10kV配電避雷器整體大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)分析

廣西優(yōu)邁科技發(fā)展有限公司 陳思敏

10kV配電避雷器是指額定電壓為10kV配電系統(tǒng)中使用的避雷器。整體大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)是對(duì)該避雷器進(jìn)行的一種測(cè)試，以評(píng)估其在承受高電流沖擊時(shí)的性能和可靠性。在開展大電流沖擊耐受特性試驗(yàn)期間，基于國(guó)家有關(guān)部門頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展大電流沖擊耐受試驗(yàn)，確保耐受試驗(yàn)中滿足4/10us電流波形要求，能夠在65kA下耐受兩次。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)共計(jì)選取不同參數(shù)的避雷器數(shù)量4個(gè)，均為復(fù)合外套金屬類型的避雷器，按照試驗(yàn)對(duì)象將其分類，分別記為A、B、C、D四類，試驗(yàn)產(chǎn)品的型號(hào)均為YH5WS1-17/50的，但產(chǎn)品的電阻片參數(shù)有所差別，高度、直徑、質(zhì)量等均有所不同，具體試驗(yàn)產(chǎn)品的參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)對(duì)象編號(hào)及電阻片參數(shù)

不同廠家所生產(chǎn)的同類型的10kV氧化鋅避雷器，其內(nèi)部的電阻片尺寸存在一定的差異，電阻片的高度、直徑、質(zhì)量等相差較大，其中直徑最大達(dá)到了36.8mm，最小電阻片直徑為30.2mm。不同廠家所生產(chǎn)的電阻片性能和質(zhì)量存在一定的差異，試驗(yàn)需要衡量避雷器電阻片不同參數(shù)對(duì)耐沖擊特性所產(chǎn)生的影響。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件確定分為兩個(gè)部分，第一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目是在直流1mA參考電壓試驗(yàn)值，第二個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目是在0.75倍直流參考電壓下開展泄漏電流試驗(yàn)。在兩個(gè)試驗(yàn)條件均滿足要求的情況下，方可開展大電流沖擊試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)對(duì)象性能參數(shù)

試驗(yàn)條件試驗(yàn)主要確定在測(cè)定在直流1mA條件下的參考電壓數(shù)值、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流數(shù)值。最終實(shí)測(cè)結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，可以用于后續(xù)的大電流沖擊試驗(yàn)。大電流沖擊下，試驗(yàn)人員主要觀察產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)出現(xiàn)損壞的試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行破壞程度評(píng)價(jià)，最終分析影響10kV配網(wǎng)避雷器耐大電流沖擊性能的因素。

1.3 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)過程中使用沖擊電流器作為沖擊設(shè)備，該設(shè)備能夠按照相關(guān)部門標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生4/10us的電流波形。在試驗(yàn)期間連接電路和電容器等元件，避雷器與羅氏線圈連接在一起，同時(shí)在結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝分壓器、示波器等元件，模擬避雷器在作業(yè)環(huán)境內(nèi)的連接模式。

設(shè)計(jì)電路回路，利用PLC電路和電容器組合成為充電電路，并在結(jié)構(gòu)中設(shè)置放電球隙和硅堆。避雷器在工作狀態(tài)下，變壓器向電容器充電，完成充電過程之后，球隙內(nèi)產(chǎn)生脈沖并放電，電流會(huì)流經(jīng)電阻、電感，最終形成4/10us的電流波形，使得電路結(jié)構(gòu)中的變壓器承受大電流沖擊。試驗(yàn)過程中所使用的發(fā)生器支持200kV的電壓，能夠滿足4/10us大電流沖擊的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)過程中使用線圈測(cè)量電流波形的變化形態(tài)，分壓器主要用于測(cè)試避雷器的殘壓數(shù)值，示波器主要用于記錄避雷器的電壓波形，溫度數(shù)值的提取則使用紅外溫度測(cè)試裝置。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)值提取

依據(jù)上述試驗(yàn)條件，依次對(duì)避雷器A、避雷器B、避雷器C和避雷器D開展試驗(yàn)，每次經(jīng)受大電流沖擊后，使用測(cè)溫裝置測(cè)取避雷器經(jīng)過電流后的溫度數(shù)值，待到冷卻后進(jìn)行第二次試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后觀察避雷器的數(shù)值變化及外觀損壞情況。在測(cè)試期間，可以生成電壓、電流的波形曲線，并且根據(jù)曲線變化及相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算和得到最終避雷器的耐受能量情況。試驗(yàn)4組電阻片參數(shù)存在差異，利用進(jìn)行波形和幅度的調(diào)試，確保最終試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可比性。

避雷器耐受數(shù)值計(jì)算公式如下：Q=I×t，式中：Q是避雷器所能承受的能量（J），I是電流（A），t是沖擊時(shí)間（s）。該公式表示避雷器所能承受的能量與電流和沖擊時(shí)間的乘積成正比；避雷器大電流沖擊下的電流峰值計(jì)算公式如下：Ip=I×√，式中：Ip是電流峰值（A），I是有效值電流（A），√表示常規(guī)倍數(shù)。該公式表示電流峰值與有效峰值電流之間的關(guān)系，電流峰值是有效值電流的倍數(shù)。

ΔΤ=R×I^2×t/C，式中：ΔT是溫升（℃），R是電阻（Ω），I是電流（A），t是作用時(shí)間（s），C是熱容量（J/℃）。該公式表示溫升與電阻、電流、作用時(shí)間和熱容量之間的關(guān)系。具體4組避雷器大電流沖擊下的耐受試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 4組避雷器大電流耐沖擊試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值

根據(jù)表3分析4組避雷器在大電流耐沖擊試驗(yàn)中的電流峰值變化情況，電流峰值處于41.5kA至74.2kA之間，試驗(yàn)A的耐受數(shù)值最低為34.2kJ，試驗(yàn)D的耐受最高數(shù)值可以達(dá)到45.9kJ。在充電器電壓處于穩(wěn)定160kV的狀態(tài)下時(shí)，避雷器的沖擊阻抗呈現(xiàn)出差異性的特點(diǎn)，阻抗值與電流值之間呈現(xiàn)出反比例的關(guān)系。在第一次耐受試驗(yàn)過程中，溫度的數(shù)值大都處于50℃至100℃之間，在第二次耐受試驗(yàn)后，溫度均超過100℃。由于避雷器在作業(yè)過程中的元件具備熱傳導(dǎo)的性質(zhì)，且電阻片密封在結(jié)構(gòu)之中，實(shí)際溫度會(huì)比測(cè)試的結(jié)果更高。在試驗(yàn)期間，第二次沖擊試驗(yàn)下避雷器A出現(xiàn)了明顯的損壞，遭受沖擊后呈現(xiàn)出炸裂的狀態(tài)，電阻片的溫度高達(dá)160℃以上。

2.2 避雷器狀態(tài)分析

為了衡量不同避雷器在大沖擊電流下的實(shí)際狀態(tài)，將避雷器的狀態(tài)分為四個(gè)等級(jí)，1級(jí)狀態(tài)屬于正常狀態(tài)，經(jīng)過試驗(yàn)后屬于正常狀態(tài)的避雷器外觀沒有明顯的損壞，且參數(shù)顯示結(jié)果正常。2級(jí)及以上的狀態(tài)屬于破損狀態(tài)，2級(jí)狀態(tài)下的避雷器外觀無明顯的異常，但測(cè)試最終參數(shù)結(jié)果并不準(zhǔn)確，3級(jí)狀態(tài)下的避雷器出現(xiàn)炸裂情況，但電阻片的外觀正常，4級(jí)狀態(tài)下的避雷器損壞嚴(yán)重，且電阻片結(jié)構(gòu)被破壞。

區(qū)分4組避雷器的不同等級(jí)，提取經(jīng)過兩次耐受沖擊試驗(yàn)后的結(jié)果，最終試驗(yàn)結(jié)果表明：避雷器A屬于3級(jí)狀態(tài)，避雷器在大電流沖擊下?lián)p壞嚴(yán)重，但電阻片并未出現(xiàn)明顯的損壞。其中，避雷器B和避雷器C在試驗(yàn)完成后避雷器的外觀并未出現(xiàn)明顯異常，但測(cè)試最終參數(shù)結(jié)果并不準(zhǔn)確。其中，避雷器D的外觀基本良好，試驗(yàn)完畢后參數(shù)顯示較為正常[1]。

2.3 避雷器參數(shù)變化

避雷器的參數(shù)試驗(yàn)主要使用1mA直流參考電壓下和0.75倍直流參考電壓下的數(shù)值情況，測(cè)試結(jié)果顯示避雷器B和避雷器C的U1mA（參考電壓），降低幅度在25%左右，而標(biāo)準(zhǔn)的U1mA（參考電壓）數(shù)值應(yīng)保持在25kV以上。同時(shí)，避雷器B和避雷器C0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流增加，超過了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值20uA，其中避雷器B的泄漏電流變化值超過了40uA。試驗(yàn)對(duì)象中除避雷器D之外，其他的避雷器在2次大電流沖擊下均呈現(xiàn)出了不同程度的損壞，且避雷器B和避雷器C的泄漏電流已經(jīng)超出了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，無法滿足避雷器使用的需要。

3 避雷器大電流沖擊耐受性能影響因素分析

3.1 電阻片參數(shù)

電阻片作為避雷器中的主要保護(hù)裝置，電阻片的電阻值決定了通過它的電流大小，較大的電阻值可以限制大電流通過，并在一定程度上保護(hù)避雷器內(nèi)部元件不受損害。電阻片的熱容量決定了其在耐受大電流作用下的溫升能力，較大的熱容量意味著其能夠吸收更多的熱量，延長(zhǎng)其承受大電流的時(shí)間。電阻片的溫度系數(shù)反映了其阻值隨溫度變化的程度，如果溫度系數(shù)較低，電阻片在大電流沖擊過程中的阻值則變化較小，更有利于穩(wěn)定避雷器的性能[2]。

在此次試驗(yàn)過程中，除避雷器D外，其余的避雷器均出現(xiàn)一定程度的損壞，而電阻片的直徑越大，則電阻值越大，熱容量越高，對(duì)大電流的耐沖擊性越強(qiáng)。試驗(yàn)中的電阻片處于34.1mm以內(nèi)的避雷器，無法滿足大電流沖擊的試驗(yàn)要求，且尺寸越小，則避雷器的性能越差。避雷器D的電阻片直徑超過36mm，較大直徑的電阻片通常擁有更大的表面積，這有助于提高散熱性能，將產(chǎn)生的熱量更有效地散發(fā)出去，使得避雷器承受住了大電流沖擊。

3.2 避雷器結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)結(jié)果中，電阻片是4組避雷器耐大電流沖擊性能試驗(yàn)的主要變量，作為避雷器中關(guān)鍵的耗能元件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠影響避雷器吸收和分散電能的能力，較大的阻片面積和長(zhǎng)度可提供更多的表面以吸收電能，提高避雷器的耐受能力。但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，直徑大小、阻抗面積變化較大的情況下，各避雷器之間的耐受性能存在明顯的差異，尤其是在電阻片經(jīng)過大電流耐受試驗(yàn)的情況下，避雷器整體試驗(yàn)無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析影響避雷器大電流沖擊耐受性能的影響因素，避雷器的結(jié)構(gòu)對(duì)在大電流沖擊下的耐受性能有重要影響。

避雷器結(jié)構(gòu)中的泄流電極結(jié)構(gòu)會(huì)影響到避雷器的大電流耐受性能。泄流電極通過導(dǎo)引大電流到地，起到限制過電壓的作用，優(yōu)化泄流電極結(jié)構(gòu)可以使電流均勻地分布在電阻片上，避免出現(xiàn)避雷器局部過熱或損壞的情況。避雷器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和系統(tǒng)之間的接觸性，能夠起到降低連接電阻的作用。避雷器選擇時(shí)，應(yīng)確保選擇合適的緊固和連接方式，實(shí)現(xiàn)避雷器內(nèi)部元件之間和與外部系統(tǒng)之間的良好接觸，保證避雷器通過電流分布合理，使得避雷器整體耐受能力滿足要求。避雷器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)大電流沖擊的響應(yīng)能力。技術(shù)人員通過使用合理的內(nèi)部電子元件布局、電極間距調(diào)整等措施，可提高避雷器的耐受能力和抗損壞能力[3]。

3.3 額定電壓和額定電流

額定電壓和額定電流會(huì)影響到避雷器在1mA和0.75倍參考電壓下的數(shù)值。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該數(shù)值對(duì)避雷器泄漏電流的情況產(chǎn)生一定程度的影響，影響到避雷器的大電流沖擊耐受性能。在避雷器參數(shù)選擇過程中，較高的額定電壓表示避雷器設(shè)計(jì)能夠承受更高的過電壓，在大電流沖擊時(shí)能夠提供更好的保護(hù)，使得避雷器在承受過電壓時(shí)不容易擊穿或破壞，具有更高的耐受性能。較高的額定電流表示避雷器可在更大的電流沖擊下工作。承受更高的電流并將其分散到地下，具有更好的耐受性能。較低的額定電流表示避雷器的設(shè)計(jì)能力有限，只適用于較小的電流沖擊。當(dāng)接觸到超過額定電流的大電流沖擊時(shí)，避雷器可能無法有效分散和吸收能量，會(huì)導(dǎo)致避雷器損壞或失效。額定電壓和額定電流是避雷器設(shè)計(jì)參數(shù)，在實(shí)際使用中應(yīng)準(zhǔn)確選擇符合配網(wǎng)所需保護(hù)水平的額定值，必要時(shí)可適當(dāng)提高避雷器的特定電壓和額定電流。

綜上所述，通過對(duì)多個(gè)廠家生產(chǎn)的氧化鋅避雷器的試驗(yàn)分析工作，試驗(yàn)A避雷器整體耐大電流沖擊性能較差，甚至在沖擊試驗(yàn)階段出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，試驗(yàn)B和試驗(yàn)C試驗(yàn)期間U1mA（參考電壓）有所降低，產(chǎn)生大量的泄漏電流，僅有試驗(yàn)D在耐受試驗(yàn)過程中并未發(fā)生明顯的變化，在配網(wǎng)中應(yīng)用能夠起到保護(hù)設(shè)備、保護(hù)電網(wǎng)的作用。