李惠庸，柴 宜

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730000）

0 引言

避雷器廣泛應(yīng)用于配電和輸電網(wǎng)絡(luò)，以防止大氣過電壓，以及由于開關(guān)或其他機(jī)械操作導(dǎo)致的過電壓[1-3]。通常，這些保護(hù)裝置的使用壽命從20年到25年不等，但是不同的環(huán)境條件對(duì)使用壽命有較大影響[4]。在配電網(wǎng)中，使用聚合物封裝的避雷器的過電壓保護(hù)措施得到了廣泛的應(yīng)用。聚合物封裝的避雷器主要部件為氧化鋅（ZnO）電阻片，由于受到環(huán)境和施加電壓的影響，導(dǎo)致氧化鋅電阻片的電氣性能老化，使得避雷器的使用壽命縮短[5-7]。

從改進(jìn)避雷器設(shè)計(jì)和提高避雷器制造工藝的角度來看，避雷器的老化是一個(gè)必須考慮的問題，因此需要了解其老化的原因和機(jī)理[8-9]。研究表明，造成避雷器老化的主要原因是熱老化，當(dāng)避雷器的溫度上升時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱老化。引起避雷器溫度上升的原因是避雷器泄漏電流增加，從而導(dǎo)致溫度升高[10-11]。由于泄漏電流的增加引起避雷器長(zhǎng)度的電壓分布變化以及避雷器電阻元件中的3次諧波分量增加，這是導(dǎo)致避雷器熱老化主要機(jī)理[12]。

筆者提出了一種對(duì)ZnO的熱老化分析的仿真方法。利用其電氣參數(shù)對(duì)避雷器進(jìn)行電涌仿真，建立了其包括電阻和電容的等效電路模型，并對(duì)其泄漏電流波形進(jìn)行了分析。通過仿真得到的總電流的V-I特性和諧波分量的變化，可對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

筆者使用Matlab軟件來對(duì)ZnO塊進(jìn)行仿真測(cè)試，并開發(fā)了一種算法來模擬由非線性參數(shù)組成的ZnO塊的等效電路模型，最后對(duì)基于該電路模型的ZnO塊V-I曲線和泄漏電流波形進(jìn)行討論和分析。

1 等值電路

圖1所示的金屬氧化物避雷器的等值電路由代表MO元件的電阻和電容網(wǎng)絡(luò)組成[13]。由圖1可知，金屬氧化物避雷器等值電路表示為與溫度和電壓相關(guān)的電阻R和C的并聯(lián)組合。其中R是高度非線性的，其值范圍從低電壓下的幾兆歐姆到高電壓下的幾歐姆。在高電壓下C也是非線性的[14-17]。

圖1 等效電路Fig.1 Equivalent Circuit

電阻和電容值在不同電壓和不同溫度下（20℃，65℃，110℃，132℃）給出向量矩陣形式作為輸入的MATLAB程序。R和C作為電壓和溫度的函數(shù)，見圖2。

圖2 不同溫度下電阻和電容隨電壓的變化曲線Fig.2 R and C as functions of voltageat different temperatures

應(yīng)用于ZnO塊的電壓源具有正弦波形。電壓源的函數(shù)為v（t）=Vmsin（wt），輸入電壓峰值為Vm。

2 仿真算法

用于獲得ZnO塊的各種特性的算法見圖3[18-19]。

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart

施加電壓的峰值、電阻R和電容C的數(shù)值以矢量矩陣形式輸入。由阻值和容值計(jì)算電導(dǎo)（G=1/R）和電納（B=wC）的向量值。

以每秒3200個(gè)采樣率對(duì)輸入正弦電壓進(jìn)行采樣。在電壓波形的一個(gè)周期中將會(huì)有64個(gè)樣本。計(jì)數(shù)器A被初始化用以計(jì)數(shù)樣本的數(shù)量。對(duì)應(yīng)于每個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)電壓為p=Vmsin[（2π/64）A]。瞬時(shí)電壓存儲(chǔ)在矢量VOLT中，以繪制輸入波形。采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間為（0.02/64）A，該時(shí)間值被存儲(chǔ)為向量TIME。

通過對(duì)G和B曲線的插值，可以得到相應(yīng)的電壓（p）、電導(dǎo)（qr）和電納（qb）。導(dǎo)納y=qr+jqb，幅值為，角度為yang=tan-1（qb/qr）?？傠娏鞯乃矔r(shí)值為Vmsin[（2π/64）+yang]。瞬時(shí)值以向量IT的形式存儲(chǔ)。施加電壓的不同峰值被存儲(chǔ)在向量ITpeak。

3 不同溫度下V-I關(guān)系

隨著老化程度增加，ZnO中的泄漏電流增加。ZnO塊的溫度升高將V-I特性向更高的電流范圍移動(dòng)，范圍越大，表明ZnO的熱老化程度越高。模擬得到的ZnO的V-I特性見圖4。

圖4 V-I在不同溫度下的特性Fig.4 V-I characteristics at different temperatures

由圖4可知，在起始施加電壓0.345 kV的條件下，20℃時(shí)的起始泄漏電流為10 μA，132℃的泄漏電流為20 μA。而當(dāng)施加電壓增大至3.45 kV，20℃的泄漏電流增大為18.37 A，132℃時(shí)的泄漏電流增大至37.5 A。

4 泄漏電流波形

在低電壓下泄漏電流呈現(xiàn)電容性的，滯后于電壓。隨著電壓增加，泄漏電流變成電阻性的。溫度的變化對(duì)泄漏電流也有類似的影響。對(duì)于相同的電壓，如果溫度變高，則泄漏電流從電容性轉(zhuǎn)換為電阻性。不同電壓和不同溫度下的泄漏電流波形見圖5。

圖5 在20℃，65℃，110℃和132℃溫度條件以及0.8 kV、1.6 kV和2.4 kV電壓條件下的泄漏電流波形Fig.5 Current waveforms at 0.8，1.6 and 2.4 kV at 20 °C，65℃，110℃and 132℃

由圖5可知，如果溫度很高，則這種向電阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在較低的電壓下，這表明如果避雷器已處于高溫下，即使在較低的電壓下避雷器也進(jìn)入導(dǎo)通模式。

隨著溫度的增加，泄漏電流增加。不同溫度下泄漏電流變化的曲線見圖6、圖7和圖8。

從波形圖可看出，隨著施加電壓的增加，漏泄電流增加。施加2.5 kV的電壓時(shí)，電流在20℃時(shí)為電容性的，并且隨著溫度的升高，電阻性變得更大，并且在110℃和132℃的溫度下，在更高溫度下變?yōu)榉钦倚?，見圖6，圖6中，實(shí)線為實(shí)測(cè)線。

由于ZnO參數(shù)的非線性，在更高的3.05 kV和3.1 kV電壓作用下，電流波形變成非正弦曲線，見圖7和圖8，圖7和圖8中，實(shí)線為實(shí)測(cè)線。

圖6 2.5 kV施加電壓下不同溫度的泄漏電流曲線Fig.6 Current and voltage waveforms at 2.5 kV

圖7 3.05 kV施加電壓下不同溫度的泄漏電流曲線Fig.7 Current and voltage waveforms at 3.05 kV

圖8 3.1 kV施加電壓下不同溫度的泄漏電流曲線Fig.8 Current and voltage waveforms at 3.1 kV

5 結(jié)論

在本文的研究中，提出了一種用于模擬ZnO塊泄漏電流的算法。仿真得出的V-I特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。從泄漏電流波形觀察到的更高電壓和更高溫度下的ZnO塊的老化現(xiàn)象與先前研究人員得出的結(jié)論相一致。本文提出的算法可以擴(kuò)展到模擬整個(gè)避雷器。此外，通過引入避雷器表面條件實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器抗污染性能的仿真分析，以及對(duì)避雷器的諧波電流模擬分析將是下一步研究的重點(diǎn)。