蔡漢生，賈 磊，廖民傳，徐 迪，郭 潔

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510663；2.西安交通大學(xué)，西安 710049）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)運(yùn)行中主要采用避雷器來限制變電站和線路的過電壓水平，具有良好的過電壓防護(hù)效果[1-4]。金屬氧化物避雷器在電力系統(tǒng)中使用時(shí)通常不帶串聯(lián)間隙，長(zhǎng)期承受工作電壓和間歇地承受不同幅值和脈寬的瞬時(shí)雷電過電壓和操作過電壓的作用，使其電氣性能發(fā)生劣化以至失效[5-6]。

當(dāng)避雷器發(fā)生劣化時(shí)，將不能起到抑制過電壓的作用，進(jìn)而嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。由于雷電沖擊的隨機(jī)性與復(fù)雜性，避雷器的劣化與多種因素有關(guān)，但不同間隔時(shí)間的多次沖擊會(huì)對(duì)避雷器的壽命造成不同影響[7-8]，筆者通過一系列壽命極限試驗(yàn)，探討8/20 μs，10 kA雷電沖擊下氧化鋅電阻片的沖擊劣化與沖擊次數(shù)和時(shí)間間隔的關(guān)系。

氧化鋅電阻片（以下簡(jiǎn)稱MOV）沖擊老化的機(jī)理主要是熱老化[9]。沖擊電流作用下，短時(shí)間內(nèi)將有高密度的能量流入MOV。其吸收沖擊能量后的升溫過程可近似看作絕熱溫升。沖擊老化會(huì)對(duì)MOV帶來較大的損壞，多次沖擊將會(huì)對(duì)其劣化存在累積效應(yīng)，最終導(dǎo)致MOV失效[10-12]。

前蘇聯(lián)研究人員對(duì)MOV的劣化進(jìn)行了長(zhǎng)期試驗(yàn)?zāi)M研究提出：MOV的老化速度與雷電沖擊負(fù)荷大小及次數(shù)有關(guān)[13]，當(dāng)雷電沖擊負(fù)荷越大次數(shù)越多時(shí)，MOV劣化越快。MOV劣化程度可通過殘壓、交流U1mA、直流U1mA、泄漏電流及功率損耗等參數(shù)來反映[14]。

1 原理

避雷器產(chǎn)品中用到的氧化鋅電阻片大多被制成圓餅狀或環(huán)餅狀[15]。由于配方、制造工藝的不同，會(huì)導(dǎo)致規(guī)格相同的電阻片參數(shù)存在一定的差異。本文選取不同廠家同一配方不同規(guī)格的電阻片?52 mm、?72 mm，研究在0.8荷電率10 kA、8/20 μs下以連續(xù)沖擊1次、3次、5次為一組時(shí)MOV的劣化程度。組內(nèi)每次間隔時(shí)間為50～60 s，每?jī)山M之間待試品溫度降至室溫后再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。試驗(yàn)采用以高壓整流電壓作為充電電流的沖擊電流發(fā)生器[16]，基本回路見圖1。

圖1 沖擊電流發(fā)生器回路Fig.1 Impact current generator circuit

充電回路包括變壓器T、保護(hù)電阻R1、硅堆D；放電回路包括大容量電容器C、點(diǎn)火球隙G、回路總電感L、總電阻值R以及試品O；測(cè)量系統(tǒng)包括Rogowski線圈N、分壓器及示波器。

沖擊電流發(fā)生器實(shí)際上是個(gè)RLC放電回路，對(duì)應(yīng)的二階微分方程為[17]

其特征方程為

特征根為

按回路阻尼條件的不同，放電可以分為以下3種情況：

電流達(dá)到最大值的時(shí)刻為

電流峰值為

放電電流為

電流達(dá)到最大值的時(shí)刻為

電流峰值為

放電電流為

電流達(dá)到最大值的時(shí)刻為

電流峰值為

沖擊電流波形要求回路一般工作在欠阻尼狀態(tài)[18-20]。8/20 μs沖擊電流發(fā)生器回路參數(shù)見表1。

表1 8/20 μs沖擊電流發(fā)生器回路參數(shù)Table 18/20 μs impact current generator circuit parameters

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了避免個(gè)體電阻片性能的差異，每種規(guī)格選取數(shù)量為3片，并將各電阻片殘壓按電阻片厚度修正后求均值，使得試驗(yàn)結(jié)論適用于35～500 kV系統(tǒng)，試品選用D52、D72電阻片。結(jié)合全國(guó)雷區(qū)劃分，以每組沖擊5次代表強(qiáng)雷區(qū)雷電活動(dòng)情況，以每組沖擊3次代表中雷區(qū)雷電活動(dòng)情況，以每組沖擊1次代表少雷區(qū)雷電活動(dòng)情況。沖擊試驗(yàn)前先對(duì)電阻片的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，并控制之后試驗(yàn)組與組之間的時(shí)間間隔，使得電阻片特征恢復(fù)到最短時(shí)間，電阻片恢復(fù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。沖擊電流波形為8/20 μs，波頭時(shí)間tf誤差控制在10%以內(nèi)，半峰時(shí)間tt誤差控制在20%以內(nèi)[21-22]，沖擊電流幅值10 kA下的殘壓變化見圖2和圖3。

表2 8/20 μs沖擊電流下電阻片恢復(fù)時(shí)間Table 2 Resistors recovery time under 8/20 μs lightning shock min

圖2 D52電阻片殘壓隨總沖擊次數(shù)變化Fig.2 Change of D52 resistors residual voltage with impact frequency

圖3 D72電阻片殘壓隨總沖擊次數(shù)變化Fig.3 Change of D72 resistors residual voltage with impact frequency

依據(jù)GB 11032對(duì)電阻片劣化的規(guī)定：殘壓變化大于等于5%時(shí)，即認(rèn)為電阻片劣化，從圖2、圖3中可明顯看出，隨著每組沖擊次數(shù)的增加，電阻片的劣化呈現(xiàn)變緩的趨勢(shì)，其中每組1次沖擊時(shí)電阻片的劣化最為明顯；而當(dāng)總沖擊次數(shù)增加時(shí)，電阻片的劣化進(jìn)程將會(huì)變快，由于受能量密度影響，D72的電阻片劣化速度沒有D52的快。

因此以D52電阻片作為研究對(duì)象，殘壓、交流U1mA、直流U1mA、泄漏電流及功率損耗變化規(guī)律見圖4。

圖4 D52電阻片特征參量隨總沖擊次數(shù)變化Fig.4 Change of D52 resistors characteristic parameters with impact frequency

由圖4中可看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，電阻片殘壓、交流U1mA、直流U1mA、泄漏電流及功率損耗等參量均有升高，其中泄漏電流的變化最為明顯，因此可以利用泄漏電流的變化情況作為判斷電阻片劣化的依據(jù)。當(dāng)電阻片吸收能量增加時(shí)，溫度將會(huì)升高，從而使電阻片肖特基勢(shì)壘畸變，導(dǎo)致功率損耗增加。

D52泄漏電流隨沖擊次數(shù)變化規(guī)律見圖5。

圖5 D52電阻片泄漏電流隨總沖擊次數(shù)變化Fig.5 Change of D52 resistors leak current with impact frequency

由圖5可看出，隨著雷電沖擊次數(shù)的增加，電阻片泄漏電流先呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，之后出現(xiàn)劇增，此時(shí)電阻片性能已劣化。電阻片泄漏電流包括阻性分量和容性分量，當(dāng)電阻片劣化時(shí)，阻性分量增加，使電阻片發(fā)熱，當(dāng)超過其自身散熱能力時(shí)，將進(jìn)一步導(dǎo)致溫度升高，最終形成“熱崩潰”導(dǎo)致絕緣擊穿。

3 結(jié)論

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

1）隨著雷電沖擊次數(shù)的增加，電阻片殘壓、交流U1mA、直流U1mA、泄漏電流及功率損耗均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，當(dāng)出現(xiàn)劇增轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為電阻片性能明顯劣化。

2）隨著每組沖擊次數(shù)的增加殘壓、交流U1mA、直流U1mA、泄漏電流及功率損耗的增長(zhǎng)呈現(xiàn)變緩趨勢(shì)，其中每組1次的劣化現(xiàn)象最為明顯。

3）在能夠表征電阻片劣化的特征參量中，泄漏電流的變化最為明顯，因此可以依據(jù)泄漏電流的變化判斷電阻片的劣化情況。