电力系统中有因落雷和断路器及隔离开关的操作所产生的冲击电流造成电压异常。尤其落雷引起的电压异常达平时的数十倍，要承受这样大的电压是困难的，也是不经济的。因此，在变电所设置避雷器、架空地线、保护罩、冲击电流吸收器等避雷设施。进行空间和外部和内部的避雷保护，尤其避雷器的作用更为有效，特别是高性能氧化锌避雷器取得可以降低设备绝缘的良好效果。
电力系统以变电所为站点，用很多输电线形成网络。因此，系统一旦发生故障（接地、短路、断线），将严重影响整个系统，还要损伤设备。为此在变电所应及时检测出故障地点，迅速将故障从系统中隔离是非常重要的。检测确定故障地点，从系统隔离，就需要发出断路器的切断命令，继电保护装置担负这个任务。
1.避雷针
图5-12 单支避雷针地面上的保护范围
避雷针的结构原理。避雷针由承受雷击的接闪器、接地引下线和接地体组成。由于避雷针高于周围被保护物体，因此，当雷云的先导通道向下发展时，接闪器成为感应电荷最集中的局部强场区，它吸引先导通道，使雷击接闪器，再经接地引下线、接地体将雷电流泄入大地，从而使周围物体免遭雷击。
单支避雷针地面上的保护范围见图5-12，计算式为：
式中：h为避雷针的高度，m；r为地面上保护范围的半径，m。
避雷针在被保护物高度hx，空间保护范围的保护半径rx，应按下列方法确定：
式中：rx为避雷针hx高度的保护半径，m；hx为避雷针在被保护物高度，m。
由以上可见，当避雷针的高度超过30m以后，其保护的范围就不再随针高成正比增加。
因此，为扩大保护范围，就必须采用多支避雷针构成联合保护。
2.伞型导体消雷器
伞型导体消雷器是我国最新的科研成果，其外形结构见图5-13。它主要由主辅消雷针及消雷球等元件构成，利用雷云与地面之间的电场能量和本身的特殊构造形式及安装高度，使消雷器产生的电荷，对雷云下方电场并通过雷电先导通道作用，不对比其矮的被保护物发生向上的引发雷击，也不使雷云向下引发雷击，并使原来可能发生的微秒、千安级的雷电的冲击放电转化为秒、安级的缓慢放电，使可能出现的感应过电压降低，从而达到防止直击雷的目的。
3.避雷线
图5-13 伞型导体消雷器
（1）单支避雷线的保护范围。单根避雷线的保护范围如图5-14所示其中单根避雷线在hx高度水平面上每侧保护范围的宽度rx按下式计算
P的取值同上。
图5-14 单根避雷线保护范围
（2）两支等高平行避雷线。如图5-15所示，两根等高平行避雷线外则仍按单根避雷线的计算方法确定。两避雷线之间保护范围的横截面则按通过两避雷线顶点1、2及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度为
式中：h0为两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；D为两避雷针线间的距离，m；h为避雷线的高度，m；rx为每侧保护范围的宽度，m；p同前。
两根平行避雷线端部的两侧保护如图5-15所示，范围仍按单根避雷线保护范围计算。端部两线间保护最小宽度rx则按下列方法确定。
当hx≥0.5h时
当hx＜0.5h时
通常，我们把避雷线与外侧导线间的夹角α叫避雷线的保护角。保护角越小，保护可靠性越高，（一般保护角度α在20°～30°）。
4.避雷器
（1）保护间隙避雷器。其优点是：结构简单，介格便宜；其缺点是：灭弧性能差，需要和重合闸配合使用。
图5-15 两支等高避雷线的保护范围
（2）管型避雷器。管型避雷器实际上具有较高灭弧能力，它的内部结构是利用工频续流使产气管内的产气材料发热膨胀，气体冲出将电弧熄灭，但是由环形电极限和棒电极限构成的内间隙S1和外间隙S2，由纤维塑料橡胶等产气材料制成的产气管子，喷气口和金属端盖等组成。(www.xing528.com)
1）管型避雷器的工作原理。
a.正常运行时，避雷器通过间隙S1、S2使电网与大地隔开。
b.雷电波作用时，当大气过电压波传来，达到避雷器冲击放电电压时，使内、外间隙击穿，工作母线接地，避免了被保护设备上的电压升高，从而保护了设备绝缘。
c.雷电波作用过后，间隙中仍有由于工作电压所产生的工频续流。工频续流电弧的高温使产气管内产气材料分解出大量气体，管内压力急剧升高。气体在高压力作用下由喷气口喷出，形成强烈的“纵吹作用”，从而使工频续流在第一次过零时就被吹灭，使电网恢复到正常运行状态。
2）管型避雷器的优缺点。所有管型避雷器的优点是：有专门的灭弧装置，有良好的灭弧效果但它有不少缺点：
a.若工频续流太大，产气过多，开口处来不及排气，管内压力过大，会造成避雷器爆炸。
图5-16 阀型避雷器原理图
1—间隙；2—阀片电阻；3—工作母线
b.安装处受短路电流的限制。
c.伏秒特性较陡不能与被保护设备很好地配合。
d.避雷器产气管由于受潮等原因发生沿面闪络而导致的误动作。
由于管型避雷器有以上缺点所以现在逐步淘汰。
（3）阀型避雷器。阀型避雷器在220kV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统还将用来限制内过电压。阀型避雷器的基本元件为间隙和非线性电阻。间隙元件由多个统一规格的单个放电间隙串联而成。同样，非线性电阻元件也是由多个非线性阀片电阻盘串联而成。间隙与阀片电阻也是相互串联，如图5-16所示。阀片电阻值与流过的电流值有关，电流越大，电阻越小；反之，电流越小，电阻越大。这种电阻称为“阀性”电阻，“阀型避雷器”也因此而得名。阀型避雷器的工作原理如下：
在系统正常工作时，间隙将阀片电阻与工作母线隔离，以免由工作电压在阀片电阻中产生的电流使阀片烧坏。由于采用电场比较均匀的间隙，所以阀型避雷器的伏秒特性较平，放电分散性较小，能与被保护设备的冲击放电伏秒特性很好的配合。
当系统中出现过电压且幅值超过间隙的放电电压时，间隙先击穿，冲击电流通过阀片流入大地。由于阀片的非线性特性，其电阻在流过大的冲击电流时变得很小，故在阀片上产生的压降（称为残压）将不会很高，即受到了限制，使其低于被保护设备的冲击耐压值。因而设备得到可靠保护。当过电压消失后，间隙中由于工作电压产生的工频续流仍将流过避雷器，此续流由于受阀片电阻的限制远较冲击电流小，故阀片电阻值变得很大，从而进一步限制了工频续流的数值，使间隙能在工频续流第一次经过零值时就将电弧切断，电网恢复正常运行。这样，避雷器从间隙击穿到切断工频续流，不超过工频半个周期，而且工频续流的数值也不大，继电保护还来不及动作系统就已恢复正常。
（4）氧化锌避雷器。氧化锌避雷器是一种新型的避雷器。这种避雷器的阀片以氧化锌（ZnO）为主要原料，附以少量能产生非线性的金属氧化物，经高温焙烧而成。氧化锌阀片具有理想的伏安特性，其非线性系数α约为0.05，10kVA下的电压降之比约为2.5～3.0。
1）氧化锌避雷器的工作原理。在工作电压下，流经氧化锌阀片的电流仅为1mA（且其中大部分为电容电流，电阻性电流分量1mA以下），实际上相当于绝缘体。因此，这样小的电流不会使氧化锌阀片烧坏，可以不用串联间隙来隔离工作电压。当作用在氧化锌阀片上的电压超过某一值时（此值称为动作电压），将发生“导通”，“导通”后氧化锌阀片上的残压与流过它的电流大小基本无关，而为一定值。当作用的电压降到动作电压以下时，氧化锌阀片“导通”终止，又相当于绝缘体，因此不存在工频续流。
2）氧化锌避雷器的主要优点。
a.金属氧化锌避雷器由于不用串联火花间隙，因此其结构简单、体积小，瓷套表面污秽对它的电压分布基本上无影响，特别适用于污秽地区。
b.陡波响应特性好。
c.可承受多重雷击，由于没有工频续流问题，所以冲击波过后，通过阀片的能量大为减少，再次“导通”也毫无问题。
d.可降低电气设备所承受的过电压。因为它在整个过电压作用的过程中都有电流流过，因此它降低了加在被保护设备上的过电压幅值。
e.通流容量大。因此可以用来限制内部过电压。
f.易于制成直流避雷器。
g.能与SF6组合电器很好地配合使用；它不存在因SF6气压变化引起避雷器动作电压改变和间隙电弧引起SF6气体分解的问题。
由于氧化锌避雷器长期接在线路上受工作电压的影响，存在绝缘老化的问题，为了解决这一问题近年来研制成的有间隙的氧化锌避雷器，这种氧化锌避雷器在正常的情况下由于避雷器与母线隔离，所以无工作电流流过，从而克服了绝缘老化问题。
5.SF6全封闭组合电器的雷电侵入波过电压保护
对66kV及以上进线段的SF6全封闭组合电器（GIS），在SF6管道与架空线路的连接处，应装设无间隙氧化锌避雷器，其接地端应与管道金属外壳连接，如图5-17所示。
如变压器或GIS一次回路中的任何电气部分至避雷器FM间的最大电气距离，不超过下列参考值时可只装一组避雷器：
图5-17 无电缆段进线的GIS保护接线
虽然超过上列数值，但经校验计算能否符合保护要求时，也可只装一组避雷器，否则需增装第二级避雷器FM2连接SF6管道的架空线路进线段的长度应不小于2km。对66kV及以上的进线带有一段电缆的SF6全封闭组合电器时，在电缆与架空线连接处应装设氧化锌避雷器FM1，其接地端应与电缆金属外皮相连接。对三芯电缆其末端则应与外壳接地；对单芯电缆则应经氧化锌避雷器电缆保护层的FM3接地，如图5-18所示。
图5-18 有电缆段进线的GIS保护接线
对图5-17中氧化锌避雷器的保护距离与不带电缆段的要求相同，但必须强调对连接电缆段的架空线路上1km范围内还应架设避雷线保护。
若进线全长为电缆的SF6全封闭组合电器，可经校验后确定是否装设避雷器。但对有多路进出线的GIS装置尚需进行专门的计算。
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