有關配電型避雷器用電阻片雷電沖擊電流耐受能力的探討

孫 泉，羅六壽，田澤群，鐘 磊

（西安高壓電器研究院有限責任公司，西安710077）

0 引言

對于配電避雷器，國際避雷器標準IEC 60099-4：2009以及國家避雷器標準GB11032-2010都以2ms方波沖擊電流考核其能量耐受能力[1-2]。此外，國內(nèi)學者也對氧化鋅避雷器或氧化鋅電阻片在不同沖擊電流下的耐受情況進行了探討[4-15]。在IEC 60099-4:2014中，以重復電荷轉(zhuǎn)移能力試驗替代了長持續(xù)電流沖擊耐受試驗，規(guī)定以8/20 μs雷電沖擊電流對配電避雷器進行考核。然而IEC 60099-4:2014中只是簡單給出了8/20 μs沖擊電流峰值與電荷量之間的轉(zhuǎn)換公式，國內(nèi)研究中，也缺乏相關討論，使國內(nèi)制造商對新舊標準之間電流值與電荷量之間的轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生了疑惑。此外，國家標準GB 11032-2010即將修訂，需要開展針對國內(nèi)配電型避雷器常用氧化鋅電阻片在8/20 μs沖擊電流下試驗情況的相關研究。

筆者用簡化的數(shù)學模型對8/20 μs沖擊電流峰值與電荷量之間的轉(zhuǎn)換進行了數(shù)學推導，在此基礎上，挑選了典型的配電型避雷器用電阻片進行了連續(xù)8/20 μs沖擊電流試驗與重復電荷轉(zhuǎn)移能量試驗，分析了試驗結(jié)果，為即將修訂的國家標準GB 11032-2010中相關內(nèi)容提供了參考。

1 8/20μs電流值與其電荷量的數(shù)學關系

8/20 μs雷電沖擊電流波形常用的的數(shù)學等效模型有3種，分別為雙指數(shù)函數(shù)波、斜角平頂波、等效余弦波[3-15]。波形所覆蓋的面積即為通過試品的電荷量，可利用積分原理，推導出電流值與其電荷量的對應關系。

筆者為簡化數(shù)學推導過程，將8/20 μs沖擊電流視為三角波，其波形如圖1所示。

圖1 簡化的8/20μs雷電沖擊電流波形Fig.1 The simplified model of 8/20 μs lightning impulse current wave

圖1中，i代表雷電沖擊電流峰值，單位為kA，t1為沖擊電流總持續(xù)時間，單位為s。

圖1中三角形的面積即為通過試品的電荷量Qrs，其計算公式：

i和t1之間存在如下關系式：

可得出：t1=32×10-6，代入式（1）可求得：

而IEC 60099—4:2014中推薦的公式為

比較式（3）與式（4），可以看出筆者依據(jù)簡化的數(shù)學模型得出的理論推導結(jié)果與IEC 60099—4:2014中給出的計算公式相同。

2 國內(nèi)配電型避雷器電阻片雷電流沖擊耐受能力探討

2.1 8/20 μs雷電沖擊電流峰值與電荷量的選取

IEC 60099-4:2014中給出了理想波形下2 ms方波沖擊電流視在峰值與電荷量之間的轉(zhuǎn)換公式。

式（5）中，ir為方波沖擊電流幅值，單位為A。

依據(jù)IEC 60099-4:2014的方法，結(jié)合式（4）與式（5），就可以推導出視在峰值持續(xù)時間為2 ms的方波沖擊電流規(guī)定值與8/20 μs沖擊電流規(guī)定電荷量、電流峰值之間的對應關系如表1所示。

由于IEC 60099-4:2014中規(guī)定，將1.1倍～1.2倍的額定電荷量作為重復電荷轉(zhuǎn)移能量試驗的規(guī)定值，因此表1中也給出了對應的1.1倍～1.2倍電流值。

表1 不同電流波形下電流值與電荷量之間的對應關系Table 1 Correspondence between current value and charge value of different current wave

國內(nèi)配電型避雷器常用電阻片的規(guī)格一般為?28 mm、?30 mm、?32 mm、?3 5mm。筆者分別挑選三個制造商的?28 mm、?30 mm和?35 mm規(guī)格的氧化鋅電阻片進行試驗。

在國內(nèi)2 ms方波沖擊電流耐受試驗中，規(guī)格為?28 mm、?30 mm的氧化鋅電阻片方波沖擊電流規(guī)定值一般為75 A～100 A，規(guī)格為?35 mm的氧化鋅電阻片方波沖擊電流規(guī)定值大多數(shù)為150 A。結(jié)合表1，同時考慮嚴苛的情況，對于?28 mm、?30 mm的電阻片，筆者選擇峰值為11.2 kA和14.9 kA的8/20 μs雷電沖擊電流進行試驗，對于?35 mm的電阻片，筆者選擇峰值為14.9 kA、18.6 kA、22.3 kA的雷電沖擊電流進行試驗。

2.2 試驗程序

為了從嚴考核，在每個制造商的?28mm、?30mm和?35 mm規(guī)格的氧化鋅電阻中隨機選取5只進行連續(xù)20次8/20 μs雷電沖擊電流試驗，試驗電流值如2.1節(jié)所述，施加每次沖擊電流的間隔為1 min，如果某個制造商的電阻片中有至少一只電阻片在試驗過程中發(fā)生擊穿或者閃絡，則重新隨機挑選該制造商的另外5只同規(guī)格、同批次的電阻片按照IEC 60099-4:2014中重復電荷轉(zhuǎn)移能量試驗的程序、以相同的電流值進行試驗直至試驗結(jié)束。試驗流程圖如圖2所示。

2.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2-表4、圖3-圖4所示。

圖2 試驗流程圖Fig.2 Test flow diagram

圖3 ?28 mm、?30 mm氧化鋅電阻片在14.9 kA下耐受沖擊電流耐受次數(shù)的曲線Fig.3 The curve of impulse current withstand time under 14.9 kA for?28 mm，?30 mm ZnO varistor

2.4 試驗結(jié)果分析

1）由表2和表3可以看出，對于2 ms方波耐受電流規(guī)定值所對應的1.2倍電荷量下的8/2 0μs沖擊電流耐受試驗，每個制造商不同規(guī)格的電阻都具有耐受連續(xù)20次8/20 μs沖擊電流耐受的能力。

表2 ?28 mm、?30 mm氧化鋅電阻片連續(xù)沖擊下的試驗結(jié)果Table 2 The result of continuous lightning impulse current test for?28 mm～?30 mm MOA resistor

表3 ?35 mm氧化鋅電阻片連續(xù)沖擊下的試驗結(jié)果Table 3 The result of continuous lightning impulse current test for?35 mm ZnO varistor

表4 重復電荷轉(zhuǎn)移能量試驗結(jié)果Table 4 The result of repetitive charge transfer rating test

2）由表2和表3可以看出，對于?28 mm、?30 mm的氧化線電阻片，當電流值由11.2 kA提高到14.9 kA時，三個制造商的試品通過率下降比較明顯，通過率最多由100%下降到了60%。對于?35mm氧化鋅電阻片，電流值由14.9 kA提高到18.6 kA時，三個制造商的試品通過率最多由100%下降到了80%，電流值由18.6 kA提高到22.3 kA時，三個制造商的試品通過率最多由80%下降到了20%，此時通過率下降非常明顯。

3）由圖3可以看出，在進行14.9 kA下的連續(xù)8/20 μs雷電沖擊電流耐受試驗時，制造商B的5只?30 mm電阻片中有1只在第2次沖擊時發(fā)生了擊穿，其照片與示波圖如圖5所示；有1只在第3次沖擊時發(fā)生了閃絡，其照片與示波圖如圖6所示。其余3只都能夠耐受連續(xù)20次沖擊。制造商A和制造商C的電阻片損壞都是發(fā)生在第14次以后，損壞的電阻片均是側(cè)面閃絡，其波形圖與圖6的波形圖相似，是在沖擊電流波尾時電阻片發(fā)生損壞的。

圖4 ?35 mm氧化鋅電阻片在22.3 kA下耐受沖擊電流次數(shù)的曲線Fig.4 The curve of impulse current withstand time under 22.3 kA for?35 mm ZnO varistor

4）由圖4可以看出，在對?35 mm氧化鋅電阻片進行連續(xù)進行8/20 μs雷電沖擊電流耐受試驗時，三個制造商的電阻片損壞的情況大多發(fā)生在第8～12次沖擊電流耐受之間，并且在第8次沖擊電流耐受之后，各個制造商電阻片的通過率下降比較明顯。

5）通過表4可以看出，對于沒有100%通過20次連續(xù)雷電沖擊電流耐受的電阻片，選用新的電阻片按照IEC 60099-4:2014中的方法進行試驗時，仍然有不能通過試驗的情況，但試驗通過率至少都為80%。

圖5 制造商B的電阻片發(fā)生擊穿的照片及示波圖Fig.5 The photo and oscillogram for puncture varistor made by manufacturer B

圖6 制造商B的電阻片發(fā)生閃絡的照片及示波圖Fig.6 The photo and oscillogram for flashover varistor made by manufacturer B

這里需要指出的是，受樣本容量以及試品選取隨機性的影響，對于更多樣本的情況可進行進一步研究。

3 結(jié)論

1）筆者給出了8/20 μs沖擊電流峰值與其電荷量之間關系式的簡化的推導過程，結(jié)果與國際標準IEC 60099-4:2014中給出的換算公式吻合。

2）將2 ms方波沖擊電流耐受值對應的電荷量轉(zhuǎn)換為8/20 μs沖擊電流波形進行試驗時，筆者挑選的三個制造商的所有規(guī)格氧化鋅電阻片都有能夠滿足耐受連續(xù)20次沖擊電流的能力。

3）筆者挑選的試品中，當連續(xù)8/20 μs雷電沖擊電流試驗的電流值由11.2 kA提高到14.9 kA時，三個制造商的?28mm、?30 mm氧化鋅電阻片通過率下降比較明顯；當連續(xù)8/20 μs雷電沖擊電流試驗的電流值由18.6 kA提高到22.3 kA時，三個制造商的?35 mm氧化鋅電阻片通過率下降非常明顯。

4）在進行連續(xù)8/20 μs雷電沖擊電流試驗時，試品既可能發(fā)生擊穿、也可能發(fā)生閃絡。生產(chǎn)商B的試驗結(jié)果比較極端，同一電流下，有的試品能夠耐受連續(xù)20次沖擊，有的試品卻只能耐受連續(xù)2～3次沖擊。而生產(chǎn)商A與生產(chǎn)商C無論是在同一電流下試品耐受次數(shù)還是同一電流下的試品通過率都比較接近。

5）對于沒有100%通過20次連續(xù)雷電沖擊電流耐受的電阻片，按照IEC 60099-4:2014中的重復電荷轉(zhuǎn)移能量試驗流程進行試驗時，在不同電流下，本文挑選的三個制造商的氧化鋅電阻片通過率至少為80%。

[1] International Electrotechnical Commsission.IEC 60099-4:2014，Surge arrester-part:4 Metal-Oxide surge arresters without gaps for a.c systems[S].Geneva，Switzerland，2014.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.GB 11032-2010，交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].北京:中國標準出版社，2010.

[3]施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[4]林楚標，廖永力，李銳海，等.110 kV整只氧化鋅避雷器雷電沖擊老化特性研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015（7）:40-45.LIN Chubiao，LIAO Yongli，LI Ruihai，LI Shengtao，et al.Research on degradation performance of 110 kV full-scale ZnO MOA under lightning impulses[J].Southern Power System Technology，2015（7）:40-45.

[5]王輝，何錦強，趙倡皓等.35kV金屬氧化物避雷器雷電沖擊老化性能的研究[J].電瓷避雷器，2014（4）:72-77.WANG Hui，HE Jinqiang，ZHAO Changhao，et al.Re?search of degradation performance of 35 kV MOA under lightning impulses[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）:72-77.

[6]陳榮，周文俊，王保山.ZnO電阻片壽命內(nèi)沖擊老化的研究[J].電瓷避雷器，2010（02）:44-47.CHEN Rong，ZHOU Wenjun，WANG Baoshan.Study on surge degradation during lifetime of ZnO resistance[J].In?sulators and Surge Arresters，2010（2）:44-47.

[7]張郴莉，張適昌.氧化鋅非線性電阻沖擊老化破壞機理[J].高電壓技術(shù)，2000（5）:48-49.Zhang Binli，Zhang Shichang.The Study on the Pulse-deg?radation and destruction mechanisms of zinc oxide nonlin?ear varistors[J].HIGH VOLTAGE ENGINEERING，2000（5）:48-49.

[8]張桂紅，郭潔，徐燕飛，溫定筠.氧化鋅非線性電阻片在不同沖擊電流波形下的等值電路分析[J].電瓷避雷器，2006（1）:37-41.ZHANG Guihong，GUO Jie，XU Yanfei，WEN Dingjun.The analysis of equivalent circuits of metal oxide surge va?ristor under different surge currents[J].Insulators and Surge Arresters，2006（1）:37-41.

[9]桑建平.氧化鋅壓敏電阻片沖擊大電流殘壓特性的研究[J].電瓷避雷器，2005（3）:32-35.SANG Jianping.Study on the characteristics of the residu?al voltage of the ZnO ceramic varistor at the heavy impulse current[J].Insulators and Surge Arresters，2005（3）:32-35.

[10]柯磊，蔣冬梅，馬學鳴.高電位梯度ZnO壓敏電阻大電流沖擊下電學性能的研究[J].電瓷避雷器，2009（06）:44-47.KE Lei，JIANG Dongmei MA Xueming.The electrical properties of high potential gradient ZnO-based varistors under high current surge[J].Insulators and Surge Arrest?ers，2009（6）:44-47.

[11]蔣國文，王保山，杭文，等.國內(nèi)Φ35mm氧化鋅電阻片大電流耐受能力研究[J].電瓷避雷器.2010（02）:40-43.JIANG Guowen，WANG Baoshan，HANG Wen，et al.Re?search of high current withstand capability for the domes?tic Φ35mm metal oxide resistance[J].Insulators and Surge Arresters，2010（2）:40-43.

[12]鐘慶東，遲屹君，張劍平，等.氧化鋅壓敏電阻片側(cè)面絕緣性能研究綜述[J].上海電力學院學報，2004（2）:25-29.ZHONG Qingdong，CHI Qijun，ZHANG Jianping，et al.Review-study of side insulating coating of varistor of zinc oxide[J].JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ELECTRIC POWER，2004（2）:25-29.

[13]閆中華.提高MOA閥片4/10大電流沖擊耐受能力的研究[J].電瓷避雷器，2000（1）:42-46.YAN Zhonghua.Study on enhancing withstand capacity of high impulse current 4/10 of metal oxide varistors[J].Insu?lators and Surge Arresters，2000（1）:42-46.

[14]王蘭義，張長軍，王貫永，等.氧化鋅非線性電阻片大電流沖擊能力的研究[J].電瓷避雷器，1998（01）:44-48.WANG Lanyi，ZHANG Changjun，WANG Guanyong，et al.Research of high current withstand capability for metal oxide resistance[J].Insulators and Surge Arresters，1998（01）:44-48.

[15]湯霖，趙冬一，李凡等.國際上關于ZnO電阻片沖擊能量耐受能力的研究進展[J].電瓷避雷器，2014（6）:121-132.TANG Lin，ZHAO Dongyi，LI Fan，et al.International re?search progress on impulse energy tolerance of ZnO resis?tor[J].Insulators and surge Arresters，2014，137（6）:121-132.