張家祥，索 娜

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，鄭州451460）

多片MOV并聯(lián)型避雷器在10/350 μs波形沖擊實驗過程中的性能參數(shù)變化

張家祥，索 娜

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，鄭州451460）

采用了20 kV多波形發(fā)生器、紅外溫槍，相關(guān)性分析等實驗方法研究了多片MOV并聯(lián)型避雷器在10/350 μs波形沖擊實驗過程中的性能參數(shù)變化。實驗表明：在10/350 μs波形沖擊破壞過程中，電荷Q和單位能量W/R存在顯著的正相關(guān)性關(guān)系；10/350 μs波形的沖擊會導(dǎo)致MOV自身的阻抗發(fā)生變化，從而使多片MOV并聯(lián)型避雷器中的各MOV產(chǎn)生溫度差；用新的MOV替換損毀的MOV接入并聯(lián)體可以使得避雷器重新恢復(fù)保護效能，但無法保證其使用壽命。

多片MOV并聯(lián)型避雷器；10/350 μs波形沖擊；電荷Q；單位能量W/R；溫度差

0 引言

目前在國內(nèi)，為了保證低壓配電系統(tǒng)設(shè)備中的避雷器可以耐受大電流的直擊雷沖擊，根據(jù)GBT 3482-2008電子設(shè)備雷擊試驗方法規(guī)定[1]，用于直擊雷防護的避雷器要通過10/350 μs脈沖沖擊實驗來模擬雷電直接擊中供配電線路對避雷器的造成的損壞。然而，由于脈沖在短時間內(nèi)的熱量積累非常巨大且幅值較高，極易造成避雷器的炸裂失效，因此在實際的第三方測試中合格率并不高且實驗過程中的數(shù)據(jù)離散性很大，很難找到顯著的規(guī)律，故相關(guān)論文并不多見。

由于間隙型避雷器耐受沖擊電流能力較強，很多廠家將其應(yīng)用于Ⅰ級防雷產(chǎn)品的設(shè)計中完成對大電流的能量泄放[2-6]。然而，最新的研究表明，間隙型避雷器響應(yīng)時間太慢≥200 μs，而真實的雷電流脈沖長度平均值≤180 μs，因此非常容易出現(xiàn)雷電脈沖已經(jīng)損壞了第二級避雷器和被保護設(shè)備，但放電間隙仍未動作[7-10]。故在YD5098-2005中已明文規(guī)定，間隙或間隙組合型避雷器不得在通信局（站）使用[11]。多片MOV并聯(lián)型避雷器采用分流的思想在一定程度上可以承受更大幅值的10/350 μs脈沖沖擊，同時解決了間隙型避雷器帶來的弊端，因此本文圍繞該問題進行實驗研究，旨在為主流避雷器生產(chǎn)商對電力系統(tǒng)避雷器的設(shè)計提供一定的參考。

國內(nèi)外對于10/350 μs脈沖的沖擊研究由來已久。其中在國外Karl.Berger等人結(jié)合了15年的阿爾卑斯山上高塔引雷實驗數(shù)據(jù)，分析了雷電流的特征并總結(jié)自然界存在的10種類型閃電，另外通過對正地閃首次雷擊的參數(shù)分析認為，正地閃首次雷擊的參數(shù)具有長的持續(xù)時間和更大的電流、電荷量和能量[12]，因此10/350 μs波形也就在參考了 Karl.Berger等人的研究成果后提出的，具有權(quán)威性。在國內(nèi)，何金良老師最早發(fā)現(xiàn)了ZnO閥片沖擊破壞的兩種類型:破裂破壞和穿孔破壞。閥片的破裂破壞是由熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱膨脹引起的，而穿孔破壞則是由局部溫升過高而熔化引起的[13]，這為日后對MOV沖擊破壞的研究提供了重要的理論依據(jù)。另外，楊仲江老師在最近的MOV多片并聯(lián)實驗中發(fā)現(xiàn)，在長期8/20 μs波形沖擊下并聯(lián)體中各MOV受損情況并不相同，這將導(dǎo)致受損較嚴重的MOV阻性與其他MOV產(chǎn)生很大差異，當再次經(jīng)受電涌沖擊時其將會吸收更多的沖擊電流，這樣就會造成各MOV的通流量不同，從而產(chǎn)生溫度差[14]。故借鑒該思想方法，將各MOV受沖擊后產(chǎn)生的溫度差作為一個重要指標帶入本次研究中。

1 實驗安排

1.1 實驗參數(shù)選擇

沖擊電流 impulse current（Iimp）：由電流幅值 Ipeak、電荷Q和單位能量W/R所限定，其中，Ipeak是回路的放電電流，Q是電荷的轉(zhuǎn)移，W/R是釋放的能量。在大量10/350 μs沖擊實驗中，當保證沖擊設(shè)備的觸發(fā)電壓以及樣品材料不發(fā)生改變的前提下，這些參數(shù)是非常接近的；

壓敏電壓U1mA：通過1 mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，泄漏電流Iie：施加工作電壓后測得的漏電流值，這兩個靜態(tài)參數(shù)是直接反應(yīng)MOV性能的參數(shù)；

遭受10/350 μs波形沖擊后，各MOV的溫度。

1.2 實驗流程

選擇某同一型號同尺寸的MOV若干片 （In為20 kA，U1mA為561 V），測試并記錄各樣品靜態(tài)參數(shù)，選出壓敏電壓接近于標準參數(shù)且漏電流較小的樣品5片，并標號，將1，2，3，4號樣品進行并聯(lián)同時測其整體的靜態(tài)參數(shù)。之后對該多片MOV并聯(lián)型避雷器樣品進行10/350 μs波形的沖擊破壞實驗，設(shè)置沖擊設(shè)備的啟動電壓為2 kV，預(yù)計沖擊電流峰值將達到接近6 kA。即時記錄MOV遭受沖擊時各片的溫度，沖擊過程中的電流幅值 Ipeak、電荷Q和單位能量W/R以及整體冷卻后的壓敏電壓和漏流直至避雷器遭到破壞。由于多片MOV并聯(lián)型避雷器受到該沖擊后主要的破壞形式多為其中一片MOV發(fā)生穿孔型破壞，因此用5號新樣品進行替換，并再次進行上述實驗，直至避雷器整體再一次遭到破壞。

2 實驗結(jié)果及分析

圖1 多片MOV并聯(lián)型避雷器在沖擊過程中電流幅值Ipeak、電荷Q和單位能量W/R變化圖Fig.1 Current amplitude Ipeak，charge Q and specific energy W/R change chart of multi-chip shunt arrester during impulse process

圖1 為多片MOV并聯(lián)型避雷器在沖擊過程中電流幅值 Ipeak、電荷Q和單位能量W/R隨沖擊次數(shù)的變化圖。整體上看，從開始沖擊直至避雷器遭受損壞，這些常規(guī)參數(shù)均未發(fā)生明顯的變化，因此若要通過常規(guī)性能參數(shù)實現(xiàn)對避雷器失效的預(yù)判存在技術(shù)上的困難。

另外從圖中可以看出在遭受10/350 μs沖擊后，避雷器的能比與轉(zhuǎn)移電荷存在小幅度的下降但并不顯著，其中能比從初始的9.51減小至8.7，而轉(zhuǎn)移電荷則從初始的2.9 As減小至2.6 As；而沖擊設(shè)備產(chǎn)生的放電電流（即10/350 μs波形波峰幅值）在5.9 kA附近振蕩。由于可以影響這些參數(shù)發(fā)生變化的主要原因是沖擊設(shè)備誤差和實驗樣品的阻抗，但放電電流是趨于5.9 kA較為穩(wěn)定的，故可以推測設(shè)備放電的誤差在此可以忽略不計，影響電荷Q和單位能量W/R發(fā)生改變的主要原因是避雷器本身的阻性在劇烈的10/350 μs脈沖沖擊下發(fā)生了微弱的改變。為了驗證該推斷，對實驗中的電流幅值、電荷、能比（即單位能量W/R）數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析：

由于三個測試指標因子量綱單位不一致，首先應(yīng)對電流幅值Ipeak、電荷Q和單位能量 W/R這三個指標因子數(shù)據(jù)做標準化處理。本文使用Z-score標準化，目的是：使得各指標因子平均值為0，標準差為1，這樣就可以使不同量綱的數(shù)據(jù)可以放在一個矩陣里。Z-score標準化處理表達式為[15-16]:

式中：x為指標因子實際沖擊實驗記錄數(shù)據(jù)原始值，mean（x）為因子時間序列平均值，std（x）為因子時間序列標準差。

其次，對標準化后的因子數(shù)據(jù)使用一階差分，消除其線性趨勢。

最后對經(jīng)一階差分后的數(shù)據(jù)使用相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

表1 三個指標因子相關(guān)性分析表Table 1 The table of correlation analysis of three index factors

從表1可以看出，電荷Q和單位能量W/R之間的相關(guān)性系數(shù)為0.924 3，說明了通過顯著性0.01檢驗，表明了兩者之間存在顯著的正相關(guān)性關(guān)系；電荷Q與電流幅值Ipeak之間的相關(guān)性系數(shù)為0.126 0，相關(guān)性系數(shù)很小，這表明了兩者之間不存在顯著地相關(guān)性；單位能量W/R與電流幅值Ipeak之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.063 2，這也表明了兩者之間不存在顯著地相關(guān)性。

圖2，圖3為多片MOV并聯(lián)型避雷器在沖擊過程中U1mA、Iie的變化圖，其中在經(jīng)受前30次10/350 μs波形沖擊后，避雷器仍有正常的靜態(tài)參數(shù)U1mA為566.5 V，Iie為9.15 μA，然而在遭受第31次沖擊后，2號MOV發(fā)生穿孔，此時避雷器整體的U1mA趨近于0，Iie趨于無窮大，整體回路處于開路狀態(tài)。因此，可以認為通過常規(guī)的U1mA、Iie的測量并無法保證MOV型的避雷器可以耐受10/350 μs波形的沖擊。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊的增多，U1mA緩慢上升，Iie緩慢下降，根據(jù)雙肖特基勢壘理論，此過程仍應(yīng)處于在大電流的電場作用下電子注入空穴的過程，并未到達勢壘發(fā)生畸變的階段，故應(yīng)用該理論無法解釋10/350 μs波形沖擊造成MOV破壞的問題。

圖2 多片MOV并聯(lián)型避雷器在沖擊過程中U1mA的變化圖Fig.2 U1mAchange diagram of multi-chip shunt arrester during the impulse process

圖3 多片MOV并聯(lián)型避雷器在沖擊過程中Iie的變化圖Fig.3 Iiechange diagram of multi-chip shunt arrester during the impulse process

圖4 為1～4號MOV在沖擊過程中各片溫度的變化圖，其中1～4號MOV隨著沖擊次數(shù)的增加，溫度均有上升，因而由1～4號MOV并聯(lián)而成的多片MOV并聯(lián)型避雷器在多次遭受10/350 μs波形沖擊后整體溫度有了一定的上升，這也意味著其散熱能力處于下降趨勢。另外，在沖擊初期各MOV間的溫差很小，而到了沖擊后期彼此間溫差逐漸變大，這表現(xiàn)為2號MOV的溫度上升非常明顯到達61.5℃，而其他三個MOV的溫度較為穩(wěn)定趨于54℃左右。這主要是由于遭受沖擊后各MOV的晶界受損情況不同，從而造成各MOV間的阻抗產(chǎn)生差異，當再一次通入大電流后，各MOV阻抗的不同造成各支路的分流量不同，其中受損嚴重的MOV阻抗較低反而分得更多電流，因此損壞更加嚴重。在這樣惡性循環(huán)的過程中，最終在第31次沖擊后發(fā)生穿孔。因此通過本次研究，可以對避雷器中各MOV溫度進行在線監(jiān)測實現(xiàn)對其失效模式的預(yù)判。

圖4 1-4號MOV在沖擊過程中各片溫度的變化圖Fig.4 1-4 MOV temperature changes of each varistor during impulse process

圖5 為1、5、3、4號MOV在沖擊過程中各片溫度的變化圖，在經(jīng)過31次10/350 μs波形沖擊后，避雷器中的2號MOV發(fā)生穿孔，因此將其用新的5號MOV替換繼續(xù)進行實驗?？梢园l(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與圖4中非常類似，這次是3號MOV溫度顯著增高，最后發(fā)生穿孔。另外，重新組合的避雷器僅在7次沖擊后就遭到破壞，使用壽命比全新MOV組合而成的避雷器縮短了很多。目前，很多避雷器廠家設(shè)計出了一款插拔式避雷器，可以用新模塊替換處于工作狀態(tài)的某一失效模塊。本次研究表明，該設(shè)計可以短時間內(nèi)使得設(shè)備處于被保護狀態(tài)，但是避雷器的使用壽命將無法得到保證。

圖5 1、5、3、4號MOV在沖擊過程中各片溫度的變化圖Fig.5 1、5、3、4 MOV temperature changes of each varistor during impulse process

3 結(jié)論

采用了20 kV多波形發(fā)生器對多片MOV并聯(lián)型避雷器進行了10/350 μs波形沖擊實驗，對沖擊過程中避雷器的靜態(tài)參數(shù)以及溫差進行了研究，結(jié)果表明：

1）在10/350 μs波形沖擊破壞過程中，電荷Q和單位能量W/R存在顯著的正相關(guān)性關(guān)系；

2）10/350 μs波形的沖擊會導(dǎo)致MOV自身的阻抗發(fā)生變化，從而使多片MOV并聯(lián)型避雷器中的各MOV產(chǎn)生溫度差；

3）用新的MOV替換損毀的MOV接入并聯(lián)體可以使得避雷器重新恢復(fù)保護效能，但無法保證其使用壽命。

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Multi-Chip MOV Shunt Arrester Performance Parameters in 10/350 μs Waveform Impulse Test

ZHANG Jiaxiang，SUO Na
（Zhengzhou Railway Vocational and Technical College of Electrical Engineering，Zhengzhou 451460，China）

The multi-chip shunt arrester MOV performance parameters in 10/350 μs waveform impulse test is studied by using experimental methods 20 kV multi-waveform generator，infrared thermometers，correlation analysis.Experimental results show that:in the 10/350 μs waveform impulse damage process，there is a charge Q and specific energy W/R significantly positive correlation relationship;10/350 μs waveform impulse will cause MOV its impedance changes，so that each MOV in multi-chip shunt arresters will produce temperature difference;replace damaged MOV with the new access parallel body can restore the lightning protective efficacy，but cannot guarantee its service life.

multi-chip shunt arrester；10/350 μs waveform impact；charge Q；specific energy W/R；temperature difference

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.011

2016-07-23

張家祥 （1979—），男，講師，主要研究方向為電氣工程及其自動化。