CN113823470B - 一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，包括固定部分和可控部分，其特征在于，可控部分的一端与气体间隙单元连接，另一端与固定部分的一端连接，固定部分和可控部分均包含至少一层的避雷器阀片，多层避雷器阀片之间串联连接，固定部分的避雷器阀片直径大于可控部分的避雷器阀片直径。本发明结构简单，既能降低荷电率，提高避雷器的使用寿命，又在雷电压来临时，达到增强限制雷电过电压能力的目标。

Description

一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器

技术领域

本发明属于避雷器技术领域，具体涉及一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器。

背景技术

常规氧化锌避雷器的内部均是多层同型号同规格串联的氧化锌阀片。如果要对避雷器阀片进行控制或者性能检测，则必须在阀片两端并联装置，不可避免地会增加避雷器的直径，即改变了原先避雷器的规格。从电学上分析，这势必会影响原先避雷器阀片的分布电容，进一步影响了避雷器正常工作下的电压分布等参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，在正常工作下，能降低荷电率，提高避雷器的使用寿命，在雷电压来临时，能提高限制雷电过电压的能力。

本发明采用以下技术方案：

一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，包括固定部分和可控部分，其特征在于，可控部分的一端与气体间隙单元连接，另一端与固定部分的一端连接，气体间隙单元设置在可控部分的下端，与可控部分并联连接，固定部分和可控部分均包含至少一层的避雷器阀片，多层避雷器阀片之间串联连接，固定部分的避雷器阀片直径大于可控部分的避雷器阀片直径。

具体的，气体间隙单元的一端通过下垫片与下电极连接，另一端通过上垫片与可控部分的一端连接，可控部分的另一端通过铝垫片与固定部分的一端连接，固定部分的另一端连接上电极，铝垫片与上垫片之间设置有导线。

进一步的，上垫片和下垫片之间通过铝柱连接，铝柱的一端与可控部分的可控部分避雷器阀片连接，另一端与下电极连接。

进一步的，气体间隙单元包括气体间隙，多个气体间隙周向设置在上垫片和下垫片之间。

进一步的，上垫片和下垫片的直径与铝垫片的直径相同，铝垫片与固定部分的避雷器阀片直径相同。

进一步的，上电极设置在上法兰内，下电极设置在下法兰内，上法兰的顶部设置有接线孔。

更进一步的，上电极、可控部分、固定部分和下电极的外部套装有环氧管。

具体的，固定部分和可控部分外侧设置有硅橡胶伞裙，硅橡胶伞裙包括大直径和小直径两种，两种直径的硅橡胶伞裙交替设置。

具体的，固定部分的避雷器阀片的厚度与可控部分的避雷器阀片厚度相同。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，将氧化锌避雷器分为固定部分和可控部分，是为了能通过对阀片的投切控制，动态改变伏安特性，实现降低雷电压下残压的目的，将气体间隙与可控部分并联，能实现雷电压下气体间隙导通，可控部分阀片被短路，改变避雷器整体的伏安特性，快速击穿，降低残压；可控部分阀片直径小于固定部分，是为了能增加气体间隙单元，且不过度改变原先氧化锌避雷器的结构。

进一步的，设置下垫片、上垫片和铝垫片，尽可能的减少气体间隙单元的电感量，加快气体间隙在雷电压下的导通速度。

进一步的，铝柱一方面能起到支撑的作用，又可以实现可控部分阀片与下电极相连。

进一步的，多个气体间隙起到分流泄流的作用，避免雷电大电流下气体间隙损坏。

进一步的，直径相同是为了尽可能不破坏原先避雷器的整体结构，不改变整体的分布电容等参数，从而不影响正常电压下的工作特性。

进一步的，设置上法兰、下法兰和接线孔，方便拆卸连接。

进一步的，环氧管适用于电器设备中作绝缘结构零部件，并可在潮湿环境条件下和变压器油中使用。

进一步的，设置硅橡胶伞裙有效的改善变电站设备的防污闪能力。

进一步的，实验证明，在小电流下，即线性区域，避雷器伏安特性与避雷器阀片的厚度有关而与直径大小近乎无关，因此避雷器固定部分和可控部分分压不受影响，保持均压。

综上所述，本发明结构简单，不改变市面上常见避雷器的直径尺寸，只需要在轴向增加可控部分和间隙单元；不改变氧化锌避雷器正常状态下的分压特性，且能降低荷电率，提高避雷器的使用寿命，且可以在雷电压来临时，达到提高限制雷电过电压能力的目标。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为固定部分与可控部分具体细节图；

图3为氧化锌压敏电阻与气体间隙的伏安特性曲线图；

图4为可控避雷器工作状态示意图；

图5为正常工作时不同直径氧化锌阀片的伏安特性图；

图6为常规氧化锌避雷器与本发明的限制残压能力图；

图7为不同投切比的氧化锌避雷器限制残压能力图。

其中：1.接线孔；2.上法兰；3.上电极；4.弹簧；5.环氧管；6.固定部分阀片；7.硅橡胶伞裙；8.铝垫片；9.可控部分阀片；10.气体间隙单元；11.下电极；12.下法兰；13.导线；14.上垫片；15.气体间隙；16.铝柱；17.下垫片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，在流过避雷器阀片的电流极小时，避雷器的伏安特性位与线性区域，此时避雷器主要表现为电阻特性；实验证明避雷器阀片的电阻与厚度有关而与直径大小无关，因此改变阀片直径不影响极小电流下的电压分布；在电流达到接近1mA的非线性区域内时，氧化锌阀片的电容特性显现出来；改变阀片直径和增加并联支路都会改变电容分布、影响电压分布；通过合理的设计与实验验证，能将二者的影响相互抵消，从而保证可控部分小直径阀片在小电流区域的伏安特性与固定部分相同。

小直径是指对于常规的圆柱形避雷器阀片，其横截面为圆形，小直径即为圆的直径小于常规尺寸，具体尺寸需要根据不同避雷器等级与型号来确定。

请参阅图1，本发明一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，包括接线孔1、上法兰2、上电极3、弹簧4、环氧管5、固定部分、可控部分、填充胶和下法兰12。氧化锌避雷器从下至上依次包括下法兰12、下电极11、气体间隙单元10、可控部分、固定部分、上电极3、上法兰2和接线孔1；可控部分和固定部分之间设置有铝垫片8，固定部分和可控部分上设置有硅橡胶伞裙7，下电极11、可控部分、固定部分和上电极3的外部套装有环氧管5，气体间隙单元10在空间上级联在可控部分的下端，在电路上并联设置在可控部分的两侧。

固定部分和可控部分都包含至少一层避雷器阀片，多层避雷器阀片之间串联连接。

可控部分包括可控部分阀片9，固定部分包括固定部分阀片6和弹簧4。

请参阅图2，气体间隙单元10的下侧与下电极11连接，气体间隙单元10与下电极11之间设置有下垫片17，气体间隙单元10的上侧与可控部分阀片9的下侧连接，气体间隙单元10与可控部分阀片9之间设置有上垫片14，可控部分阀片9的上侧与固定部分连接，可控部分阀片9的上侧与固定部分之间设置有铝垫片8；铝垫片8与上垫片14之间通过导线13连接。

气体间隙单元10包括气体间隙15，气体间隙15包括多只，周向设置在上垫片14与下垫片17之间，上垫片14与下垫片17的中心设置有铝柱16。

上垫片14和下垫片17的中心设置过孔使可控部分阀片9、铝柱16、下电极11三者串联；铝垫片8、上垫片14、下垫片17三者在同样位置设置对称的多个焊孔，铝垫片8与上垫片14的焊孔之间连接同型号、同长度的导线13，上垫片14和下垫片17的焊孔通过多只气体间隙15相连，即将多只气体间隙15并联在可控部分阀片9的两端。

上垫片14和下垫片17的直径与铝垫片8的直径相同。

铝垫片8为圆形结构，与固定部分阀片6的直径相同。

硅橡胶伞裙7包括大直径和小直径两种，两种直径硅橡胶伞裙7交替设置。

固定部分阀片6选用常规直径氧化锌避雷器阀片，可控部分阀片9的直径小于固定部分阀片6的直径，但厚度、材料相同；从电学特性上讲，可控部分小直径阀片在小电流区域的伏安特性需要与固定部分相同，即可控部分需要保证在正常状态下，每层可控部分阀片9的分压与固定部分阀片6的分压相同，而在大电流下，可控部分阀片9被气体间隙单元10短路起作用。

正常运行时，气体间隙15不导通，即流过避雷器阀片的电流为小于1mA的小电流时，在氧化锌避雷器的线性区域，避雷器伏安特性与避雷器阀片的厚度有关而与直径大小近乎无关，因此避雷器固定部分和可控部分分压不受影响，保持均压；正常状态下，即未达到气体间隙的导通电压时，并联在可控部分旁的气体间隙视作断路；小电流流经上电极、固定部分阀片、可控部分阀片、铝柱、下电极；由于可控部分小直径阀片在小电流区域的伏安特性与固定部分相同，则整个氧化锌避雷器内部每层阀片的分压相同，相当于一个标准氧化锌避雷器。

当雷电压来临时，气体间隙在极短的时间内导通，使得与其并联的可控部分被短路，通过控制投入避雷器阀片数量，动态改变金属氧化物的伏安特性，在降低荷电率的同时，达到增强限制雷电过电压能力的目标。当出现雷电过电压时，气体间隙因达到击穿电压而导通，并联在可控部分旁的气体间隙视作短路，可控部分不起作用被保护；由于避雷器整体阻抗降低，流过避雷器的电流必然增大，大电流流经上电极、固定部分阀片、导线、气体间隙、下电极；固定部分阀片快速地进入氧化锌压敏电阻伏安特性曲线的过载区域，即快速地击穿，相当于短路，从而限制了避雷器上过电压的继续增长，达到降低过电压的目的。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种可控部分采用小直径阀片且并联气体间隙的氧化锌避雷器装置。

氧化锌避雷器的固定部分采用常规氧化锌阀片，可控部分选用的阀片只在直径上小于固定部分；所选取的气体间隙的绝缘电阻阻值约为数千兆欧，寄生电容极小，在1～5pF，其直流击穿电压Ub小于所并联氧化锌阀片的1mA击穿电压Uref。氧化锌压敏电阻与气体间隙的伏安特性曲线如图3所示。

氧化锌避雷器装置的工作状态有两种，分为正常工作状态与雷电过电压下的工作状态，工作示意图如图4所示。

当氧化锌避雷器在正常电压下工作时，施加在避雷器上的电压未达到1mA击穿电压时，气体间隙也未击穿；因为气体间隙绝缘电阻极大且寄生电容极小，所以可视作断路，对避雷器整体的分压没有影响；此时避雷器整体的工作特性取决于固定部分阀片与可控部分阀片的伏安特性，两种阀片只在直径上有差别，厚度、材质等其他特性均相同，可以通过理论分析与实验获取正常工作时不同直径氧化锌压敏电阻的伏安特性。

氧化锌压敏电阻的伏安特性是由其他金属氧化物包围氧化锌晶粒形成的晶界层决定的。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个相当于齐纳二极管的势垒，这就是一压敏电阻单元；晶界层上的场强比较低时，只有少数电子能够穿过晶界层，也就是说电阻较大；而场强足够大时，大量电子由于隧道效应穿过晶界层，电阻值大幅度地降低；如果将许多的这种单元加以串联和并联就构成了压敏电阻的基体；因此，压敏电阻厚度的增加意味着串联的单元增多，可提髙其击穿电压；直径的增加等效于并联单元的扩充，可提高其通流容量。

即原理上讲，等厚度小直径的氧化锌阀片，等效于减少并联的压敏电阻单元，会降低阀片的通流容量，但不会影响其击穿电压。

实验选取厚度相同，直径比1：2的同材质氧化锌避雷器探究预击穿区域伏安特性，并绘制出了曲线如图5所示。实验结果显示相同电流下二者的电压偏差均在0.65％以内，即证明了正常工作时，避雷器伏安特性与避雷器阀片的直径大小无关，整个避雷器的每层阀片均压。

当雷电过电压来临时，随着电压升高，流过避雷器的电流也在增大，氧化锌压敏电阻的伏安特性曲线，由预击穿区域向击穿区域靠近；当气体间隙所并联的阀片分压达到击穿电压Ub时，气体间隙率先导通；导通后的气体间隙两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，约为几十伏；气体间隙导通后可视作短路，过电流主要从导通的气体间隙支路流向大地；与其并联的可控部分阀片恢复到正常工作状态，只有极小的泄漏电流流过。

可控部分阀片被短路，使得原先施加在整体阀片上的过电压突变为只施加在固定部分阀片上；固定部分阀片上的电压升高，固定部分阀片内的晶界层提前导通，电阻急剧下降，即本发明与常规氧化锌避雷器相比，气体间隙的导通加速了氧化锌压敏电阻进入非线性击穿区域，缩短了其对雷电过电压进行钳位以及泄放大电流能量的时间，能有效降低雷电残压。

实验选取8层阀片的氧化锌避雷器，通过施加1.2/50μs标准雷电压，测量避雷器残压，实验结果如图6所示。图中曲线1表示所施加的1.2/50μs标准雷电压，其幅值为80kV；曲线2表示在标准雷电压下氧化锌避雷器组成为8层同规格阀片的电压变化，其残压为63kV，曲线3表示第八层氧化锌阀片改用小直径且并联气体间隙的氧化锌避雷器电压变化，其残压为58kV。实验结果说明，该雷电过电压下，并联气体间隙的氧化锌避雷器相较于常规氧化锌避雷器限制残压性能提升了近30％。

通过控制投切比(固定部分阀片与可控部分阀片数量比)，可以动态改变氧化锌避雷器整体的伏安特性。图7所示为两种不同投切比的氧化锌避雷器在相同1.2/50μs、幅值80kV标称雷电压下的电压变化曲线。其中，曲线3表示7：1型(7层固定部分阀片，1层可控部分阀片并联气体间隙)氧化锌避雷器的电压变化；曲线4表示6：2型氧化锌避雷器的电压变化。观察图5，可以发现t2<t1，即6：2型氧化锌避雷器的动作时间(伏安特性曲线进入非线性击穿区域的时间)早于7：1型氧化锌避雷器，其限制残压性能更优，这与原理分析一致。

动态改变整体伏安特性的目的是为了确保气体间隙只在雷电过电压下击穿，防止其在工频过电压及操作过电压下误动作。

以HY5WZ-17/50型氧化锌避雷器为例，它内含四层同规格氧化锌阀片，持续运行电压(基本上与系统的最大相电压相当)为13.6kV，额定电压为17kV,雷电冲击残压最大值为50kV，操作冲击残压最大值为40kV，工频过电压峰值为23.8kV，直流1mA参考电压为25kV；可见其在工频过电压下不动作，在操作过电压下及雷电过电压下有可能会动作。

当增加3层并联气体间隙(Ub＝6kV)的可控部分阀片后，相关参数变化对比如表1所示；由于增加了串联阀片数(可控部分)，提高了避雷器整体的参考电压，此时的参考电压峰值高于操作电压，因此在相同的操作电压下，改进的避雷器不动作；常规氧化锌避雷器是无间隙的避雷器，在正常运行时长期处于荷电状态，它会逐渐老化，甚至最终导致热崩溃，老化存在一个速率问题，取决于长期作用的系统工作电压，即持续运行电压，改进的可控避雷器在荷电状态下，由于串联阀片数增多，在系统电压长期稳定的条件下，每层阀片的分压下降，即阀片实际的持续运行电压降低，这能有效增加避雷器的寿命，衡量这个特性的物理量为荷电率。

表1原始HY5WZ-17/50型氧化锌避雷器与改进的可控避雷器主要参数对比

为了防止避雷器在操作电压下误动作，选择增加的可控部分阀片标准为：

m为原始避雷器阀片数，即固定部分阀片数目，n为增加的可控部分阀片数，n取最小值，Ub为气体间隙击穿电压，Uref为氧化锌压敏电阻直流1mA参考电压。

氧化锌避雷器的可控部分可选取小直径的阀片且并联气体间隙。这样设计结构简单，不改变市面上常见避雷器的横向尺寸，只需要在轴向增加可控部分和间隙单元；且在不改变氧化锌避雷器正常状态下的工作特性基础上，既达到进一步降低雷电过电压的目标，又可以防止其在操作电压下误动作，更能降低避雷器的荷电率，提升避雷器的寿命。

综上所述，本发明一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，结构简单，不改变市面上常见避雷器的横向尺寸，只需要在轴向增加可控部分和间隙单元；且能在不改变氧化锌避雷器正常状态下的工作特性基础上，在雷电压来临时，提高自身限制雷电过电压的能力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，包括固定部分和可控部分，其特征在于，可控部分的一端与气体间隙单元（10）连接，另一端与固定部分的一端连接，气体间隙单元（10）设置在可控部分的下端，与可控部分并联连接，固定部分和可控部分均包含至少一层的避雷器阀片，多层避雷器阀片之间串联连接，固定部分的避雷器阀片直径大于可控部分的避雷器阀片直径，气体间隙单元（10）的一端通过下垫片（17）与下电极（11）连接，另一端通过上垫片（14）与可控部分的一端连接，可控部分的另一端通过铝垫片（8）与固定部分的一端连接，固定部分的另一端连接上电极（3），铝垫片（8）与上垫片（14）之间设置有导线（13）。

2.根据权利要求1所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，上垫片（14）和下垫片（17）之间通过铝柱（16）连接，铝柱（16）的一端与可控部分的可控部分避雷器阀片连接，另一端与下电极（11）连接。

3.根据权利要求1所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，气体间隙单元（10）包括气体间隙（15），多个气体间隙（15）周向设置在上垫片（14）和下垫片（17）之间。

4.根据权利要求2所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，上垫片（14）和下垫片（17）的直径与铝垫片（8）的直径相同，铝垫片（8）与固定部分的避雷器阀片直径相同。

5.根据权利要求2所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，上电极（3）设置在上法兰（2）内，下电极（11）设置在下法兰（12）内，上法兰（2）的顶部设置有接线孔（1）。

6.根据权利要求5所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，上电极（3）、可控部分、固定部分和下电极（11）的外部套装有环氧管（5）。

7.根据权利要求1所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，固定部分和可控部分外侧设置有硅橡胶伞裙（7），硅橡胶伞裙（7）包括大直径和小直径两种，两种直径的硅橡胶伞裙（7）交替设置。

8.根据权利要求1所述的可控部分采用小直径阀片的氧化锌避雷器，其特征在于，固定部分的避雷器阀片的厚度与可控部分的避雷器阀片厚度相同。

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