基于集肤效应的避雷器爆炸原因探究

[摘 要]氧化锌避雷器（MOA）是保证电力系统中安全运行的重要保护设备。本文介绍了一起典型的MOA爆炸故障情况，对故障相MOA进行了解体，从“集肤效应”这个角度分析MOA对爆炸原因进行了总结分析。

[关键词]氧化锌避雷器；爆炸；集肤效应

氧化锌避雷器是目前广为使用的避雷装置，其基本组成部件是由氧化锌压敏电阻组成的阀片，可用于输电线路对直击雷、绕击雷的防护。因为氧化锌压敏电阻阀片自身所具有良好的非线性电阻特性，以及其他符合电气工程技术要求的特点，应用广泛[1-2]。

避雷器在运行中长期承受系统电压作用，其阀片逐渐会产生劣化，若由于内部受潮，会加速阀片的劣化，达到一定程度后，避雷器在正常或过电压下运行时会出现爆炸。传统观点认为避雷器受潮是造成避雷器爆炸的主要原因，本文提出基于集肤效应原理也是避雷器爆炸的原因之一。

一、故障情况

1.故障经过

2017年6月22日，天下暴雨，伴有雷声，下午2点50分左右，某变电站内发生巨大响声，现场检查发现220 kV变压器本体避雷器A相发生故障，外瓷套和底座有明显电弧喷射烧黑的痕迹。避雷器计数器烧毁破裂，相关保护动作正确，其他设备無异常。故障发生时，所在区域打雷现象，因此可以初步断定出现雷电过电压的可能。

2.氧化锌避雷器结构

氧化锌避雷器组成部件除了氧化锌压敏电阻阀片之外，还有密封线圈、环氧管、填充胶、弹簧等，有部分产品还装有均压电容器。

目前世界上采用的氧化锌避雷器多是无间隙阀片避雷器，下图为避雷器外观及剖面图：

1.上接线端 2、火化间隙 3、云母垫片 4、瓷套圈 5、阀片 6、下接线端

3.现场检查

这是避雷器爆炸事故现场。由下图可知，该避雷器损坏严重，外壳面目全非，内部氧化锌阀片也支离破碎，可见避雷器爆炸的严重性。

二、原因分析

1.雷电过电压放电过程

避雷器与绝缘子串的设计尺度差异易导致横向放电的发生，进而引起绝缘沿面闪络。这是避雷器设计安装中难以避免的因素，特别是对高电压等级的杆塔。如下图所示：

该图显示了避雷器在受雷击时放电的三个阶段，在避雷器正常泄放雷电流的同时，后续残压会给避雷器和绝缘子、线路造成很大影响，如一次闪络对绝缘子产生很大的冲击置其绝缘老化、二次闪络和三次闪络直接在绝缘子表面放电，严重会造成短路。

2.集肤效应对避雷器影响

避雷器运行过程不可忽视的而一个重要因素--集肤效应。根据集肤效应，几乎所有的通流能量都沿着ZNO阀片的最外层表面通过，能量密度大，短时间内产生的热效应极易使避雷器破损或爆炸。额定工频电压作用下避雷器事故模拟实验，额定工频电压作用下即可导致避雷器爆炸破裂，因此在高频冲击电压作用下，避雷器必然发生烧灼或破裂，故障率几乎100%。表面烧坏严重，阀片几乎没有受损。

根据肌肤效应的产生机理，避雷器的阀片连接体相当于在一个理想导体中，阀片的电流密度J衰减函数可表示为：

（1）

（2）

其中：

=导体的电阻率

ω=交流电的角频率=2π×频率

μ=导体的绝对磁导率=，其中是真空磁导率，是导体相对磁导率

雷电在通过导体时存在集肤效应，因此就有可能是这样情况：避雷器在雷电流经过时由于集肤效应而爆炸。

图4可知，避雷器在通过雷电流时，避雷器阀片的温度自里向外呈现上升的趋势，阀片表面的温度远远高于阀片中心温度，这就符合肌肤效应的产生的外部条件。同时，从图中还可以看到，通过避雷器阀片的电流密度变化趋势与温度吻合，越靠近表面的区域，电流密度越大，这就更容易引发温度过高而发生爆炸事故。

三、结语

避雷器在防雷领域为电力工作者不断改进更新，取得了引人注目的成果，通过以下两个方面的完善可以一定程度上降低集肤效应对避雷器劣化的影响：

1.制造工艺方面

避雷器对制造工艺水平要求较为严格，避雷器的主要构成部件氧化物阀片是一个严格、严密的产品，确保其良好的非线性特性，需要在避雷器内部制造一个绝对优异的导通环境，严重可造成避雷器极易爆炸。

2.工作原理上

避雷器是泄放雷电电流，防止过电压对电力系统造成的危害。对避雷器的研究，现有研究更多集中在研究金属氧化物的非线性导电特性，不断的研发更为良好的配比、组合材料，以及加工方面做更严格的要求，使集肤效应对避雷器的影响已减少到最低程度。

参考文献：

[1]蔡浩忠.220kV变电站避雷器故障原因及解决措施[J].科技展望，2017，27（30）：75+77.

[2]吴厚宽.电网输电线路防雷方法研究[J].电子世界，2017，（14）：159.

[3]董昱炜.220kV氧化锌避雷器故障的处理及分析[J].电工技术，2017，（06）：80-81.

[4]唐梦颖，一起220kV避雷器爆炸故障分析与防范措施[J].电工电气，2017，（02）：36-38+42.

[5]王巨丰，胡习凯，氧化锌非线性电阻片集肤效应的分析与探讨[J].电瓷避雷器，2014，（03）：88-95.

作者简介：吴国强（1983.8—），男，广西科技大学，研究方向：现代电力系统防雷、智能电网。

基金项目：广西科技大学，校科自174531