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平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟PINGDINGSHANUNIVERSITY毕业论文题目:氧化锌避雷器特性试验研究院(系):电气与机械工程学院专业年级:电气工程及其自动化2012级姓名:姚建伟学号:121220231指导教师:代克杰副教授平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为平顶山学院。论文作者签名：日期：指导老师签名：日期：平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟氧化锌避雷器特性试验研究中文摘要氧化锌避雷器除了具有残压低、无续流、无间隙的优点，还具有良好的保护性能。在电网设备系统中，为了保护电气设备免遭过电压损坏和防护某些内部过电压，装设氧化锌避雷器是主要手段和重要措施。氧化锌避雷器之所以被广泛应用，是因为氧化锌避雷器在特性上可保持长期运行，且体积比较小有利于其安装。但是氧化锌避雷器也有一些缺点，其作为电气设备的过电压保护的重要装置，我们需要了解其性能的优劣，因为其性能优劣对电气设备的安全运行起着至关重要的作用。因此对氧化锌避雷器特性的研究将是一个永恒的话题。本文主要简单介绍了氧化锌避雷器的原理、结构及其检验其特性的一些常规试验，详细介绍了直流高压试验和0.75U1mA漏电流试验来判断氧化锌避雷器性能的优劣。其中直流高压试验和0.75U1mA漏电流试验是研究氧化锌避雷器优劣性能的两个重要试验。其测得的U1mA和0.75U1mA下漏电流是判断氧化锌避雷器质量状况的两个重要参数，运行一定时期后，U1mA和0.75U1mA下漏电流的变化能直接反映避雷器的老化、变质程度,用此方法容易判断它们的质量缺陷。关键词：过电压保护；氧化锌避雷器；试验方法；直流高压试验平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟11绪论1.1氧化锌避雷器特性试验背景及其意义20世纪70年代初期，出现了继碳化硅避雷器之后发展起来的另一种高性能电气设备过电压保护装置，它的主要成分是ZnO，并且掺加了少量的金属氧化物作为掺杂剂，比如CO2O3、Sb2O3、Bi2O3。用特定工艺制成的避雷器，我们称之为氧化锌避雷器，它的英文名为MOA。氧化锌避雷器无论在发电厂还是在变电站，都得到了广泛应用，其主要原因是其具有优良的大通流容量和非线性的优点。但在其运行过程中也会出现一些问题。氧化锌避雷器在承受的运行电压和持续流过的泄漏电流的作用下而发生劣化。常此以往，氧化锌阀片在长期运行电压下的老化问题就会变得越来越严重。另外，长期运行中的氧化锌避雷器可能会因内部受潮而导致泄漏电流增大，若不加以控制，最终可能会出现击穿损坏或爆炸事故，对电力系统的正常运行造成威胁。为了减少或避免这些情况的发生，保证氧化锌避雷器的安全运行，我们需要对其进行预防试验，通过实验测得的一些电气参数来反映其运行状况。因此，无论国产氧化锌避雷器还是进口氧化锌避雷器，我们首先要做的就是对其进行试验。平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟21.2氧化锌避雷器性能测试研究现状20世纪60年代末期，国内专家开始关注氧化锌避雷器的特性，为了研究其特性70年代进行了大量的科研基础工作，一直到80年代末期先后进行两次氧化锌避雷器运行的大规模调查，掌握了大量的运行特性数据。其后氧化锌避雷由于其优良的性能全面取代碳化硅避雷器已成为不争的事实。20世纪80年代中期，国内氧化锌避雷器制造业如雨后春笋般的迅猛发展起来，当然其研究特性的方法也逐渐的多了起来。目前，氧化锌避雷器的试验方法已经从单一的停电预试发展到带电试验、在线检测等多种方法，这些方法不仅使氧化锌避雷器性能的检测有了更多的选择，也让其检测更加方便、快捷、可靠。常用的氧化锌避雷器性能测试方法主要有4种：周期性预防试验、带电测试、在线监测、红外热成像。1.3本文的主要研究工作本文首先简单介绍了氧化锌避雷器的结构及其工作原理,然后再介绍研究其特性的试验方法,最后详细介绍本次试验设备、试验步骤、注意事项、数据及其分析。平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟32氧化锌避雷器特性试验原理2.1简述氧化锌避雷器以氧化锌为主要材料，并掺加了其他金属氧化物，经过高温烧结而成的非线性电阻阀片的氧化锌避雷器，它具有优良的非线性伏安特性。在相电压作用下，通过阀片的电流很小仅为毫安级，因此该避雷器不需要串联火花间隙，具有结构简单、体积小、重量轻、保护可靠等特点。氧化锌避雷器已广泛应用于高压电力系统、电气设备和电子电路中。图2-1各种型号氧化锌避雷器2.1.1氧化锌避雷器分类按额定电压值进行分类，可分为三类：高压类、中压类、低压类。高压类平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟4指66kV及以上等级，大致可划分为750、500、330、220、110、66kV六个电压等级;中压类指3kV-66kV等级，大致可划分为3、6、10、20、35kV五个电压等级，低压类指3kV以下大致可划分为1、0.5、0.38、0.22kV四个电压等级。按标称放电电流分类可划分为20、10、5、2、1.5kA。按用途分类可划分为系统用线路型、系统用电站型、系统用配电型、并联电容器组保护型、电气化铁道型、电动机及电动机中性点性、变压器中性点型。按外套分类可分为两大类瓷外套型、复合外套型。按结构性能分类可分为有间隙型和无间隙型两种。变压器中性点绝缘运行系统中，对操作过电压负载的要求十分的严格，此时采用有间隙型氧化锌避雷器。无间隙型始终占据着主流地位，主要是因为其结构简单且紧凑，具有优良的电气特性。2.1.2氧化锌避雷器结构及其原理根据电压等级氧化锌避雷器由多节组成，单节的氧化锌避雷器电压等级为35～110kV，两节的氧化锌避雷器的电压等级为220kV，三节的氧化锌避雷器的电压等级为500kV，四节的氧化锌避雷器为750kV。氧化锌避雷器主要由避雷元件、绝缘底座组成。为了改善电场分布，通常在220kV及以上避雷器顶部均安装有均压环。内部一般充氮气或SF6气体的避雷元件由氧化锌电阻片、绝缘支架、密封垫、压力释放装置等组成。平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟5氧化锌电阻片是一种多组分的多晶陶瓷半导体，内部有孔。电阻片是以氧化锌为主要成分，并附加少量的Bi203、Co2O3、MnO2、Sb203等金属氧化物添加将它们充分混合后造粒成型，经高温焙烧而成的。图2.1.2氧化锌电阻片在正常工作状态下，氧化锌避雷器工作在小电流区域，泄漏电流很小，仅为毫安级，并且大部分为容性电流分量，相当于绝缘状态。过电压发生时，氧化锌避雷器绝缘电阻变得很小，易于释放能量，此时氧化锌避雷器工作在中电流区域。能量释放完后，氧化锌电阻片由极小恢复到刚开始时的高阻状态。氧化锌避雷器在整个运行过程中不会产生电弧，因此无需采用灭弧装置，它的工作过程只包括限压和恢复这两个过程。吸收雷电过电压、操作过电压等的冲击能量，防止过电压进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备是氧化锌避雷器的主要作用。从避雷器发展历史来看，经历了从放电间隙到氧化锌限压器的过程。正常工作电压下通过氧化锌避雷器阀片的电流仅在毫安级，类似于绝缘体。当氧化锌避雷器上的电压超过定值时，阀片“导通”、绝缘电阻很小将大电流通过阀片泄入地中，其残压将不会超过被保护用电设平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟6备的耐压值。当作用在氧化锌避雷器阀片的工作电压下降到动作电压以下时，阀片将自动终止“导通”状态，恢复绝缘状态。2.1.3氧化锌避雷器优缺点氧化锌避雷器具有陡波响应特性好，无续流，操作残压低，放电分散性小，吸收各种雷电、操作过电压的能力，当本身出现故障时，脱离装置动作，使氧化锌避雷器退出运行，以免引起供电中断，而正常运行时，脱离装置不动作：同时还具有体积小、结构简单、通流容量大，运行维护方便，使用寿命长，造价也低的优点，因而在电力系统中具有很大的发展前景。但“金无足赤，人无完人”，氧化锌避雷器也有其缺点。例如：（1）MOA不可避免的会受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，导致MOA内外电位的不同而使内部氧化锌阀片与外部瓷套之间产生较大的电位差，最后将导致MOA径向放电现象的发生，较为严重时可能损坏避雷器。一旦MOA发生故障，避雷器本身将造成损坏甚至爆炸，同时其它电气设备将失去过电压保护，影响电力系统的安全运行。（2）MOA内部受潮或内部绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。2.2氧化锌避雷器故障原因氧化锌避雷器的电阻阀片相当于电阻和电容组成的混联电路，等效电路图和向量关系图如图所示2.2-1所示，IX、IR、IC分别为氧化平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟7锌避雷器的全电流（持续泄漏电流）、阻性电流和容性电流。图2.2-1氧化锌避雷器等效电路图和向量关系图正常运行电压下，氧化锌避雷器全电流有呈线性的容性分量IC和呈非线性的阻性分量IR构成，阻性分量IR约占总泄漏电流的10%～20%。氧化锌避雷器故障主要有阀片受潮和阀片老化引起。（1）MOA阀片受潮主要是在生产、运输及安装过程中MOA的密封性受到破坏，导致在长期运行中，潮气和水分逐渐渗入MOA内部。此类故障在电气性能上表现为MOA瓷套内表面、阀片侧面、有机绝缘支撑件的绝缘下降，全电流IX明显增加，阻性电流IR成倍增长，MOA温度升高；在事故中表现为瓷套内壁或阀片侧面有明显的闪络痕迹，在金属附件上有锈斑或锌白。（2）在长期的运行过程中，工频电流持续流过MOA阀片，由于个别阀片老化、均一性差，因此使电位分布不均匀。运行一段时间后，部分阀片先老化，造成MOA参考电压下降，阻性电流和功率损耗增加，形成恶性循环，最终导致MOA的整体老化。2.3电气参数反映氧化锌避雷器的电气特性平顶山学院毕业论文氧化锌避雷器特性试验研究姚建伟82.3.1氧化锌避雷器电气参数数学表达正常运行的MOA交流泄漏电流约为0.2~2mA,主要是呈线性变化的容性电流。由于MOA阀片的非线性，因此流过阀片的阻性电流是非正弦波。由图阻性电流和容性电流的向量关系图知，MOA的总泄漏电流也是非正弦波。设UX为运行电压，IX为全电压，IX为全电流，IR为阻性电流，IC为容性电流，则UX、IX傅里叶级数的展开式可表示为1sin()XOkmkkUUUkta(1)1sin()OxkmkkIIIkt(2)式中，U0为电压的直流分量；I0为电流的直流分量；UKM为电压的各次谐波幅值；IKM为电流的各次谐波幅值；ak为电压的各次谐波相角；bk为电流的各次谐波相角；k=1,2,3,4…由图1可知：IX=IC+IR(3)MOA的容性电流IC的傅里叶级数展开式可表示为1dcos()XCKkCkUICIktdt(4)式中，ICK为容性电流谐波幅值，CKk