多重雷擊下ZnO避雷器熱擊穿機理研究

畢潔廷

(1. 江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 淮安223003; 2. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004)

0 引言

在國標(biāo)GB/T 21714.1—2015的3.7中，把多重雷擊描述為：平均由3～4個雷電閃擊組成，兩個雷擊的時間間隔約為50 ms。由電網(wǎng)公司實際雷電定位裝置記錄的多重雷擊和國標(biāo)中的描述有較大差異，在本研究研究工作中，主要依照實際雷電定位裝置記錄的多重雷擊的特性。為此，現(xiàn)將多重雷擊作如下說明：

一次雷擊中包含多次放電，放電時間間隔為毫秒級的重復(fù)性雷稱為多重雷擊，時間間隔從幾個毫秒到上百毫秒不等。毫秒級多重雷擊時間間隔主要在10～200 ms之間。在兩個毫秒級的多重雷擊之間又包含多次微秒級的放電過程，稱為多次回?fù)簟；負(fù)衾讜r間間隔主要在50～1 000 μs之間，有時回?fù)衾滓卜Q之為多重雷擊。本研究中，毫秒級多重雷擊和微秒級回?fù)衾捉y(tǒng)稱多重雷擊，也稱為疊加性雷擊。將雷擊時間間隔超過1 s的雷擊過程稱為多次雷擊。

在多數(shù)情況下，每一次雷擊中都伴隨著若干次多重雷擊，據(jù)國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)統(tǒng)計，自然界中的雷擊中75%以上為多重雷擊[1]。

在中國，全國范圍內(nèi)的平均雷擊事故率已超過50%，南方地區(qū)由于雷雨較多，雷擊事故率更是高達70%[2]，在這些雷擊事故中，ZnO避雷器熱擊穿事故是不容忽視的問題。

常用的復(fù)合外套ZnO避雷器是封閉結(jié)構(gòu)，其散熱問題一直比較突出，尤其是氣候變化導(dǎo)致極端氣候增多，雷害越來越嚴(yán)重，由巨型雷和多重雷擊引發(fā)的雷害所占比例越來越高，高壓輸配電線路上避雷器發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象越來越多，更為嚴(yán)重的是，有時熱擊穿現(xiàn)象還會進一步發(fā)展為避雷器爆炸等嚴(yán)重后果。在此背景下，本研究研究多重雷擊下ZnO避雷器的熱擊穿問題具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究首先分析影響ZnO避雷器熱擊穿的各種因素。接著重點研究多重雷擊下，ZnO避雷器的熱擊穿機理。通過FLUENT仿真[3]實驗再現(xiàn)ZnO避雷器發(fā)生熱擊穿時的溫度變化過程，為多重雷擊的防護和新型防雷技術(shù)的研究提供重要的參考依據(jù)。

1 復(fù)合外套ZnO避雷器結(jié)構(gòu)

與瓷外套式相比，復(fù)合外套ZnO避雷器體積更小，重量輕，且密封效果好不易受潮。尤其重要的是，和瓷外套式相比，它的安全性相對較高，具有一定的防爆性能，不容易破碎，因此應(yīng)用更廣。在以下分析中將采用110kV復(fù)合外套ZnO避雷器為例(圖1)。

圖1 110 kV ZnO避雷器圖片F(xiàn)ig .1 110 kV ZnO arrester

110 kV復(fù)合外套ZnO避雷器的主要結(jié)構(gòu)由以下5部分組成(圖2)。

圖2 復(fù)合外套ZnO避雷器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of composite insulation ZnO arrester

圖2中：1為ZnO閥片電阻；2為硅橡膠外套與閥片電阻之間的間隙(高分子填充料)；3為鋁金屬端頭；4為環(huán)氧玻璃棒；5為硅橡膠外套。ZnO閥片電阻在低電壓作用下，呈現(xiàn)出很強的電介質(zhì)特性，而在高電壓作用下呈現(xiàn)出很強的電導(dǎo)體特性。

2 ZnO避雷器熱擊穿的強化因素

影響ZnO避雷器熱擊穿的因素有很多，其中起到強化作用的因素，除了環(huán)境溫度之外，還包括避雷器集膚效應(yīng)、時滯性、老化受潮、多次雷擊后的累積效應(yīng)等因素。起到減弱熱擊穿作用的因素包括避雷線的分流作用和ZnO閥片較高的能量吸收能力等。本研究重點關(guān)注四個強化因素對ZnO避雷器熱擊穿的綜合影響。

2.1 ZnO避雷器的受潮老化現(xiàn)象

ZnO避雷器由于其良好的防雷性能，在各級電網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在長期的應(yīng)用實踐中，ZnO避雷器也會發(fā)生受潮[3-5]和老化現(xiàn)象[6-7]，由于硅橡膠作為絕緣材料的復(fù)合外套無法徹底隔絕水分的滲透，不僅降低絕緣水平，而且ZnO閥片電阻也很難阻止從外套滲透進來的水分子的影響，引起ZnO避雷器電位的不均勻分布，受影響的ZnO閥片率先老化，如果荷電率此時增加，ZnO閥片的負(fù)擔(dān)會進一步加重，加速其老化進程。這種不正常現(xiàn)象如果長時間持續(xù)，就會檢測到ZnO避雷器異常發(fā)熱現(xiàn)象[8]。

復(fù)合外套ZnO避雷器，在長期持續(xù)運行電壓的作用下，流過ZnO避雷器閥片電阻的泄露電流、功率損耗等隨著時間的增加而上升，溫度會越來越高，溫度升高反過來又會使泄漏電流增大，加劇功耗增加，二者相互促進，如圖3所示。

圖3 ZnO避雷器的溫度-泄漏(阻性)電流曲線Fig.3 Temperature-resistance current curve of ZnO arrester

在圖3中，曲線1為100%荷電率曲線，曲線2為85%荷電率?？梢钥闯觯谕缓呻娐氏?，溫度越高，阻性電流越大，在閥片電阻上消耗的功率也會逐漸增加。

隨著功耗和漏電流的不斷發(fā)展，老化劣化現(xiàn)象不斷加深。閥片電阻的晶粒結(jié)構(gòu)也會被損壞，晶界粒子會發(fā)生遷移現(xiàn)象，從而會導(dǎo)致非線性特性發(fā)生改變[9]。當(dāng)累積到一定程度，ZnO避雷器閥片電阻的熱特性會出現(xiàn)嚴(yán)重不穩(wěn)定現(xiàn)象，為熱擊穿熱崩潰現(xiàn)象的發(fā)生準(zhǔn)備了便利條件。ZnO避雷器的受潮老化現(xiàn)象對其溫升的影響因子用λ1表示。

2.2 集膚效應(yīng)沖擊實驗研究

在雷擊過電壓下，ZnO避雷器閥片電阻也會存在集膚效應(yīng)現(xiàn)象，為ZnO避雷器發(fā)生擊穿現(xiàn)象提供了一定程度上的便利條件。

在文獻[10]中給出了集膚效應(yīng)影響系數(shù)的一般表達式，如公式(1)所示。

(1)

在式(1)中，S為導(dǎo)體截面積，L為導(dǎo)體周長，f為電源頻率，μ為磁導(dǎo)率，ρ為電阻率。

從集膚效應(yīng)影響系數(shù)的表達式(1)可以看出，Kf與電流的頻率f密切相關(guān)，隨著頻率的增大而增大。

如果ZnO避雷器閥片電阻被強雷電流擊穿后，基本上變成了良導(dǎo)體，也存在明顯的集膚效應(yīng)。作者所在研究團隊，曾進行了一系列不同沖擊電壓的ZnO避閥片的擊穿實驗，使用的是1.2/50 μs沖擊波形，模擬雷電脈沖。本次實驗所涉及的ZnO的避雷器的實驗條件是U1mA≥145 kV，1.2/50 μs模擬雷電流沖擊作用下的殘壓不大于260 kV。

實驗過程中，為了更清晰的表現(xiàn)擊穿效果，在ZnO避雷器閥片的表面覆蓋一層圓形白紙片，把白紙放在兩片ZnO避雷器閥片中間。經(jīng)過多次高壓沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)穿過白紙片的擊穿點基本上集中在白紙的外層。從而驗證了雷電流在ZnO閥片電阻上的集膚效應(yīng)現(xiàn)象，如下圖4所示。

圖4 兩個ZnO閥片中間的紙片的擊穿效果圖Fig.4 Breakdown effect of the paper between two pieces of ZnO valve plates

文獻[11]通過傅里葉變換的方式分析了雷電流的頻譜，指出雷電流中含有較高頻率的分量，雷電流的陡度越大，其中含有的高頻分量越多，ZnO閥片電阻上的集膚效應(yīng)現(xiàn)象越明顯[13]。ZnO閥片電阻的集膚效應(yīng)現(xiàn)象對避雷器熱擊穿起著強化作用，對避雷器溫升的影響因子用λ2表示。

2.3 避雷器閥片電阻時滯性

ZnO避雷器在工作時，避雷器閥片不僅存在著集膚效應(yīng)，還存在著延遲導(dǎo)通和延遲關(guān)斷的現(xiàn)象，稱其為避雷器閥片電阻的時滯性。參考文獻[13-14]中明確指出，當(dāng)閥片電阻流過大電流時，會出現(xiàn)導(dǎo)電時滯性現(xiàn)象，并給出了等效電路。

在閥片電阻兩端的電壓和流過閥片電阻的電流的波形圖上，前者的波形超前于后者的波形。

由于避雷器閥片存在延遲關(guān)斷現(xiàn)象，在遭受雷擊流過雷電流之后，從理論上講，還會流過一定的工頻續(xù)流。避雷器閥片電阻的時滯性起著強化避雷器熱擊穿的作用，對避雷器溫升的影響因子用λ3表示。

2.4 多次脈沖沖擊下ZnO閥片溫度變化累積效應(yīng)

如引言中所述，多次沖擊脈沖和本研究重點研究的多重脈沖有本質(zhì)的區(qū)別，前者兩次脈沖的時間間隔較長，至少間隔1秒。后者的時間間隔是毫秒級甚至是微秒級的。

參考文獻[15]中描述，在統(tǒng)檢試驗過程中，出現(xiàn)了很多不合格ZnO避雷器產(chǎn)品，原因是在做動作負(fù)載實驗時，ZnO避雷器在多次標(biāo)稱雷電流沖擊后，ZnO避雷器閥片電阻發(fā)生了熱擊穿現(xiàn)象。ZnO閥片電阻在吸收了雷電流能量后，溫度急劇升高，同時ZnO閥片電阻值有一定程度的下降。

ZnO閥片電阻片吸收能量的能力受其起始溫度的影響比較大，吸收大小相同的能量，如果閥片電阻片的起始溫度不同，產(chǎn)生的溫升ΔT也不相同。

參考文獻[16]中描述，即使在起始溫度相同的情況下，ZnO閥片電阻被累積沖擊的次數(shù)不同，即便注入同樣的能量，其所產(chǎn)生的溫度變化也是不同的。相同的能量，ZnO閥片電阻被沖擊累積的次數(shù)越多，溫度升高的幅度就越大，對應(yīng)的U1mA變化率就越發(fā)明顯。閥片電阻的溫度越高，需要冷卻恢復(fù)的時間就越長，這一系列的實驗表明，沖擊能量和溫度對ZnO閥片電阻均具有累積效應(yīng)，文獻中列出了精確的數(shù)據(jù)表格。如表1所示(8/20 μs沖擊波形)。

表1 ZnO閥片電阻吸收沖擊能量后的溫度變化Table1 Temperature change of ZnO resistor after absorbing shock energy ℃

由表1可以看出，ZnO閥片電阻溫度的升高具有明顯累積效應(yīng)，猶如對雷擊的次數(shù)具有“記憶”功能。因此,含有多次沖擊能量的雷擊和溫度升高更容易造成ZnO避雷器發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象，對避雷器溫升的影響因子用λ4表示。

2.5 溫升綜合影響系數(shù)

綜合以上各因素對ZnO避雷器溫升的加強作用，可建立ZnO避雷器的溫升綜合影響系數(shù)λ=f(λ1，λ2，λ3，λ4)，λ1、λ2、λ3和λ4分別代表ZnO避雷器的老化受潮影響因子、閥片電阻集膚效應(yīng)影響因子、閥片電阻時滯性影響因子和閥片電阻雷電脈沖沖擊累積影響因子，即實際溫升值T′=λT,T為理想條件下的溫升值。經(jīng)計算，ZnO避雷器的溫升綜合影響系數(shù)λ在1.0至1.2之間，4個影響因子對λ的影響是不斷變化的。對新安裝避雷器，λ取值主要受λ2和λ3的影響。在理想條件下，λ取1.0，在工程計算中λ可取1.08～1.1之間，一般取1.08。溫升綜合影響系數(shù)λ雖然不是特別精確值，但在工程實踐應(yīng)用中是合理的。在下面ZnO避雷器熱擊穿仿真計算中，要考慮到溫升綜合影響系數(shù)的影響。

3 ZnO避雷器的極限運行溫度

如下圖5所示，當(dāng)ZnO閥片電阻吸收一定的能量后，將產(chǎn)生溫升ΔT。

圖5 ZnO避雷器發(fā)熱散熱示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat generation and heat dissipation of ZnO arrester

圖5中，T0為環(huán)境溫度，交點1為穩(wěn)定運行點，發(fā)熱功率和散熱功率達到平衡。T1為避雷器的穩(wěn)定運行溫度值，它受環(huán)境溫度條件和閥片電阻的性能等因素的影響比較大。不同的閥片電阻有不同的穩(wěn)定運行溫度值；與此相反，交點2為不穩(wěn)定運行點，T2為對應(yīng)的不穩(wěn)定溫度值，又稱極限溫度值。在室溫環(huán)境條件下，ZnO避雷器的極限溫度為200 ℃(473 K)[14]。在研究多重雷擊熱擊穿機理時，將參照此極限溫度值。

在正常工作條件下，ZnO避雷器既有吸收能量，使溫度升高的趨勢，又有散發(fā)熱量使溫度降低的趨勢，所以ZnO避雷器在超過環(huán)境溫度T0的某一平衡溫度下運行。當(dāng)溫升達到一定程度，如果超過不平衡點(圖5中交點2)，ZnO閥片的熱平衡將受到破壞，將導(dǎo)致ZnO避雷器發(fā)生熱擊穿或熱崩潰現(xiàn)象。

ZnO避雷器在雷電過電壓的作用下，閥片電阻吸收高幅值的沖擊能量之后，會引起避雷器溫度驟然升高。以下將通過仿真實驗再現(xiàn)多重雷電沖擊下，ZnO避雷器的溫度變化情況及發(fā)生熱擊穿的過程。

4 多重雷擊下避雷器熱擊穿機理過程研究

4.1 建立仿真模型

在建立仿真模型時，尺寸大小等模擬型號為φ156 mm×15 mm的ZnO避雷器。在仿真之前，首先用畫出ZnO避雷器比例單元的平面幾何模型，由于ZnO避雷器的整體結(jié)構(gòu)是對稱結(jié)構(gòu)，因此用ZnO避雷器的1/2仿真模型代替整體仿真模型，這樣處理得出的結(jié)論完全是一致的。ZnO避雷器1/2仿真物理模型如下圖6所示。

圖6 復(fù)合外套ZnO避雷器熱特性分析的物理模型Fig.6 Analyzing physical model of thermal characteristics of ZnO arrester

4.2 多重雷擊下ZnO避雷器的熱擊穿過程

在設(shè)置內(nèi)部熱源時，能量來源于一次多重雷擊，以t=0時刻為起始，在t=0 ms時刻遭受一次主雷擊，分別在時間t=0.11 ms和t=0.16 ms時刻遭受2次回?fù)衾滓u擊并在t=10.01 ms時刻遭受1次重復(fù)雷襲擊，共遭受4次襲擊。

選擇2.6/40 μs雷電流的波形，t=0 ms時刻的主雷擊和t=10.01 ms時刻重復(fù)雷的雷電流幅值選擇100 kA，由于回?fù)衾椎姆狄∫恍?，所?次回?fù)衾椎姆颠x擇50 kA。環(huán)境溫度取300 K(26.85 ℃)，并考慮溫升綜合影響系數(shù)的影響，為此可以仿真計算出ZnO避雷器閥片的溫度升高過程。

按照Ansys FLUENT仿真軟件的仿真步驟可得到ZnO避雷器的溫度演變圖。如下列圖7至圖10所示。

1)在t=0 ms時刻遭受第1次主雷擊之后，t=0.10 ms時刻的ZnO避雷器溫度分布圖(溫度單位：K)。

圖7 t=0.10 ms時刻的溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution of ZnO arrester at t=0.10 ms

2)在t=0.11ms時刻遭受第1次回?fù)衾字?，t=0.15 ms時刻的ZnO避雷器溫度分布圖。

圖8 t=0.15 ms時刻的溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=0.15 ms

3)在t=0.16 ms時刻遭受第2次回?fù)衾字?，t=3 ms時刻的ZnO避雷器溫度分布圖。

圖9 t=3 ms時刻的溫度分布圖Fig. 9 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=3 ms

4)在t=10.01 ms時刻遭受重復(fù)雷襲擊之后，t=10.5 ms時刻的ZnO避雷器溫度分布圖。

圖10 t=10.5 ms時刻的溫度分布圖Fig. 10 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=10.5 ms

不同環(huán)境溫度下，通過進一步仿真，可獲得在各時刻ZnO避雷器閥片柱中心區(qū)域的平均溫度如下表2所示。

表2 避雷器閥片柱中心區(qū)域的平均溫度Table 2 Average temperature in the center area of the arrester valve column K

在上述仿真實驗中，改變避雷器線路附近遭受重復(fù)雷和回?fù)衾滓u擊的時間，如重復(fù)雷從幾個毫秒到上百毫秒不等，均可得到近似的ZnO避雷器的溫度變化演變圖和避雷器閥片柱中心區(qū)域的平均溫度值。如果增加回?fù)衾谆蛑貜?fù)雷的次數(shù)，溫度值將明顯增加。

4.3 仿真結(jié)果分析

通過仿真，當(dāng)環(huán)境溫度為300 K(26.85 ℃)時，從ZnO避雷器的溫度變化演變圖和表2中的平均溫度可以看出，在遭受這一次多重雷擊之后，在10.5 ms的時間內(nèi)，其溫度已經(jīng)飆升到461 K(188 ℃)，雖然沒有到達極限溫度(200 ℃)[15]，但是已經(jīng)很接近了。

如果環(huán)境溫度比較高時，當(dāng)達到或超過40 ℃，在遭受這一次多重雷擊之后，ZnO避雷器的溫度可超過ZnO避雷器運行的極限溫度200 ℃，將大概率的發(fā)生避雷器的熱擊穿現(xiàn)象，影響局部電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

首次開展了多重雷擊作用下ZnO避雷器的熱擊穿機理研究，提出了溫升綜合影響系數(shù)的概念。

1)ZnO避雷器在多重雷擊作用下，容易達到甚至是超過極限溫度值，避雷器存在著熱擊穿的風(fēng)險，可能會成為輸電系統(tǒng)的故障源。

2)本研究雖然指出了ZnO避雷器存在的不足之處，但這并不是否定避雷器的重大貢獻。相反，ZnO避雷器已經(jīng)并將繼續(xù)發(fā)揮著重大的作用。

3)為避免ZnO避雷器熱擊穿，盡量選用體積和容量較大的高能閥片，并定期維護檢測。

本研究的研究結(jié)論對工程實踐均具有重要的參考價值，對工程實踐具指導(dǎo)意義。