10 kV配電避雷器整體大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)研究

任志剛，李 偉，李邦彥，姚玉海，楊 博，于文博，蔡 力

（1.國(guó)網(wǎng)北京電力公司，北京 100031；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

避雷器又稱過電壓保護(hù)器，10 kV配電避雷器因其氧化鋅電阻良好的非線性保護(hù)特性，在配電網(wǎng)中被廣泛使用[1]。然而統(tǒng)計(jì)表明，配電避雷器故障已經(jīng)占到配網(wǎng)故障總數(shù)的相當(dāng)比例，成為影響配網(wǎng)供電可靠性的主要因素之一[2]。

考慮到避雷器的實(shí)際應(yīng)用及質(zhì)量問題，近年來國(guó)內(nèi)外相應(yīng)頒布了一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)避雷器或其比例單元、電阻片等進(jìn)行檢測(cè)，典型如國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60099-4和GB/T 11032—2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》，對(duì)交流無間隙金屬氧化物避雷器的標(biāo)準(zhǔn)額定值、運(yùn)行條件、殘壓試驗(yàn)和大電流沖擊耐受試驗(yàn)等進(jìn)行了規(guī)定，其中對(duì)其大電流沖擊耐受能力有明確要求。國(guó)內(nèi)10 kV配電系統(tǒng)用避雷器的大電流沖擊耐受試驗(yàn)要求是4/10 μs電流波形，65 kA耐受2次，用于試驗(yàn)避雷器在遭受直擊雷時(shí)的可靠性，是確保避雷器安全可靠運(yùn)行的重要考核指標(biāo)[3-6]。一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是在避雷器的氧化鋅電阻片，即比例單元上進(jìn)行試驗(yàn)。

近年來，研究人員針對(duì)氧化鋅避雷器雷電流沖擊特性的研究，往往是從比例單元的角度出發(fā)，開展了相關(guān)的特性研究，如國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了不同雷電流沖擊對(duì)氧化鋅避雷器影響的研究[7]；關(guān)于ZnO避雷器電阻片在脈沖電流沖擊衰老下，泄漏電流諧波特性的研究[8]；配網(wǎng)線路避雷器電阻片90/200 μs沖擊電流耐受特性試驗(yàn)研究[9]；自然雷電下，氧化鋅避雷器殘壓特征分析[10]等研究工作，對(duì)于整只避雷器，開展的相關(guān)試驗(yàn)工作還較少。

開展配網(wǎng)避雷器整只試驗(yàn)，更有利于考核避雷器的整體性能，由于電阻片與絕緣外套之間存在絕緣界面及電阻片直徑過小等原因，因此僅僅從比例單元去分析避雷器的大電流沖擊耐受特性不夠。筆者從整只氧化鋅避雷器的角度出發(fā)，針對(duì)配電避雷器的大電流沖擊耐受特性設(shè)計(jì)開展試驗(yàn)。試驗(yàn)選取了5個(gè)廠家的試品進(jìn)行4/10 μs大電流沖擊耐受試驗(yàn)，檢測(cè)其在大電流沖擊作用后是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并對(duì)損壞的試品進(jìn)行破壞性分析，并給出相關(guān)建議。

1 試品介紹與試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)研究需要，選定了5個(gè)常用避雷器廠家生產(chǎn)的全新10 kV復(fù)合外套金屬氧化物避雷器，試品編號(hào)分別為L(zhǎng)W；HD；YNE；DZ；JG。見圖1。上述5個(gè)廠家的避雷器試品型號(hào)均為YH5WS1-17/50。試驗(yàn)前依次測(cè)量試品的基本參數(shù)，其直流參考電流1 mA下的參考電壓U1mA及0.75倍直流參考電壓下泄漏電流測(cè)試結(jié)果見表1，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。表2給出了不同廠家避雷器內(nèi)部電阻片尺寸信息，可以看出，不同廠家的氧化鋅電阻片直徑、高度和質(zhì)量信息差別比較大，其中直徑最大的超過34 mm，最小的僅為27.4 mm。

試驗(yàn)采用沖擊電流發(fā)生器來產(chǎn)生所需的4/10 μs沖擊大電流波形，試驗(yàn)回路接線及原理圖見圖2。

圖1 YNE/HD/DZ/JG/LW的產(chǎn)品外觀圖Fig.1 Physical photo of YNE/HD/DZ/JG/LW

表1 測(cè)試試品的直流參考電壓和泄漏電流Table 1 DC reference voltage and leakage current of test arrester

表2 測(cè)試試品單個(gè)電阻片尺寸信息Table 2 Valve plate size information of test arrester

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Principle diagram of test circuit

該回路的基本原理是簡(jiǎn)單的RLC電路和電容器組C的充電電路，其中G為放電球隙，D為硅堆。工作時(shí)由充電變壓器向電容器組C充電，充好電后，通過觸發(fā)脈沖到球隙中，使球隙放電。于是電容器組C經(jīng)過電阻、電感向試品放電，形成4/10 μs沖擊電流波形。該發(fā)生器最高充電電壓可達(dá)200 kV，因此能夠?qū)φ?0 kV避雷器進(jìn)行4/10 μs大電流沖擊耐受試驗(yàn)。

測(cè)試過程中采用Person線圈測(cè)量雷電流波形，分壓器同時(shí)測(cè)量的避雷器的殘壓，采用泰克DPO3012示波器記錄整只避雷器的沖擊大電流和電壓波形，采用福祿克紅外測(cè)溫儀測(cè)試試驗(yàn)后避雷器溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依照標(biāo)準(zhǔn)要求依次對(duì)每個(gè)試品進(jìn)行大電流沖擊耐受試驗(yàn)，每次沖擊完成后立即采用測(cè)溫儀測(cè)量避雷器表面的溫度，等待試品表面溫度冷卻到室溫后再進(jìn)行下一次沖擊試驗(yàn)，完成單個(gè)避雷器試品的沖擊測(cè)試后，記錄避雷器的破壞情況，不同試品測(cè)量得到的典型沖擊大電流波形見圖3。

圖3 不同試品大電流沖擊試驗(yàn)電流及電壓波形Fig.3 The impulse current and voltage waveform of different test arrester

根據(jù)所測(cè)試的電壓、電流波形曲線，再次計(jì)算出耐受能量大小具體結(jié)果見表3。試驗(yàn)過程中考慮到不同廠家試品電阻片特性不同，選擇YNE廠家避雷器來進(jìn)行波形和幅度調(diào)試，調(diào)試好波形和幅度后，在此條件下依次對(duì)每個(gè)試品進(jìn)行沖擊大電流試驗(yàn)。

表3 不同廠家避雷器大電流沖擊耐受試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The testing result of different manufacturers’arrester in high current impulse withstand test

由表3可知，被測(cè)試品每次耐受標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的 沖擊大電流時(shí)，其所承受的能量在34～38.8 kJ，耐受的雷電流幅值在42.3～63.2 kA，由此可見，在主電容器充電電壓幅度相同的情況下，不同廠家避雷器在沖擊大電流試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)出來的沖擊阻抗特性不同，其中HD避雷器沖擊阻抗最大（對(duì)應(yīng)電流最小為42.3 kA），通過溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，耐受第一次沖擊大電流試驗(yàn)時(shí)，幾乎所有避雷器的溫升都超過50℃，耐受最后一次沖擊時(shí)，所有避雷器的表面溫度都超過100℃?？紤]熱傳導(dǎo)效應(yīng)，密封在內(nèi)部的氧化鋅電阻片的溫度可能會(huì)更高，其中LW試品由于發(fā)生炸裂，直接測(cè)量避雷器電阻片上的溫度高達(dá)160℃。

為了更好地量化描述試驗(yàn)后的避雷器狀態(tài)，我們將避雷器的狀態(tài)分為4個(gè)等級(jí)，包括正常狀態(tài)和3個(gè)損壞狀態(tài)：正常（避雷器的外觀無損壞，參數(shù)測(cè)試結(jié)果無異常）；輕度損傷（避雷器的外觀無損壞，參數(shù)測(cè)試結(jié)果異常）；中度損傷（避雷器發(fā)生爆裂，但電阻片外觀大部分基本完好）；重度（避雷器發(fā)生爆炸，分散成數(shù)個(gè)組織，內(nèi)部電阻片結(jié)構(gòu)破損）。下面依據(jù)劃分的避雷器損壞程度，對(duì)實(shí)驗(yàn)中受到損壞的避雷器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和區(qū)分。

YNE、JG和DZ 3個(gè)廠家的試品經(jīng)過2次沖擊大電流耐受試驗(yàn)情況下外觀都未發(fā)生明顯損壞，而LW和HD兩個(gè)廠家的試品在試驗(yàn)過程中發(fā)生拉爆裂，LW試驗(yàn)后，避雷器發(fā)生爆炸，分散成多個(gè)結(jié)構(gòu)，但電阻片大部分基本完好，屬于中度損壞的避雷器。而HD試品發(fā)生粉碎性爆裂損壞，避雷器分散成數(shù)個(gè)組織，內(nèi)部電阻片結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，見圖4，屬于重度損壞的避雷器。

圖4 LW和HD試驗(yàn)后狀態(tài)圖Fig.4 Post-test state picture of LW and HD

試驗(yàn)后，有3個(gè)廠家試品外觀未發(fā)現(xiàn)明顯破損，再次檢測(cè)直流1mA參考電壓U1mA和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流見表4。3個(gè)廠家試品的U1mA電壓幅度都出現(xiàn)明顯降低（20%左右），都低于標(biāo)準(zhǔn)要求的U1mA＞25 kV，而0.75倍直流參考電壓下泄漏電流都明顯增大（超過20 μA），其中DZ-2的0.75倍直流參考電壓下泄漏電流變化量超過了50 μA，由測(cè)試結(jié)果可知，試驗(yàn)后YNE、JG和DZ 3個(gè)廠家的試品都出現(xiàn)不同程度的劣化，其電氣參數(shù)U1mA和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流都已超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值，為不合格產(chǎn)品。

表4 大電流沖擊耐受試驗(yàn)前后U1mA電壓和泄漏電流測(cè)試結(jié)果Table 4 The test result of U1mA voltage and leakage current before and after high current impulse withstand test

本次試驗(yàn)的5個(gè)不同廠家避雷器在大電流沖擊耐受試驗(yàn)后，全部都失效，其中2個(gè)廠家試品直接發(fā)生爆裂，一般認(rèn)為避雷器電阻片直徑越大，其耐受雷電沖擊能力越強(qiáng)，從試驗(yàn)情況看，LW避雷器其電阻片直徑超過34 mm，仍然不能通過沖擊大電流耐受試驗(yàn)，更何況小尺寸電阻片避雷器。

從試驗(yàn)的情況看，10 kV避雷器整只4/10 μs大電流沖擊能力和單片電阻片還是存在較大的差別，電阻片能夠通過大電流沖擊耐受試驗(yàn)，而避雷器進(jìn)行整只試驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)通不過，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下針對(duì)氧化鋅避雷器電阻片的大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)和整只避雷器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況并不等效。避雷器一般由幾片電阻片串聯(lián)組成，單個(gè)電阻片的通流能力不能簡(jiǎn)單等效多個(gè)串聯(lián)電阻片的通流能力，兩者的試驗(yàn)差異與避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素密切相關(guān)。

通過本次沖擊大電流特性試驗(yàn)測(cè)試表明，5個(gè)廠家的整只避雷器沖擊大電流耐受能力均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。這也從一方面解釋了通過比例單元（電阻片）殘壓特性試驗(yàn)測(cè)試的避雷器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中故障率仍然較高的原因。

3 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)行市面上5個(gè)廠家常見10 kV氧化鋅避雷器進(jìn)行整只沖擊大電流沖擊耐受試驗(yàn)，結(jié)果顯示，10 kV避雷器整只4/10 μs大電流沖擊耐受能力較差，所有廠家的試品都不能達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的相關(guān)要求，其中2個(gè)廠家避雷器在試驗(yàn)過程中發(fā)生爆裂，其余3個(gè)廠家避雷器在試驗(yàn)后，其U1mA大幅降低，對(duì)應(yīng)0.75倍U1mA下的泄漏電流急劇增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，整只避雷器開展的大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)更能反映避雷器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)整只避雷器的大電流沖擊檢測(cè)。

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