王陸璐，黃佳瑞，陳 立，萬 克，左中秋

(中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074)

0 引言

為響應(yīng)“雙碳”的發(fā)展戰(zhàn)略目標，國網(wǎng)各機構(gòu)對于供電安全可靠性提出了更高的要求。避雷器作為不可缺少的重要防護設(shè)備，其性能直接關(guān)系到線路和設(shè)備的安全可靠運行。GB/T 11032標準是無間隙金屬氧化物避雷器的核心標準，其中規(guī)定避雷器的大電流沖擊耐受試驗在其核心元件電阻片制成的熱比例單元或介電特性比例單元上進行。但在實際工程以及國網(wǎng)、南網(wǎng)到貨檢驗中，已經(jīng)多次發(fā)現(xiàn)通過型式試驗的避雷器并不能通過整支避雷器的大電流沖擊耐受試驗[1]。目前輸電線路中50%以上的雷擊故障是由線路避雷器耐受大電流沖擊失效引起的，整支避雷器耐受大電流沖擊后出現(xiàn)炸裂、鼓包，嚴重降低輸電線路安全運行的可靠性，尤其在地閃密度較大的區(qū)域，線路繞擊雷更為頻發(fā)，避雷器的可靠動作是線路穩(wěn)定運行的重要保障。

國內(nèi)已有少量關(guān)于配網(wǎng)避雷器整支大電流沖擊耐受能力研究的報道，研究發(fā)現(xiàn)配網(wǎng)避雷器的大電流沖擊耐受能力極差，整支避雷器的試驗通過率非常低。初步研究認為：波形較陡的大電流沖擊對避雷器的不同介質(zhì)界面的介電性能要求很高，而配電避雷器由于成本原因，內(nèi)部界面加工工藝普遍不高，導(dǎo)致配電避雷器無法耐受大電流沖擊[2-15]。

實際上，避雷器的大電流沖擊耐受性能除了與其核心元件電阻片性能有關(guān)，還與整支避雷器的其他屬性密切相關(guān)[16-20]。目前對于GB/T 11032-2020標準規(guī)定的介電特性比例單元試品、避雷器用電阻片以及整支避雷器本身在大電流沖擊下的性能比較還未見報道。因此，為了明晰導(dǎo)致整支避雷器4/10 μs大電流沖擊耐受失效的原因，檢驗標準規(guī)定的大電流沖擊耐受試驗試品等價性，提升入網(wǎng)避雷器質(zhì)量。筆者以10 kV配電系統(tǒng)用瓷外套、復(fù)合外套避雷器為研究對象，采用試驗手段研究其核心元件電阻片、介電特性比例單元及整支避雷器的大電流沖擊耐受能力；對比不同結(jié)構(gòu)的配電避雷器耐受大電流沖擊的能力，分析影響10 kV配電避雷器大電流沖擊耐受能力的因素，從而為優(yōu)化避雷器的試驗標準，為電網(wǎng)用戶選擇性能優(yōu)良的避雷器提供技術(shù)支撐[21-28]。

1 配電避雷器的典型結(jié)構(gòu)

配電系統(tǒng)用避雷器的結(jié)構(gòu)主要由以下幾個組部件組成：1)金屬氧化物電阻片柱；2)電氣絕緣及機械支撐絕緣件；3)瓷外套或復(fù)合外套；4)端部電極、接線端子等其他金具。按照外套材質(zhì)分類，避雷器可分為瓷套避雷器和復(fù)合外套避雷器。配電系統(tǒng)用瓷外套避雷器的結(jié)構(gòu)相對單一，金屬氧化物電阻片柱由幾根絕緣拉桿固定形成芯體，芯體與瓷外套之間有氣體空間。配電系統(tǒng)用復(fù)合外套避雷器的結(jié)構(gòu)相對瓷外套更豐富一些，主要可以分為以下3種設(shè)計結(jié)構(gòu)：

1)管型設(shè)計

管型設(shè)計的避雷器內(nèi)部有封閉的氣體空間，可以設(shè)置獨立的密封系統(tǒng)和壓力釋放裝置，外套為空心復(fù)合絕緣子(由環(huán)氧玻璃絲管、復(fù)合材料傘套及法蘭組成)。外部傘套可直接模壓在環(huán)氧玻璃絲管上，或者傘套作為部件，采用某種工藝套接在環(huán)氧玻璃絲管外部。避雷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和介質(zhì)通常與瓷外套避雷器類似，其典型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 管型設(shè)計避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of tubular design arrester

2)纏繞型設(shè)計

纏繞型設(shè)計的避雷器機械支撐部分使用玻璃纖維增強塑料(FRP)纏繞型結(jié)構(gòu)，見圖2?？梢杂铆h(huán)氧樹脂浸透玻璃絲，也可以用預(yù)浸漬網(wǎng)、浸漬帶纏繞在電阻片柱上，然后高溫固化而成。所制成的纏繞管，可以完全包裹電阻片柱(可以預(yù)留薄弱點，例如網(wǎng)格式纏繞等，以保證在避雷器過載時外套能夠迅速撕裂，快速釋放短路能量)，也可以預(yù)留“窗口”。也可以用一個預(yù)制的FRP管套在電阻片柱上，兩者之間的空隙可用絕緣材料進行填充。

圖2 纏繞型設(shè)計避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of winding design arrester

3)籠型設(shè)計

通過玻璃纖維增強塑料(FRP)制成的網(wǎng)或棒或板將金屬氧化物電阻片柱固定。電阻片本身即作為機械支持結(jié)構(gòu)的一部分，而FRP形成一個開放的籠子。另外還可能再用環(huán)氧玻璃絲帶纏繞玻璃鋼籠子以增加機械強度，改善短路性能。外部硅橡膠傘裙直接模壓在模件上，其籠型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 籠型設(shè)計避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of cage design arrester

2 試品要求及試驗方法

2.1 標準規(guī)定的試品要求

GB/T 11032-2020標準要求大電流沖擊耐受試驗的試品可以是介電特性比例單元或整支避雷器。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受試驗條件限制，目前型式試驗、到貨抽檢試驗中并未在整支避雷器上完成大電流沖擊耐受試驗，而是在介電特性比例單元或電阻片上進行的。標準規(guī)定介電特性比例單元要能夠完全還原整支避雷器的材料介電特性，其截面尺寸、材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)與避雷器一致，包括電阻片、外套和支撐結(jié)構(gòu)等[1]。該比例單元在截面尺寸、材料等方面應(yīng)是避雷器的復(fù)制，其應(yīng)包含機械支撐結(jié)構(gòu)，以及在避雷器中分布安裝的部件(如支撐件和墊片)，電阻片芯體周圍應(yīng)有與避雷器內(nèi)部相同的介質(zhì)。避雷器制造廠在制備這種介電特性比例單元樣品時往往存在困惑，不知如何實現(xiàn)，或制作的介電特性比例單元并不規(guī)范，不滿足標準要求。而直接使用電阻片作為試品則更不滿足GB/T 11032-2020標準對于避雷器大電流沖擊耐受試驗的樣品要求。

大電流沖擊耐受試驗除了考核電阻片的耐受能力外，更是對避雷器內(nèi)部兩個接觸面耐受性能的考核。這兩個介質(zhì)接觸面分別是：1)金屬氧化物與絕緣釉面間的接觸面。電阻片的結(jié)構(gòu)是由金屬氧化物部分和絕緣釉部分構(gòu)成；2)電阻片側(cè)面釉與絕緣材料的接觸面。當(dāng)這兩個接觸面存在缺陷時，避雷器就難以通過大電流沖擊耐受試驗。使用電阻片進行試驗僅考核了接觸面1)的耐受性能，忽視了接觸面2)的存在。以標準的介電特性比例單元和整支避雷器作為樣品才能實現(xiàn)對全部兩種接觸面的考核。

為了充分研究影響配電避雷器大電流沖擊耐受能力的因素，試品采用以下幾類：1)整支避雷器，包括瓷外套和復(fù)合外套避雷器兩種，其中復(fù)合外套避雷器又包含管型、纏繞型和籠型3種設(shè)計；2)電阻片；3)介電特性比例單元(嚴格按標準制備)。按照標準分類，避雷器內(nèi)部有氣體通道結(jié)構(gòu)的為設(shè)計A，無氣體通道的實心結(jié)構(gòu)為設(shè)計B。瓷套、復(fù)合套管型屬于設(shè)計A，復(fù)合套纏繞型、籠型屬于設(shè)計B。纏繞型結(jié)構(gòu)的復(fù)合外套避雷器對應(yīng)的介電特性比例單元結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 介電特性比例單元結(jié)構(gòu)示意圖(纏繞型結(jié)構(gòu)避雷器)Fig.4 Schematic diagram of proportional element structure of dielectrically prorated section for winding structure arrester

試驗選用參與過國網(wǎng)公司投標的A～F共6家制造廠生產(chǎn)共15種避雷器及其電阻片、介電特性比例單元為試品進大電流沖擊耐受試驗，試品信息見表1。對比不同結(jié)構(gòu)的整支配電避雷器的耐受性能；對比整支避雷器、介電特性比例單元及其電阻片三者作為試驗樣品的大電流耐受性能差異。

表1 試品信息表Table 1 Test samples information sheet

續(xù)表1

2.2 試驗方法

15種整支避雷器，每種采用3只試品進行試驗。每只試品需耐受兩次65 kA 4/10 μs大電流沖擊，不應(yīng)出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)等損壞，兩次沖擊之間試品應(yīng)冷卻到環(huán)境溫度。試驗前后測量每只試品的標稱放電電流殘壓，其變化率不超過±5%。試驗在環(huán)境溫度20 ℃±15 K下進行。

同一制造廠生產(chǎn)的同規(guī)格電阻片為相同試品，6家企業(yè)共計7種電阻片試品，同樣每種電阻片采用3只進行上述程序的試驗。

由于瓷外套和管型復(fù)合外套避雷器中的電阻片不與其他材料直接接觸，電阻片周圍介質(zhì)為空氣或氮氣，其介電特性比例單元可用電阻片本身替代。而纏繞型、籠型設(shè)計的復(fù)合外套避雷器需按要求制作介電特性比例單元進行試驗，在表1中已標出。6家制造廠共計10種介電特性比例單元試品，同樣每種比例單元采用3只試品進行上述程序的試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 整支避雷器試驗結(jié)果

15種共45只避雷器的65 kA大電流沖擊耐受試驗結(jié)果見表2。A企業(yè)避雷器包含復(fù)合外套杜立頓纏繞型和瓷外套型兩種結(jié)構(gòu)，電阻片規(guī)格均為30×30 mm，3種類型試品全部在第一次大電流沖擊時炸裂損壞，無法進行第二次大電流沖擊。B企業(yè)的B-002管型避雷器有兩只試品通過試驗，B-003籠型避雷器有一只試品通過試驗，B-001無緯帶纏繞型避雷器均未通過大電流試驗，其中有1只試品耐受了1次大電流沖擊。C企業(yè)的C-001管型避雷器和C-003籠型結(jié)構(gòu)避雷器各有1只試品通過試驗，C-002無緯帶纏繞型避雷器均未通過大電流試驗。D企業(yè)的D-001瓷套避雷器有2只通過試驗，D-002復(fù)合外套管型避雷器有1只通過試驗。E企業(yè)兩種無緯帶纏繞型避雷器均未通過試驗。F企業(yè)的無緯帶纏繞型和籠型避雷器也均未通過試驗。未通過試驗的避雷器均發(fā)生了不同程度的炸裂損壞，見圖5。

圖5 試驗中避雷器損壞照片F(xiàn)ig.5 The photos of the arrester damage during the tests

由表2可知，杜立頓纏繞型復(fù)合外套避雷器的大電流通過率為0，瓷套結(jié)構(gòu)避雷器的試驗通過率為33.33%，無緯帶纏繞型復(fù)合外套避雷器的試驗通過率為0，管型復(fù)合外套避雷器的試驗通過率為44.44%，籠型復(fù)合外套避雷器的試驗通過率為22.22%。表2中“×”表示未通過，“√”表示通過,下同。

表2 整支避雷器大電流沖擊耐受試驗結(jié)果Table 2 High current impulse withstand test results of the whole arrester

3.2 介電特性比例單元試驗結(jié)果

設(shè)計B類避雷器的10種共30只介電特性比例單元的65 kA大電流沖擊耐受試驗結(jié)果見表3。全部試品均未能耐受兩次大電流沖擊，其中纏繞型結(jié)構(gòu)的比例單元和整支避雷器一樣，試驗通過率為0；籠型結(jié)構(gòu)的比例單元試驗通過率也為0，低于籠型整支避雷器的試驗通過率。

表3 介電特性比例單元大電流沖擊耐受試驗結(jié)果Table 3 The high current impulse withstand test results of dielectrically prorated section

3.3 電阻片試驗結(jié)果

6家企業(yè)共7種電阻片的大電流沖擊耐受試驗結(jié)果見表4。從表中可以看出規(guī)格為30×30 mm和30×26 mm的電阻片全部未通過65 kA大電流沖擊試驗，規(guī)格為35×24 mm的電阻片全部通過試驗，B企業(yè)和E企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格為32×24 mm電阻片分別有1只和2只通過試驗， C企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格為32×21 mm電阻片全部通過試驗，D企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格為31×24 mm電阻片有兩片耐受了第一次大電流沖擊，但在第二次沖擊時全部損壞。

表4 電阻片大電流沖擊耐受試驗結(jié)果Table 4 The high current impulse withstand test results of resistors

3.4 大電流沖擊耐受試驗試品等價性分析

從上述試驗結(jié)果可見，設(shè)計B結(jié)構(gòu)的整支避雷器、介電特性比例單元及其電阻片3種試品表現(xiàn)出的大電流沖擊耐受能力不同。電阻片的65 kA大電流沖擊耐受能力明顯優(yōu)于介電特性比例單元和整支避雷器。其原因在于介電特性比例單元和整支避雷器在結(jié)構(gòu)上除了有電阻片外，還包含有與電阻片緊密相接的絕緣介質(zhì)材料、外套、機械支撐結(jié)構(gòu)等，這些介質(zhì)和材料的大電流耐受能力和制作工藝對試品整體的大電流耐受性能起著重要作用。因此，僅用電阻片大電流耐受能力來驗證避雷器的耐受能力是不科學(xué)、不等價的。對于設(shè)計A結(jié)構(gòu)的避雷器，因該結(jié)構(gòu)內(nèi)的電阻片不與其他材料緊密相接，電阻片周圍包裹的是空氣或氮氣，因此這種類型的避雷器大電流沖擊耐受性能可用其電阻片性能表征。

設(shè)計B結(jié)構(gòu)的介電特性比例單元的試驗結(jié)果與其整支避雷器的試驗結(jié)果相接近，僅籠型結(jié)構(gòu)的比例單元試驗通過率低于籠型整支避雷器。滿足GB/T 11032標準要求的介電特性比例單元在結(jié)構(gòu)、工藝上與整支避雷器相同，能夠代表整支避雷器的大電流耐受性能，但這種介電特性比例單元制備較麻煩，需要單獨開模具制作，費時費力且利用率不高。尤其籠型結(jié)構(gòu)避雷器的比例單元需要在小尺寸內(nèi)還原整支避雷器的籠型結(jié)構(gòu)，制作難度更大，制作工藝不良反而會降低介電特性比例單元的試驗通過率。因此，對于10 kV配電避雷器，在試驗條件允許的情況下，直接采用整支避雷器作為大電流沖擊耐受試驗試品是最科學(xué)且經(jīng)濟的。

3.5 整支避雷器大電流沖擊耐受影響因素分析

通過試驗結(jié)果可以看出，整支避雷器的大電流沖擊耐受能力受兩方面因素制約：1)電阻片尺寸及工藝；2)內(nèi)部多種材料接觸面處理的工藝。

從試驗數(shù)據(jù)上看，電阻片直徑小于32 mm的避雷器，無論試驗采用的是哪種類型的試品，其通過率都非常低，尤其規(guī)格為30×30 mm、30×26 mm的試品沒有通過任何一次65 kA的大電流沖擊考核。規(guī)格為32×24 mm的試品試驗通過率優(yōu)于直徑32 mm以下的，但不同制造廠生產(chǎn)的試品也存在性能差異。電阻片的金屬氧化物配方、工藝及側(cè)面絕緣釉的涂布工藝都對電阻片的大電流耐受性能有重要影響。電阻片規(guī)格為35×24 mm的試品試驗通過率較好，電阻片全部通過試驗，其整支避雷器僅有1次耐受大電流沖擊失敗。因此，對于10 kV配電避雷器耐受65 kA大電流沖擊的要求，選用電阻片直徑在32 mm及以上是更為穩(wěn)妥的。

從不同結(jié)構(gòu)的整支避雷器試驗結(jié)果分析：設(shè)計A類避雷器的大電流耐受能力明顯高于設(shè)計B類；設(shè)計B類中的籠型結(jié)構(gòu)避雷器優(yōu)于纏繞型結(jié)構(gòu)避雷器，其中杜立頓纏繞型結(jié)構(gòu)避雷器的大電流耐受能力最差。其原因主要是設(shè)計A類結(jié)構(gòu)避雷器中的電阻片不直接緊密地與固體絕緣材料或外套接觸，而是有空氣或氮氣等將電阻片與固體介質(zhì)材料隔開，減少了介質(zhì)材料與電阻片交界面直接耐受大電流沖擊的問題。設(shè)計B類避雷器，尤其是纏繞型避雷器中的環(huán)氧玻璃絲帶及絕緣浸漬膠通過壓緊纏繞工藝包裹在電阻片柱外層，填充了電阻片芯體與復(fù)合外套之間的空間，這種結(jié)構(gòu)對工藝要求非常高，如環(huán)氧材料與電阻片側(cè)面釉之間的接觸不密實，存在孔隙等缺陷，當(dāng)大電流通過時，這些孔隙就可能發(fā)生放電閃絡(luò)，導(dǎo)致避雷器損壞炸裂?；\型結(jié)構(gòu)避雷器采用了注膠成型工藝，但其制造過程中主要依靠高壓真空注膠技術(shù)完成，介質(zhì)材料交界面間的孔隙性缺陷問題較纏繞型小，但該問題仍然存在。

綜上，電阻片直徑大于等于32 mm的設(shè)計A類整支避雷器的大電流沖擊耐受能力更有保障，纏繞型結(jié)構(gòu)避雷器的大電流耐受能力最差。

4 結(jié)論

1) 10 kV配電避雷器大電流沖擊耐受能力的主要影響因素：①電阻片尺寸及工藝；②內(nèi)部多種介質(zhì)的接觸面處理工藝。

2)對于10 kV配電避雷器在大電流沖擊耐受能力方面，選擇電阻片直徑不小于32 mm的設(shè)計A類整支避雷器較設(shè)計B類避雷器(同電阻片尺寸時)更有保障；電阻片尺寸及其工藝相同的條件，纏繞型結(jié)構(gòu)避雷器的大電流沖擊耐受能力相對其他結(jié)構(gòu)較差。

3)目前國內(nèi)技術(shù)水平下，10 kV配電避雷器用直徑小于30 mm的電阻片無法通過大電流沖擊耐受試驗。

4)采用電阻片作為避雷器的大電流沖擊耐受試驗樣品不具備等價性。對于10 kV配電避雷器，采用整支避雷器本身作為大電流沖擊耐受試驗試品是最科學(xué)、經(jīng)濟的。