10 kV配电避雷器整体大电流冲击耐受特性试验研究

任志刚，李 伟，李邦彦，姚玉海，杨 博，于文博，蔡 力

（1.国网北京电力公司，北京 100031；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

0 引言

避雷器又称过电压保护器，10 kV配电避雷器因其氧化锌电阻良好的非线性保护特性，在配电网中被广泛使用[1]。然而统计表明，配电避雷器故障已经占到配网故障总数的相当比例，成为影响配网供电可靠性的主要因素之一[2]。

考虑到避雷器的实际应用及质量问题，近年来国内外相应颁布了一些技术标准对避雷器或其比例单元、电阻片等进行检测，典型如国际电工委员会IEC 60099-4和GB/T 11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》，对交流无间隙金属氧化物避雷器的标准额定值、运行条件、残压试验和大电流冲击耐受试验等进行了规定，其中对其大电流冲击耐受能力有明确要求。国内10 kV配电系统用避雷器的大电流冲击耐受试验要求是4/10 μs电流波形，65 kA耐受2次，用于试验避雷器在遭受直击雷时的可靠性，是确保避雷器安全可靠运行的重要考核指标[3-6]。一般标准规定是在避雷器的氧化锌电阻片，即比例单元上进行试验。

近年来，研究人员针对氧化锌避雷器雷电流冲击特性的研究，往往是从比例单元的角度出发，开展了相关的特性研究，如国内外学者开展了不同雷电流冲击对氧化锌避雷器影响的研究[7]；关于ZnO避雷器电阻片在脉冲电流冲击衰老下，泄漏电流谐波特性的研究[8]；配网线路避雷器电阻片90/200 μs冲击电流耐受特性试验研究[9]；自然雷电下，氧化锌避雷器残压特征分析[10]等研究工作，对于整只避雷器，开展的相关试验工作还较少。

开展配网避雷器整只试验，更有利于考核避雷器的整体性能，由于电阻片与绝缘外套之间存在绝缘界面及电阻片直径过小等原因，因此仅仅从比例单元去分析避雷器的大电流冲击耐受特性不够。笔者从整只氧化锌避雷器的角度出发，针对配电避雷器的大电流冲击耐受特性设计开展试验。试验选取了5个厂家的试品进行4/10 μs大电流冲击耐受试验，检测其在大电流冲击作用后是否符合标准要求，并对损坏的试品进行破坏性分析，并给出相关建议。

1 试品介绍与试验方法

根据试验研究需要，选定了5个常用避雷器厂家生产的全新10 kV复合外套金属氧化物避雷器，试品编号分别为LW；HD；YNE；DZ；JG。见图1。上述5个厂家的避雷器试品型号均为YH5WS1-17/50。试验前依次测量试品的基本参数，其直流参考电流1 mA下的参考电压U1mA及0.75倍直流参考电压下泄漏电流测试结果见表1，均满足标准要求。表2给出了不同厂家避雷器内部电阻片尺寸信息，可以看出，不同厂家的氧化锌电阻片直径、高度和质量信息差别比较大，其中直径最大的超过34 mm，最小的仅为27.4 mm。

试验采用冲击电流发生器来产生所需的4/10 μs冲击大电流波形，试验回路接线及原理图见图2。

图1 YNE/HD/DZ/JG/LW的产品外观图Fig.1 Physical photo of YNE/HD/DZ/JG/LW

表1 测试试品的直流参考电压和泄漏电流Table 1 DC reference voltage and leakage current of test arrester

表2 测试试品单个电阻片尺寸信息Table 2 Valve plate size information of test arrester

图2 试验原理图Fig.2 Principle diagram of test circuit

该回路的基本原理是简单的RLC电路和电容器组C的充电电路，其中G为放电球隙，D为硅堆。工作时由充电变压器向电容器组C充电，充好电后，通过触发脉冲到球隙中，使球隙放电。于是电容器组C经过电阻、电感向试品放电，形成4/10 μs冲击电流波形。该发生器最高充电电压可达200 kV，因此能够对整只10 kV避雷器进行4/10 μs大电流冲击耐受试验。

测试过程中采用Person线圈测量雷电流波形，分压器同时测量的避雷器的残压，采用泰克DPO3012示波器记录整只避雷器的冲击大电流和电压波形，采用福禄克红外测温仪测试试验后避雷器温度。

2 试验结果与分析

依照标准要求依次对每个试品进行大电流冲击耐受试验，每次冲击完成后立即采用测温仪测量避雷器表面的温度，等待试品表面温度冷却到室温后再进行下一次冲击试验，完成单个避雷器试品的冲击测试后，记录避雷器的破坏情况，不同试品测量得到的典型冲击大电流波形见图3。

图3 不同试品大电流冲击试验电流及电压波形Fig.3 The impulse current and voltage waveform of different test arrester

根据所测试的电压、电流波形曲线，再次计算出耐受能量大小具体结果见表3。试验过程中考虑到不同厂家试品电阻片特性不同，选择YNE厂家避雷器来进行波形和幅度调试，调试好波形和幅度后，在此条件下依次对每个试品进行冲击大电流试验。

表3 不同厂家避雷器大电流冲击耐受试验结果Table 3 The testing result of different manufacturers’arrester in high current impulse withstand test

由表3可知，被测试品每次耐受标准所规定的 冲击大电流时，其所承受的能量在34～38.8 kJ，耐受的雷电流幅值在42.3～63.2 kA，由此可见，在主电容器充电电压幅度相同的情况下，不同厂家避雷器在冲击大电流试验时表现出来的冲击阻抗特性不同，其中HD避雷器冲击阻抗最大（对应电流最小为42.3 kA），通过温度数据可以发现，耐受第一次冲击大电流试验时，几乎所有避雷器的温升都超过50℃，耐受最后一次冲击时，所有避雷器的表面温度都超过100℃。考虑热传导效应，密封在内部的氧化锌电阻片的温度可能会更高，其中LW试品由于发生炸裂，直接测量避雷器电阻片上的温度高达160℃。

为了更好地量化描述试验后的避雷器状态，我们将避雷器的状态分为4个等级，包括正常状态和3个损坏状态：正常（避雷器的外观无损坏，参数测试结果无异常）；轻度损伤（避雷器的外观无损坏，参数测试结果异常）；中度损伤（避雷器发生爆裂，但电阻片外观大部分基本完好）；重度（避雷器发生爆炸，分散成数个组织，内部电阻片结构破损）。下面依据划分的避雷器损坏程度，对实验中受到损坏的避雷器进行统计和区分。

YNE、JG和DZ 3个厂家的试品经过2次冲击大电流耐受试验情况下外观都未发生明显损坏，而LW和HD两个厂家的试品在试验过程中发生拉爆裂，LW试验后，避雷器发生爆炸，分散成多个结构，但电阻片大部分基本完好，属于中度损坏的避雷器。而HD试品发生粉碎性爆裂损坏，避雷器分散成数个组织，内部电阻片结构破损严重，见图4，属于重度损坏的避雷器。

图4 LW和HD试验后状态图Fig.4 Post-test state picture of LW and HD

试验后，有3个厂家试品外观未发现明显破损，再次检测直流1mA参考电压U1mA和0.75倍直流参考电压下泄漏电流见表4。3个厂家试品的U1mA电压幅度都出现明显降低（20%左右），都低于标准要求的U1mA＞25 kV，而0.75倍直流参考电压下泄漏电流都明显增大（超过20 μA），其中DZ-2的0.75倍直流参考电压下泄漏电流变化量超过了50 μA，由测试结果可知，试验后YNE、JG和DZ 3个厂家的试品都出现不同程度的劣化，其电气参数U1mA和0.75倍直流参考电压下泄漏电流都已超过标准中规定的值，为不合格产品。

表4 大电流冲击耐受试验前后U1mA电压和泄漏电流测试结果Table 4 The test result of U1mA voltage and leakage current before and after high current impulse withstand test

本次试验的5个不同厂家避雷器在大电流冲击耐受试验后，全部都失效，其中2个厂家试品直接发生爆裂，一般认为避雷器电阻片直径越大，其耐受雷电冲击能力越强，从试验情况看，LW避雷器其电阻片直径超过34 mm，仍然不能通过冲击大电流耐受试验，更何况小尺寸电阻片避雷器。

从试验的情况看，10 kV避雷器整只4/10 μs大电流冲击能力和单片电阻片还是存在较大的差别，电阻片能够通过大电流冲击耐受试验，而避雷器进行整只试验时，往往会通不过，现行标准下针对氧化锌避雷器电阻片的大电流冲击耐受特性试验和整只避雷器现场运行情况并不等效。避雷器一般由几片电阻片串联组成，单个电阻片的通流能力不能简单等效多个串联电阻片的通流能力，两者的试验差异与避雷器结构设计等因素密切相关。

通过本次冲击大电流特性试验测试表明，5个厂家的整只避雷器冲击大电流耐受能力均不能达到标准要求。这也从一方面解释了通过比例单元（电阻片）残压特性试验测试的避雷器在现场运行中故障率仍然较高的原因。

3 结论

通过对现行市面上5个厂家常见10 kV氧化锌避雷器进行整只冲击大电流冲击耐受试验，结果显示，10 kV避雷器整只4/10 μs大电流冲击耐受能力较差，所有厂家的试品都不能达到国标规定的相关要求，其中2个厂家避雷器在试验过程中发生爆裂，其余3个厂家避雷器在试验后，其U1mA大幅降低，对应0.75倍U1mA下的泄漏电流急剧增大。试验结果表明，整只避雷器开展的大电流冲击耐受特性试验更能反映避雷器的现场运行情况，应该加强对整只避雷器的大电流冲击检测。

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