， ， ， ， ， 靜雯

(1.南陽(yáng)金冠電氣有限公司，河南 南陽(yáng) 473000； 2.湖南師范大學(xué)，長(zhǎng)沙 410006)

0 引言

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、雷擊或操作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)的LC儲(chǔ)能元件中會(huì)發(fā)生能量交換，從而引發(fā)電壓、電流振蕩，即出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)程，產(chǎn)生過(guò)電壓。在高幅值的過(guò)電壓下避雷器呈低阻，通過(guò)吸收、泄放過(guò)電壓能量達(dá)到抑制過(guò)電壓的目的。工頻過(guò)電壓(TOV)常常發(fā)生在操作過(guò)電壓之后，使得避雷器在承受工頻過(guò)電壓前，吸收了初始操作過(guò)電壓能量。避雷器必須具備耐受工頻過(guò)電壓并保持熱穩(wěn)定的能力[1-4]。

IEC60099-4：2014對(duì)避雷器的能量耐受能力采用“Repetitive chargetransfer withstand”(重復(fù)轉(zhuǎn)移電荷耐受)試驗(yàn)來(lái)考核，TOV特性通過(guò)“power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester”(避雷器的工頻電壓時(shí)間特性)試驗(yàn)來(lái)考核[5-9]。

GB 11032—2010對(duì)避雷器的能量耐受能力采用“長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊耐受”試驗(yàn)來(lái)考核，TOV特性通過(guò)“避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性”試驗(yàn)來(lái)考核。

IEC60099-4：2014和GB/T 11032—2010中關(guān)于避雷器的能量耐受能力和TOV特性的要求，是對(duì)金屬氧化物電阻片特性和避雷器散熱結(jié)構(gòu)的考核。那么，在運(yùn)行和試驗(yàn)過(guò)程中，電阻片會(huì)有哪些破壞形式，哪些因素會(huì)影響到電阻片的能量吸收能力和TOV特性，是否能用能量指標(biāo)來(lái)考核電阻片的TOV特性呢？

1 避雷器的能量耐受能力

避雷器的能量耐受能力取決于電阻片的能量吸收能力和避雷器的散熱結(jié)構(gòu)兩方面，當(dāng)避雷器的結(jié)構(gòu)確定后，只決定于電阻片的能量吸收能力[10-16]。

1.1 電阻片的等值回路及數(shù)學(xué)模型

電阻片等值回路如圖1，數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(1)。

圖1 電阻片等值回路Fig.1 Equivalent circuit of varistor

圖1中Rp為并聯(lián)電阻(晶界相電阻)，Rv為非線性電阻(晶界勢(shì)壘電阻)，C為電極間電容(晶界勢(shì)壘電容)，Rg為串聯(lián)電阻(晶粒電阻)，L為等值電感。

小電流區(qū)受晶界電阻和電容作用，導(dǎo)電機(jī)理為雙Schottky勢(shì)壘的場(chǎng)、熱激發(fā)電子電流。場(chǎng)強(qiáng)、溫度越高，電子獲得的能量越大，越容易通過(guò)勢(shì)壘，電流就越大，表現(xiàn)為電壓越高，電流越大，溫度越高，電流越大，電阻片電阻具有負(fù)溫度特征。

中電流區(qū)受晶界和晶粒電阻共同作用，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，產(chǎn)生隧道電流，電阻片呈現(xiàn)非線性伏安特性。

大電流區(qū)受晶粒作用，非線性消失，呈現(xiàn)為正溫度系數(shù)的低電阻。

U=AIα

(1)

式中：U為避雷器兩端電壓降，kV；I為通過(guò)避雷器的電流，kA；α為避雷器的的非線性系數(shù)，0<α<1；A為常數(shù)。

在避雷器的全伏安特性范圍內(nèi)，有不同的α、A值。

1.2 電阻片承受非周期性沖擊電壓時(shí)的能量吸收能力

電阻片在一次非周期性沖擊過(guò)電壓過(guò)程中吸收的能量可用下式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中：W為一次沖擊吸收的能量，kJ；I為通過(guò)避雷器的電流，kA；α為電阻片的非線性系數(shù)，0<α<1；A為常數(shù)；c為沖擊電流波形系數(shù)；Γ為伽馬函數(shù)。

電阻片的能量吸收能力可以從下面三個(gè)方面來(lái)衡量：

1.2.1 破壞能量

破壞能量是指電阻片能夠吸收而不發(fā)生破壞(擊穿、閃絡(luò)或破損)的最大允許能量，單位為J或J/cm3。電阻片能夠吸收的能量與沖擊電流的幅值、持續(xù)時(shí)間、等值頻率、施加沖擊次數(shù)、電阻片溫度相關(guān)，同樣大小的能量注入電阻片，電阻片的初始溫度越高，沖擊電流的持續(xù)時(shí)間越短，等值頻率越高，電阻片吸收能量的能力越差。沖擊次數(shù)越多，每次沖擊能夠吸收的能量越低。

1.2.2 特性變化的程度

用電阻片在規(guī)定的特性變化范圍內(nèi)吸收的能量來(lái)衡量。

1.2.3 熱崩潰條件

熱崩潰是指當(dāng)電阻片的發(fā)熱量大于散熱量時(shí)，功率損耗隨溫度上升而持續(xù)增加，并引起溫度進(jìn)一步升高，直至最后破壞的現(xiàn)象。

避免電阻片發(fā)生熱崩潰的條件是電阻片吸收能量后引起的溫升必須小于或等于電阻片所允許的最大溫升。電阻片的最大吸收能量可用下式計(jì)算：

W=ρ·V·c·△T[5]

(3)

式中：W為電阻片能夠吸收的最大能量，kJ；ρ為電阻片的體積密度，kg/m3；V為電阻片的體積，m3；c為電阻片的比熱容，kJ/kg·℃；(金屬氧化物電阻片的比熱容約為0.5 J/kg·℃)；△T為吸收能量后，電阻片的最大允許溫升，℃。

1.3 電阻片吸收能量后表現(xiàn)形式

1.3.1 溫度升高

溫度升高是電阻片吸收能量后的直觀表現(xiàn)形式，見(jiàn)圖2。

電阻片的內(nèi)部物理組織越均勻、致密，溫度分布越均勻，能量吸收能力越強(qiáng)。微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3、圖4。

試驗(yàn)證明，在近似絕熱狀態(tài)下(電阻片置于圖5保溫殼、圖6保溫蓋組成的密閉容器中)，如果電阻片吸收能量后，表面即時(shí)溫度不超過(guò)150℃，在緊接著承受持續(xù)運(yùn)行電壓情況下，升溫和降溫能達(dá)到平衡，保持熱穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 電阻片吸收能量后溫度分布Fig.2 Temperature distribution after absorption of energy by the varistor

圖3 電阻片微觀結(jié)構(gòu)不均勻Fig.3 The microstructure of the varistor is uneven

圖4 電阻片微觀結(jié)構(gòu)均勻Fig.4 The microstructure of the varistor is uniform

圖5 保溫殼Fig.5 Heat preservation shell

圖6 保溫蓋Fig.6 Thermal insulation cover

1.3.2 參數(shù)變化

1)參考電壓下降，漏電流增大，功耗增大。

在小電流區(qū)域，電阻片的交流、直流參考電壓具有明顯的負(fù)溫度系數(shù)，漏電流、功耗具有明顯的正溫度系數(shù)，隨著溫度升高，參考電壓降低，漏電流、功耗增大。

2)非線性變化。隨著溫度升高，電阻片伏安特性曲線的拐點(diǎn)前移，殘壓緩慢增加，非線性變差。

1.3.3 破壞

電阻片的破壞形式有三種：貫穿破壞、開(kāi)裂破壞、側(cè)面閃絡(luò)。

1)貫穿破壞。貫穿破壞主要發(fā)生在外施電流幅值較小和持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)情況下。貫穿破壞主要是由于電流分布不均勻，導(dǎo)致電阻片局部溫升過(guò)高，負(fù)溫度系數(shù)使其發(fā)熱和通流惡性循環(huán)，直至該部分發(fā)生熔融。見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 貫穿破壞Fig.7 Through destruction

2)開(kāi)裂破壞。開(kāi)裂破壞主要發(fā)生在當(dāng)流過(guò)電阻片的電流持續(xù)時(shí)間短且幅值大的瞬態(tài)沖擊情況下。開(kāi)裂破壞是由于瞬態(tài)沖擊產(chǎn)生的驟變熱應(yīng)力導(dǎo)致電阻片機(jī)械開(kāi)裂。見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 開(kāi)裂破壞Fig.9 Cracking destruction

圖10 開(kāi)裂破壞時(shí)溫度分布Fig.10 Temperature distribution during cracking destruction

3)側(cè)面閃絡(luò)。側(cè)面閃絡(luò)主要發(fā)生在當(dāng)外施電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，沿電阻片側(cè)面發(fā)生的空氣擊穿。一般情況下，這種破壞形式發(fā)生時(shí)，電阻片吸收的能量并不大。見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 側(cè)面閃絡(luò)Fig.11 Side flashover

圖12 側(cè)面閃絡(luò)時(shí)溫度分布Fig.12 Temperature distribution during side flashover

1.4 影響電阻片能量吸收能力的因素

由(式3)W=ρ·V·c·△T分析可知，影響電阻片能量吸收能力的因素有電阻片的質(zhì)量密度ρ、電阻片的體積V、電阻片的比熱容c以及吸收能量后電阻片的最大允許溫升△T。

2 電阻片的能量吸收能力特性

對(duì)按照同一配方、同樣生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的同規(guī)格的電阻片，在同樣試驗(yàn)條件下，進(jìn)行能量耐受試驗(yàn)、動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)、工頻電壓耐受特性試驗(yàn)，探討不同能量注入方式下電阻片能量吸收能力的規(guī)律性。

2.1 基本參數(shù)測(cè)試

抽取直流參考電壓、漏電流相近的D105電阻片50片，其中，1 ～18號(hào)為單個(gè)電阻片，19 ～26為4個(gè)電阻片并聯(lián)組成的比例單元。分別測(cè)量單個(gè)電阻片的工頻6 mA參考電壓、全電流、阻性電流(按荷電率相同),數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電阻片基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the varistor

續(xù)表1

試品編號(hào)直流參考電壓Ud.c./kV75%Ud.c.下漏電流/μA工頻6mA參考電壓/kV額定電壓Ur/kV持續(xù)運(yùn)行電壓Uc/kVUc下全電流/μAUc下阻性電流/μA244.8153.63.582.751 7554654.8163.63.582.751 7664804.8173.63.582.751 7804754.8153.63.582.751 800479254.8943.663.632.81 8335434.8953.663.632.81 8205334.8963.663.632.81 8255104.8943.663.632.81 840550264.8563.633.62.781 8115104.8543.633.62.781 8224954.8553.633.62.781 8005004.8563.633.62.781 824502

2.2 能量耐受特性試驗(yàn)

抽取18片電阻片試品，每項(xiàng)試驗(yàn)3片，分別進(jìn)行2 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)、4 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)、10 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)、工頻半波沖擊電流耐受試驗(yàn)、8/20 μs雷電沖擊電流耐受試驗(yàn)、1.2Ur工頻電壓耐受特性試驗(yàn)，沖擊電流幅值、電壓峰值、能量參數(shù)分別見(jiàn)表2-表7。

表2 2 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 2 ms square wave impulse current withstand test data

續(xù)表2

試品編號(hào)序號(hào)1電流/A電壓/kV注入能量/kJ2電流/A電壓/kV注入能量/kJ3電流/A電壓/kV注入能量/kJ162 2266.6736.52 2056.7036.72 2406.6836.8172 2166.7336.72 2076.7736.72 2056.7636.7182 2196.7736.92 2026.7736.72 2056.7636.7192 2066.6936.32 2416.7337.12 2216.7236.7202 2166.7436.82 2066.7636.72 2136.7536.8212 2316.7537.12 2216.8037.12 2296.7637.1

注：21次試驗(yàn)分為7組，每組3次，2次之間間隔時(shí)間為50～60 s，兩組之間試品冷卻到環(huán)境溫度。

表3 4 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 4 ms square wave impulse current withstand test data

注：21次試驗(yàn)分為7組，每組3次，2次之間間隔時(shí)間為50～60 s，兩組之間試品冷卻到環(huán)境溫度。

表4 10 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 10 ms square wave impulse current withstand test data

注：21次試驗(yàn)分為7組，每組3次，2次之間間隔時(shí)間為50 s～60 s，兩組之間試品冷卻到環(huán)境溫度。

表5 工頻半波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Unipolar sine half-wave impulse current test data

續(xù)表5

試品編號(hào)序號(hào)10電流/A電壓/kV注入能量/kJ11電流/A電壓/kV注入能量/kJ12電流/A電壓/kV注入能量/kJ111 2906.7754.31 2906.8254.31 2806.8254.4121 2906.8654.71 3006.8254.61 2806.8254.5131 2606.6853.11 3106.7353.81 3006.7754.3141 2906.6853.91 3006.7754.41 3106.7754.4151 2906.8253.51 2906.8253.21 3006.8254.5161 3106.7754.21 3006.7353.81 3006.7353.5171 3106.7854.41 3106.7754.11 2906.7753.8181 3106.8154.51 3006.7754.31 3006.8054.1191 3006.8253.21 3006.7754.31 2906.7353.7201 3006.8254.01 3006.7753.71 3006.7754.0211 3006.8654.21 2906.8254.11 2906.8654.1

注：21次試驗(yàn)分為7組，每組3次，2次之間間隔時(shí)間為50～60 s，兩組之間試品冷卻到環(huán)境溫度。

表6 8/20 μs雷電沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 8/20 μs lightning impulse current test data

注1：18次試驗(yàn)分為6組，每組3次，2次之間間隔時(shí)間為50 s～60 s，兩組之間試品冷卻到環(huán)境溫度。2：雷電波沖擊電流注入能量約10 kJ，未達(dá)到能量耐受極限。

表7 1.2 Ur(額定電壓)工頻電壓下破壞時(shí)吸收的 能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Test data of energy absorbed during failure under 1.2 Ur(rated voltage) power frequency voltage

注：試驗(yàn)在環(huán)境溫度22℃下進(jìn)行，試品為比例單元(4只電阻片并聯(lián))，試驗(yàn)前未預(yù)注入能量。

試驗(yàn)回路見(jiàn)圖13。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試品持續(xù)施加工頻電壓至破壞。

圖13 1.2Ur(額定電壓)工頻電壓耐受試驗(yàn)回路Fig.13 Test circuit under 1.2Ur power frequency voltage

試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)D105電阻片施加2 ms方波沖擊電流單次注入能量不小于35 kJ，4 ms方波沖擊電流單次注入能量不小于42 kJ，10 ms方波沖擊電流單次注入能量不小于53 kJ，工頻半波沖擊電流單次注入能量不小于53 kJ，8/20 μs雷電沖擊電流單次注入能量約10 kJ，對(duì)試品分別進(jìn)行多次能量耐受試驗(yàn)后，外觀均正常，無(wú)擊穿、閃絡(luò)、破碎現(xiàn)象，殘壓變化小于5%。

1.2Ur工頻電壓下破壞時(shí)吸收的能量平均值為40 kJ，遠(yuǎn)小于連續(xù)通過(guò)3次方波沖擊電流吸收的能量。

結(jié)合圖1分析對(duì)電阻片施加沖擊電流和1.2Ur時(shí)的能量吸收能力，如圖1c所示，在1.2Ur下，電阻片工作在中電流區(qū)，特性主要由晶界決定，能量也主要由晶界承受，晶界電阻率較高，導(dǎo)致溫度急劇升高，晶界分布的不均勻會(huì)使同一荷電率下不同電阻片的溫升不同，隨溫度升高，晶界勢(shì)壘寬度下降，隧道電流加劇，溫度進(jìn)一步升高，導(dǎo)致電阻片擊穿；如圖1(d)所示，在沖擊電流作用下，電阻片受強(qiáng)電場(chǎng)作用，特性由ZnO晶粒決定，能量也由ZnO晶粒吸收和承受，而ZnO晶粒是電阻片中的主晶相，占據(jù)陶瓷體的絕大部分體積，是電阻片中起導(dǎo)電、導(dǎo)熱和吸收能量的主體，

因ZnO晶粒的電阻率較小，溫度升高有限，能量耐受能力較高。

2.3 動(dòng)作負(fù)載特性試驗(yàn)

按照GB/T 11032和GB/Z 24845規(guī)定的操作沖擊動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)程序?qū)?個(gè)D105電阻片比例單元(4個(gè)電阻片并聯(lián))進(jìn)行動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)(電阻片基本參數(shù)見(jiàn)表1)。在對(duì)試品預(yù)熱至60℃，分別施加兩次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流(6級(jí)長(zhǎng)線)沖擊和10s升高的額定電壓后，試品平均溫度分別為99℃、88℃和105℃，在對(duì)試品施加30min持續(xù)運(yùn)行電壓Uc*內(nèi)的平均溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 施加Uc* 30 min內(nèi)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)Table 8 Data of temperature during 30 min under Uc*

從表8數(shù)據(jù)分析，電阻片在吸收相同能量后，溫升不同，說(shuō)明電阻片在吸收能量后，由于電阻片電壓的負(fù)溫度系數(shù)，其直流參考電壓、工頻參考電壓均有下降，施加Ur時(shí)，荷電率高，通過(guò)電阻片的電流幾乎全部為阻性電流，電阻片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的輕微差異，都會(huì)導(dǎo)致通過(guò)的阻性電流大小不同，從而表現(xiàn)為溫度的差異。

2.4 工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)

按照GB 11032規(guī)定的工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)程序?qū)?個(gè)D105電阻片比例單元(4個(gè)電阻片并聯(lián))進(jìn)行工頻電壓耐受試驗(yàn)(電阻片基本參數(shù)見(jiàn)表2)。在對(duì)試品預(yù)熱至60℃，施加兩次長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流沖擊(6級(jí)長(zhǎng)線，比例單元能量不低于174 kJ，單個(gè)電阻片平均預(yù)注入能量不低于43.5 kJ)和一定倍數(shù)的額定電壓后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

按照規(guī)范規(guī)定，在避雷器預(yù)注入能量后，要求其工頻電壓耐受能力不低于實(shí)際運(yùn)行的TOV工況。

表9 工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 9 Power-frequency voltage VS time characteristic

3 結(jié)論

1)避雷器的能量吸收能力取決于所用電阻片的能量吸收能力和其散熱結(jié)構(gòu)，當(dāng)避雷器結(jié)構(gòu)確定后，則取決于電阻片的能量吸收能力。

2)對(duì)電阻片注入能量后，電阻片破壞的原因有熱應(yīng)力、內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)、電極與基體結(jié)合狀況、側(cè)面絕緣狀態(tài)。

3)電阻片的能量吸收能力由其比熱容、密度、體積、初始溫度、內(nèi)部致密性、均勻性決定。

4)對(duì)沖擊電流而言，電阻片的起始溫度越高，電流幅值越高，等值頻率越高，其能量吸收能力越差。

5)對(duì)電阻片施加工頻電壓時(shí)，其能量吸收能力遠(yuǎn)小于施加沖擊電壓時(shí)的吸收能力，所以不能用沖擊電流的能量吸收能力代替工頻電壓下的能量吸收能力，應(yīng)模擬實(shí)際工況來(lái)考核其特性。

6)在近似絕熱狀態(tài)，電阻片表面溫度不超過(guò)150℃時(shí)，承受正常荷電率的持續(xù)運(yùn)行電壓時(shí)，升溫和降溫能達(dá)到平衡，保持熱穩(wěn)定狀態(tài)。