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，不僅要長期承受正常運行電壓的作用，還經(jīng)常要面對雷電過電壓及操作過電壓帶來的嚴峻考驗。其中，閥型避雷器（Valve-Type Surge Arrester） 作為一種經(jīng)典的過電壓保護裝置，過去曾被廣泛用來保護重要設(shè)備，避免它們遭到感應過電壓以及其他過電壓的侵害。
一、核心使命：防御感應過電壓
感應過電壓是電力系統(tǒng)中過電壓的主要形式之一，它的產(chǎn)生主要源于兩種情況：
其一，是雷電感應過電壓。當雷電擊中線路附近的大地或者避雷針時，強大的雷電流會產(chǎn)生劇烈變化的電磁場，這個電磁場會在附近的輸電線路上感應出極高的過電壓。雖然這種過電壓的幅值通常比直擊雷產(chǎn)生的過電壓低，但它發(fā)生的概率很高，并且會沿著線路傳播，對變電站里絕緣水平相對薄弱的變壓器等設(shè)備造成嚴重威脅。
其二，是操作過電壓。當電力系統(tǒng)進行開關(guān)操作時，拿分合空載線路、切斷負荷電流這些操作來說，或者當系統(tǒng)發(fā)生故障時，就像出現(xiàn)弧光接地這種情況，由于電磁能量會瞬間發(fā)生劇變并產(chǎn)生振蕩，這也會產(chǎn)生過電壓，這種過電壓頻率高且持續(xù)時間短。
閥型避雷器的核心設(shè)計目的，就是要可靠地限制并泄放這類過電壓，把過電壓鉗制在被保護設(shè)備絕緣能承受的安全水平之內(nèi)，就像 “保鏢” 一樣保護設(shè)備安全。
二、工作原理與結(jié)構(gòu)特點
閥型避雷器的名字，來源于它核心的非線性電阻閥片以及火花間隙所構(gòu)成的 “閥式” 動作特性。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)正常運行的時候，避雷器的火花間隙會把工作電壓和大地隔離開，防止工頻電流泄漏。這時候，非線性電阻閥片（早期用的是碳化硅 SiC）會呈現(xiàn)出極高的電阻值，只有微安級的泄漏電流能通過，就好像 “閥門關(guān)閉” 了一樣。
當有過電壓來襲的時候，一旦感應過電壓等沖擊電壓的幅值超過了火花間隙的放電電壓，火花間隙就會被迅速擊穿，沖擊電流隨后就能通過。
進入泄流與限壓階段，非線性電阻閥片在高壓沖擊下會瞬間變成低電阻狀態(tài)，就如同 “閥門打開”，為巨大的過電壓能量提供一條低阻抗的對地泄放通道。在這個過程中，電阻閥片上的殘壓（也就是避雷器兩端的電壓）會被限制在一個固定值，這個值遠低于設(shè)備絕緣能承受的水平，我們把這個值叫做 “殘壓”。
到了電流切斷階段，過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的系統(tǒng)工頻電流）會流過閥片。這時候，閥片的電阻會自動恢復成高阻狀態(tài)，從而有效地抑制工頻續(xù)流，并且在電流過零點的時候，由火花間隙把工頻續(xù)流切斷，系統(tǒng)也就恢復正常運行了。
閥型避雷器的典型結(jié)構(gòu)，是由多個火花間隙以及非線性電阻閥片（SiC） 串聯(lián)組成的，這些部件會封裝在瓷套里面。其中，火花間隙的作用是切斷工頻續(xù)流，而閥片則承擔著限壓以及泄流的關(guān)鍵任務。
三、在變壓器及高壓電器保護中的應用
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)受不住過電壓的沖擊。高壓電器，拿開關(guān)設(shè)備、互感器來說，它們的相同絕緣以及對地絕緣也同樣需要保護。
我們通常會把閥型避雷器直接并聯(lián)連接在需要保護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設(shè)備越好，這樣能減小引線電感對保護效果產(chǎn)生的影響。當來自線路的感應過電壓波侵入變電站時，避雷器會比設(shè)備絕緣先動作，把過電壓波頭截斷，并且將危險的電壓水平 “鉗位” 在安全殘壓以下，這樣就能確保變壓器等設(shè)備的絕緣不會被擊穿。
四、發(fā)展與演進
這里需要說明的是，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性伏安特性，不需要串聯(lián)火花間隙，就能實現(xiàn) “有壓無流，過壓泄流” 的效果。它的通流容量更大、響應速度更快、保護特性更穩(wěn)定，如今已經(jīng)成為電力系統(tǒng)過電壓保護的主流設(shè)備。
不過，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)代過電壓保護技術(shù)打下了堅實的基礎(chǔ)。對我們來說，理解它的工作機理，對于深入掌握電力系統(tǒng)過電壓防護知識有著重要的意義。
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