氧化锌（ZnO）避雷器作为现代电力系统过电压防护的关键设备，其核心在于ZnO电阻片呈现的优异非线性伏安特性。为深入分析其性能、进行系统绝缘配合计算及状态评估，建立精确的等效电路模型至关重要。
一、基础：ZnO电阻片的非线性伏安特性
ZnO电阻片由氧化锌晶粒及富含多种金属氧化物的晶界层构成。其伏安特性可分为三个典型区域：
1.小电流区（泄漏区）：工作电压下，电流极小（微安级），呈现高阻态，表现为容性电流主导（含几何电容和界面极化效应）。
2.非线性区（动作区）：过电压作用下，晶界势垒降低，电流急剧增大数个数量级，电阻值骤降，将过电压有效钳位在保护水平。
3.饱和区：极高电压下，晶粒电阻成为主导，伏安特性趋向线性。
二、核心等效电路模型
针对不同分析目的，常用以下等效模型：
1.静态（工频/直流）模型：
简化模型：单一非线性电阻`R_nonlinear(V)`。该模型直接反映其核心的非线性限压功能，适用于工频过电压、操作过电压下的稳态或准稳态分析及绝缘配合初步计算。
改进模型：非线性电阻`R_nonlinear(V)`并联一个线性电容`C`。电容`C`主要代表避雷器的几何结构电容（通常在几十到几百皮法量级）。此模型更准确地描述了避雷器在正常工作电压下的容性泄漏电流特性，对监测其早期老化（如阻性电流增大）有重要意义（IEC600995标准关注此泄漏电流）。
2.动态（陡波前冲击）模型：
为精确模拟避雷器对雷电冲击或快速操作波（纳秒至微秒级上升沿）的响应，需考虑其物理结构的分布参数效应：
非线性电阻`R_nonlinear(V,di/dt)`：核心元件。需注意ZnO电阻片在极高`di/dt`下呈现的微小“超调”现象（动态伏安特性略高于静态）。
电感`L`(串联)：主要代表避雷器本体（尤其柱状结构）和连接引线的固有电感（通常在微亨量级）。该电感限制了冲击电流的初始上升速率，影响保护特性，尤其对陡波头冲击。
对地杂散电容`C_g`：代表避雷器高压端对地、低压端（接地端）对地的分布电容。在高频冲击下，电流会部分通过此电容路径，影响冲击电流在电阻片柱上的分布均匀性。
典型动态等效电路：常表示为`L[R_nonlinear(V,di/dt)//C_int]`的结构，其中`C_int`有时用于模拟内部更复杂的电容效应，但在许多工程应用中，外部串联电感`L`和对地电容`C_g`是关键动态参数。
三、模型参数获取与辨识
非线性电阻`R_nonlinear`：通过实测不同电压水平（涵盖泄漏区、非线性区）下的直流或工频电流获得其静态伏安特性曲线。冲击特性需通过标准雷电波、操作波冲击试验数据拟合。
电容`C`：可在低电压（如1kV工频）下测量避雷器的总电容（主要反映几何电容）。
电感`L`：可通过高频注入法测量阻抗、或通过分析标准陡波冲击（如1000kV/μs）下的电压/电流波形响应（初始上升部分）来估算。
杂散电容`C_g`：通常通过电磁场仿真或专用高频测量获得。
四、等效电路模型的应用价值
1.绝缘配合：精确计算避雷器在各种过电压下的钳位电压（残压），确保被保护设备（如变压器、GIS）的绝缘安全裕度。
2.电磁暂态仿真：在EMTP、PSCAD等软件中建立避雷器模型，研究系统操作过电压、雷电过电压及其防护效果。
3.在线监测与诊断：基于等效电路（尤其`R//C`模型），通过持续测量运行电压下的全电流及其阻性分量，可有效评估ZnO阀片的老化、受潮状况。
4.设计优化：指导避雷器本体结构设计（如优化均压设计以减少杂散电容影响）及冲击性能提升。
结语
恩彼迈氧化锌避雷器的等效电路模型是连接其微观非线性物理特性与宏观电力系统保护性能的关键桥梁。从反映工频泄漏特性的`R//C`模型，到刻画高频冲击响应的`LR`模型，不同精度的模型服务于不同的工程分析目标。深刻理解并合理应用这些模型，对保障电力系统安全、优化避雷器设计与状态评估具有不可替代的作用。随着测试技术与计算能力的发展，模型的精确性和适用性将持续提升。
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