趙 霞, 張搏宇, 時(shí)衛(wèi)東, 沈海濱, 賀子鳴, 呂雪斌

(中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京 100192)

0 引言

由于ZnO電阻片具有良好的非線性伏安特性，因此被廣泛應(yīng)用于金屬氧化物避雷器中[1-2]。避雷器并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備的兩端，在正常工況下持續(xù)承受電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓的作用。在該電壓作用下，ZnO電阻片工作在小電流區(qū)，呈現(xiàn)出高電阻狀態(tài)，避雷器中出現(xiàn)很小的泄漏電流(漏流)，進(jìn)而產(chǎn)生功率損耗(功耗)，同時(shí)溫度上升。在電-熱共同作用下，避雷器因逐漸老化而性能變差。早期ZnO電阻片在恒定電壓老化過程中，漏流逐漸增大，因而功耗也逐漸增大。此外，過電壓、受潮等因素會(huì)加速避雷器的老化[3]。后來，隨著制作工藝提高，電阻片在老化過程中呈現(xiàn)出泄漏電流先減小，在某一時(shí)刻點(diǎn)之后逐漸增大。對(duì)于這兩類電阻片，通過提取漏流值就可以判斷電阻片的老化情況和剩余壽命[4]。目前，為了適應(yīng)我國特高壓輸電工程的發(fā)展，供應(yīng)商通過改進(jìn)配方和工藝生產(chǎn)出了性能不同的ZnO電阻片[5]。這類電阻片在老化初期功耗迅速下降，后趨于穩(wěn)定，老化之后電氣性能的變化也不同于先前的電阻片。

長期以來，加速老化試驗(yàn)中功耗變化是判斷試驗(yàn)是否通過的唯一標(biāo)準(zhǔn)，然而，有些廠家電阻片可以通過加速老化試驗(yàn)，但是在服役過程中出現(xiàn)了參考電壓大幅下降情況，嚴(yán)重時(shí)超過5%。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司直流換流站檢測(cè)規(guī)定》附錄A.7條規(guī)定“直流參考電壓U1mA實(shí)測(cè)值與初值差不超過±5%”，因此，此類避雷器將不能繼續(xù)使用。這種情況也表明在老化試驗(yàn)前后引入電氣參數(shù)變化率的考慮具有重要的意義。直流電阻片在長期偏置電壓下出現(xiàn)勢(shì)壘畸變，更要考慮正反向的電氣參數(shù)變化。

避雷器用ZnO電阻片在長期運(yùn)行電壓的作用下性能變化(即老化)的速度和程度與避雷器荷電率的取值有關(guān)[6-7]。荷電率表征的是單位電阻片上的電壓負(fù)荷，其高低對(duì)避雷器的老化程度影響很大。降低荷電率，長期連續(xù)運(yùn)行電壓下阻性漏電流小，所引起的損耗易與散熱能力平衡，不會(huì)發(fā)生熱崩潰；但另一方面提高荷電率，可提高避雷器的保護(hù)水平，對(duì)降低設(shè)備絕緣水平有重要意義。對(duì)于交流避雷器，我國國標(biāo)GB 11032—2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》未定義荷電率[8]。《±800 kV直流輸電技術(shù)研究》和《Q/GDW 144-2006 ±800 kV特高壓直流換流站過電壓保護(hù)和絕緣配合導(dǎo)則》中給出，直流避雷器的荷電率是持續(xù)運(yùn)行電壓幅值(CCOV)和持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(PCOV)與直流參考電壓(Uref)的比值[9-10]。合理的荷電率值必須考慮穩(wěn)定性、泄漏電流的大小，持續(xù)運(yùn)行電壓峰值、直流電壓分量、安裝位置(戶外或戶內(nèi))，溫度對(duì)伏安特性的影響以及污穢對(duì)避雷器瓷或硅橡膠外套電位分布的影響等因素，通過包括老化試驗(yàn)的穩(wěn)定性試驗(yàn)和污穢試驗(yàn)來確定[11]。

本研究選取不同荷電率，對(duì)我國特高壓直流輸電工程中使用的直流ZnO電阻片在直流電壓下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。通過對(duì)比老化前后電阻片電氣參數(shù)的差異，分析出直流老化對(duì)直流ZnO電阻片電氣性能的影響規(guī)律。最后，對(duì)該類電阻片的加速老化試驗(yàn)方法提出改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)方法

老化試驗(yàn)的目的是判斷電阻片在持續(xù)運(yùn)行電壓下是否表現(xiàn)出穩(wěn)定的或者不斷下降的功耗。直流老化試驗(yàn)中溫度和時(shí)間要求與交流情形一致(115±4 ℃，穩(wěn)定性±1 ℃，至少1 000 h)。直流換流站中，避雷器持續(xù)承受各種復(fù)雜波形的作用，這些復(fù)雜波形可以分解為直流分量和各次諧波分量。一般來說，對(duì)于換流站各位置避雷器來說，直流極母線避雷器承受純直流電壓作用，相對(duì)于其他位置避雷器而言，劣化程度更明顯。因此，采用直流電壓對(duì)電阻片進(jìn)行老化。避雷器的環(huán)境溫度Ta高于60 ℃(24 h平均值)時(shí)， IEC 2014a中9.11.2和9.11.3方案中的試驗(yàn)時(shí)間大于1 000 h。與交流老化一樣，老化時(shí)間t基于假定的Arrhenius模式進(jìn)行估算[12]，公式如下：

(1)

具體的老化試驗(yàn)條件和測(cè)試參數(shù)見表1。規(guī)定與老化電壓相同的方向?yàn)檎较?，?biāo)記為“+”；與老化電壓相反的方向?yàn)榉捶较颍瑯?biāo)記為“-”。老化前后測(cè)試分別測(cè)試正向和反向的參考電壓U1mA，10 kA和20 kA的8/20 μs雷電沖擊電流下的殘壓Ur10kA和Ur20kA。

表1 ZnO電阻片老化試驗(yàn)條件及測(cè)試參數(shù)Table 1 Accelerated ageing test conditions and test parameters for ZnO varistors

直流老化試驗(yàn)的通過標(biāo)準(zhǔn)和交流老化一樣： 1)老化1 000 h后的功耗P10不高于1.1P0； 2)如果功耗曲線存在最小值Pmin，P10也不超過1.3Pmin。不同于交流老化P0取施加電壓后3 h ± 15 min時(shí)的功耗，直流老化P0取施加電壓后1 h ± 5 min的功耗，這是為了觀察一些電阻片在老化開始時(shí)迅速下降的功耗，見圖1。根據(jù)老化特性，初始值的準(zhǔn)確選取與否將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

圖1 ZnO電阻片老化功耗曲線Fig.1 The schematic for power loss of ZnO varistors during accelerated ageing test

2 試驗(yàn)結(jié)果

選取國內(nèi)A廠家和B廠家的特高壓直流工程用ZnO電阻片在95%荷電率下進(jìn)行直流老化試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)3片試樣進(jìn)行試驗(yàn)。老化過程中的功率損耗曲線見圖2和圖3。剛加上老化電壓時(shí)，功率損耗較高，隨著老化時(shí)間推移，功率損耗持續(xù)下降。在0～100 h，功率損耗迅速下降；100 h之后，功率損耗緩慢下降。提高荷電率至100%，B廠家電阻片功耗曲線見圖4，電阻片功耗曲線變化趨勢(shì)與95%荷電率時(shí)相同，只是電阻片功耗趨于穩(wěn)定所需時(shí)間更短一些。僅從功耗來判斷，電阻片似乎處于永久“穩(wěn)定”狀態(tài)，對(duì)于這種處于熱穩(wěn)定狀態(tài)的電阻片，利用Arrhenius模型預(yù)測(cè)壽命的方法將會(huì)失效。

圖2 A廠家電阻片在95%荷電率下加速老化試驗(yàn)功率曲線Fig.2 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer A under 95% applied voltage ratio

圖3 B廠家電阻片在95%荷電率下的直流老化功耗曲線Fig.3 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer B under 95% applied voltage ratio

圖4 B廠家電阻片在100%荷電率下的直流老化功耗曲線Fig.4 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer B under 100% applied voltage ratio

老化前后ZnO電阻片的電氣參數(shù)見表2所示?？梢钥闯?，直流老化之后，電阻片的伏安特性出現(xiàn)不對(duì)稱，這是由于直流偏壓長時(shí)間作用下電阻片勢(shì)壘結(jié)構(gòu)畸變引起的。正向參考電壓增大，反向參考電壓下降；雷電沖擊殘壓增大，并且反向殘壓增大更明顯。

表2 各廠家ZnO電阻片老化前后的電氣參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of electrical parameters for ZnO varistors from different manufacturers before and after accelerated ageing test

進(jìn)一步對(duì)老化前后電氣參數(shù)變化率進(jìn)行分析，可以看出，B廠家電阻片在100%荷電率老化后反向參考電壓下降已超過5%，這在實(shí)際運(yùn)行中是不允許的。但是，若僅僅以功耗曲線作為試驗(yàn)通過判據(jù)的話，這個(gè)電阻片是通過試驗(yàn)的。因此，我們認(rèn)為不能僅以功耗變化作為老化試驗(yàn)通過判據(jù)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮電阻片正反向殘壓的變化，判斷老化后避雷器是否還能起到應(yīng)有的保護(hù)作用。

雙Schottky勢(shì)壘(DSB)模型被廣泛用于解釋ZnO電阻片的電氣性能和老化機(jī)理，見圖5。DSB包括晶界界面受主陰離子及其兩側(cè)的耗盡層中的施主氧離子，其中陰離子主要是鋅空位(VZn)，氧離子(O)等；陽離子包括鋅填隙(Zni)，氧空位(VO)，摻雜離子等。根據(jù)遷移勢(shì)壘的大小，這些離子可以劃分為非穩(wěn)態(tài)離子和穩(wěn)態(tài)離子。Zni和O的遷移勢(shì)壘約為0.57 eV和0.87 eV，屬于非穩(wěn)態(tài)離子，其他離子的遷移勢(shì)壘較高，可以認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)離子[13]。

圖5 直流老化后電阻片的雙Schottky勢(shì)壘Fig.5 Double Schottky barrier model of ZnO varistors after DC accelerated ageing test

勢(shì)壘高度(Φb)決定ZnO電阻片小電流區(qū)的電氣性能，一般說來，勢(shì)壘高度增大，泄漏電流降低。增大界面負(fù)電荷的密度可以提高勢(shì)壘高度。在摻雜濃度確定的情況下，優(yōu)化的燒結(jié)工藝可以提高界面負(fù)電荷的密度，進(jìn)而提高勢(shì)壘高度。直流老化期間，遷移勢(shì)壘較低的Zni和O在外電場(chǎng)作用下遷移[14-15]。正偏側(cè)(圖4中左側(cè))耗盡層中，Zni向晶粒深處遷移，而界面氧離子則遷移至另一側(cè)晶界處；反偏側(cè)(圖4中右側(cè))耗盡層中Zni向晶界處遷移，中和了部分界面負(fù)電荷，但是，從正偏側(cè)遷移過來的氧離子又補(bǔ)充了反偏側(cè)的界面負(fù)電荷。上述過程最終導(dǎo)致正偏側(cè)勢(shì)壘降低，反偏側(cè)勢(shì)壘增大，因此，ZnO電阻片在直流老化后，正向參考電壓(受反偏側(cè)勢(shì)壘控制)增大，反向參考電壓(受正偏側(cè)勢(shì)壘控制)降低。此外，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)離子遷移并在晶界與負(fù)電荷復(fù)合后，晶粒中的導(dǎo)電粒子數(shù)目減少，晶粒電阻率增大，最終導(dǎo)致電阻片的殘壓上升。

特高壓系統(tǒng)中，由于提高電力設(shè)備絕緣水平的成本很高，所以會(huì)考慮增大避雷器的荷電率來優(yōu)化其保護(hù)水平。但是，更高的荷電率意味著上述準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)離子的遷移更顯著，最終導(dǎo)致勢(shì)壘嚴(yán)重畸變和電氣性能劣化。試驗(yàn)結(jié)果也表明，有些電阻片老化后參考電壓的變化率超過5%。鑒于此，筆者將正反方向的參考電壓和殘壓變化納入判斷電阻片是否通過老化試驗(yàn)的指標(biāo)。

3 試驗(yàn)改進(jìn)

通過前面的分析，提出改進(jìn)的直流避雷器老化試驗(yàn)方案，具體流程見圖6。第一，老化前，在室溫下分別測(cè)試避雷器電阻片正反向的參考電壓和殘壓，判斷避雷器的伏安特性是否對(duì)稱。第二，選取荷電率，按照IEC 60099-9中的規(guī)定對(duì)避雷器進(jìn)行老化，老化時(shí)長為1 000 h。第三，老化至1 000 h后，判斷電阻片功率損耗是否滿足要求，即1)Pend≤ 1.1P0和2)Pend≤ 1.3Pmin。第四，如果功耗滿足要求，測(cè)試電阻片正反兩個(gè)方向的參考電壓和殘壓。第五，判斷參考電壓和殘壓是否小于規(guī)定值(建議選取為5%)。如果以上試驗(yàn)均通過，則認(rèn)為避雷器通過老化試驗(yàn)，否則未通過老化試驗(yàn)。

圖6 直流老化試驗(yàn)流程圖Fig.6 Flow-chart for DC accelerated ageing test

4 結(jié)論

對(duì)國內(nèi)兩個(gè)主流特高壓直流避雷器廠家的ZnO電阻片進(jìn)行老化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電阻片的功率損耗在老化過程中持續(xù)下降。按照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，電阻片均能通過老化試驗(yàn)。但是對(duì)比老化前后的電氣參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，正向參考電壓增大，反向參考電壓下降。正向和反向的沖擊殘壓均增大，且反向大于正向。嚴(yán)重時(shí)，反向變化率超過5%。考慮到直流換流站存在極性反轉(zhuǎn)的運(yùn)行工況，有必要綜合考慮避雷器正向和反向的電氣性能。因此，本研究對(duì)避雷器老化試驗(yàn)方法提出了改進(jìn)建議。