金属氧化物电阻片能量吸收能力特性研究

， ， ， ， ， 静雯

(1.南阳金冠电气有限公司，河南 南阳 473000； 2.湖南师范大学，长沙 410006)

0 引言

在电力系统运行中，当系统发生故障、雷击或操作，网络拓扑发生变化时，在网络的LC储能元件中会发生能量交换，从而引发电压、电流振荡，即出现暂态过程，产生过电压。在高幅值的过电压下避雷器呈低阻，通过吸收、泄放过电压能量达到抑制过电压的目的。工频过电压(TOV)常常发生在操作过电压之后，使得避雷器在承受工频过电压前，吸收了初始操作过电压能量。避雷器必须具备耐受工频过电压并保持热稳定的能力[1-4]。

IEC60099-4：2014对避雷器的能量耐受能力采用“Repetitive chargetransfer withstand”(重复转移电荷耐受)试验来考核，TOV特性通过“power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester”(避雷器的工频电压时间特性)试验来考核[5-9]。

GB 11032—2010对避雷器的能量耐受能力采用“长持续时间电流冲击耐受”试验来考核，TOV特性通过“避雷器的工频电压耐受时间特性”试验来考核。

IEC60099-4：2014和GB/T 11032—2010中关于避雷器的能量耐受能力和TOV特性的要求，是对金属氧化物电阻片特性和避雷器散热结构的考核。那么，在运行和试验过程中，电阻片会有哪些破坏形式，哪些因素会影响到电阻片的能量吸收能力和TOV特性，是否能用能量指标来考核电阻片的TOV特性呢？

1 避雷器的能量耐受能力

避雷器的能量耐受能力取决于电阻片的能量吸收能力和避雷器的散热结构两方面，当避雷器的结构确定后，只决定于电阻片的能量吸收能力[10-16]。

1.1 电阻片的等值回路及数学模型

电阻片等值回路如图1，数学模型见式(1)。

图1 电阻片等值回路Fig.1 Equivalent circuit of varistor

图1中Rp为并联电阻(晶界相电阻)，Rv为非线性电阻(晶界势垒电阻)，C为电极间电容(晶界势垒电容)，Rg为串联电阻(晶粒电阻)，L为等值电感。

小电流区受晶界电阻和电容作用，导电机理为双Schottky势垒的场、热激发电子电流。场强、温度越高，电子获得的能量越大，越容易通过势垒，电流就越大，表现为电压越高，电流越大，温度越高，电流越大，电阻片电阻具有负温度特征。

中电流区受晶界和晶粒电阻共同作用，当电场强度达到一定值时，产生隧道电流，电阻片呈现非线性伏安特性。

大电流区受晶粒作用，非线性消失，呈现为正温度系数的低电阻。

U=AIα

(1)

式中：U为避雷器两端电压降，kV；I为通过避雷器的电流，kA；α为避雷器的的非线性系数，0<α<1；A为常数。

在避雷器的全伏安特性范围内，有不同的α、A值。

1.2 电阻片承受非周期性冲击电压时的能量吸收能力

电阻片在一次非周期性冲击过电压过程中吸收的能量可用下式进行计算

(2)

式中：W为一次冲击吸收的能量，kJ；I为通过避雷器的电流，kA；α为电阻片的非线性系数，0<α<1；A为常数；c为冲击电流波形系数；Γ为伽马函数。

电阻片的能量吸收能力可以从下面三个方面来衡量：

1.2.1 破坏能量

破坏能量是指电阻片能够吸收而不发生破坏(击穿、闪络或破损)的最大允许能量，单位为J或J/cm3。电阻片能够吸收的能量与冲击电流的幅值、持续时间、等值频率、施加冲击次数、电阻片温度相关，同样大小的能量注入电阻片，电阻片的初始温度越高，冲击电流的持续时间越短，等值频率越高，电阻片吸收能量的能力越差。冲击次数越多，每次冲击能够吸收的能量越低。

1.2.2 特性变化的程度

用电阻片在规定的特性变化范围内吸收的能量来衡量。

1.2.3 热崩溃条件

热崩溃是指当电阻片的发热量大于散热量时，功率损耗随温度上升而持续增加，并引起温度进一步升高，直至最后破坏的现象。

避免电阻片发生热崩溃的条件是电阻片吸收能量后引起的温升必须小于或等于电阻片所允许的最大温升。电阻片的最大吸收能量可用下式计算：

W=ρ·V·c·△T[5]

(3)

式中：W为电阻片能够吸收的最大能量，kJ；ρ为电阻片的体积密度，kg/m3；V为电阻片的体积，m3；c为电阻片的比热容，kJ/kg·℃；(金属氧化物电阻片的比热容约为0.5 J/kg·℃)；△T为吸收能量后，电阻片的最大允许温升，℃。

1.3 电阻片吸收能量后表现形式

1.3.1 温度升高

温度升高是电阻片吸收能量后的直观表现形式，见图2。

电阻片的内部物理组织越均匀、致密，温度分布越均匀，能量吸收能力越强。微观结构见图3、图4。

试验证明，在近似绝热状态下(电阻片置于图5保温壳、图6保温盖组成的密闭容器中)，如果电阻片吸收能量后，表面即时温度不超过150℃，在紧接着承受持续运行电压情况下，升温和降温能达到平衡，保持热稳定状态。

图2 电阻片吸收能量后温度分布Fig.2 Temperature distribution after absorption of energy by the varistor

图3 电阻片微观结构不均匀Fig.3 The microstructure of the varistor is uneven

图4 电阻片微观结构均匀Fig.4 The microstructure of the varistor is uniform

图5 保温壳Fig.5 Heat preservation shell

图6 保温盖Fig.6 Thermal insulation cover

1.3.2 参数变化

1)参考电压下降，漏电流增大，功耗增大。

在小电流区域，电阻片的交流、直流参考电压具有明显的负温度系数，漏电流、功耗具有明显的正温度系数，随着温度升高，参考电压降低，漏电流、功耗增大。

2)非线性变化。随着温度升高，电阻片伏安特性曲线的拐点前移，残压缓慢增加，非线性变差。

1.3.3 破坏

电阻片的破坏形式有三种：贯穿破坏、开裂破坏、侧面闪络。

1)贯穿破坏。贯穿破坏主要发生在外施电流幅值较小和持续时间较长情况下。贯穿破坏主要是由于电流分布不均匀，导致电阻片局部温升过高，负温度系数使其发热和通流恶性循环，直至该部分发生熔融。见图7、图8。

图7 贯穿破坏Fig.7 Through destruction

2)开裂破坏。开裂破坏主要发生在当流过电阻片的电流持续时间短且幅值大的瞬态冲击情况下。开裂破坏是由于瞬态冲击产生的骤变热应力导致电阻片机械开裂。见图9、图10。

图9 开裂破坏Fig.9 Cracking destruction

图10 开裂破坏时温度分布Fig.10 Temperature distribution during cracking destruction

3)侧面闪络。侧面闪络主要发生在当外施电压达到一定数值时，沿电阻片侧面发生的空气击穿。一般情况下，这种破坏形式发生时，电阻片吸收的能量并不大。见图11、图12。

图11 侧面闪络Fig.11 Side flashover

图12 侧面闪络时温度分布Fig.12 Temperature distribution during side flashover

1.4 影响电阻片能量吸收能力的因素

由(式3)W=ρ·V·c·△T分析可知，影响电阻片能量吸收能力的因素有电阻片的质量密度ρ、电阻片的体积V、电阻片的比热容c以及吸收能量后电阻片的最大允许温升△T。

2 电阻片的能量吸收能力特性

对按照同一配方、同样生产工艺生产的同规格的电阻片，在同样试验条件下，进行能量耐受试验、动作负载试验、工频电压耐受特性试验，探讨不同能量注入方式下电阻片能量吸收能力的规律性。

2.1 基本参数测试

抽取直流参考电压、漏电流相近的D105电阻片50片，其中，1 ～18号为单个电阻片，19 ～26为4个电阻片并联组成的比例单元。分别测量单个电阻片的工频6 mA参考电压、全电流、阻性电流(按荷电率相同),数据见表1。

表1 电阻片基本参数Table 1 Basic parameters of the varistor

续表1

试品编号直流参考电压Ud.c./kV75%Ud.c.下漏电流/μA工频6mA参考电压/kV额定电压Ur/kV持续运行电压Uc/kVUc下全电流/μAUc下阻性电流/μA244.8153.63.582.751 7554654.8163.63.582.751 7664804.8173.63.582.751 7804754.8153.63.582.751 800479254.8943.663.632.81 8335434.8953.663.632.81 8205334.8963.663.632.81 8255104.8943.663.632.81 840550264.8563.633.62.781 8115104.8543.633.62.781 8224954.8553.633.62.781 8005004.8563.633.62.781 824502

2.2 能量耐受特性试验

抽取18片电阻片试品，每项试验3片，分别进行2 ms方波冲击电流耐受试验、4 ms方波冲击电流耐受试验、10 ms方波冲击电流耐受试验、工频半波冲击电流耐受试验、8/20 μs雷电冲击电流耐受试验、1.2Ur工频电压耐受特性试验，冲击电流幅值、电压峰值、能量参数分别见表2-表7。

表2 2 ms方波冲击电流耐受试验数据Table 2 2 ms square wave impulse current withstand test data

续表2

试品编号序号1电流/A电压/kV注入能量/kJ2电流/A电压/kV注入能量/kJ3电流/A电压/kV注入能量/kJ162 2266.6736.52 2056.7036.72 2406.6836.8172 2166.7336.72 2076.7736.72 2056.7636.7182 2196.7736.92 2026.7736.72 2056.7636.7192 2066.6936.32 2416.7337.12 2216.7236.7202 2166.7436.82 2066.7636.72 2136.7536.8212 2316.7537.12 2216.8037.12 2296.7637.1

注：21次试验分为7组，每组3次，2次之间间隔时间为50～60 s，两组之间试品冷却到环境温度。

表3 4 ms方波冲击电流耐受试验数据Table 3 4 ms square wave impulse current withstand test data

注：21次试验分为7组，每组3次，2次之间间隔时间为50～60 s，两组之间试品冷却到环境温度。

表4 10 ms方波冲击电流耐受试验数据Table 4 10 ms square wave impulse current withstand test data

注：21次试验分为7组，每组3次，2次之间间隔时间为50 s～60 s，两组之间试品冷却到环境温度。

表5 工频半波冲击电流耐受试验数据Table 5 Unipolar sine half-wave impulse current test data

续表5

试品编号序号10电流/A电压/kV注入能量/kJ11电流/A电压/kV注入能量/kJ12电流/A电压/kV注入能量/kJ111 2906.7754.31 2906.8254.31 2806.8254.4121 2906.8654.71 3006.8254.61 2806.8254.5131 2606.6853.11 3106.7353.81 3006.7754.3141 2906.6853.91 3006.7754.41 3106.7754.4151 2906.8253.51 2906.8253.21 3006.8254.5161 3106.7754.21 3006.7353.81 3006.7353.5171 3106.7854.41 3106.7754.11 2906.7753.8181 3106.8154.51 3006.7754.31 3006.8054.1191 3006.8253.21 3006.7754.31 2906.7353.7201 3006.8254.01 3006.7753.71 3006.7754.0211 3006.8654.21 2906.8254.11 2906.8654.1

注：21次试验分为7组，每组3次，2次之间间隔时间为50～60 s，两组之间试品冷却到环境温度。

表6 8/20 μs雷电冲击电流耐受试验数据Table 6 8/20 μs lightning impulse current test data

注1：18次试验分为6组，每组3次，2次之间间隔时间为50 s～60 s，两组之间试品冷却到环境温度。2：雷电波冲击电流注入能量约10 kJ，未达到能量耐受极限。

表7 1.2 Ur(额定电压)工频电压下破坏时吸收的 能量试验数据Table 7 Test data of energy absorbed during failure under 1.2 Ur(rated voltage) power frequency voltage

注：试验在环境温度22℃下进行，试品为比例单元(4只电阻片并联)，试验前未预注入能量。

试验回路见图13。试验时，对试品持续施加工频电压至破坏。

图13 1.2Ur(额定电压)工频电压耐受试验回路Fig.13 Test circuit under 1.2Ur power frequency voltage

试验结果显示，对D105电阻片施加2 ms方波冲击电流单次注入能量不小于35 kJ，4 ms方波冲击电流单次注入能量不小于42 kJ，10 ms方波冲击电流单次注入能量不小于53 kJ，工频半波冲击电流单次注入能量不小于53 kJ，8/20 μs雷电冲击电流单次注入能量约10 kJ，对试品分别进行多次能量耐受试验后，外观均正常，无击穿、闪络、破碎现象，残压变化小于5%。

1.2Ur工频电压下破坏时吸收的能量平均值为40 kJ，远小于连续通过3次方波冲击电流吸收的能量。

结合图1分析对电阻片施加冲击电流和1.2Ur时的能量吸收能力，如图1c所示，在1.2Ur下，电阻片工作在中电流区，特性主要由晶界决定，能量也主要由晶界承受，晶界电阻率较高，导致温度急剧升高，晶界分布的不均匀会使同一荷电率下不同电阻片的温升不同，随温度升高，晶界势垒宽度下降，隧道电流加剧，温度进一步升高，导致电阻片击穿；如图1(d)所示，在冲击电流作用下，电阻片受强电场作用，特性由ZnO晶粒决定，能量也由ZnO晶粒吸收和承受，而ZnO晶粒是电阻片中的主晶相，占据陶瓷体的绝大部分体积，是电阻片中起导电、导热和吸收能量的主体，

因ZnO晶粒的电阻率较小，温度升高有限，能量耐受能力较高。

2.3 动作负载特性试验

按照GB/T 11032和GB/Z 24845规定的操作冲击动作负载试验程序对3个D105电阻片比例单元(4个电阻片并联)进行动作负载试验(电阻片基本参数见表1)。在对试品预热至60℃，分别施加两次长持续时间电流(6级长线)冲击和10s升高的额定电压后，试品平均温度分别为99℃、88℃和105℃，在对试品施加30min持续运行电压Uc*内的平均温度数据见表8。

表8 施加Uc* 30 min内温度测量数据Table 8 Data of temperature during 30 min under Uc*

从表8数据分析，电阻片在吸收相同能量后，温升不同，说明电阻片在吸收能量后，由于电阻片电压的负温度系数，其直流参考电压、工频参考电压均有下降，施加Ur时，荷电率高，通过电阻片的电流几乎全部为阻性电流，电阻片内部微观结构的轻微差异，都会导致通过的阻性电流大小不同，从而表现为温度的差异。

2.4 工频电压耐受时间特性试验

按照GB 11032规定的工频电压耐受时间特性试验程序对5个D105电阻片比例单元(4个电阻片并联)进行工频电压耐受试验(电阻片基本参数见表2)。在对试品预热至60℃，施加两次长持续时间电流冲击(6级长线，比例单元能量不低于174 kJ，单个电阻片平均预注入能量不低于43.5 kJ)和一定倍数的额定电压后，实测数据见表9。

按照规范规定，在避雷器预注入能量后，要求其工频电压耐受能力不低于实际运行的TOV工况。

表9 工频电压耐受时间特性试验数据Table 9 Power-frequency voltage VS time characteristic

3 结论

1)避雷器的能量吸收能力取决于所用电阻片的能量吸收能力和其散热结构，当避雷器结构确定后，则取决于电阻片的能量吸收能力。

2)对电阻片注入能量后，电阻片破坏的原因有热应力、内部物理结构、电极与基体结合状况、侧面绝缘状态。

3)电阻片的能量吸收能力由其比热容、密度、体积、初始温度、内部致密性、均匀性决定。

4)对冲击电流而言，电阻片的起始温度越高，电流幅值越高，等值频率越高，其能量吸收能力越差。

5)对电阻片施加工频电压时，其能量吸收能力远小于施加冲击电压时的吸收能力，所以不能用冲击电流的能量吸收能力代替工频电压下的能量吸收能力，应模拟实际工况来考核其特性。

6)在近似绝热状态，电阻片表面温度不超过150℃时，承受正常荷电率的持续运行电压时，升温和降温能达到平衡，保持热稳定状态。