避雷器雷电冲击劣化特性研究

蔡汉生，贾 磊，廖民传，徐 迪，郭 洁

（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510663；2.西安交通大学，西安 710049）

0 引言

目前，国内外电力系统运行中主要采用避雷器来限制变电站和线路的过电压水平，具有良好的过电压防护效果[1-4]。金属氧化物避雷器在电力系统中使用时通常不带串联间隙，长期承受工作电压和间歇地承受不同幅值和脉宽的瞬时雷电过电压和操作过电压的作用，使其电气性能发生劣化以至失效[5-6]。

当避雷器发生劣化时，将不能起到抑制过电压的作用，进而严重影响到电力系统的长期、稳定、可靠运行。由于雷电冲击的随机性与复杂性，避雷器的劣化与多种因素有关，但不同间隔时间的多次冲击会对避雷器的寿命造成不同影响[7-8]，笔者通过一系列寿命极限试验，探讨8/20 μs，10 kA雷电冲击下氧化锌电阻片的冲击劣化与冲击次数和时间间隔的关系。

氧化锌电阻片（以下简称MOV）冲击老化的机理主要是热老化[9]。冲击电流作用下，短时间内将有高密度的能量流入MOV。其吸收冲击能量后的升温过程可近似看作绝热温升。冲击老化会对MOV带来较大的损坏，多次冲击将会对其劣化存在累积效应，最终导致MOV失效[10-12]。

前苏联研究人员对MOV的劣化进行了长期试验模拟研究提出：MOV的老化速度与雷电冲击负荷大小及次数有关[13]，当雷电冲击负荷越大次数越多时，MOV劣化越快。MOV劣化程度可通过残压、交流U1mA、直流U1mA、泄漏电流及功率损耗等参数来反映[14]。

1 原理

避雷器产品中用到的氧化锌电阻片大多被制成圆饼状或环饼状[15]。由于配方、制造工艺的不同，会导致规格相同的电阻片参数存在一定的差异。本文选取不同厂家同一配方不同规格的电阻片ϕ52 mm、ϕ72 mm，研究在0.8荷电率10 kA、8/20 μs下以连续冲击1次、3次、5次为一组时MOV的劣化程度。组内每次间隔时间为50～60 s，每两组之间待试品温度降至室温后再进行下一组试验。试验采用以高压整流电压作为充电电流的冲击电流发生器[16]，基本回路见图1。

图1 冲击电流发生器回路Fig.1 Impact current generator circuit

充电回路包括变压器T、保护电阻R1、硅堆D；放电回路包括大容量电容器C、点火球隙G、回路总电感L、总电阻值R以及试品O；测量系统包括Rogowski线圈N、分压器及示波器。

冲击电流发生器实际上是个RLC放电回路，对应的二阶微分方程为[17]

其特征方程为

特征根为

按回路阻尼条件的不同，放电可以分为以下3种情况：

电流达到最大值的时刻为

电流峰值为

放电电流为

电流达到最大值的时刻为

电流峰值为

放电电流为

电流达到最大值的时刻为

电流峰值为

冲击电流波形要求回路一般工作在欠阻尼状态[18-20]。8/20 μs冲击电流发生器回路参数见表1。

表1 8/20 μs冲击电流发生器回路参数Table 18/20 μs impact current generator circuit parameters

2 试验数据分析

为了避免个体电阻片性能的差异，每种规格选取数量为3片，并将各电阻片残压按电阻片厚度修正后求均值，使得试验结论适用于35～500 kV系统，试品选用D52、D72电阻片。结合全国雷区划分，以每组冲击5次代表强雷区雷电活动情况，以每组冲击3次代表中雷区雷电活动情况，以每组冲击1次代表少雷区雷电活动情况。冲击试验前先对电阻片的恢复时间进行了测量，并控制之后试验组与组之间的时间间隔，使得电阻片特征恢复到最短时间，电阻片恢复时间实验数据见表2。冲击电流波形为8/20 μs，波头时间tf误差控制在10%以内，半峰时间tt误差控制在20%以内[21-22]，冲击电流幅值10 kA下的残压变化见图2和图3。

表2 8/20 μs冲击电流下电阻片恢复时间Table 2 Resistors recovery time under 8/20 μs lightning shock min

图2 D52电阻片残压随总冲击次数变化Fig.2 Change of D52 resistors residual voltage with impact frequency

图3 D72电阻片残压随总冲击次数变化Fig.3 Change of D72 resistors residual voltage with impact frequency

依据GB 11032对电阻片劣化的规定：残压变化大于等于5%时，即认为电阻片劣化，从图2、图3中可明显看出，随着每组冲击次数的增加，电阻片的劣化呈现变缓的趋势，其中每组1次冲击时电阻片的劣化最为明显；而当总冲击次数增加时，电阻片的劣化进程将会变快，由于受能量密度影响，D72的电阻片劣化速度没有D52的快。

因此以D52电阻片作为研究对象，残压、交流U1mA、直流U1mA、泄漏电流及功率损耗变化规律见图4。

图4 D52电阻片特征参量随总冲击次数变化Fig.4 Change of D52 resistors characteristic parameters with impact frequency

由图4中可看出，随着冲击次数的增加，电阻片残压、交流U1mA、直流U1mA、泄漏电流及功率损耗等参量均有升高，其中泄漏电流的变化最为明显，因此可以利用泄漏电流的变化情况作为判断电阻片劣化的依据。当电阻片吸收能量增加时，温度将会升高，从而使电阻片肖特基势垒畸变，导致功率损耗增加。

D52泄漏电流随冲击次数变化规律见图5。

图5 D52电阻片泄漏电流随总冲击次数变化Fig.5 Change of D52 resistors leak current with impact frequency

由图5可看出，随着雷电冲击次数的增加，电阻片泄漏电流先呈现缓慢增加趋势，之后出现剧增，此时电阻片性能已劣化。电阻片泄漏电流包括阻性分量和容性分量，当电阻片劣化时，阻性分量增加，使电阻片发热，当超过其自身散热能力时，将进一步导致温度升高，最终形成“热崩溃”导致绝缘击穿。

3 结论

依据试验结果及数据分析可得出以下结论：

1）随着雷电冲击次数的增加，电阻片残压、交流U1mA、直流U1mA、泄漏电流及功率损耗均呈现增加趋势，当出现剧增转折点时，认为电阻片性能明显劣化。

2）随着每组冲击次数的增加残压、交流U1mA、直流U1mA、泄漏电流及功率损耗的增长呈现变缓趋势，其中每组1次的劣化现象最为明显。

3）在能够表征电阻片劣化的特征参量中，泄漏电流的变化最为明显，因此可以依据泄漏电流的变化判断电阻片的劣化情况。