20世紀(jì)60年代，日本率先開發(fā)出氧化鋅（ZnO）非線性電阻片。由于其具有殘壓低、無續(xù)流、動(dòng)作時(shí)延小、通流容量大等優(yōu)點(diǎn)，使得由ZnO非線性電阻片組裝成的金屬氧化物避雷器（MOA）在電力系統(tǒng)中取代SiC避雷器而得到廣泛應(yīng)用及快速發(fā)展。目前，MOA已成為電力系統(tǒng)中性能最好且發(fā)展最快的過電壓保護(hù)裝置，其應(yīng)用范圍極其廣泛。MOA從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分有瓷套型避雷器、GIS型避雷器、復(fù)合外套型避雷器和油浸避雷器（用于變壓器中）4種；按保護(hù)設(shè)備類型分有配電系統(tǒng)過電壓防護(hù)、變電站的過電壓防護(hù)、并聯(lián)及串聯(lián)補(bǔ)償電容器保護(hù)、發(fā)電機(jī)的過電壓保護(hù)、限制電動(dòng)機(jī)投切產(chǎn)生的操作過電壓、線路載波通信中阻波器保護(hù)用、限制中性點(diǎn)未直接接地變壓器的中性點(diǎn)過電壓用、輸電線路防雷保護(hù)、直流輸電系統(tǒng)換流站過電壓保護(hù)、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路滅磁過程中的過電壓保護(hù)和能量吸收、超高壓直流斷路器開斷時(shí)系統(tǒng)中的能量吸收等11類。由于通過提高被保護(hù)設(shè)備可靠性和降低過電壓水平能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而ZnO非線性電阻特性又對(duì)限制過電壓起著至關(guān)重要的作用，所以世界各國都在竭力研究改進(jìn)ZnO非線性電阻片的原材料和生產(chǎn)工藝，并力求將最新的技術(shù)應(yīng)用于對(duì)避雷器的設(shè)計(jì)中，同時(shí)開發(fā)新型材料，以期達(dá)到更理想的防護(hù)效果。

1 ZnO非線性電阻片的技術(shù)變遷

自20世紀(jì)60年代末產(chǎn)業(yè)化以來，ZnO非線性電阻片技術(shù)通過不斷改進(jìn)提高，國際上現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第4代。第1代ZnO非線性電阻片于20世紀(jì)60年代末產(chǎn)生，延續(xù)使用至80年代中期。它的應(yīng)用是電力系統(tǒng)防護(hù)雷電過電壓和操作過電壓方面的一次革命。但它還存在V - A曲線不夠平坦、荷電率低、泄漏電流大、老化性能劣化等缺陷。第2代ZnO非線性電阻片自80年代初產(chǎn)業(yè)化以來一直延續(xù)使用至今。第2代電阻片較之第1代電阻片在添加物配合的最佳化方面做了很多的改良，使其老化壽命和非線性性能得到了較大的改善。我國撫順電瓷廠、西安高壓電瓷廠和西安電瓷研究所于80年代中期引進(jìn)了日本公司的第2代電阻片技術(shù)，通過20多年的技術(shù)消化、吸收及改良，現(xiàn)在其技術(shù)性能已經(jīng)在第2代基礎(chǔ)上有了進(jìn)一步的改進(jìn)。第3代ZnO非線性電阻片技術(shù)產(chǎn)生于80年代中期，以日本東芝公司的技術(shù)為代表。其主要特點(diǎn)是V - A特性曲線更平坦，保護(hù)特性提高；荷電率更高，電阻片老化性能更好；2 ms方波耐受能力提高近1倍，在同等吸收能量的情況下電阻片體積減少近50%，既節(jié)省了原材料，又實(shí)現(xiàn)了避雷器的輕型化；側(cè)面采用低鉛玻璃釉，具有耐受4/10 μs大電流的能力，同時(shí)耐濕性能增強(qiáng)，適應(yīng)各種絕緣介質(zhì)。因此可以在各種氣體、絕緣油以及直接注射成形的硅橡膠中使用。第3代電阻片因上述卓越的性能而被譽(yù)之為高性能電阻片。第4代ZnO非線性電阻片在90年代實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，它是在第3代電阻片技術(shù)的基礎(chǔ)上通過添加新的成份，將單位高度的參考電壓提高了2～3倍，達(dá)到了400 V/mm和600 V/mm，即在同等參考電壓下將電阻片高度減至原來的1/2以下。目前，它主要應(yīng)用于組合電器用罐式避雷器中，它的應(yīng)用可大大減小罐式避雷器的體積，使其實(shí)現(xiàn)小型化?，F(xiàn)階段正在進(jìn)行將其應(yīng)用于復(fù)合型帶串聯(lián)間隙線路避雷器的研究，它的開發(fā)應(yīng)用將可以使線路避雷器實(shí)現(xiàn)小型化與輕型化，更便于安裝。第4代電阻片被稱之為高梯度電阻片。電阻片技術(shù)的發(fā)展情況見表1。
綜上所述，隨著電阻片技術(shù)的飛速發(fā)展及電阻片性能的不斷提高，避雷器的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生了很大改變，且保護(hù)性能也越來越好。

2 避雷器的技術(shù)變遷

2.1 避雷器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

避雷器設(shè)計(jì)主要包括電氣性能設(shè)計(jì)和機(jī)械性能設(shè)計(jì)。電氣性能設(shè)計(jì)主要是對(duì)避雷器進(jìn)行電位控制，使其電位分布盡量均勻、電場(chǎng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)值的要求。在20世紀(jì)80年代前，主要是通過電路計(jì)算來力求分布的均勻，并使用電流法進(jìn)行驗(yàn)證。后來開始使用二元電場(chǎng)解析軟件來進(jìn)行電場(chǎng)分析計(jì)算，并用氖燈管測(cè)量避雷器中電阻片電位，這種計(jì)算方法一直延續(xù)至20世紀(jì)90年代。以上這些方法只能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行粗略的指導(dǎo),進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作還需要通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和調(diào)整,因此工作量極大?，F(xiàn)在世界上著名的生產(chǎn)廠家都采用精確的三維電場(chǎng)解析軟件進(jìn)行電場(chǎng)的分析計(jì)算，此軟件能分析非對(duì)稱均壓環(huán)和其他介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響。通過小型電阻片 - 光纖方法，沿著電阻片連續(xù)測(cè)量電位分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于局部最大電壓不均勻系數(shù)的測(cè)量。實(shí)踐證明,三維電場(chǎng)解析軟件能夠非常精確地計(jì)算避雷器中電位分布和電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖1所示，這給設(shè)計(jì)工作帶來極大的方便。運(yùn)用高精度分析技術(shù)設(shè)計(jì)、選用的均壓環(huán)可以完全取代陶瓷電容器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳的電位分擔(dān)（布）及電場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 瓷套型避雷器的技術(shù)進(jìn)步

330 kV及以上電壓等級(jí)所使用的避雷器,避雷器芯體由于受對(duì)地雜散電容的影響,其上電位分布極不均勻,從而使避雷器上部的電阻片要承擔(dān)過高的電壓,其結(jié)果是加快了電阻片的劣化,進(jìn)而導(dǎo)致避雷器損壞。為了解決這個(gè)問題,需要從2個(gè)方面著手:①提高電阻片的荷電率；②減少對(duì)地雜散電容的影響,使電位分布盡量均勻。
在第3代電阻片產(chǎn)生之前，由于設(shè)計(jì)手段和電阻片性能的限制,僅僅通過均壓環(huán)補(bǔ)償雜散電容的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求，因此在早期通過在電阻片上并聯(lián)同軸電容和均壓環(huán)來實(shí)現(xiàn)均壓，其效果是能將電位分布不均勻率抑制在10%左右。但它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且同軸電容成本極高。為了解決成本高的問題,生產(chǎn)廠家后來在設(shè)計(jì)中將同軸電容用在電阻片旁邊并聯(lián)陶瓷電容來取代。但它同樣存在下列缺陷：①由于電容是分節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，因此在電容的連接部位電位分布不連續(xù),電容連接部位電阻片的電壓負(fù)擔(dān)比較大；②電容的荷電壽命以及固定電容環(huán)氧管的老化壽命成為避雷器可靠性的重要保障。
隨著第3代高性能電阻片技術(shù)的出現(xiàn)和三維電場(chǎng)解析軟件的應(yīng)用,世界知名的生產(chǎn)廠家均取消了并聯(lián)電容的設(shè)計(jì),而采用均壓環(huán)來補(bǔ)償雜散電容的影響。這種結(jié)構(gòu)可以將500 kV避雷器的電壓分布不均勻率控制在15%以內(nèi)。由于電阻片荷電率的提高，以及避雷器電壓分布不均勻率被控制在了15%以內(nèi)，因此完全能滿足避雷器壽命要求。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:①可以使瓷套的直徑減小,從而減輕了避雷器的質(zhì)量；②減少了近60%的零部件,結(jié)構(gòu)得以簡化,可靠性得到提高；③電阻片上的電位分布沒有突變,電阻片的壽命得到保證。

2.3 罐式避雷器的技術(shù)進(jìn)步

當(dāng)前，以具有卓越絕緣性能SF6氣體為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）因具有占地面積小、免維護(hù)及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了越來越廣泛地應(yīng)用。對(duì)電壓等級(jí)為110～1 050 kV的GIS，隨著電壓等級(jí)的提高，與之相配套的避雷器的體積也越來越高大。在330 kV及以上電壓等級(jí)的GIS中，若與之配套使用的避雷器芯體采用單柱結(jié)構(gòu)，則避雷器本體會(huì)非常地高。為了解決高度問題，若使用普通梯度的電阻片（200 V/mm），則只能采取多柱并聯(lián)、曲折形串聯(lián)結(jié)構(gòu)，隨之也會(huì)產(chǎn)生筒徑大、零件個(gè)數(shù)多（中間需加絕緣墊塊）、中間連接導(dǎo)線電感影響保護(hù)水平等不利因素。高梯度電阻片較之普通梯度電阻片的高度降低了1/2，它的出現(xiàn)使得800 kV及以下罐式避雷器的芯體采用單柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能，避雷器的結(jié)構(gòu)也因此而簡單化。800 kV GIS型避雷器的直徑僅為1 400 mm、高為3 600 mm。實(shí)現(xiàn)了體積的小型化，更便于運(yùn)輸。
為了進(jìn)一步使罐式避雷器小型化，日本東芝公司在此基礎(chǔ)上又研制開發(fā)了超高梯度電阻片,其梯度達(dá)到600 V/mm,使得800 kV GIS型避雷器的尺寸減小到直徑1 200 mm、高2 700 mm,體積減小了45%。在特高壓輸電中, 避雷器的保護(hù)水平將直接影響工程造價(jià),出于對(duì)避雷器能量吸收能力及保護(hù)水平的要求,世界知名廠家都采用電阻片多柱并聯(lián)(一般4柱并聯(lián))結(jié)構(gòu),其體積很大,因此給運(yùn)輸造成了極大的困難。超高梯度電阻片的出現(xiàn),大大減小了避雷器的體積?？梢灶A(yù)見，使用超高梯度電阻片設(shè)計(jì)的避雷器必將在特高壓輸電系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。

2.4 復(fù)合外套型避雷器的技術(shù)進(jìn)步

針對(duì)瓷套配電型避雷器一般不帶壓力釋放裝置、故障率高、發(fā)生故障時(shí)瓷套會(huì)發(fā)生爆炸等缺點(diǎn)，美國通用電氣公司（GE公司）于1979年研制出了配電系統(tǒng)用復(fù)合外套型避雷器。由于該復(fù)合外套型避雷器具有內(nèi)部受潮隱患低、低電壓避雷器裙套無爆炸危險(xiǎn)、體積小、質(zhì)量輕、耐污性能好等優(yōu)點(diǎn)，故目前其在世界各國的發(fā)展很快。在我國，電站型避雷器已經(jīng)研制到220 kV電壓等級(jí)，它所具有的體積小、質(zhì)量輕、便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的特點(diǎn)，使其可以被安裝在輸電線路桿塔上，從而有效地提高了線路的耐雷水平。尤其是在某些雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，采取降低接地電阻措施有困難的地段，電站型避雷器為解決因雷擊而引起輸電線路事故、降低線路過電壓、保護(hù)絕緣子串提供了強(qiáng)有力的手段。我國線路避雷器已經(jīng)研制到500 kV電壓等級(jí)，隨著電壓等級(jí)的提高和緊湊型桿塔的廣泛采用，使用常規(guī)梯度電阻片的線路避雷器本體過長、安裝不便的缺點(diǎn)被突顯出來。目前日本正在進(jìn)行將高梯度電阻片應(yīng)用于線路避雷器方面的研究，同時(shí)也在為IEC標(biāo)準(zhǔn)的制定做前期的研究開發(fā)工作。

3 IEC標(biāo)準(zhǔn)的變化情況

無間隙金屬氧化物避雷器的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是日本于1984年制定的國家標(biāo)準(zhǔn)，版本號(hào)是JEC - 217，它是世界最早的無間隙避雷器標(biāo)準(zhǔn)，包括瓷套型、GIS型避雷器。IEC第1個(gè)無間隙金屬氧化物避雷器標(biāo)準(zhǔn)于1991年第1次出版，版本號(hào)是IEC 60099 - 4，它是在綜合了帶間隙避雷器標(biāo)準(zhǔn)和各國無間隙避雷器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上修改制定而成的。它包括了500 kV及以下所有等級(jí)避雷器，在此標(biāo)準(zhǔn)里明確提出了密封要求，壓力釋放試驗(yàn)沿用帶間隙避雷器的規(guī)定，但沒有對(duì)于污穢試驗(yàn)方法的規(guī)定。IEC 60099 - 4于1998年進(jìn)行了第1次修訂，在這次修訂中明確了污穢試驗(yàn)方法。2001年進(jìn)行了第2次修訂，這次修訂對(duì)所有種類避雷器（包括復(fù)合型、油浸型、GIS型）的試驗(yàn)方法均作了具體規(guī)定，同時(shí)對(duì)復(fù)合外套避雷器的試驗(yàn)方法進(jìn)行了討論，但對(duì)于壓力釋放試驗(yàn)和機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)仍未作出具體規(guī)定。2004年出版了IEC 60099 - 4第2版，在這一版里充實(shí)了各種避雷器的相關(guān)規(guī)定，對(duì)壓力釋放試驗(yàn)、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)均進(jìn)行了修改。2002年出版了54 kV及以下電壓等級(jí)線路避雷器的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段以日本、法國和美國為首正在進(jìn)行線路用避雷器標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，目的是實(shí)現(xiàn)所有等級(jí)線路避雷器的標(biāo)準(zhǔn)化。其中一個(gè)很重要的內(nèi)容，就是討論將高梯度電阻片應(yīng)用在線路避雷器中，使避雷器本體高度降低，以更好地應(yīng)用于高壓和特高壓系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

無間隙金屬氧化物避雷器的研制成功和推廣應(yīng)用是在電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)方面取得的最突出的科研成果，它使得電力系統(tǒng)的過電壓防護(hù)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。隨著電阻片性能的不斷改善和提高，以及設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，避雷器結(jié)構(gòu)更趨簡單化、小型化，可靠性更高，保護(hù)性能亦更卓越。新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，拓展了避雷器的保護(hù)范圍，使得電力系統(tǒng)過電壓水平進(jìn)一步降低，從而給電力系統(tǒng)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。