个电涌放电器利用连接在线路和地面之间的气隙提供雷电保护。它们的主要缺点是需要串联线性电阻和
保险丝来中断功率跟踪电流。此外，当间隙产生火花时，会在电路中产生故障，并且当
断路器清除时会造成令人不快的停电。
能够限制电压而不产生断电的设备更有吸引力。
经过几代避雷器的发展，1954 年推出的阀式碳化硅避雷器是一项重大的技术进步。阀元件（或阀块）由非线性电阻器（通常是碳化硅 (SiC)）组成，其电阻值随着电压升高而突然减小。阀块的名称来源于电流流动的阀门动作。
碳化硅避雷器可以降低变电站设备的基本雷电冲击绝缘水平 (BIL)，具有高故障电流承受能力和更小的尺寸，可显着节省成本。
现代金属氧化物避雷器（通常是氧化锌 (ZnO)）于 1976 年左右推出，不需要间隙，并且表现出更好的开关浪涌处理特性、稳态条件下的电流减小以及引线长度缩短。
尽管碳化硅避雷器多年来一直提供良好的服务，但更好的性能和改进的电力系统可用性使金属氧化物器件成为更好的选择。
有不同电压和功率级别的避雷器，可以适合受保护设备的需求。
碳化硅 (SiC) 阀式避雷器
SiC阀式避雷器采用由碳化硅和无机粘合剂制成的非线性阀元件（电阻器）。碳化硅是硅和碳的化合物。
一些避雷器应用要求阀元件在稳态条件下具有低电阻值，以应对特定的浪涌和电力系统特性，从而产生过多的功率损耗。阀式避雷器在阀元件上串联了火花隙，以解决这一难题。
串联火花隙使阀元件在稳态条件下保持隔离，以减少损耗，并且当间隙的火花放电出现浪涌时，它们会引入阀元件。线路与地之间不存在漏电流，使得阀门设计能够仅在浪涌情况下发挥其限压作用和能量耗散能力。
避雷器两端的总电压是间隙的跳火水平加上阀元件两端的电压。总电压越低，防护等级越好。
SiC 避雷器还包含限流间隙，以限制系统续流。这些间隙减少了运行期间吸收的能量，从而可以使用更少的阀元件、更短的避雷器长度并降低电压水平。避雷器间隙存在一些缺点，例如在火花放电期间产生瞬变以接合阀元件。
另一个关键问题是避雷器的灭弧能力。避雷器设计提供了创造性的方法来熄灭间隙中产生的电弧，在浪涌重新路由并恢复稳态条件后，保护阀元件免受连续电流（续流）的影响。
图 1 显示了有间隙碳化硅避雷器的伏安特性。
有间隙碳化硅避雷器的VI特性。
图 1. 有间隙碳化硅避雷器的 VI 特性。图片由工业
电子提供。
图 2 显示了典型 6kV 碳化硅避雷器的示意图，其组件包括：主间隙单元、电磁线圈、阀元件、旁路间隙和分流电阻。
有间隙碳化硅避雷器示意图。
图 2. 有间隙碳化硅避雷器示意图。图片由通用电气提供。
当出现过电压时，预电离有助于引发间隙击穿。旁路间隙在浪涌电流传输期间使电磁线圈短路，使浪涌电压穿过在高电压下呈现低电阻的阀元件，并且浪涌电流流向地面。电磁线圈有助于在浪涌电流通过后熄灭进入主间隙的电弧。分流电阻调节主间隙元件上的工频电压。
图 3 显示了适用于各种电压的碳化硅避雷器。
碳化硅避雷器
图 3.碳化硅避雷器。图片由通用电气提供。
金属氧化物避雷器 (MOSA)
金属氧化物避雷器包含非线性金属氧化物电阻盘元件，具有出色的热能承受能力。每个圆盘都包含与其他金属氧化物混合的粉末状氧化锌材料。这种类型的避雷器的工作原理类似于高速电子开关——在稳态电压下打开，在过压下闭合。
氧化锌避雷器具有高度非线性——其非线性特性比碳化硅明显得多——并且在稳态条件下具有较低的损耗。
金属氧化物避雷器分为三种类型：
无间隙
系列间隙
并联间隙
与碳化硅避雷器一样，个金属氧化物避雷器也有一个与非线性电阻器串联的间隙。当时，电阻器的热负荷相对较小，无法承受稳态条件下漏电流的热能，需要间隙。无间隙避雷器于 1980 年左右出现，其电阻能够承受恒定的小漏电流。
氧化锌避雷器制造容易、成本低、吸收或耗散大量能量。如今，新系统或改造中使用的大多数避雷器都是无间隙氧化锌装置。
图 4 显示了无间隙氧化锌避雷器的剖面图，其中包含单列 ZnO 块。
瓷壳无间隙氧化锌避雷器的零件。
图 4. 瓷壳无间隙氧化锌避雷器的部件。图片由ABB提供。
1瓷绝缘子6密封盖
2通风管道7密封圈
3春天8指示牌
4干燥剂袋9氧化锌块
5铜片10法兰盖
图 5 显示了适用于雷电强度极高区域的高压氧化锌避雷器。请注意长避雷器通常需要外部均压环来沿其长度保持恒定的电压应力。
氧化锌避雷器
图 5. 氧化锌避雷器。图片由ABB提供。
避雷器分类及应用
根据电压等级、保护特性、泄压或耐故障特性的耐久性，电力系统中使用的避雷器分类如下：
电站避雷器：提供的保护水平——更低的放电电压、更高的能量吸收和更显着的压力释放。典型应用是大型变电站和具有强浪涌的场所。
中间避雷器：保护特性和能量泄放能力较差。典型应用是小型变电站、地下
电缆保护和干式变压器。
配电避雷器：提供的保护水平和能量泄放能力。它们用于中压网络。
绝缘配合
系统和设备绝缘的耐压能力取决于浪涌的上升时间。在这种情况下，绝缘能力是时间的函数。
避雷器的保护特性也是时间的函数；因此，需要协调绝缘和避雷器电压-时间特性以获得足够的保护——绝缘协调程序。
绝缘协调根据保护级别，将系统或设备绝缘的冲击承受能力与选定放电电流下避雷器两端的电压进行比较。绝缘水平和协调实践的选择对成本有很大影响。BIL 下降一个水平可以减少主要电气设备成本数千美元。
例如，图 6 显示了充油电力变压器的整个 VI 耐受曲线以及避雷器的保护特性 - 波前跳火和放电电压。
油浸式变压器绝缘耐压和避雷器保护特性
图 6. 油浸式变压器绝缘耐受和避雷器保护特性。图片由库珀提供。
避雷器的跳火峰值电压应低于变压器的斩波耐受能力。当变压器的波前测试可用时，将避雷器的跳火测试与变压器的波前测试进行比较会更安全。
另一个比较是避雷器的放电电压和 1.2/50 ?s 脉冲跳火与变压器的全波测试 (BIL)。
