氧化锌避雷器特性的仿真分析

李惠庸，柴 宜

（国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州 730000）

0 引言

避雷器广泛应用于配电和输电网络，以防止大气过电压，以及由于开关或其他机械操作导致的过电压[1-3]。通常，这些保护装置的使用寿命从20年到25年不等，但是不同的环境条件对使用寿命有较大影响[4]。在配电网中，使用聚合物封装的避雷器的过电压保护措施得到了广泛的应用。聚合物封装的避雷器主要部件为氧化锌（ZnO）电阻片，由于受到环境和施加电压的影响，导致氧化锌电阻片的电气性能老化，使得避雷器的使用寿命缩短[5-7]。

从改进避雷器设计和提高避雷器制造工艺的角度来看，避雷器的老化是一个必须考虑的问题，因此需要了解其老化的原因和机理[8-9]。研究表明，造成避雷器老化的主要原因是热老化，当避雷器的温度上升时，就会发生热老化。引起避雷器温度上升的原因是避雷器泄漏电流增加，从而导致温度升高[10-11]。由于泄漏电流的增加引起避雷器长度的电压分布变化以及避雷器电阻元件中的3次谐波分量增加，这是导致避雷器热老化主要机理[12]。

笔者提出了一种对ZnO的热老化分析的仿真方法。利用其电气参数对避雷器进行电涌仿真，建立了其包括电阻和电容的等效电路模型，并对其泄漏电流波形进行了分析。通过仿真得到的总电流的V-I特性和谐波分量的变化，可对相关实验结果进行验证。

笔者使用Matlab软件来对ZnO块进行仿真测试，并开发了一种算法来模拟由非线性参数组成的ZnO块的等效电路模型，最后对基于该电路模型的ZnO块V-I曲线和泄漏电流波形进行讨论和分析。

1 等值电路

图1所示的金属氧化物避雷器的等值电路由代表MO元件的电阻和电容网络组成[13]。由图1可知，金属氧化物避雷器等值电路表示为与温度和电压相关的电阻R和C的并联组合。其中R是高度非线性的，其值范围从低电压下的几兆欧姆到高电压下的几欧姆。在高电压下C也是非线性的[14-17]。

图1 等效电路Fig.1 Equivalent Circuit

电阻和电容值在不同电压和不同温度下（20℃，65℃，110℃，132℃）给出向量矩阵形式作为输入的MATLAB程序。R和C作为电压和温度的函数，见图2。

图2 不同温度下电阻和电容随电压的变化曲线Fig.2 R and C as functions of voltageat different temperatures

应用于ZnO块的电压源具有正弦波形。电压源的函数为v（t）=Vmsin（wt），输入电压峰值为Vm。

2 仿真算法

用于获得ZnO块的各种特性的算法见图3[18-19]。

图3 算法流程图Fig.3 Algorithm flow chart

施加电压的峰值、电阻R和电容C的数值以矢量矩阵形式输入。由阻值和容值计算电导（G=1/R）和电纳（B=wC）的向量值。

以每秒3200个采样率对输入正弦电压进行采样。在电压波形的一个周期中将会有64个样本。计数器A被初始化用以计数样本的数量。对应于每个采样时刻的瞬时电压为p=Vmsin[（2π/64）A]。瞬时电压存储在矢量VOLT中，以绘制输入波形。采样时刻对应的时间为（0.02/64）A，该时间值被存储为向量TIME。

通过对G和B曲线的插值，可以得到相应的电压（p）、电导（qr）和电纳（qb）。导纳y=qr+jqb，幅值为，角度为yang=tan-1（qb/qr）。总电流的瞬时值为Vmsin[（2π/64）+yang]。瞬时值以向量IT的形式存储。施加电压的不同峰值被存储在向量ITpeak。

3 不同温度下V-I关系

随着老化程度增加，ZnO中的泄漏电流增加。ZnO块的温度升高将V-I特性向更高的电流范围移动，范围越大，表明ZnO的热老化程度越高。模拟得到的ZnO的V-I特性见图4。

图4 V-I在不同温度下的特性Fig.4 V-I characteristics at different temperatures

由图4可知，在起始施加电压0.345 kV的条件下，20℃时的起始泄漏电流为10 μA，132℃的泄漏电流为20 μA。而当施加电压增大至3.45 kV，20℃的泄漏电流增大为18.37 A，132℃时的泄漏电流增大至37.5 A。

4 泄漏电流波形

在低电压下泄漏电流呈现电容性的，滞后于电压。随着电压增加，泄漏电流变成电阻性的。温度的变化对泄漏电流也有类似的影响。对于相同的电压，如果温度变高，则泄漏电流从电容性转换为电阻性。不同电压和不同温度下的泄漏电流波形见图5。

图5 在20℃，65℃，110℃和132℃温度条件以及0.8 kV、1.6 kV和2.4 kV电压条件下的泄漏电流波形Fig.5 Current waveforms at 0.8，1.6 and 2.4 kV at 20 °C，65℃，110℃and 132℃

由图5可知，如果温度很高，则这种向电阻性质的转换发生在较低的电压下，这表明如果避雷器已处于高温下，即使在较低的电压下避雷器也进入导通模式。

随着温度的增加，泄漏电流增加。不同温度下泄漏电流变化的曲线见图6、图7和图8。

从波形图可看出，随着施加电压的增加，漏泄电流增加。施加2.5 kV的电压时，电流在20℃时为电容性的，并且随着温度的升高，电阻性变得更大，并且在110℃和132℃的温度下，在更高温度下变为非正弦性，见图6，图6中，实线为实测线。

由于ZnO参数的非线性，在更高的3.05 kV和3.1 kV电压作用下，电流波形变成非正弦曲线，见图7和图8，图7和图8中，实线为实测线。

图6 2.5 kV施加电压下不同温度的泄漏电流曲线Fig.6 Current and voltage waveforms at 2.5 kV

图7 3.05 kV施加电压下不同温度的泄漏电流曲线Fig.7 Current and voltage waveforms at 3.05 kV

图8 3.1 kV施加电压下不同温度的泄漏电流曲线Fig.8 Current and voltage waveforms at 3.1 kV

5 结论

在本文的研究中，提出了一种用于模拟ZnO块泄漏电流的算法。仿真得出的V-I特性与实验结果一致。从泄漏电流波形观察到的更高电压和更高温度下的ZnO块的老化现象与先前研究人员得出的结论相一致。本文提出的算法可以扩展到模拟整个避雷器。此外，通过引入避雷器表面条件实现对避雷器抗污染性能的仿真分析，以及对避雷器的谐波电流模拟分析将是下一步研究的重点。