交流線路用金屬氧化物避雷器的伏安溫度特性研究

周嘯宇， 周路遙， 李 特， 李曉波， 魏仲鑌， 郭 潔

(1. 國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007; 2. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州，310014;3. 浙江金鳳凰電力科技有限公司，浙江 紹興 312000; 4. 浙江科成電氣有限公司，浙江 紹興 312000;5. 西安交通大學，陜西 西安 710000)

0 引 言

架空輸電線路覆蓋面廣，穿越的氣象、地理環境復雜多樣，同時線路桿塔較高且經過之處以曠野和山區、溝澗為主，遭受雷擊的概率較大[1]。雷電流具有高幅值、寬頻譜及高瞬時功率等特性，發生時往往伴隨著熱效應、沖擊效應、機械效應、化學效應和電氣效應等，因此較為可靠的線路雷電防護始終是重點環節[2-3]。

金屬氧化物避雷器（MOA）作為輸電線路的主要防雷保護設備，主要由非線性金屬氧化物電阻片（MOV）串聯和（或）并聯組成，其運行中的電氣性能優劣將直接影響到被保護設備的安全[4]。MOA是交流線路限制各種高幅值過電壓和釋放雷電流的重要高壓電氣設備，研究表明MOA在長期運行中存在以下問題[5-7]：1）MOA密封不良；2）電阻片多次承受動作負荷劣化；3）MOA外套嚴重污染；4）交流系統諧波影響。同時，研究表明運行中交流線路MOA 的故障原因包括[8-10]：1）內部受潮；2）MOV局部老化；3）環境污穢；4）雷電沖擊能量密度超過MOV臨界值；5）MOA選型不當。在多重雷擊作用下，當MOV吸收多次雷擊過電壓能量后，會產生不同程度的溫升，故需研究MOV在經受多次沖擊電壓后的伏安特性[11-12]。

由于MOA的伏安特性為溫度、電壓幅值、波形等多項因素的函數，本文依據交流線路實際運行工況分區段研究不同溫度下MOV的伏安特性，涵蓋小電流區段，以及不同波前時間、電流類型的沖擊電流區段，包括 30/60 μs操作波、8/20 μs標準雷電沖擊波、4/10 μs大電流沖擊波、1/5 μs陡波作用下的溫升特性、能量吸收特性，研究結果可為MOA的仿真建模提供參考，有助于MOA運行的狀態檢測及故障診斷。

1 試驗平臺

1.1 直流試驗平臺

依據線路MOA在持續運行電壓下的工作區段，確定直流小電流區的范圍為10 μA～ 10 mA，相應的試品殘壓均在10 kV以內，因此選取變壓器最大輸出電壓為 20 kV，最大輸出電流為 400 mA，容量為5 kVA。同時選用輸入電壓有效值220 V，輸出電壓有效值0～ 250 V的調壓器，利用硅堆進行整流，并且在回路內設置水電阻作為保護電阻。

由于半波整流會產生較大的脈動，為了保證直流電壓的質量滿足國標要求，必須滿足直流脈動不超過±3%的條件。試品額定直流平均電壓為Ud，額定直流平均電流為Id，直流電壓脈動系數S的計算公式如下：

電容參數的選取由下式計算決定：

由于交流 MOA電阻片試品U1 mA約為 4～ 5 kV，實驗回路最大電流 Id不超過10 mA，通過式（1）～ （2），選用電容值為 1 μF、耐受電壓 20 kV 的電容符合實驗要求。具體回路如圖1所示。

圖1 直流小電流特性測量回路

其中，R1為保護電阻，用于限制試品回路短路電流，其參數為100 kΩ；R2為取樣電阻，其阻值隨溫度及電壓變化極小，其參數為2 kΩ；C為整流電容，其參數為1 μF；D為整流硅堆；T為變壓器。為了保護示波器，采用隔離變壓器與試驗回路電源隔離，防止試驗時回路地電位抬升對示波器產生危害。

1.2 沖擊試驗平臺

考慮到MOA在運行中可能遭受的操作沖擊、雷電沖擊過電壓作用，研究中涉及到的沖擊電流波形包括 30/60 μs操作波沖擊電流波（500 A～ 2 kA）；8/20 μs標準雷電沖擊電流（2～ 20 kA）；4/10 μs大電流沖擊電流波（2～ 100 kA）；1/5 μs陡波沖擊電流波（2～ 20 kA）。沖擊電流試驗回路如圖2所示，其中沖擊電流發生器主要由高壓充電回路和電容放電回路構成，包括高壓電容C、球隙G、放電電阻R和放電電感L、試品MOV、羅氏線圈S、整流硅堆Di、變壓器Tr、保護電阻r。其工作原理為先對高壓電容C充電到一定高壓，然后控制隔離球隙G放電，使充電的電容能量通過電阻R和電感L放電到試品MOV上。通過調整放電回路的參數，可以得到不同的沖擊電流波形。

圖2 沖擊電流試驗回路

針對典型500 kV交流線路MOV規格、參數，并考慮到MOV生產過程不可避免存在分散性，每組試驗試品均取3片相同規格的MOV，且選取的每種規格試品的直流參考電壓U1 mA和初始殘壓盡可能相同，以保證MOV的伏安特性曲線具有較好的一致性。試驗結果取同規格的3片電阻片測量數據均值，選取交流線路MOV試品的規格：直徑為71 mm、高度為22.5 mm。試驗過程中，通過熱電偶測量沖擊產生的溫升，即將熱電偶貼于MOV的側面，并放入絕熱桶中。由于MOV側面釉的絕緣作用，且傳熱效果較好，可實時反映MOV的溫度。

2 不同區段的伏安溫度特性

在實際運行中，MOA在暫態電流沖擊下會動作吸收能量，并呈現明顯的溫升，進而對后續暫態沖擊下的伏安特性產生影響。由于MOV的非線性，MOV的伏安特性為溫度、電壓幅值、波形等多因素影響的函數。因此，根據交流MOV實際運行工況分區段研究不同溫度下的伏安特性[13]。通常使用電壓-溫度曲線和電壓-溫度系數來描述特性曲線受溫度影響的大小，定義電壓-溫度梯度為單位溫升引起的電壓變化量，電壓-溫度系數為單位溫升引起的電壓變化百分數。

2.1 小電流區

在小電流區段通常采用直流試驗電壓，依次測取不同溫度下位于 10 μA、100 μA、500 μA、1 mA、5 mA、10 mA電流節點上MOV的電壓。溫度范圍取–10～ 120 ℃，具體為–10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃、120 ℃。通過直流試驗平臺將套管同置于烘箱內的試品連接，將試品加熱到指定的溫度后，測量得到交流MOV小電流區段不同溫度下的伏安特性曲線如圖3所示。

圖3 小電流區的伏安溫度特性

由圖3（a）可以看出，交流MOV的轉折電壓在1 mA處，且當MOV的電流小于1 mA時，MOV的伏安特性曲線接近線性；當MOV的電流高于1 mA時，MOV上的電壓開始向非線性轉變。對試驗數據進行處理，得到如圖3（b）所示的電壓-溫度特性曲線，圖中各條曲線分別與10 μA～ 10 mA電流相對應。對圖3（b）中的每條曲線進行線性擬合，得到如表1所示的電壓-溫度系數。電壓溫度系數α是指同一幅值電流通過時，MOV上電壓與溫度的變化關系，可用下式表示，式中U1、U2分別對應溫度T1、T2下的MOV電壓。

表1 交流MOV小電流區電壓-溫度系數

由圖3（b）所示，伏安曲線也呈現明顯的負溫度系數。在相同電流下，溫度越高，MOV上的電壓越低，也即MOV呈現負溫度系數。在相同溫度范圍內，MOV的電流越小，MOV上的電壓下降越快，也即負溫度系數越大。MOA正常運行情況下，泄漏電流很小，由溫度的伏安特性曲線可以看出，隨著溫度的升高，MOA的泄漏電流將會增大，會加快MOA的老化，這將影響MOA的運行壽命。轉折電壓U1 mA隨著溫度的升高而降低，這有可能造成無間隙MOA的誤動作。

取20 ℃一個間隔，計算每個間隔內的電壓溫度系數，如表1所示。在相同電流下，隨著溫度的升高，每個間隔內的電壓溫度系數絕對值相應升高。在同一個溫度間隔內，隨著電流的升高，電壓溫度系數絕對值逐漸減小，隨溫度的升高溫度系數零值點對應的電流逐漸增大。由表可知，在90～ 120 ℃內，電阻片的負溫度系數絕對值最大。

2.2 操作區

依據 GB 11032—2010要求，在操作沖擊區段采用30/60 μs操作波，即通過沖擊交流MOV產生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔20 ℃一個區間。依次測取 250 A、350 A、500 A、600 A、750 A、1000 A、1500 A、2000 A 電流節點的電壓，對試驗測得數據用U=AIα（0<α<1）進行擬合，可得到MOV在多個溫度下的伏安特性曲線，如圖4（a）所示。同樣得到如圖4（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表2所示的電壓-溫度系數表。

表2 交流MOV操作區（30/60 μs）電壓-溫度系數

圖4 操作區的伏安溫度特性

由圖4（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線在操作區呈現的溫度特性由負轉正，過渡點在600 A左右，即當電流小于600 A時呈現負溫度特性，當電流大于600 A時呈現正溫度特性。溫度系數存在由負數過渡到正數的過程，且溫度系數的絕對值都很小，最大溫度系數絕對值為0.0519%/℃。

2.3 雷電區

依據GB 11032—2010要求，在雷電沖擊段采用波形為8/20 μs的沖擊電流，通過沖擊交流MOV產生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔20 ℃一個區間。依次測取 5，10，15，20 kA電流節點的電壓，對試驗測得數據用U=AIα進行擬合，可得如圖5（a）所示的MOV在雷電區段的伏安特性曲線。

同樣得到如圖5（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表3所示的電壓-溫度系數表。由圖5（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現正的溫度特性。電壓-溫度系數呈現正的溫度系數，且溫度系數的絕對值都很小，最大為0.0259%/℃。

表3 交流MOV雷電區（8/20 μs）電壓-溫度系數

圖5 雷電區的伏安溫度特性

2.4 陡波區

依據 GB 11032—2010要求，在陡波沖擊段采用波形為1/5 μs的沖擊電流，通過沖擊交流MOV產生不同的溫升，溫度范圍為20～ 70 ℃，每隔10 ℃一個區間。依次測取 5，10，15，20 kA 電流節點的電壓，對試驗測得數據用U=AIα進行擬合，可得到如圖6所示的MOV在多個溫度下的伏安特性曲線。

同樣得到如圖6（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表4所示的電壓-溫度系數表。由圖6（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現正的溫度特性。電壓-溫度系數呈現正的溫度系數，且溫度系數的絕對值都很小，最大為0.065%/℃。

表4 交流MOV陡波區（1/5 μs）電壓-溫度系數

圖6 陡波區的伏安溫度特性

2.5 大電流區

依據GB 11032—2010要求，在大電流沖擊段采用波形為4/10 μs的沖擊電流，通過沖擊交流MOV產生不同的溫升，溫度范圍為30～ 120 ℃，每隔 20 ℃ 一個區間。依次測取 5 kA、10 kA、15 kA、20 kA、40 kA、60 kA 電流節點的電壓，對試驗測得數據用U=AIα進行擬合，可得到如圖7所示的交流MOV在多個溫度下的伏安特性曲線。

同樣得到如圖7（b）所示的電壓-溫度曲線，以及如表5所示的電壓-溫度系數表。由圖7（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲線總體呈現正的溫度特性。電壓-溫度系數呈現正的溫度系數，且溫度系數的絕對值都很小，最大為0.0409%/℃。

表5 交流MOV大電流區（4/10 μs）電壓-溫度系數

圖7 大電流區的伏安溫度特性

3 MOV能量溫升特性

MOV短期內吸收過電壓大能量時，會發熱產生溫升現象。溫度升高是電阻片吸收能量后的直觀表現形式，當溫度足夠高時，會導致材料特性變化甚至燒壞[14]。沖擊電流作用下MOA吸收能量的過程在較短時間內完成，熱傳遞作用尚來不及發展，因此可認為是絕熱溫升過程。根據國內外雷電觀測表明，70%的地面落雷為多重雷擊[15]，且多重雷擊間隔時間比較短，在此過程中多次雷擊MOA動作所累積的能量致使MOA本體溫度不斷升高，可能會使MOA發生損壞。同時由于雷電頻率比較高，MOV在高頻下會有明顯的集膚效應，會在MOV內部出現分布極為不均勻的熱應力，MOV便會因局部能量密度超過固有極限負荷而損壞。

3.1 相同波形多次沖擊

對交流MOV各區段的能量溫升進行分析，采用幅值大小為 4 kA 的操作區（30/60 μs）、20 kA 的雷電區（8/20 μs）、19 kA 的陡波區（1/5 μs）、80.68 kA的大電流區（4/10 μs）波形進行沖擊試驗，每組試驗連續進行4次，沖擊間隔為試驗回路必需的充電時間（約 30 s），試品質量m=489.6 g，初始溫度 17 ℃，試驗結果如表6所示。表中的能量參數根據沖擊下電壓與電流波形積分得到，能量計算如下式所示：

表6 交流MOV各區段能量溫升特性

由于試驗過程中絕熱筒難以做到完全絕熱，且MOV起始溫度越高，絕熱筒散熱越明顯，因此會對后續沖擊產生的溫升有所影響。由前述研究可知，操作沖擊下殘壓溫度系數很小，因此每次沖擊注入的能量相近，試驗表明每次同能量注入時產生的溫升相近。

3.2 不同波形沖擊比較

對MOV注入能量近似相等但波形不同的沖擊電流，測試不同波形沖擊引起的溫升。其中，交流MOV 質量m=495 g，注入的能量均值大約為 620 J，試驗結果如表7所示。

表7 交流MOV不同波形能量溫升特性

試驗表明，交流MOV在不同波形沖擊下吸收同等能量產生的溫升近似相等，即比熱近似相等，表明波形對平均溫升影響不大。

4 結束語

本文對交流500 kV輸電線路MOA不同電流區段的伏安曲線溫度特性進行了試驗研究，研究了交流MOV在各區段不同溫度下的伏安特性變化及能量溫升特性，得到結論如下：

1）交流MOV在小電流區段呈現明顯的負電壓溫度系數，且電流值越小，負溫度系數絕對值越大；在操作區段（30/60 μs）、雷電區段（8/20 μs）、陡波區段（1/5 μs）和大電流區段（4/10 μs），交流 MOV 的伏安曲線受環境溫度影響均不大，高電場區溫度系數不明顯。

2）多重雷擊作用下，交流MOV在操作區段溫度系數有一個由負數過渡到正數的過程，且溫度系數的絕對值都很小，最大為0.0519%/℃；MOV在雷電區（8/20 μs）呈現微弱的正溫度系數，最大溫度系數為 0.0259%/℃；MOV 在陡波區（1/5 μs）呈現微弱的正溫度系數，最大溫度系數為0.065%/℃；MOV在大電流區（4/10 μs）呈現微弱的正溫度系數，最大溫度系數為 0.0409%/℃。

3）多重雷擊由于間隔時間短，考慮絕熱過程和前次雷擊注入能量對MOA的伏安特性的影響，后續多重雷擊MOA不同波形沖擊下的吸收能量相近，每次吸收能量后產生的溫升也相近，MOA須具備足夠的固有能量吸收能力。