有避雷器均在故障时出问题，而只让特殊的或预先设定的一个承担。例如，假设开闭所室内安装的避雷器U C高于室外线路上避雷器约10%，那么工频过载时，仅会损坏室外避雷器，并产生短路。这时唯有电弧电压在故障点出现。它当然低于电网运行电压，也会低于同相线路上其它未受冲击避雷器两端上的压降。所以，即使工频过压时，也不会有危险。

　　6.总结

　　关于中压配电网的保护，可以作如下总结。根据安装场所的地理位置，重要性及设备的价值来选择避雷器的类型。室外露天安装和在电网中那些特殊点要求选用吸收能力最高的最强型避雷器，特殊设计MWA系列避雷器即为此而用。MWB型中等重型避雷器适用于绝大多数配电电网中。这种先进的避雷器随处可装。如开关站架空进出线；户外电缆套管；柱上变压器或者架空线交接处等。与电网一部分并联运行时，还可使用间隙或有间隙的避雷器，而不会出问题。MWK型产品适用于重污秽场所或者不允许避雷器壳体损坏的地方。MWF型产品体积小，适合室内安装，特别是空间狭小的配电柜或组合式单元柜中使用。这时室外安装的避雷器必须考虑与室内避雷器配合，以防止室内避雷器出现过负荷现象。