10 kV整支避雷器雷電流殘壓特性試驗(yàn)研究

齊偉強(qiáng)，郭 衛(wèi)，桂 媛，楊亞齊，錢夢迪，于文博

（1.國網(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

配電網(wǎng)線路長度長，供電覆蓋面大，主要以架空形式居多，絕緣水平低，雷電是引發(fā)配電線路故障的主要原因，10 kV配電避雷器因其氧化鋅電阻良好的非線性特性保護(hù)特性，在配電網(wǎng)中被廣泛使用[1]。然而配電避雷器種類繁多、安裝數(shù)量大，配網(wǎng)避雷器損壞、劣化等引起的配電線路停電故障已經(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。

國內(nèi)外相應(yīng)頒布了一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對避雷器或其比例單元、電阻片等進(jìn)行檢測，典型如國際電工委員會IEC 60099-4[2]，我國于2011年實(shí)施了GB 11032—2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》，對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、技術(shù)要求及試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定[3]。雷電流沖擊下的殘壓特性是描述避雷器過電壓保護(hù)能力的重要參數(shù)。

近年來，研究人員針對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[4-7]現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下針對氧化鋅避雷器雷電流的殘壓特性實(shí)驗(yàn)和整只避雷器現(xiàn)場運(yùn)行情況并不等效，通過比例單元?dú)垑禾匦詫?shí)驗(yàn)測試的避雷器在現(xiàn)場運(yùn)行中故障率仍然較高[8-10]。因而僅僅從比例單元去分析避雷器的雷電流沖擊殘壓性能是不夠的。本文從整只氧化鋅避雷器的角度出發(fā)，針對配電避雷器的雷電流沖擊殘壓特性設(shè)計(jì)開展試驗(yàn)。試驗(yàn)選取了五個廠家的試品進(jìn)行8/20 μs的雷電流沖擊實(shí)驗(yàn)，取得殘壓特性曲線的擬合曲線，檢測在5 kA雷電流情況下對應(yīng)殘壓水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并對損壞的試品進(jìn)行破壞性分析。

1 試品介紹與試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)研究需要，選定了五個常用的避雷器廠家生產(chǎn)的全新10 kV金屬氧化物避雷器試品分別為：LW-1；HD-1；YNE-1；DZ-1；JG-1。上述五個廠家的避雷器試品型號均為：YH5WS1-17/5。上述五個廠家的避雷器試品，從比例單元的角度出發(fā)針對其雷電流殘壓性能檢測均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，均為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下的合格產(chǎn)品。

表1 YH5WS1-17/5型避雷器的參數(shù)說明Table 1 Arrester parameter description of YH5WS1-17/5

試驗(yàn)在武漢大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)試驗(yàn)大廳內(nèi)展開，采用如圖1所示的沖擊電流發(fā)生器來產(chǎn)生所需的8/20 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)?0 kV整支避雷器進(jìn)行8/20 μs沖擊電流試驗(yàn)。

表2 測試試品的直流參考電壓和泄漏電流Table 2 The DC reference voltage and leakage current of different arrester

表3 測試試品單個閥片尺寸信息Table 3 Valve plate size information of different arrester

圖1 沖擊電流發(fā)生器實(shí)物圖Fig.1 Impulse current generator picture

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Test schematic diagram

試驗(yàn)回路接線及原理圖如圖2所示，該回路的基本原理是簡單的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。工作時由調(diào)壓器和充電變壓器相互配合向電容器組C充電，在調(diào)好球隙距離之后，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，測試過程中采用Person線圈測量雷電流波形，電阻分壓器同時測量的避雷器的殘壓，采用泰克DPO3012示波器記錄整只氧化鋅避雷器的雷電流沖擊殘壓和電流波形。該發(fā)生器輸出典型波形圖如圖3所示。

圖3 測量得到典型8/20 μs電流和殘壓波形Fig.3 Typical waveform of 8/20 μs current and residual voltage

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

避雷器的殘壓是指放電電流通過避雷器時其端子間的最大電壓峰值。殘壓是衡量避雷器保護(hù)性能的一個重要參數(shù)。避雷器的殘壓越低，那么它的保護(hù)性能越好，對于設(shè)備的絕緣保護(hù)越好。通常情況，測試避雷器的比例單元的雷電流大小1 kA，2.5 kA，5 kA，10 kA，為了更好的反應(yīng)避雷器的殘壓特性曲線，在實(shí)驗(yàn)中選取多個充電電壓等級，對試品施加不同的電壓等級，測量其電流峰值和殘壓水平，得到雷電流電流峰值范圍變化從1-15 kA的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每次沖擊完成后，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)，完成單個避雷器試品的沖擊測試后，記錄避雷器的破壞情況，比較測量沖擊前后的避雷器的1 mA直流參考電壓和泄漏電流。整個測試過程依據(jù)GB/T11032-2011來進(jìn)行。五個不同廠家試品雷電流沖擊殘壓試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表4至表8所示。

通過比較不同廠家試品的殘壓幅值可以發(fā)現(xiàn)，JG-1在雷電流達(dá)到10 kA時，其殘壓幅值小于50 kV（49.3 kV），LW-1在雷電流幅值達(dá)到7.7 kA時，其殘壓接近50 kV（49.9 kV），DZ-1在雷電流幅值達(dá)到10.4 kA時，其殘壓接近50 kV（50.1 kV），其殘壓性能優(yōu)于其標(biāo)稱值（在標(biāo)稱放電電流5 kA的情況下，其雷電沖擊殘壓小于50 kV），而YNE-1和HD-1兩種試品在雷電流超過4.5 kA和2 kA時，其殘壓都超過50 kV，未能達(dá)到其標(biāo)稱值。

將不同廠家的殘壓與電流峰值進(jìn)行擬合比較如圖4所示，擬合優(yōu)度均大于0.95，由擬合曲線可知，JG-1和DZ-1兩個試品的殘壓水平最低，其次是LW-1，HD-1的殘壓水平最高，通過擬合曲線可以得出不同廠家試品在5 kA的雷電流的沖擊下的沖擊殘壓值如表-9所示，其中JG、DZ、LW等廠家的試品不超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的殘壓值的要求，即≤50 kV。HD和YNE兩個廠家的試品不符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的殘壓值要求，其中HD的殘壓值高出標(biāo)稱值的20%。其在雷電流沖擊特性耐受性能中也表現(xiàn)較差，在多次沖擊實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)生局部絕緣筒爆炸的情況。

JG、LW和DZ三個廠家的試品在雷電流峰值超過14kA的情況下外觀都未發(fā)生明顯損壞，而YNE和HD兩個廠家的試品在試驗(yàn)過程中發(fā)生拉爆裂，其中YNE-1在8.5 kA左右發(fā)生爆裂損壞，而HD-1在5.5 kA左右下就發(fā)生拉損壞，如圖5所示。

由表3給出的額不同廠家避雷器內(nèi)部閥片尺寸信息可知，YNE和HD兩個廠家的避雷器閥片直徑相比于其它三個廠家要小，因此在閥片單位截面積吸收能量能力相同的情況下，閥片截面積小的避雷器其耐受沖擊能量的能力要小，而廠家YNE和HD的避雷器在相同雷電流沖擊條件下其殘壓水平明顯過高，因此其在單位時間內(nèi)，電壓電流對時間的積分即能量值遠(yuǎn)高于其余三個廠家，因此其閥片承受的能量較大，超過其能量耐受值避雷器就會發(fā)生損壞，這就解釋了YNE、HD兩個廠家試品在試驗(yàn)雷電流下，會發(fā)生絕緣筒破碎的破壞性現(xiàn)象。

表4 JG-1的殘壓與電流峰值Table 4 Residual voltage and peak current of JG-1

表5 LW-1的殘壓與電流峰值Table 5 Residual voltage and peak current of LW-1

表7 YNE-1的殘壓與電流峰值Table 7 Residual voltage and peak current of YNE-1

表8 HD-1的殘壓與電流峰值Table 8 Residual voltage and peak current of HD-1

表9 不同廠家避雷器在5 kA雷電流沖擊下的殘壓值Table 9 Residual voltage of different manufacturers’arrester in 5 kA impulse current

圖4 五個廠家的殘壓電流峰值的擬合結(jié)果對比圖Fig.4 The fitting results of residual voltage and peak current of five manufacturers test products

圖5YNE和HD試驗(yàn)后狀態(tài)圖Fig.5 State diagram after YNE and HD test

表10 沖擊實(shí)驗(yàn)前后直流參考電壓和泄漏電流測試結(jié)果Table 10 Test results of DC reference voltage and leakage current before and after impulse test

對于試驗(yàn)結(jié)束后外觀完好無破損的避雷器，進(jìn)一步分析其試驗(yàn)前后的1 mA直流參考電壓U1mA和泄漏電流，以此判斷避雷器的內(nèi)部性能是否受損失效。經(jīng)檢測，廠家JG、LW、DZ的避雷器試驗(yàn)后其U1mA電壓和泄漏電流均表現(xiàn)正常，初步表示其內(nèi)部閥片電氣性能無損壞失效。

3 結(jié)論

通過對五個常用廠家的整只10 kV配電網(wǎng)氧化鋅避雷器進(jìn)行8/20 μs的雷電流沖擊實(shí)驗(yàn)，獲得整支避雷器的殘壓特性曲線，其中2個廠家整支避雷器的殘壓值超過限值要求，其余三個廠家的整支避雷器的殘壓值符合要求，殘壓值高的避雷器其耐受雷電流沖擊能力弱，2個檢測不合格的試品在雷電流達(dá)到8.5 kA和5.5 kA時發(fā)生爆炸，絕緣筒外套破損，而其余3個廠家的試品在雷電流超過14 kA時都能保持正常。

五個廠家的避雷器都能通過比例單元?dú)垑禾匦詫?shí)驗(yàn)，但是通過整支避雷器的殘壓特性試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^的發(fā)現(xiàn)其問題，因此測試針對整只避雷器的殘壓性能檢測更符合現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際情況。應(yīng)該加強(qiáng)對10 kV整只配電網(wǎng)氧化鋅避雷器的雷電流殘壓檢測防止檢測不合格的產(chǎn)品投入電網(wǎng)運(yùn)營危害電網(wǎng)安全。

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