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在電力系統(tǒng)里，變壓器、斷路器、互感器這些高壓電氣設(shè)備，不僅要長(zhǎng)期承受正常運(yùn)行電壓的作用，還經(jīng)常要面對(duì)雷電過(guò)電壓及操作過(guò)電壓帶來(lái)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。其中，閥型避雷器（Valve-Type Surge Arrester） 作為一種經(jīng)典的過(guò)電壓保護(hù)裝置，過(guò)去曾被廣泛用來(lái)保護(hù)重要設(shè)備，避免它們?cè)獾礁袘?yīng)過(guò)電壓以及其他過(guò)電壓的侵害。
一、核心使命：防御感應(yīng)過(guò)電壓
感應(yīng)過(guò)電壓是電力系統(tǒng)中過(guò)電壓的主要形式之一，它的產(chǎn)生主要源于兩種情況：
其一，是雷電感應(yīng)過(guò)電壓。當(dāng)雷電擊中線(xiàn)路附近的大地或者避雷針時(shí)，強(qiáng)大的雷電流會(huì)產(chǎn)生劇烈變化的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)會(huì)在附近的輸電線(xiàn)路上感應(yīng)出極高的過(guò)電壓。雖然這種過(guò)電壓的幅值通常比直擊雷產(chǎn)生的過(guò)電壓低，但它發(fā)生的概率很高，并且會(huì)沿著線(xiàn)路傳播，對(duì)變電站里絕緣水平相對(duì)薄弱的變壓器等設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。
其二，是操作過(guò)電壓。當(dāng)電力系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，拿分合空載線(xiàn)路、切斷負(fù)荷電流這些操作來(lái)說(shuō)，或者當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，就像出現(xiàn)弧光接地這種情況，由于電磁能量會(huì)瞬間發(fā)生劇變并產(chǎn)生振蕩，這也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，這種過(guò)電壓頻率高且持續(xù)時(shí)間短。
閥型避雷器的核心設(shè)計(jì)目的，就是要可靠地限制并泄放這類(lèi)過(guò)電壓，把過(guò)電壓鉗制在被保護(hù)設(shè)備絕緣能承受的安全水平之內(nèi)，就像 “保鏢” 一樣保護(hù)設(shè)備安全。
二、工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
閥型避雷器的名字，來(lái)源于它核心的非線(xiàn)性電阻閥片以及火花間隙所構(gòu)成的 “閥式” 動(dòng)作特性。它的基本工作原理可以概括成 “高阻堵截，低阻泄放”。
在系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候，避雷器的火花間隙會(huì)把工作電壓和大地隔離開(kāi)，防止工頻電流泄漏。這時(shí)候，非線(xiàn)性電阻閥片（早期用的是碳化硅 SiC）會(huì)呈現(xiàn)出極高的電阻值，只有微安級(jí)的泄漏電流能通過(guò)，就好像 “閥門(mén)關(guān)閉” 了一樣。
當(dāng)有過(guò)電壓來(lái)襲的時(shí)候，一旦感應(yīng)過(guò)電壓等沖擊電壓的幅值超過(guò)了火花間隙的放電電壓，火花間隙就會(huì)被迅速擊穿，沖擊電流隨后就能通過(guò)。
進(jìn)入泄流與限壓階段，非線(xiàn)性電阻閥片在高壓沖擊下會(huì)瞬間變成低電阻狀態(tài)，就如同 “閥門(mén)打開(kāi)”，為巨大的過(guò)電壓能量提供一條低阻抗的對(duì)地泄放通道。在這個(gè)過(guò)程中，電阻閥片上的殘壓（也就是避雷器兩端的電壓）會(huì)被限制在一個(gè)固定值，這個(gè)值遠(yuǎn)低于設(shè)備絕緣能承受的水平，我們把這個(gè)值叫做 “殘壓”。
到了電流切斷階段，過(guò)電壓能量被泄放之后，工頻續(xù)流（也就是跟著沖擊電流而來(lái)的系統(tǒng)工頻電流）會(huì)流過(guò)閥片。這時(shí)候，閥片的電阻會(huì)自動(dòng)恢復(fù)成高阻狀態(tài)，從而有效地抑制工頻續(xù)流，并且在電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，由火花間隙把工頻續(xù)流切斷，系統(tǒng)也就恢復(fù)正常運(yùn)行了。
閥型避雷器的典型結(jié)構(gòu)，是由多個(gè)火花間隙以及非線(xiàn)性電阻閥片（SiC） 串聯(lián)組成的，這些部件會(huì)封裝在瓷套里面。其中，火花間隙的作用是切斷工頻續(xù)流，而閥片則承擔(dān)著限壓以及泄流的關(guān)鍵任務(wù)。
三、在變壓器及高壓電器保護(hù)中的應(yīng)用
變壓器是電網(wǎng)的核心設(shè)備，就像電網(wǎng)的心臟一樣。它內(nèi)部繞組之間、匝之間的絕緣非常脆弱，根本經(jīng)受不住過(guò)電壓的沖擊。高壓電器，拿開(kāi)關(guān)設(shè)備、互感器來(lái)說(shuō)，它們的相同絕緣以及對(duì)地絕緣也同樣需要保護(hù)。
我們通常會(huì)把閥型避雷器直接并聯(lián)連接在需要保護(hù)的變壓器或者電器的端子與大地之間。它的安裝位置越靠近被保護(hù)設(shè)備越好，這樣能減小引線(xiàn)電感對(duì)保護(hù)效果產(chǎn)生的影響。當(dāng)來(lái)自線(xiàn)路的感應(yīng)過(guò)電壓波侵入變電站時(shí)，避雷器會(huì)比設(shè)備絕緣先動(dòng)作，把過(guò)電壓波頭截?cái)?，并且將危險(xiǎn)的電壓水平 “鉗位” 在安全殘壓以下，這樣就能確保變壓器等設(shè)備的絕緣不會(huì)被擊穿。
四、發(fā)展與演進(jìn)
這里需要說(shuō)明的是，傳統(tǒng)的碳化硅（SiC）閥型避雷器，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被性能更優(yōu)異的金屬氧化物避雷器（MOA，也叫氧化鋅避雷器） 取代了。氧化鋅電阻片有著極其出色的非線(xiàn)性伏安特性，不需要串聯(lián)火花間隙，就能實(shí)現(xiàn) “有壓無(wú)流，過(guò)壓泄流” 的效果。它的通流容量更大、響應(yīng)速度更快、保護(hù)特性更穩(wěn)定，如今已經(jīng)成為電力系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的主流設(shè)備。
不過(guò)，恩彼邁閥型避雷器（尤其是碳化硅型的）在電力發(fā)展史上有著不可替代的作用，它的基本原理為現(xiàn)代過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，理解它的工作機(jī)理，對(duì)于深入掌握電力系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)知識(shí)有著重要的意義。
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