在電力系統(tǒng)里,避雷器是防過電壓的關(guān)鍵設(shè)備。有些避雷器,像管式避雷器,還有早期的閥式避雷器,里面的保護(hù)間隙作用很獨(dú)特,也很重要。有時(shí)候,它還能當(dāng)簡易的后備保護(hù)。
其一,它能提供可靠的低阻抗放電通道。保護(hù)間隙其實(shí)就是個結(jié)構(gòu)簡單的空氣間隙,一般有兩個形狀、距離特定的電極,像棒-棒、棒-板、角形這些。當(dāng)間隙兩端的電壓,不管是工頻電壓還是過電壓,超過它在當(dāng)時(shí)大氣條件下能承受的擊穿電壓時(shí),強(qiáng)電場會電離間隙里的空氣,很快形成導(dǎo)電能力很強(qiáng)的等離子體通道。這個通道一下子就成了低阻抗的路,能讓危險(xiǎn)的過電壓能量,特別是雷電流,順著這條預(yù)設(shè)的路直接傳到大地。這么做的根本目的,是強(qiáng)行把過電壓限制在間隙擊穿電壓附近,不讓過電壓繼續(xù)往里闖,損壞被保護(hù)的電氣設(shè)備,比如變壓器、開關(guān)設(shè)備、發(fā)電機(jī)端子這些。
其二,它能限制過電壓的大小。這是它最核心、最直接的作用。我們設(shè)計(jì)間隙的距離和電極形狀時(shí),可以把它對雷電沖擊波的沖擊擊穿電壓,設(shè)定得比被保護(hù)設(shè)備的絕緣耐受能力稍低一點(diǎn)。當(dāng)雷電過電壓的大小達(dá)到或超過這個設(shè)定值,間隙就會先擊穿放電,把過電壓“鉗住”在它的放電電壓水平,這樣加在被保護(hù)設(shè)備上的電壓就會大大降低,設(shè)備的絕緣也就不會被擊穿損壞了。

在恩彼邁管式避雷器里,保護(hù)間隙是核心的放電元件,它一般是內(nèi)外間隙串在一起組成的。外間隙能隔離工頻電壓,內(nèi)間隙放在產(chǎn)氣管里。當(dāng)雷電流讓間隙擊穿后,強(qiáng)大的電弧電流會讓產(chǎn)氣管的材料,比如纖維、塑料,變成氣體,產(chǎn)生高壓氣體,形成強(qiáng)烈的縱向吹弧效果,能在工頻續(xù)流第一次過零的時(shí)候把它強(qiáng)行滅掉,切斷工頻續(xù)流,完成保護(hù)動作。
就算現(xiàn)在廣泛使用以非線性電阻閥片(比如氧化鋅MOV)為主要限壓元件的現(xiàn)代無間隙金屬氧化物避雷器(MOA),保護(hù)間隙在一些特殊場景下還是能用。一方面是當(dāng)后備保護(hù)。我們在一些特別重要的設(shè)備上,像超高壓變壓器的中性點(diǎn),有時(shí)候會在MOA旁邊并上一個沖擊擊穿電壓稍高的保護(hù)間隙。這是為了萬一MOA出問題失效了,比如閥片擊穿短路,這個間隙就能當(dāng)最后一道防線,防止設(shè)備直接承受系統(tǒng)的最高過電壓。另一方面是作為經(jīng)濟(jì)型的簡易保護(hù)。在一些絕緣水平比較高、沒那么重要,或者預(yù)算有限的地方,拿配電線路、配電變壓器高壓側(cè)還有一些農(nóng)村電網(wǎng)來說,單獨(dú)用保護(hù)間隙,通常會配合自動重合閘裝置,是種成本低的防雷保護(hù)辦法。雖然它滅弧能力差,可能引起短路,但限制過電壓大小的基本功能還是有的。
保護(hù)間隙有幾個重要的技術(shù)特性,也有它的局限。它的擊穿電壓和電壓作用時(shí)間有關(guān),這就是伏秒特性曲線。我們設(shè)計(jì)的時(shí)候,就得讓它在整個過電壓波頭時(shí)間里,沖擊擊穿電壓一直比被保護(hù)設(shè)備的絕緣沖擊耐受能力低。沖擊系數(shù),也就是沖擊擊穿電壓和工頻擊穿電壓峰值的比值,一般小于1,大概在1.1到1.3之間,這是設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。
它最大的缺點(diǎn)是熄弧能力差。簡單的開放式保護(hù)間隙自己幾乎沒法切斷工頻續(xù)流。間隙擊穿后,工頻續(xù)流形成的電弧可能會一直燒著,這就相當(dāng)于線路對地短路,必須靠上游的斷路器跳閘來切斷電流,結(jié)果就是供電中斷。這一點(diǎn)限制了它在重要主設(shè)備上單獨(dú)使用。不過管式避雷器通過產(chǎn)氣材料解決了這個問題,但動作次數(shù)有限。
另外,空氣間隙的擊穿電壓受大氣條件影響大,像氣壓、溫度、濕度,還有污穢、電極形狀這些,穩(wěn)定性比不上MOA。而且它動作的時(shí)候可能產(chǎn)生陡峭的截?cái)嗖ǎ瑫{到帶繞組的設(shè)備,比如變壓器的縱絕緣。
