任志剛，李 偉，李邦彥，姚玉海，楊 博，于文博，蔡 力

（1.國網(wǎng)北京電力公司，北京 100031；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

避雷器又稱過電壓保護器，10 kV配電避雷器因其氧化鋅電阻良好的非線性保護特性，在配電網(wǎng)中被廣泛使用[1]。然而統(tǒng)計表明，配電避雷器故障已經(jīng)占到配網(wǎng)故障總數(shù)的相當比例，成為影響配網(wǎng)供電可靠性的主要因素之一[2]。

考慮到避雷器的實際應(yīng)用及質(zhì)量問題，近年來國內(nèi)外相應(yīng)頒布了一些技術(shù)標準對避雷器或其比例單元、電阻片等進行檢測，典型如國際電工委員會IEC 60099-4和GB/T 11032—2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》，對交流無間隙金屬氧化物避雷器的標準額定值、運行條件、殘壓試驗和大電流沖擊耐受試驗等進行了規(guī)定，其中對其大電流沖擊耐受能力有明確要求。國內(nèi)10 kV配電系統(tǒng)用避雷器的大電流沖擊耐受試驗要求是4/10 μs電流波形，65 kA耐受2次，用于試驗避雷器在遭受直擊雷時的可靠性，是確保避雷器安全可靠運行的重要考核指標[3-6]。一般標準規(guī)定是在避雷器的氧化鋅電阻片，即比例單元上進行試驗。

近年來，研究人員針對氧化鋅避雷器雷電流沖擊特性的研究，往往是從比例單元的角度出發(fā)，開展了相關(guān)的特性研究，如國內(nèi)外學(xué)者開展了不同雷電流沖擊對氧化鋅避雷器影響的研究[7]；關(guān)于ZnO避雷器電阻片在脈沖電流沖擊衰老下，泄漏電流諧波特性的研究[8]；配網(wǎng)線路避雷器電阻片90/200 μs沖擊電流耐受特性試驗研究[9]；自然雷電下，氧化鋅避雷器殘壓特征分析[10]等研究工作，對于整只避雷器，開展的相關(guān)試驗工作還較少。

開展配網(wǎng)避雷器整只試驗，更有利于考核避雷器的整體性能，由于電阻片與絕緣外套之間存在絕緣界面及電阻片直徑過小等原因，因此僅僅從比例單元去分析避雷器的大電流沖擊耐受特性不夠。筆者從整只氧化鋅避雷器的角度出發(fā)，針對配電避雷器的大電流沖擊耐受特性設(shè)計開展試驗。試驗選取了5個廠家的試品進行4/10 μs大電流沖擊耐受試驗，檢測其在大電流沖擊作用后是否符合標準要求，并對損壞的試品進行破壞性分析，并給出相關(guān)建議。

1 試品介紹與試驗方法

根據(jù)試驗研究需要，選定了5個常用避雷器廠家生產(chǎn)的全新10 kV復(fù)合外套金屬氧化物避雷器，試品編號分別為LW；HD；YNE；DZ；JG。見圖1。上述5個廠家的避雷器試品型號均為YH5WS1-17/50。試驗前依次測量試品的基本參數(shù)，其直流參考電流1 mA下的參考電壓U1mA及0.75倍直流參考電壓下泄漏電流測試結(jié)果見表1，均滿足標準要求。表2給出了不同廠家避雷器內(nèi)部電阻片尺寸信息，可以看出，不同廠家的氧化鋅電阻片直徑、高度和質(zhì)量信息差別比較大，其中直徑最大的超過34 mm，最小的僅為27.4 mm。

試驗采用沖擊電流發(fā)生器來產(chǎn)生所需的4/10 μs沖擊大電流波形，試驗回路接線及原理圖見圖2。

圖1 YNE/HD/DZ/JG/LW的產(chǎn)品外觀圖Fig.1 Physical photo of YNE/HD/DZ/JG/LW

表1 測試試品的直流參考電壓和泄漏電流Table 1 DC reference voltage and leakage current of test arrester

表2 測試試品單個電阻片尺寸信息Table 2 Valve plate size information of test arrester

圖2 試驗原理圖Fig.2 Principle diagram of test circuit

該回路的基本原理是簡單的RLC電路和電容器組C的充電電路，其中G為放電球隙，D為硅堆。工作時由充電變壓器向電容器組C充電，充好電后，通過觸發(fā)脈沖到球隙中，使球隙放電。于是電容器組C經(jīng)過電阻、電感向試品放電，形成4/10 μs沖擊電流波形。該發(fā)生器最高充電電壓可達200 kV，因此能夠?qū)φ?0 kV避雷器進行4/10 μs大電流沖擊耐受試驗。

測試過程中采用Person線圈測量雷電流波形，分壓器同時測量的避雷器的殘壓，采用泰克DPO3012示波器記錄整只避雷器的沖擊大電流和電壓波形，采用福祿克紅外測溫儀測試試驗后避雷器溫度。

2 試驗結(jié)果與分析

依照標準要求依次對每個試品進行大電流沖擊耐受試驗，每次沖擊完成后立即采用測溫儀測量避雷器表面的溫度，等待試品表面溫度冷卻到室溫后再進行下一次沖擊試驗，完成單個避雷器試品的沖擊測試后，記錄避雷器的破壞情況，不同試品測量得到的典型沖擊大電流波形見圖3。

圖3 不同試品大電流沖擊試驗電流及電壓波形Fig.3 The impulse current and voltage waveform of different test arrester

根據(jù)所測試的電壓、電流波形曲線，再次計算出耐受能量大小具體結(jié)果見表3。試驗過程中考慮到不同廠家試品電阻片特性不同，選擇YNE廠家避雷器來進行波形和幅度調(diào)試，調(diào)試好波形和幅度后，在此條件下依次對每個試品進行沖擊大電流試驗。

表3 不同廠家避雷器大電流沖擊耐受試驗結(jié)果Table 3 The testing result of different manufacturers’arrester in high current impulse withstand test

由表3可知，被測試品每次耐受標準所規(guī)定的 沖擊大電流時，其所承受的能量在34～38.8 kJ，耐受的雷電流幅值在42.3～63.2 kA，由此可見，在主電容器充電電壓幅度相同的情況下，不同廠家避雷器在沖擊大電流試驗時表現(xiàn)出來的沖擊阻抗特性不同，其中HD避雷器沖擊阻抗最大（對應(yīng)電流最小為42.3 kA），通過溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，耐受第一次沖擊大電流試驗時，幾乎所有避雷器的溫升都超過50℃，耐受最后一次沖擊時，所有避雷器的表面溫度都超過100℃。考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)，密封在內(nèi)部的氧化鋅電阻片的溫度可能會更高，其中LW試品由于發(fā)生炸裂，直接測量避雷器電阻片上的溫度高達160℃。

為了更好地量化描述試驗后的避雷器狀態(tài)，我們將避雷器的狀態(tài)分為4個等級，包括正常狀態(tài)和3個損壞狀態(tài)：正常（避雷器的外觀無損壞，參數(shù)測試結(jié)果無異常）；輕度損傷（避雷器的外觀無損壞，參數(shù)測試結(jié)果異常）；中度損傷（避雷器發(fā)生爆裂，但電阻片外觀大部分基本完好）；重度（避雷器發(fā)生爆炸，分散成數(shù)個組織，內(nèi)部電阻片結(jié)構(gòu)破損）。下面依據(jù)劃分的避雷器損壞程度，對實驗中受到損壞的避雷器進行統(tǒng)計和區(qū)分。

YNE、JG和DZ 3個廠家的試品經(jīng)過2次沖擊大電流耐受試驗情況下外觀都未發(fā)生明顯損壞，而LW和HD兩個廠家的試品在試驗過程中發(fā)生拉爆裂，LW試驗后，避雷器發(fā)生爆炸，分散成多個結(jié)構(gòu)，但電阻片大部分基本完好，屬于中度損壞的避雷器。而HD試品發(fā)生粉碎性爆裂損壞，避雷器分散成數(shù)個組織，內(nèi)部電阻片結(jié)構(gòu)破損嚴重，見圖4，屬于重度損壞的避雷器。

圖4 LW和HD試驗后狀態(tài)圖Fig.4 Post-test state picture of LW and HD

試驗后，有3個廠家試品外觀未發(fā)現(xiàn)明顯破損，再次檢測直流1mA參考電壓U1mA和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流見表4。3個廠家試品的U1mA電壓幅度都出現(xiàn)明顯降低（20%左右），都低于標準要求的U1mA＞25 kV，而0.75倍直流參考電壓下泄漏電流都明顯增大（超過20 μA），其中DZ-2的0.75倍直流參考電壓下泄漏電流變化量超過了50 μA，由測試結(jié)果可知，試驗后YNE、JG和DZ 3個廠家的試品都出現(xiàn)不同程度的劣化，其電氣參數(shù)U1mA和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流都已超過標準中規(guī)定的值，為不合格產(chǎn)品。

表4 大電流沖擊耐受試驗前后U1mA電壓和泄漏電流測試結(jié)果Table 4 The test result of U1mA voltage and leakage current before and after high current impulse withstand test

本次試驗的5個不同廠家避雷器在大電流沖擊耐受試驗后，全部都失效，其中2個廠家試品直接發(fā)生爆裂，一般認為避雷器電阻片直徑越大，其耐受雷電沖擊能力越強，從試驗情況看，LW避雷器其電阻片直徑超過34 mm，仍然不能通過沖擊大電流耐受試驗，更何況小尺寸電阻片避雷器。

從試驗的情況看，10 kV避雷器整只4/10 μs大電流沖擊能力和單片電阻片還是存在較大的差別，電阻片能夠通過大電流沖擊耐受試驗，而避雷器進行整只試驗時，往往會通不過，現(xiàn)行標準下針對氧化鋅避雷器電阻片的大電流沖擊耐受特性試驗和整只避雷器現(xiàn)場運行情況并不等效。避雷器一般由幾片電阻片串聯(lián)組成，單個電阻片的通流能力不能簡單等效多個串聯(lián)電阻片的通流能力，兩者的試驗差異與避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素密切相關(guān)。

通過本次沖擊大電流特性試驗測試表明，5個廠家的整只避雷器沖擊大電流耐受能力均不能達到標準要求。這也從一方面解釋了通過比例單元（電阻片）殘壓特性試驗測試的避雷器在現(xiàn)場運行中故障率仍然較高的原因。

3 結(jié)論

通過對現(xiàn)行市面上5個廠家常見10 kV氧化鋅避雷器進行整只沖擊大電流沖擊耐受試驗，結(jié)果顯示，10 kV避雷器整只4/10 μs大電流沖擊耐受能力較差，所有廠家的試品都不能達到國標規(guī)定的相關(guān)要求，其中2個廠家避雷器在試驗過程中發(fā)生爆裂，其余3個廠家避雷器在試驗后，其U1mA大幅降低，對應(yīng)0.75倍U1mA下的泄漏電流急劇增大。試驗結(jié)果表明，整只避雷器開展的大電流沖擊耐受特性試驗更能反映避雷器的現(xiàn)場運行情況，應(yīng)該加強對整只避雷器的大電流沖擊檢測。

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