新型双功能金属氧化物避雷器技术性能分析

新型双功能金属氧化物避雷器技术性能分析作者：佚名文章来源：不详点击数：82更新时间：2008-9-2614:06:50摘要：比较了ANSI，IEC和国标3种标准中的技术参数，分析了脱离器特征参数、MOA阀片能量吸收能力和压力释放装置的性能研究，给出新型金属氧化物避雷器的性能指标和研制水平。关键词：脱离器；阀片吸收能力；压力释放装置；金属氧化物避雷器国内35kV以下瓷套式避雷器的带压力释放装置被视为禁区而无人问津，而以美国为代表的先进国家，致力于研究在36kV以下的电网中设计具有脱离器与压力释放装置双功能的新型金属氧化物避雷器。当避雷器出故障时，其内部气压瞬时突然升高，此时压力释放装置的薄弱环节被瓷套内部的高温及高压气体冲破，使内部短路迅速转向瓷套外部闪络，从而使瓷套不发生破坏或爆炸性的破坏。这种具有脱离器与压力释放装置双功能的新型金属氧化物避雷器，是一项难度很大的高新技术，是当今国内外避雷器行业技术发展的新趋势。本公司研究开发这种新产品，既是迎战国际上先进国家的高新技术，也给企业的技术进步注入生机。1主要技术性能分析标准是衡量某种产品性能指标的法定尺度。国内外的避雷器标准有美国国家标准ANSI/IEEEC62．11—1987《交流电力系统用金属氧化物避雷器》(简称美标)，国际标准IEC99—4(1991－11第一版)《避雷器》第四部分：交流系统用无间隙金属氧化物避雷器(简称IEC标准)和我国国家标准GB11032—2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》(简称国标)。这三项标准代表了国内外对不同水平的避雷器性能要求，其他一些国家(英、法、德等)标准基本与IEC标准一样。通过比较分析可以发现，国标的特征参数等同IEC标准，IEC标准代表了国际上大多数国家的通用标准，唯有美标制定的一些性能参数要高出IEC标准与国标的规定值。1．1脱离器(Disconnector)的性能比较美标、IEC标准与国标对脱离器的性能要求见表1。从表1可见，对大电流短持续时间试验，国标与IEC标准一样均为65kA；美标比国标(等同IEC标准)电压等级高一档，分别对应为65kA与100kA两档。同样，美标中重负载10kA等级对小电流长持续时间试验要求为250A，也高出IEC标准和国标的相应要求。污秽试验仅美标要求进行该项试验，IEC标准与国标均无此项要求。时间电流特性试验，美标取的是4种电流水平，每种试验5只计20只试品，而IEC标准与国标取3种电流水平，试验15只试品。由此可见美标对脱离器特征参数的要求比IEC标准与国标都高。为了使研制出的新产品能更好地进入国际市场参与竞争，我们选择了美标作为新产品的试验依据。美标、IEC标准以及国标对脱离器的定义均为故障避雷器的一个示出装置。由此可知避雷器出故障(即损坏)时脱离器需动作，并给出可见标志。换句话说，若避雷器是完好的(未出故障)，则脱离器不应动作。假如避雷器尚未损坏而脱离器却过早地动作了，则意味着需要更换一只新避雷器挂网运行。此避雷器本应继续在它的岗位上执行保护电气设备的任务，却因脱离器的提前动作而退出运行。因此研究脱离器的动作性能时，固然不能忽视其时间电流动作特性(安秒特性)，但脱离器必须耐受的不动作安全电流特性(见表1)也同样重要。由于动作元件是决定脱离器动作特性的核心元件，要耐受表1中的4/10μs大电流冲击100kA，小电流2ms方波250A和负载循环以及污秽试验而不动作，即要求动作元件的内阻要足够大，耐受此四项试验时，应稳如泰山，岿然不动。同时动作元件在经受时间电流特性试验时，用美标中的话说，在电弧跨越避雷器元件时，要求脱离器此时应动如脱兔，迅速响应。图1是按美标要求选取的四种电流水平下，用20只试品进行时间电流特性试验的实际数据所绘制出的安秒特性曲线[1]图1脱离器时间电流特性曲线1．2MOA阀片的能量吸收能力近区雷击时，在接近避雷器安装处遭受直接雷击或者发生反击时，通过避雷器的电流比较大。避雷器的能量吸收能力包括大电流冲击特性和长持续时间电流冲击特性。目前国内生产的MOA阀片的小电流冲击特性和国外产品水平相差不多，但是在能量吸收能力和残压比等大电流冲击特性方面仍有较大差距，尤其是能量吸收能力。MOA阀片的能量吸收能力WV表达为WV＝W/V＝/V＝4KISUST/πd2l(1)式中K——冲击电流波形系数；IS——冲击电流峰值；US——残压；T——冲击电流持续时间；d——电阻片直径l——电阻片厚度。根据式(1)可以计算得出国外产品的2ms方波(长持续时间电流冲击)和4/10μs大电流冲击的能量吸收能力分别比国内产品高出30％和50％[2]。因此人们把研究的焦点集中于提高MOA阀片的能量吸收能力上。根据文献记载，全世界50％的雷电流大约37kA，而每回第二次来雷时，都至少包括两次闪击。尽管这样的雷击释放能量不高，即使产生电压处于最低值，但对金属氧化物避雷器(MOA)来说，也会反复出现反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。随着中压电网中电缆线路增多，因雷电和操作过电压在电网中存贮了较多的能量，因此在电缆末端的套管上或架空线引入处必须安装避雷器进行保护。这就要求避雷器尽可能地提高其能量吸收能力，以保证电气设备的安全可靠地运行。线路避雷器所处的位置距雷击点更近使之更易受雷电流冲击，因而对线路避雷器比常规的电站避雷器要求吸收更多的能量。文献[3]的研究表明，对于相对保护水平较高的线路放电等级1、2级的避雷器，大电流冲击试验的能量吸收能力才可与长持续电流冲击相比，并提供了每次长持续电流冲击试验中吸收的能量近似值(见表2)[3]。从表1可知，美标比IEC标准和国标要求严格，因而选择美标的特性参数作为试验依据。本公司的MOA阀片D3、D4的能量吸收能力分别为2、3KJ/KV，其对应的试验波形图见图2～5。表1脱离器特征参数对照表标准类别大电流短持续时间试验小电流长持续时间试验负载循环试验污秽试验脱离器时间电流特性试验避雷器等级/kA电流峰值(4/10μs)/kA避雷器等级/kA电流峰值(2ms)/A美标1051006510525075要求进行该项试验要求进行该项试验，但未明确规定具体的附盐密度取20，80，200，800A4种电流水平，每种电流水平试5只试品，计20只试品IEC标准565575不要求进行该项试验取20，200，800A3种电流水平，每种电流水平试5只试品，计15只试品国标5565655515075表2长持续电流冲击试验避雷器能量数据线线路放电等级每次冲击能量/kJ(kV)－1123451．02．03．04．25．0图24/10μs大冲击电流波形图(试品D3阀片)T1＝3．96μs；T2＝9．9μs；Ip＝66．1kA；K＝15％；D3×22．6，充电电压65．7kV图34/10μs大冲击电流波形图(试品D4阀片)T1＝3．96μs；T2＝9．9μs；Ip＝100．6kA；K＝8％；D4×26，充电电压94．8kV由式(1)表明MOA阀片的能量吸收能力与阀片直径成反比，阀片的直径愈大，其相应的能量吸收能力反而小。换言之，对于相同的冲击电流峰值，直径小一些的阀片其单位体积的能量耐受能力强。本公司生产的5kA避雷器用D3阀片(Ф33mm)，10kA避雷器用D4阀片(Ф42mm)。试验结果表明本公司的D3和D4阀片的能量吸收能力已达到先进水平。1．3压力释放装置的性能研究当避雷器出现内部故障时，故障电弧造成气体膨胀使瓷套内部的气压激增，导致压力释放装置的薄弱环节被迅速冲破，将内部短路电弧引至瓷套外部闪络，从而使瓷套不发生破坏或爆炸性的破坏。故障电弧电压Ua可表示为[4]Ua＝Eala(2)式中，Ea为电弧电压梯度(V/cm)；la为电弧长度(cm)。电弧能量Q(J)为[5]Q＝UaItη(3)式中，I为短路电流有效值(A)；t为电弧燃烧时间(s)；η为效率系数。假定短路电流取I＝5000A，电弧长度为60cm，燃弧时间t＝0．2s，电弧能量全部用于加热气体且均匀分布，取η＝1，大气中电弧电压梯度Ea为10～20V/cm，可估算出电弧能量Q约在600～1200kJ范围内。文献[4研究表明，空气中稳定的故障电弧的电位梯度在大电流范围内约为10～20V/cm，但随着电弧运动速度，电弧所处的环境参数等的改变而增加。发生在固体或液体绝缘中的故障电弧的电位梯度远高于空气中的电弧电位梯度，这意味着释放的电弧能量比上面的估算值还要高。因此，对压力释放装置的性能研究重点要解决下述几点问题：(1)研究瓷套在耐受压力释放试验时应不产生爆炸性破坏所具有的抗冲击强度。(2)研究避雷器故障时将瓷套内部产生的高温及高压气体迅速地引到瓷套外部闪络的环节的设计，即压力释放装置的薄弱环节设计。(3)本产品为具有脱离器与压力释放装置双功能结构，因而需在压力释放装置中心处设计带有脱离器。(4)脱离器用的导电胶的参数确定及研制。图42ms方波冲击电流波形图(试品D3阀片)T10＝2752μs；T90＝2110μs；Ip＝151．7A；T10/T90＝1．3；D3×22．2，充电电压8．7kV图52ms方波冲击电流波形图(试品D4阀片)T10＝2744μs；T90＝2112μs；Ip＝254．6A；T10/T90＝1．3；D4×30．1，充电电压12．4kV上面假定电弧长度取60cm，是由于电弧会有不同程度的拉长，实际电弧的长度要大于产生电弧的两电极间的直线距离。同时基于考虑对压力释放试验要求在给定型式和结构的最高电压额定值上进行，而相同型式和结构的低电压元件无须试验。这一条款不论是美标、IEC标准以及国标均规定一致。为了使本产品既能适用于出口(用于36kV电网)，也能在国内35kV电网中采用，因此按国内35kV电力系统用的避雷器额定电压已提高到51kV，选择试品的参数为：持续运行电压为40.8kV，直流1mA参考电压73kV，5kA等级。试验依据美国国家标准ANSI/IEEEC62．11－1987《交流电力系统用金属氧化物避雷器》，试验波形见图6、7。图6试验波形(10kV、5kA)图7试验波形(400～600A)试验结果：大电流压力释放试验，试验电流5kA，持续时间0．24s。小电流压力释放试验，试验电流500A，持续时间1．3s。2种电流压力释放试验，均正常释放，试验后进行检查，试品外套保持完整，脱落的试品零件保留在围栏之内。试验合格。2结论(1)比较美标、IEC标准和国标3种标准中的技术参数，美标比IEC标准和国标要求严格。(2)MOA阀片的能量吸收能力与阀片直径成反比，对相同的冲击电流峰值，直径小的阀片其单位体积的能量吸收能力强。本文介绍的由本公司生产的D3和D4阀片的能量吸收能力已达到国际先进水平。(3)本产品依据美标进行试验，经电力部电力设备及仪表质量检验测试中心试验，全部合格。经福建省科技信息研究所查询，鉴定委员会认为，具有脱离器与压力释放装置双功能结构的新型金属氧化物避雷器，属于国内首创，主要技术性能指标达到国际同类产品水平。参考文献1严增容，陈绍疆．避雷器脱离器的研究与试制．电网技术，1998，22，(7)2李建英，胡楠，李盛涛等．提高ZnO压敏电阻片能量耐受能力的方法与途径．电瓷避雷器，1998，(2)3StenstromL，LundquistJ．输电线路避雷器整体雷电放电分布下的能量应力．电瓷避雷器译丛，1999，(46)4古金国，徐国政，钱家骊．故障电弧特性．高压电器，1999，(6)5喻建良，王淑兰，周一卉．封闭电器用爆破片选型与设计．高压电器，1999，(6)