交流線路用金屬氧化物避雷器的伏安溫度特性研究

周嘯宇， 周路遙， 李 特， 李曉波， 魏仲鑌， 郭 潔

(1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007; 2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州，310014;3. 浙江金鳳凰電力科技有限公司，浙江 紹興 312000; 4. 浙江科成電氣有限公司，浙江 紹興 312000;5. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710000)

0 引 言

架空輸電線路覆蓋面廣，穿越的氣象、地理環(huán)境復(fù)雜多樣，同時(shí)線路桿塔較高且經(jīng)過(guò)之處以曠野和山區(qū)、溝澗為主，遭受雷擊的概率較大[1]。雷電流具有高幅值、寬頻譜及高瞬時(shí)功率等特性，發(fā)生時(shí)往往伴隨著熱效應(yīng)、沖擊效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和電氣效應(yīng)等，因此較為可靠的線路雷電防護(hù)始終是重點(diǎn)環(huán)節(jié)[2-3]。

金屬氧化物避雷器（MOA）作為輸電線路的主要防雷保護(hù)設(shè)備，主要由非線性金屬氧化物電阻片（MOV）串聯(lián)和（或）并聯(lián)組成，其運(yùn)行中的電氣性能優(yōu)劣將直接影響到被保護(hù)設(shè)備的安全[4]。MOA是交流線路限制各種高幅值過(guò)電壓和釋放雷電流的重要高壓電氣設(shè)備，研究表明MOA在長(zhǎng)期運(yùn)行中存在以下問(wèn)題[5-7]：1）MOA密封不良；2）電阻片多次承受動(dòng)作負(fù)荷劣化；3）MOA外套嚴(yán)重污染；4）交流系統(tǒng)諧波影響。同時(shí)，研究表明運(yùn)行中交流線路MOA 的故障原因包括[8-10]：1）內(nèi)部受潮；2）MOV局部老化；3）環(huán)境污穢；4）雷電沖擊能量密度超過(guò)MOV臨界值；5）MOA選型不當(dāng)。在多重雷擊作用下，當(dāng)MOV吸收多次雷擊過(guò)電壓能量后，會(huì)產(chǎn)生不同程度的溫升，故需研究MOV在經(jīng)受多次沖擊電壓后的伏安特性[11-12]。

由于MOA的伏安特性為溫度、電壓幅值、波形等多項(xiàng)因素的函數(shù)，本文依據(jù)交流線路實(shí)際運(yùn)行工況分區(qū)段研究不同溫度下MOV的伏安特性，涵蓋小電流區(qū)段，以及不同波前時(shí)間、電流類型的沖擊電流區(qū)段，包括 30/60 μs操作波、8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波、4/10 μs大電流沖擊波、1/5 μs陡波作用下的溫升特性、能量吸收特性，研究結(jié)果可為MOA的仿真建模提供參考，有助于MOA運(yùn)行的狀態(tài)檢測(cè)及故障診斷。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 直流試驗(yàn)平臺(tái)

依據(jù)線路MOA在持續(xù)運(yùn)行電壓下的工作區(qū)段，確定直流小電流區(qū)的范圍為10 μA～ 10 mA，相應(yīng)的試品殘壓均在10 kV以內(nèi)，因此選取變壓器最大輸出電壓為 20 kV，最大輸出電流為 400 mA，容量為5 kVA。同時(shí)選用輸入電壓有效值220 V，輸出電壓有效值0～ 250 V的調(diào)壓器，利用硅堆進(jìn)行整流，并且在回路內(nèi)設(shè)置水電阻作為保護(hù)電阻。

由于半波整流會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，為了保證直流電壓的質(zhì)量滿足國(guó)標(biāo)要求，必須滿足直流脈動(dòng)不超過(guò)±3%的條件。試品額定直流平均電壓為Ud，額定直流平均電流為Id，直流電壓脈動(dòng)系數(shù)S的計(jì)算公式如下：

電容參數(shù)的選取由下式計(jì)算決定：

由于交流 MOA電阻片試品U1 mA約為 4～ 5 kV，實(shí)驗(yàn)回路最大電流 Id不超過(guò)10 mA，通過(guò)式（1）～ （2），選用電容值為 1 μF、耐受電壓 20 kV 的電容符合實(shí)驗(yàn)要求。具體回路如圖1所示。

圖1 直流小電流特性測(cè)量回路

其中，R1為保護(hù)電阻，用于限制試品回路短路電流，其參數(shù)為100 kΩ；R2為取樣電阻，其阻值隨溫度及電壓變化極小，其參數(shù)為2 kΩ；C為整流電容，其參數(shù)為1 μF；D為整流硅堆；T為變壓器。為了保護(hù)示波器，采用隔離變壓器與試驗(yàn)回路電源隔離，防止試驗(yàn)時(shí)回路地電位抬升對(duì)示波器產(chǎn)生危害。

1.2 沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

考慮到MOA在運(yùn)行中可能遭受的操作沖擊、雷電沖擊過(guò)電壓作用，研究中涉及到的沖擊電流波形包括 30/60 μs操作波沖擊電流波（500 A～ 2 kA）；8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流（2～ 20 kA）；4/10 μs大電流沖擊電流波（2～ 100 kA）；1/5 μs陡波沖擊電流波（2～ 20 kA）。沖擊電流試驗(yàn)回路如圖2所示，其中沖擊電流發(fā)生器主要由高壓充電回路和電容放電回路構(gòu)成，包括高壓電容C、球隙G、放電電阻R和放電電感L、試品MOV、羅氏線圈S、整流硅堆Di、變壓器Tr、保護(hù)電阻r。其工作原理為先對(duì)高壓電容C充電到一定高壓，然后控制隔離球隙G放電，使充電的電容能量通過(guò)電阻R和電感L放電到試品MOV上。通過(guò)調(diào)整放電回路的參數(shù)，可以得到不同的沖擊電流波形。

圖2 沖擊電流試驗(yàn)回路

針對(duì)典型500 kV交流線路MOV規(guī)格、參數(shù)，并考慮到MOV生產(chǎn)過(guò)程不可避免存在分散性，每組試驗(yàn)試品均取3片相同規(guī)格的MOV，且選取的每種規(guī)格試品的直流參考電壓U1 mA和初始?xì)垑罕M可能相同，以保證MOV的伏安特性曲線具有較好的一致性。試驗(yàn)結(jié)果取同規(guī)格的3片電阻片測(cè)量數(shù)據(jù)均值，選取交流線路MOV試品的規(guī)格：直徑為71 mm、高度為22.5 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)熱電偶測(cè)量沖擊產(chǎn)生的溫升，即將熱電偶貼于MOV的側(cè)面，并放入絕熱桶中。由于MOV側(cè)面釉的絕緣作用，且傳熱效果較好，可實(shí)時(shí)反映MOV的溫度。

2 不同區(qū)段的伏安溫度特性

在實(shí)際運(yùn)行中，MOA在暫態(tài)電流沖擊下會(huì)動(dòng)作吸收能量，并呈現(xiàn)明顯的溫升，進(jìn)而對(duì)后續(xù)暫態(tài)沖擊下的伏安特性產(chǎn)生影響。由于MOV的非線性，MOV的伏安特性為溫度、電壓幅值、波形等多因素影響的函數(shù)。因此，根據(jù)交流MOV實(shí)際運(yùn)行工況分區(qū)段研究不同溫度下的伏安特性[13]。通常使用電壓-溫度曲線和電壓-溫度系數(shù)來(lái)描述特性曲線受溫度影響的大小，定義電壓-溫度梯度為單位溫升引起的電壓變化量，電壓-溫度系數(shù)為單位溫升引起的電壓變化百分?jǐn)?shù)。

2.1 小電流區(qū)

在小電流區(qū)段通常采用直流試驗(yàn)電壓，依次測(cè)取不同溫度下位于 10 μA、100 μA、500 μA、1 mA、5 mA、10 mA電流節(jié)點(diǎn)上MOV的電壓。溫度范圍取–10～ 120 ℃，具體為–10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃、120 ℃。通過(guò)直流試驗(yàn)平臺(tái)將套管同置于烘箱內(nèi)的試品連接，將試品加熱到指定的溫度后，測(cè)量得到交流MOV小電流區(qū)段不同溫度下的伏安特性曲線如圖3所示。

圖3 小電流區(qū)的伏安溫度特性

由圖3（a）可以看出，交流MOV的轉(zhuǎn)折電壓在1 mA處，且當(dāng)MOV的電流小于1 mA時(shí)，MOV的伏安特性曲線接近線性；當(dāng)MOV的電流高于1 mA時(shí)，MOV上的電壓開(kāi)始向非線性轉(zhuǎn)變。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖3（b）所示的電壓-溫度特性曲線，圖中各條曲線分別與10 μA～ 10 mA電流相對(duì)應(yīng)。對(duì)圖3（b）中的每條曲線進(jìn)行線性擬合，得到如表1所示的電壓-溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)α是指同一幅值電流通過(guò)時(shí)，MOV上電壓與溫度的變化關(guān)系，可用下式表示，式中U1、U2分別對(duì)應(yīng)溫度T1、T2下的MOV電壓。

表1 交流MOV小電流區(qū)電壓-溫度系數(shù)

由圖3（b）所示，伏安曲線也呈現(xiàn)明顯的負(fù)溫度系數(shù)。在相同電流下，溫度越高，MOV上的電壓越低，也即MOV呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。在相同溫度范圍內(nèi)，MOV的電流越小，MOV上的電壓下降越快，也即負(fù)溫度系數(shù)越大。MOA正常運(yùn)行情況下，泄漏電流很小，由溫度的伏安特性曲線可以看出，隨著溫度的升高，MOA的泄漏電流將會(huì)增大，會(huì)加快MOA的老化，這將影響MOA的運(yùn)行壽命。轉(zhuǎn)折電壓U1 mA隨著溫度的升高而降低，這有可能造成無(wú)間隙MOA的誤動(dòng)作。

取20 ℃一個(gè)間隔，計(jì)算每個(gè)間隔內(nèi)的電壓溫度系數(shù)，如表1所示。在相同電流下，隨著溫度的升高，每個(gè)間隔內(nèi)的電壓溫度系數(shù)絕對(duì)值相應(yīng)升高。在同一個(gè)溫度間隔內(nèi)，隨著電流的升高，電壓溫度系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小，隨溫度的升高溫度系數(shù)零值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流逐漸增大。由表可知，在90～ 120 ℃內(nèi)，電阻片的負(fù)溫度系數(shù)絕對(duì)值最大。

2.2 操作區(qū)

依據(jù) GB 11032—2010要求，在操作沖擊區(qū)段采用30/60 μs操作波，即通過(guò)沖擊交流MOV產(chǎn)生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔20 ℃一個(gè)區(qū)間。依次測(cè)取 250 A、350 A、500 A、600 A、750 A、1000 A、1500 A、2000 A 電流節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)用U=AIα（0<α<1）進(jìn)行擬合，可得到MOV在多個(gè)溫度下的伏安特性曲線，如圖4（a）所示。同樣得到如圖4（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表2所示的電壓-溫度系數(shù)表。

表2 交流MOV操作區(qū)（30/60 μs）電壓-溫度系數(shù)

圖4 操作區(qū)的伏安溫度特性

由圖4（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線在操作區(qū)呈現(xiàn)的溫度特性由負(fù)轉(zhuǎn)正，過(guò)渡點(diǎn)在600 A左右，即當(dāng)電流小于600 A時(shí)呈現(xiàn)負(fù)溫度特性，當(dāng)電流大于600 A時(shí)呈現(xiàn)正溫度特性。溫度系數(shù)存在由負(fù)數(shù)過(guò)渡到正數(shù)的過(guò)程，且溫度系數(shù)的絕對(duì)值都很小，最大溫度系數(shù)絕對(duì)值為0.0519%/℃。

2.3 雷電區(qū)

依據(jù)GB 11032—2010要求，在雷電沖擊段采用波形為8/20 μs的沖擊電流，通過(guò)沖擊交流MOV產(chǎn)生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔20 ℃一個(gè)區(qū)間。依次測(cè)取 5，10，15，20 kA電流節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)用U=AIα進(jìn)行擬合，可得如圖5（a）所示的MOV在雷電區(qū)段的伏安特性曲線。

同樣得到如圖5（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表3所示的電壓-溫度系數(shù)表。由圖5（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現(xiàn)正的溫度特性。電壓-溫度系數(shù)呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)，且溫度系數(shù)的絕對(duì)值都很小，最大為0.0259%/℃。

表3 交流MOV雷電區(qū)（8/20 μs）電壓-溫度系數(shù)

圖5 雷電區(qū)的伏安溫度特性

2.4 陡波區(qū)

依據(jù) GB 11032—2010要求，在陡波沖擊段采用波形為1/5 μs的沖擊電流，通過(guò)沖擊交流MOV產(chǎn)生不同的溫升，溫度范圍為20～ 70 ℃，每隔10 ℃一個(gè)區(qū)間。依次測(cè)取 5，10，15，20 kA 電流節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)用U=AIα進(jìn)行擬合，可得到如圖6所示的MOV在多個(gè)溫度下的伏安特性曲線。

同樣得到如圖6（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表4所示的電壓-溫度系數(shù)表。由圖6（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現(xiàn)正的溫度特性。電壓-溫度系數(shù)呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)，且溫度系數(shù)的絕對(duì)值都很小，最大為0.065%/℃。

表4 交流MOV陡波區(qū)（1/5 μs）電壓-溫度系數(shù)

圖6 陡波區(qū)的伏安溫度特性

2.5 大電流區(qū)

依據(jù)GB 11032—2010要求，在大電流沖擊段采用波形為4/10 μs的沖擊電流，通過(guò)沖擊交流MOV產(chǎn)生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔 20 ℃ 一個(gè)區(qū)間。依次測(cè)取 5 kA、10 kA、15 kA、20 kA、40 kA、60 kA 電流節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)用U=AIα進(jìn)行擬合，可得到如圖7所示的交流MOV在多個(gè)溫度下的伏安特性曲線。

同樣得到如圖7（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表5所示的電壓-溫度系數(shù)表。由圖7（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現(xiàn)正的溫度特性。電壓-溫度系數(shù)呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)，且溫度系數(shù)的絕對(duì)值都很小，最大為0.0409%/℃。

表5 交流MOV大電流區(qū)（4/10 μs）電壓-溫度系數(shù)

圖7 大電流區(qū)的伏安溫度特性

3 MOV能量溫升特性

MOV短期內(nèi)吸收過(guò)電壓大能量時(shí)，會(huì)發(fā)熱產(chǎn)生溫升現(xiàn)象。溫度升高是電阻片吸收能量后的直觀表現(xiàn)形式，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料特性變化甚至燒壞[14]。沖擊電流作用下MOA吸收能量的過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)完成，熱傳遞作用尚來(lái)不及發(fā)展，因此可認(rèn)為是絕熱溫升過(guò)程。根據(jù)國(guó)內(nèi)外雷電觀測(cè)表明，70%的地面落雷為多重雷擊[15]，且多重雷擊間隔時(shí)間比較短，在此過(guò)程中多次雷擊MOA動(dòng)作所累積的能量致使MOA本體溫度不斷升高，可能會(huì)使MOA發(fā)生損壞。同時(shí)由于雷電頻率比較高，MOV在高頻下會(huì)有明顯的集膚效應(yīng)，會(huì)在MOV內(nèi)部出現(xiàn)分布極為不均勻的熱應(yīng)力，MOV便會(huì)因局部能量密度超過(guò)固有極限負(fù)荷而損壞。

3.1 相同波形多次沖擊

對(duì)交流MOV各區(qū)段的能量溫升進(jìn)行分析，采用幅值大小為 4 kA 的操作區(qū)（30/60 μs）、20 kA 的雷電區(qū)（8/20 μs）、19 kA 的陡波區(qū)（1/5 μs）、80.68 kA的大電流區(qū)（4/10 μs）波形進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每組試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行4次，沖擊間隔為試驗(yàn)回路必需的充電時(shí)間（約 30 s），試品質(zhì)量m=489.6 g，初始溫度 17 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。表中的能量參數(shù)根據(jù)沖擊下電壓與電流波形積分得到，能量計(jì)算如下式所示：

表6 交流MOV各區(qū)段能量溫升特性

由于試驗(yàn)過(guò)程中絕熱筒難以做到完全絕熱，且MOV起始溫度越高，絕熱筒散熱越明顯，因此會(huì)對(duì)后續(xù)沖擊產(chǎn)生的溫升有所影響。由前述研究可知，操作沖擊下殘壓溫度系數(shù)很小，因此每次沖擊注入的能量相近，試驗(yàn)表明每次同能量注入時(shí)產(chǎn)生的溫升相近。

3.2 不同波形沖擊比較

對(duì)MOV注入能量近似相等但波形不同的沖擊電流，測(cè)試不同波形沖擊引起的溫升。其中，交流MOV 質(zhì)量m=495 g，注入的能量均值大約為 620 J，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 交流MOV不同波形能量溫升特性

試驗(yàn)表明，交流MOV在不同波形沖擊下吸收同等能量產(chǎn)生的溫升近似相等，即比熱近似相等，表明波形對(duì)平均溫升影響不大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)交流500 kV輸電線路MOA不同電流區(qū)段的伏安曲線溫度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了交流MOV在各區(qū)段不同溫度下的伏安特性變化及能量溫升特性，得到結(jié)論如下：

1）交流MOV在小電流區(qū)段呈現(xiàn)明顯的負(fù)電壓溫度系數(shù)，且電流值越小，負(fù)溫度系數(shù)絕對(duì)值越大；在操作區(qū)段（30/60 μs）、雷電區(qū)段（8/20 μs）、陡波區(qū)段（1/5 μs）和大電流區(qū)段（4/10 μs），交流 MOV 的伏安曲線受環(huán)境溫度影響均不大，高電場(chǎng)區(qū)溫度系數(shù)不明顯。

2）多重雷擊作用下，交流MOV在操作區(qū)段溫度系數(shù)有一個(gè)由負(fù)數(shù)過(guò)渡到正數(shù)的過(guò)程，且溫度系數(shù)的絕對(duì)值都很小，最大為0.0519%/℃；MOV在雷電區(qū)（8/20 μs）呈現(xiàn)微弱的正溫度系數(shù)，最大溫度系數(shù)為 0.0259%/℃；MOV 在陡波區(qū)（1/5 μs）呈現(xiàn)微弱的正溫度系數(shù)，最大溫度系數(shù)為0.065%/℃；MOV在大電流區(qū)（4/10 μs）呈現(xiàn)微弱的正溫度系數(shù)，最大溫度系數(shù)為 0.0409%/℃。

3）多重雷擊由于間隔時(shí)間短，考慮絕熱過(guò)程和前次雷擊注入能量對(duì)MOA的伏安特性的影響，后續(xù)多重雷擊MOA不同波形沖擊下的吸收能量相近，每次吸收能量后產(chǎn)生的溫升也相近，MOA須具備足夠的固有能量吸收能力。