避雷器加速电热老化下的响应特性研究

2023-10-28姜雄伟王文浩

电瓷避雷器 2023年5期

姜雄伟,王文浩,韩睿

(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州 310014)

0 引言

雷电流冲击可能会对氧化锌避雷器及其电阻片产生电热应力破坏,当避雷器发生劣化时,将不能起到抑制过电压的作用,进而严重影响受保护设备的安全稳定运行[1-2]。由雷电流冲击导致避雷器局部老化甚至快速热崩溃损坏,同时阀片长期在高温下运行会加速阀片的劣化,破坏阀片整体热平衡,也是热崩溃的诱因,实际运行中已发生过类似事故[3-5]。文献[6-16]开展了避雷器阀片老化缺陷试验、诊断分析以及机理分析,包括晶界势垒、缺陷结构、频域特征量、空间电荷特性等。文献[17-24]研究了雷电冲击加速老化过程中金属氧化物避雷器的伏安特性、残压特性、电容量等变化,文献[25-26]通过仿真研究了避雷器温度场和电位分布特性,文献[27-30]基于带电检测和停电试验开展了避雷器整体性能评估,都取得了丰硕的研究成果。但目前相关研究大多基于阀片的间隔一定时间的多次雷电冲击展开研究,较少从已运行一定年限的阀片再叠加交流加速老化和特制阀片缺陷避雷器两个维度系统研究避雷器在电-热应力下的电气参数变化规律及故障机理。

笔者结合氧化锌避雷器的实际运行特点,选取现场已运行19年的110 kV氧化锌避雷器为研究对象,将拆解出来的阀片在135 ℃条件下开展了加速交流老化试验,测试了试验过程中阀片热功耗曲线及其它电气参量,并基于热加速因子的阿伦纽斯模型计算了阀片剩余寿命。进一步,以特制存在不同阀片劣化程度的避雷器为研究对象,开展了多次连续的雷电冲击电流(8/20 μs,10 kA) 试验,测试了多次雷电冲击电流前后表征避雷器电气性能的特征参量以及冲击电流、电压波形变化规律。研究成果对指导氧化锌非线性电阻片类型工艺的改进、提高电阻片乃至避雷器的长期稳定性、科学开展避雷器设备的维护具有重要意义。

1 试验对象及方法

对国内某典型厂家生产的已在现场运行19年的110 kV氧化锌避雷器进行拆解。该避雷器为瓷外套,内部为15块铝金属垫片间隔33个实心电阻片,阀片外部用3根玻璃丝增强环氧杆固定,见图1。

图1 避雷器芯体和拆解的阀片Fig.1 Arrester core and disassembled valve plates

1.1 阀片交流老化试验

以拆解下来的阀片为研究对象,进行交流老化试验时,将阀片夹在两铜极板中间。文献[31]通过试验论证了提高老化温度至135 ℃的加速老化试验方法与国标中保持115 ℃下的试验方法的等效性。因此,将阀片置于135 ℃温度箱内进行高温老化。此外,根据GB/T 11032-2020中的公式确定老化过程中的交流电压值:

(1)

式(1)中,U1mA为阀片直流参考电压,s为荷电率,取0.9。因此,逐个测量阀片U1mA值后再确定交流老化电压。试验分5组进行,每组3个阀片同时老化,共15个阀片。阀片热功耗曲线测试场景见图2。

图2 阀片热功耗曲线测试过程Fig.2 Test process of thermal power consumption curve of valve plates

1.2 避雷器多次雷电流冲击试验

以制造厂家出厂试验中10 kA(8/20 μs)雷电流冲击下发生击穿(未贯穿)的劣化阀片为元件,在组装成避雷器前测试了阀片直流U1mA、0.75倍直流U1mA泄漏电流以及残压数据。之后组装成含不同劣化阀片数量的避雷器。其中,整只避雷器的阀片总数为5片。特制避雷器信息见表1和表2,劣化的阀片和组装成的避雷器见图3。

表1 特制避雷器缺陷设置信息Table 1 Defect setting information of special arresters

表2 瓷套避雷器出厂参数Table 2 Factory parameters of porcelain arrester

图3 有小孔(未贯穿)的阀片及组装成的缺陷避雷器Fig.3 Valve plates with small holes (not penetrating) and assembled defective lightning arrester

在冲击试验前,测试了避雷器绝缘电阻、交流U1mA、直流U1mA等电气特征参量。避雷器冲击试验系统可输出10 kA(8/20 μs)雷电冲击电流,满足整只避雷器试验要求,测试系统见图4。依据标准GB/T 11032-2020要求,试验流程为对避雷器连续施加正极性雷电流冲击,每组避雷器冲击3次后间隔5 min,每次冲击间隔1 min,并测试和记录整只避雷器的雷电流冲击残压、电流和电压波形。在每组避雷器承受多次冲击后,待其恢复环境温度,再次测试绝缘电阻、交流U1mA、直流U1mA等电气特征参量。

图4 8/20 μs雷电流冲击试验系统Fig.4 8/20 μs lightning current impulse test system

2 试验结果及分析

2.1 交流老化试验结果及分析

在交流老化试验中,共测得两种典型的热功耗曲线,见图5。图5(左)在老化过程中热功耗值持续上升,反应了流过阀片的阻性电流持续增大,继续加速老化导致阀片热崩溃的可能性很大;图5(右)在老化过程中热功耗值持续缓慢下降并在老化时间内保持平稳,说明这类阀片热性能优良。

图5 试验中两种典型热功耗曲线(下线)Fig.5 Two typical thermal power consumption curves in the test (lower line)

GB/T 11032-2020规定在热老化试验期间,测量的所有功率损耗Px应不大于1.1Pstart。从热功耗曲线中提取了功耗初值Pstart(老化1.5 h)、功耗终值Pe和Px/Pstart=1.1时对应的老化时间,结果见表3。15个阀片经交流热老化后,有9个阀片的热功耗曲线中提取到了Px/Pstart=1.1时对应的老化时间,其余6个阀片由于热功耗值持续下降并趋于稳定,未能获取该时间值。

表3 热功耗曲线中关键参数提取结果Table 3 Extraction results of key parameters in thermal power consumption curve

得到功耗达到1.1倍Pstart的时间后,基于热加速因子的阿伦纽斯模型计算阀片剩余寿命,加速因子计算公式如下:

AF=exp{(Ea/K)×[1/Tu-1/Ts]}

(2)

其中,AF为加速因子,Ea为活化能,K为玻尔兹曼常数,其值为8.617 385×10-5,Tu为使用条件下的温度值,Ts为加速老化状态下的温度值,均为绝对温度值,以K(开尔文)为单位。考虑阀片的材料特性,计算中活化能Ea=0.6 eV,使用条件下的温度值Tu=298 K,加速老化状态下的温度值Ts=408 K,计算得到加速因子:

(3)

基于加速因子,最后得到加速老化对应的9片阀片剩余寿命见表3:发现阀片的剩余寿命分散性较大,剩余寿命从1年到大于10年不等。

交流老化试验前后,分别测试了阀片直流U1mA、0.75倍直流U1mA泄漏电流以及残压数据,对比结果见表4。可知:除28号阀片在老化过程中发生热崩溃,其余阀片老化前后直流U1mA和残压无明显变化规律,80%的阀片0.75倍直流U1mA泄漏电流仍小于标准规定的50 μA规定值,且该数值老化前后无明显变化规律。

表4 阀片交流热老化前后电气特征参量对比Table 4 Comparison of electrical characteristic parameters of valve plate before and after AC thermal aging

2.2 冲击试验结果及分析

在组装成缺陷避雷器前,阀片的直流U1mA、0.75倍直流U1mA泄漏电流以及残压数据见表5,其中,仅1号为合格的阀片,2～13号为劣化阀片。可见发生击穿(未贯穿)的劣化阀片直流U1mA总体上明显降低,但0.75倍直流U1mA泄漏电流和残压几乎没有变化。

表5 用于组装避雷器的阀片电气特征参量Table 5 Electricalcharacteristic parameters of valve plate used for assembling arresters

7只避雷器(1号合格,2～7号为缺陷)冲击前、后电气特征参量测试结果见图6(冲击前后无明显变化的电气参量未列出),结合7只避雷器冲击后解体结果图7可知:1)冲击电流试验前,元件绝缘电阻、交流U1mA、直流U1mA与劣化阀片数量之间无明显规律。但阻性电流大小总体上与劣化阀片数量呈正相关关系;2)冲击电流试验后,若阀片发生炸裂或表面损坏,避雷器绝缘电阻、交流U1mA、直流U1mA会发生明显下降,阻性电流会明显增加。若避雷器未发生击穿或击穿后阀片无明显裂纹,绝缘电阻、交流U1mA、直流U1mA会发生轻微下降,阻性电流几乎没有变化;3)冲击试验后,发生炸裂或表面损坏的阀片与之前设置的劣化阀片能够一一对应,原因是大电流冲击下劣化阀片发热严重,温度上升使得晶粒电阻增大。在连续冲击作用的短时间内,热量分布难以达到均匀的稳定状态,热量集中导致劣化的阀片最容易发生热崩溃。

图6 避雷器雷电冲击前、后电气特征参量测试结果Fig.6 Test results of electrical characteristic parameters of lightning arrester before and afterlightning impulse

图7 雷电冲击试验后7只避雷器解体得到的阀片Fig.7 Valve plates obtained by disintegration of 7 lightning arresters after lightning impulse test

因此,结合阀片的交流老化试验结果,阀片剩余寿命的分散性导致整只避雷器的寿命难以评估。但现场可通过安装避雷器全电流在线监测系统,实时监测阻性电流分量,在电流明显增大时,及时开展停电检修和更换,有效预防因雷击导致的随机性热崩溃事故。

雷电流冲击测试避雷器残压过程中,也记录了冲击电流和电压波形,见图8。可知:1)不同劣化程度的元件,在元件发生击穿前,随着冲击电流作用次数的增加,在元件高压端所测电流、电压波形基本一致。当元件发生击穿时,电流和电压波形会发生明显变化;2)相同劣化程度的元件,在元件发生击穿前,随着冲击电流作用次数的增加,在元件高压端所测电流、电压波形基本一致。当元件发生击穿时(冲击3～5次),电流和电压波形(残压)会发生明显变化;3)存在阀片劣化的避雷器基本在连续雷电冲击3～5次即发生击穿,而文献[23]中35 kV金属氧化物避雷器在雷电冲击850次后(8/20 μs、5 kA)小电流及残压特性才发生明显变化。对无劣化阀片组成的元件进一步试验发现,当雷电冲击作用平均次数小于212次时,记录的雷电冲击电流和电压波形以及残压几乎没有变化;当雷电冲击作用平均次数大于237次后,元件残压迅速下降为原来的49.3%左右,雷电流幅值增大为20.3～40.2 kA,说明元件已完全损坏。因此,避雷器局部阀片的劣化以及雷电流幅值的增加(对比文献[23]中的5 kA)将使避雷器耐受雷电冲击特性明显下降。