金屬氧化物避雷器失效分析

趙騰

摘 要： 針對MOA的研究，從內部因素和外部因素兩個方面來分析其失效模式。其中，內部因素主要針對研究的是MOA壓敏電阻失效機理，外部因素則研究的是環境條件對MOA所造成的影響。

關鍵字： MOA； 失效模式； 內因分析； 外因分析

中圖分類號：TM206 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 內因分析

MOA失效的內因分析就是研究壓敏電阻的微觀失效原理。ZnO壓敏電阻的非線性保持能力與晶粒的大小和晶界結構的均勻性有關，非線性源于晶界效應。當突破了失效的多個局部臨近點，才會有可能導致熱崩潰的阻值退化，以及局部熱穿孔、電穿孔乃至炸裂失效，這說明了平均功率和熱阻是影響電阻特性和壽命的兩個重要指標。由公式可知，閥片的非線性系數 比較小時，串并聯中的各級閥片發熱分布是不平衡的。

（1）

式（1）中， 和 表示流過電流為 時換算得到的單閥片兩端電壓。從公式中可以看出，當其非線性系數降低到一定值時，電壓分布的微小差異將導致電流的分布差異很大，由此說明： 某單一閥片的失效將會使得其它各閥片的發熱極為不平衡。

在電網中，MOA工作時經常會受到不同程度的沖擊，如果沖擊強度比較小時，泄漏區域段的伏安特性會出現“極化”現象，此階段是可逆的。低電壓情況下電阻的泄漏區域無大的改變，一定條件下可以恢復。

如果沖擊強度過大，可能導致MOV的晶界層勢壘發生不可逆轉的變化，一些較為薄弱的勢壘將被破壞，再次遭遇強電流沖擊時，MOV的保護特性將發生變化，如果更加嚴重，就處于失效狀態了。在技術規范《交流無間隙金屬氧化物避雷器》（GB11032-2010）中，規定了壓敏電壓 下降10%的電壓值（這里表示為 ）作為判斷MOA失效的臨界電壓值[1]。

除了強電流的沖擊作用，系統正常工作電壓 對MOA長期的累積效應，也會造成壓敏電阻的伏安特性發生一定程度的劣化，相對工頻電壓而言，避雷器的泄漏電流中既含有阻性分量，也含有容性分量。與容性分量相比，雖然泄漏電流中阻性分量要小很多，然而隨著MOA使用年限的不斷增加，功率損耗可能逐漸增大，也使得壓敏電阻產生老化甚至劣化現象。

另一方面，連續沖擊電流產生功率損耗，功率損耗的累計增加引起避雷器內部溫升，會進一步加速壓敏電阻的老化。在過去，評定壓敏電阻性能，往往看重通流指標，忽略或不夠重視平均功率和熱阻這兩個參數，最終往往導致避雷器使用不當，壓敏電阻的失效概率增大。

2 外因分析

MOA的狀態主要是與外部參數的配合關系決定的，若其非線性電阻特征曲線穩定，即小時域內，避雷器的工作狀態由電網參數決定；若其特征曲線從大時域來看發生變化，則是受電網長期過電壓以及外部環境所致。下面對外部影響參數分別加以分析。

（1）瓷套污穢

MOA在較大污穢情況下運行可能發生三種情況：即外部閃絡現象，內部的局部放電，以及內部電阻片的溫度升高。其中，放電效應是由避雷器內外徑向電場改變或分布不均勻引起的，而ZnO閥片的溫升則是由MOA外表面上的污穢層引起的非線性的暫態電壓分布所導致的。閥片電流密度J隨時間的變化特征與電場強度的變化密切相關[2]，當遭遇到較大的脈沖電壓后，其響應為：

（2）

由此可以說明，閥片周圍的電場強度會影響閥片的電流密度，進而改變閥片電阻的非線性特性，而瓷套的污穢可以改變閥片周圍的電場強度大小以及分布的不均勻性。

（2）受潮

經過試驗表明，MOA內部受潮直接造成閥片外表壁電流增大，功耗增加，散熱增大，導致電阻片更易被熱擊穿或熱穿孔，加速了MOA老化過程，同時由于避雷器瓷套內部溫度驟增，可能使得內部壓強過大而發生爆炸。此外，瓷套外壁的過度潮濕將對瓷套內間隙的電容分布造成影響，從而造成避雷器的動作特性降低，穩定性變差，保護動作頻度增加，更易受到暫態過電壓危害，進一步加速避雷器老化乃至失效[3]。

（3）強電流沖擊

強電流沖擊對避雷器的影響較大，因此雷擊次數也是避雷器在線監測的一個重要指標。

（4）電網參數

暫態過電壓和各次諧波對無間隙MOA影響較大。無間隙MOA的拐點電壓（這里近似將參考電壓作為拐點電壓）偏低，僅為2.21～2.56倍的最大相電壓 ，而暫態過電壓可達2.5～3.5倍 [4]。

（5）機械振動

自然災害（如臺風、地震等）也有可能造成避雷器的安裝損壞，從而影響避雷器的運行。

3 結論

通過MOA內因分析，只有突破了失效的多個局部臨近點，才會有可能導致熱崩潰的阻值退化，以及局部熱穿孔、電穿孔乃至炸裂失效，這說明了平均功率和熱阻是影響電阻特性和壽命的兩個重要指標。通過外因分析，各項條件的改變，會改變MOA運行情況下的工作特征，尤其是電容電感特性，電位分布不均勻性，系統性和特性表征的外因主導性，從而使MOA逐步失效。

參考文獻：

[1] GrandkeT.Interprolation algorithms for diserete four iertransforms of weighted signals.IEEETransonIM，2003，32：350-355.

[2] 楊曉東.氧化鋅避雷器監測方法分析.新疆電力技術，2008，（2）：26-29.

[3] 周龍，文遠芳.MOA在線檢測與診斷技術的方法分析.電瓷避雷器，2012，（2）：45-47.

[4] 嵇麗明，柯明生.氧化鋅避雷器無線帶電診斷技術的推廣與應用.高壓電器，2013，49（11）：133-139.