非線性電導材料改善避雷器不均勻電場研究

劉凌云，李志恒，張吳欣，司偉康，柳建軍

(1 湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；2 襄陽市三三電氣有限公司，湖北 襄陽 441000)

為提高電能傳輸效率，輸電線路的運行電壓等級越來越高。隨著電壓等級的大幅度提高，輸配電線路、電氣設備、變電站等的安全運行問題也變得日益突出[1-3]。保護電力系統中各種電氣設備安全穩定運行，免遭操作過電壓和大氣過電壓的侵害就顯得極為重要,而復合絕緣外套無間隙氧化鋅避雷器作為一種限制過電壓的保護設備便具備這樣的功能[4-7]。由于氧化鋅閥片具有良好的非線性伏安特性，它正常工作電壓下避雷器呈現高阻狀態，流過避雷器的電流僅有幾百微安，但當過電壓超過其規定的動作電壓時，避雷器立即動作變為導通狀態，流過避雷器的電流瞬間升高至數千安培，釋放過電壓能量，使電氣設備免受過電壓的侵害[8]。

根據韓社教等人的研究，雜散電容的存在使得避雷器內部電阻片電位分布極不均勻，并且隨著避雷器電壓等級和本體高度的增加而愈加嚴重。長期承受不均勻電位分布會加速電阻片的老化，甚至會導致整個避雷器的損毀[9-12]。在避雷器高壓端和接地端長期承受著過高、甚至大于平均值數倍的電場強度，會加速復合硅橡膠絕緣外套的老化，在沖擊過電壓等惡劣運行情況下甚至會被擊穿、損壞。所以外部絕緣材料的使用壽命同樣會影響到避雷器的安全穩定運行，而改善避雷器外部絕緣材料面臨的局部場強過大，場強分布不均是目前亟待解決的問題。

1 樣品制備與測試

1.1 非線性電導材料樣品的制備

使用某公司生產的ZnO壓敏電阻粉體和道康寧某加成型液體硅橡膠為原料制備非線性電導材料樣品。ZnO壓敏粉體是以ZnO為主體，配以一定微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3等材料混合制成的。本次所用ZnO壓敏粉體原料為經過噴霧造粒工藝之后的灰色粉料，樣品制備的實驗步驟如下：

1)燒結：將ZnO壓敏粉體放置在馬弗爐進行燒結。

2)研磨與過篩：使用瑪瑙研磨器對燒結好的ZnO壓敏粉料進行研磨處理，然后用200目網篩進行過篩，得到均勻粒徑的ZnO壓敏粉體。

3)混料與攪拌：將過篩后的ZnO壓敏粉體按一定體積比與液體硅橡膠進行混合，并且使用大功率磁力攪拌器將其攪拌均勻，確保其不出現因填料沉降而導致的混合不均勻現象。

4)注模與抽真空：將攪拌均勻的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中連續抽真空。

5)硫化：將真空處理后的模具放置在電熱鼓風干燥箱中，在150℃的溫度下硫化20 min。

6)鍍電極：使用北京世紀久泰公司SP-530磁控濺射儀對其表面鍍銀電極。

最后制得體積比分別為10%、20%、30%、40%、50%的圓形ZnO-硅橡膠復合物，它們的直徑與厚度均分別為：30 mm、0.5 mm。

1.2 樣品的非線性電導測試

樣品電導特性測試由美國PolyK Technologies公司的PK-SPIV16高壓介電擊穿測試系統完成，測試前先將樣品放置在真空干燥箱中干燥24 h，然后在室溫條件下測得樣品在0～1250 V直流電壓下的電流，每50 V為一個測試電壓。單個電壓下測試5 min，取電流數據平均值。

1.3 結果分析

對數據進行處理之后，以電場強度與電導率對其電導特性進行表征，五種體積比的樣品的實測電導特性如圖1所示。可以看出在0～2.5 kV/mm場強范圍內10%、20%樣品基本不具備非線性電導特性，而30%、40%、50%樣品具有較好的非線性電導特性，其電導率隨著電場強度的提高而增大，將電導率出現突變的電場強度稱為臨界場強E0，一旦到達臨界場強，具備這種非線性電導特性材料的電導率將獲得幾個數量級的增長。通過圖1可以看出，雖然30%、40%、50%樣品都具有非線性電導特性，但其臨界場強卻有差異，30%樣品的E0出現在2.1 kV/mm附近，40%、50%樣品的E0則分別出現在1.15 kV/mm、0.60 kV/mm左右。

圖 1 非線性電導材料的電導率與電場強度關系

2 仿真模型

避雷器模型主要由ZnO電阻閥片、絕緣筒、硅橡膠復合外套、連接金具4部分組成。圖2為避雷器二維軸對稱模型，該型避雷器絕緣距離725 mm，爬電距離為2962 mm(閥片70 mm, 筒體直徑78 mm, 硫化直徑86 mm, 大傘直徑76 mm, 小傘直徑146 mm, 總長直徑 912 mm)。材料參數見表1。用有限元法軟件COMSOL建立二維軸對稱模型，利用電場模塊對避雷器進行仿真。為了改善避雷器兩端分布極不均勻的場強，對高壓端和接地端附近的硅橡膠外套用非線性電導材料進行替換，以此獲得改善端部電場強度不均勻分布的效果，降低局部過高場強。

表1 材料性能參數

圖 2 避雷器二維軸對稱模型

依據材料特性的不同，建立4種仿真模型：模型A，絕緣外套全部為硅橡膠固定電導材料；模型B，端部硅橡膠外套替換為30%樣品參數的非線性電導材料；模型C，端部硅橡膠外套替換為40%樣品參數的非線性電導材料；模型D，端部硅橡膠外套替換為50%樣品參數的非線性電導材料。參考線1為絕緣筒與硅橡膠交界處沿線，參考線2為硅橡膠外套沿線(不含大小傘裙，距離絕緣筒外層4 mm，且與之平行)。

3 仿真結果及分析

對上述4種仿真模型進行仿真，物理場類型為AC/DC電流模塊，邊界設為零電位。使用交流穩態求解器進行求解，設定110 kV交流激勵電壓，采用三角形網格進行自適應網格剖分。圖3為全部采用硅橡膠材料時的避雷器整體場強分布圖，從圖中可以看出避雷器場強分布極不均勻，并且端部電場強度過大，尤其是在金具與硅橡膠外套連接處(記為R1)、金具與絕緣筒和硅橡膠外套這三部分的交界處(記為R2)。由圖4所示的仿真結果，采用非線性電導材料對端部硅橡膠材料進行局部替換后，高壓端的R1,R2區域的場強明顯下降，未局部替換的A模型R1、R2區域的Emax分別為1.40 MV/m, 0.95 MV/m，而局部替換后B模型R1,R2區域的Emax分別為1.40 MV/m, 0.95 MV/m，C模型R1,R2區域的Emax分別為1.20 MV/m,0.82 MV/m，D模型R1,R2區域的Emax分別為1.10 MV/m, 0.75 MV/m。

圖 3 A模型整體場強分布

(a)A模型的高壓端場強

由于非線性電導材料中，電導率參數與空間場強大小呈現非線性的函數關系，在場強集中且過高的區域，材料電導率增加，局部分壓減小。具有自適應地調控場強分布的功能，實現區域場強趨于均勻，而且能有效降低局部過高場強。

圖5是4種模型的沿爬電距離的電場強度分布圖。可以看出其場強分布與整個避雷器的場強分布一樣，存在部分區域場強過大、分布極不均勻的情況。使用固定電導材料的A模型的高壓端和接地端的最大場強Emax分別為1.21 MV/m, 1.08 MV/m，使用非線性電導材料替換后，C模型的高壓端和接地端最大場強Emax分別為0.92 MV/m, 0.82 MV/m，D模型的高壓端和接地端最大場強Emax分別僅為0.81 MV/m, 0.78 MV/m。避雷器兩端的最大場強明顯降低，較好地改善了高壓端和接地端的場強分布。

(a)A模型沿爬電距離場強分布

表2分別是四種模型的不同幾何位置的最大電場強度值Emax、平均電場強度值Eav、以及電場不均勻度(Emax與Eav的比值)。首先以爬電距離沿線的場強參數為例，未局部替換時A模型的最大電場強度Emax高達1.21MV/m，而其平均電場強度值Eav卻僅為0.17 MV/m，其電場不均勻度已至7.12，當采用非線性電導材料進行端部替換后，C、D模型的相應數據分別降至0.92 MV/m、0.17 MV/m、5.41和0.80 MV/m、0.17 MV/m、4.76，其中Emax分別降低到未局部替換時的76%和67%。其他幾何位置的最大電場強度Emax、平均電場強度Eav、以及電場不均勻度這三個參數變化趨勢也與爬電距離沿線的相同。可以看出C、D模型中非線性電導材料的替換使用削弱了場強集中區域的最大場強，使端部不均勻的場強分布得到了改善，能夠避免該區域長期承受場強不均勻，部分區域場強過大而帶來的絕緣外套加速老化甚至被擊穿的風險，提高避雷器運行使用過程中復合絕緣外套的安全可靠性。

表2 4種模型的仿真結果

4 結論

1)使用加成型液體硅橡膠為基體，ZnO壓敏電阻粉體為填料，通過實驗制備了具有良好非線性電導特性的復合材料。

2)在復合無間隙氧化鋅避雷器場強分布不均、局部場強過大的端部區域，使用非線性電導材料替換其原有固定電導率參數的硅橡膠外套，利用非線性材料的電導率與空間場強大小的非線性函數特性，能夠使絕緣材料的電導率參數與實際場強大小進行自適應調節，獲得改善區域電場分布不均，降低局部過高場強的效果。

3)影響非線性電導材料均壓效果的重要參數是其出現非線性工作特性的臨界場強與非線性系數，并且不同非線性電導材料的臨界場強與非線性系數是有差異的，其過大或過小都會影響其效果。所以應該依據不同電壓等級的避雷器選擇相匹配的非線性電導材料，以達到最優場強控制效果。