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(1.国网湖南省电力公司培训中心，长沙 410131； 2.国网湖南试验研究院，长沙 410100； 3.长沙理工大学，长沙 410004)

0 引言

目前输电线路推广使用带串联外间隙氧化锌避雷器。作为一项新的技术，串联外间隙氧化锌避雷器正常运行时氧化锌阀片不受系统工作电压的作用，阀片不容易老化。但实际运行中带间隙氧化锌避雷器损毁也时有发生，因阀片受潮问题仍然存在，输电线路上雷过电压频繁，避雷器阀片在多次雷电流冲击后老化加速。有文献通过试验研究后指出，标称电流10 kA的氧化锌避雷器阀片在5～8次20 kA雷电流冲击后就已严重老化。因此，串联外间隙氧化锌避雷器同样需进行状态检测，及时发现缺陷，否则将成为新的故障点。但到目前为止，带串联外间隙氧化锌避雷器尚没有切实可行的有效的检测方法[1-4]。

正常运行中避雷器本体承担的电压很小，几乎没有泄漏电流，对无间隙避雷器检测十分有效的红外测温法、阻性电流法均不可用。文献[5]提出利用大电流冲击次数来监测带间隙氧化锌避雷器的状态，认为在大于20 kA雷电流冲击20次后，110 kV的氧化锌避雷器寿命终止。由于避雷器冲击放电的分散性以及冲击对氧化锌阀片影响的雷击效应，不同幅值的冲击电流对阀片劣化的影响不同，上述状态判据还有待进一步改进。需要进一步研究氧化锌阀片的雷电冲击特性，利用大电流冲击下避雷器阀片老化规律及温升效应，完善带间隙氧化锌避雷器状态检测方法[6-9]。

1 氧化锌避雷器雷电冲击温升特性

本文通过研究氧化锌避雷器雷电冲击特性，MOA阀片老化与雷电冲击次数的关系，以及雷电冲击电流幅值、雷电冲击累积效应对阀片老化的影响；本体MOA受潮对其雷电冲击特性的影响，以期获得避雷器本体受潮、劣化在大电流冲击下的相关规律，为带间隙氧化锌避雷器的状态检测与分析打下基础[10-12]。

1.1 氧化锌避雷器雷电冲击试验

1.1.1 试验方案

选取4个标称电流为5 kA的10 kV氧化锌避雷器进行雷电冲击试验。试品型号均为HY5WS-17/50。

试品1号为全新的氧化锌避雷器；试品2号运行了多年、阀片有一定老化的氧化锌避雷器；试品3号为受潮氧化锌避雷器，采用2 500 V兆欧表测量其绝缘电阻，其值约300 MΩ；试品4号为全新的氧化锌避雷器。

试验环境及试验装置见图1。试用冲击电流波形为8/20 μs,幅值可调，冲击电流幅值小于20 kA，根据避雷器的型号，给试验避雷器施加冲击电流。试验环境温度22℃，湿度65%。

根据冲击电流试验原理，电容器充电到一定电压后，通过球隙点火对试品放电，在试品上产生冲击大电流。两次试验的时间间隔5 min。

1.1.2 试验过程

试品1号雷电冲击试验：在未施加电压时，避雷器硅橡胶伞裙外温度均为22℃。具体试验步骤如下：

1)电容器充电至40 kV，球隙点火，避雷器未形成冲击放电，立即停止试验。避雷器呈轻微发热，温度略有升高但不明显，上端伞裙温度约为23℃，往下各伞裙温度依次下降，表明球隙距离减小至零时避雷器已有一定的放电电流通过，使之轻微发热。

2)电容器充电至60 kV，球隙点火，避雷器导通冲击放电，冲击放电电流波形为8/20 μs，幅值17.5 kA，冲击后即测量各片伞裙的温度较前没有明显增加，表明避雷器阀片状态良好，冲击放电后温度升高不明显。

3)再次施加40 kV，球隙点火，避雷器仍未导通冲击放电，立即停止实验。避雷器发热较1)明显。表明温升具有累积效应,大幅值雷电流冲击对电阻阀片状态有一定影响。

4)再次施加60 kV，球隙点火，避雷器炸裂，见图2，避雷器温度急剧升高，各伞裙环温度从上至下依次递减，见表1。

试品2号的雷电冲击试验过程与试品1号的基本相同，情况如下：

1)电容器充电至40 kV，球隙点火，避雷器未导通冲击放电，避雷器呈轻微发热，但温升不明显。

图2 1号氧化锌避雷器炸裂Fig.2 No.1 zinc oxide arrester explosion

℃

2)电容器充电至60 kV，球隙点火，避雷器炸裂；避雷器温度急剧升高，炸裂前后测量温度见表2。

表2 2号避雷器炸裂前后各伞裙温度Table 2 Before and after the No.2 arrester explosion the umbrella skirt temperature ℃

试品3号雷电冲击试验步骤如下,每次冲击试验时间间隔为5 min，且保持球隙距离不变，3号避雷器冲击导通后各伞裙温度见表3。

表3 3号避雷器冲击导通后各伞裙温度Table 3 Temperature of each umbrella skirt after the impact of No.3 arrester ℃

1)电容器充电至55 kV，调整球隙距离，球隙点火，避雷器导通放电，温升不明显，停止试验。

2)电容器充电至50 kV，球隙点火，避雷器导通，温升不明显，停止试验。

3)电容器充电至45 kV，球隙点火，避雷器导通，第二伞裙温度有一定上升1.2℃，停止试验。

4)电容器充电至45 kV，球隙点火，避雷器炸裂，检查发现第二片氧化锌阀片有明显的放电痕迹，对应的伞裙表面温升较大。

对试品4号进行10次雷电冲击试验，每次电容器充电至55 kV，每次冲击时间间隔为5 min，实验结果为每次避雷器均冲击导通放电，冲击导通前后的温升不明显。

1.2 试验结果分析

试品1号试验结果可以认为避雷器氧化锌阀片在高幅值雷电流冲击下加速老化，连续冲击的累积效应对避雷器性能影响非常大。

试品2号已长期运行有一定老化，在第一次施加冲击电压60 kV时避雷器炸裂，各伞裙环温度升高较均匀，避雷器整体老化，吸收热容量大为下降，各电阻阀片的发热较均匀。

试品3号整体受潮，避雷器发热基本均匀，但雷电冲击的累积效应明显，第二片电阻阀片可能存在劣化缺陷，有明显放电痕迹，其对应处温升明显。

试品4号为性能良好避雷器在正常冲击导通时，其温升不明显。

重复多组避雷器雷电冲击试验，其过程与结果与上述情况基本相同。综合分析实验结果，可得如下结论：

1)良好避雷器在大电流冲击时温升不明显。

2)氧化锌避雷器阀片老化进程分为一般老化与热崩溃老化两个阶段，在一般老化阶段，避雷器性能并未明显劣化，大电流冲击放电后，避雷器温升不明显。而当老化进入临界热崩溃阶段时，大电流冲击下避雷器温升明显。

3)避雷器整体老化或整体受潮，大电流冲击时，阀片热应力较为均匀，表面温升较为均匀；而局部受潮时，避雷器发热不均匀，受潮的阀片对应的表面温升较明显。避雷器在大电流冲击下的破坏主要分为热破坏和冲击破坏两种。受潮的氧化锌避雷器本体由于电阻阀片表面潮湿，甚至有小水滴，绝缘强度下降，电阻阀片热应力分布极不均匀，在雷电流冲击时，一方面产生大量气体，另一方面，局部温升严重，通过检测温升可以有效发现是否受潮。

4)雷电冲击的幅值、波形及注入的能量不同，对氧化锌阀片的老化作用也不同，其诱发的热应力，即温升效应也不同。如果将雷电冲击作用下，避雷器内部的热交换看成是绝热过程，则避雷器MOA阀片在极短的时间内产生极不均匀的热应力，致使阀片局部快速老化。冲击作用时间越短，电阻阀片的集肤效应、微观晶界的不均匀性就越突出，电阻阀片内部的热分布愈不均匀，热应力愈大，使阀片迅速进入热崩溃阶段。同时，MOA电阻阀片吸收冲击能量的能力，经多次雷电冲击后，有的阀片明显留下冲击碳化痕迹，具有明显的劣化记忆特征，累积效应和温升特性十分明显。

2 带间隙氧化锌避雷器状态检测方法

根据氧化锌避雷器的雷电冲击老化特性及本体表面温升特性，检测避雷器在雷电冲击时本体表面的温升，可有效判断出避雷器的阀片老化及受潮等缺陷。此外，综合大电流冲击次数及大电流冲击时温升，提出相应的避雷器状态检测与评价方法，形成有效的在线检测方法。

带串联间隙氧化锌避雷器本体阀片劣化进程中存在一般老化阶段和热崩溃阶段。一般老化阶段内，阀片仍有良好的通流能力和热容量，大电流冲击时避雷器本体温升不明显；阀片劣化临近拐点时，阀片的通流能力和热容量仍在限值范围内，但功耗已明显上升，大电流冲击下避雷器本体温升已较明显；劣化如果达到热崩溃阶段，冲击电流对氧化锌避雷器的作用时间非常短,只有几十微秒到几毫秒,由于短时间内吸收了过多的能量，阀片温度将在极短的时间内迅速升高。功耗的增加，将进一步促使氧化锌避雷器的温度上升,这种恶性热循环会很快使氧化锌电阻片的温度达到其融温度,从而使氧化锌避雷器损坏。因此，如监测到避雷器本体表面温度有明显升高，则说明该点间隙氧化锌避雷器已经劣化到了临近热崩溃阶段，应及时更换。

此外，文献[5]指出带间隙氧化锌避雷器的老化主要由雷电大电流冲击引起，避雷器通过大电流冲击的次数作可为避雷器寿命的判断依据，认为标称放电电流为10 kA的带间隙线路避雷器经过18次超过20 kA的雷电流冲击后已临近寿命终点，需要检修或者更换。

同时检测雷电流冲击时雷电流幅值、避雷器本体表面温升以及大电流累积冲击次数，综合判断避雷器状态，其判定依据：

1)绝对温升。考虑传感器灵敏度并排除环境因素影响，避雷器本体有明显温升。

2)相对比较。与过去比较温升明显增加。

3)大电流冲击次数。标称电流为10 kA的避雷器，幅值超过20 kA的大电流冲击累积20次以上，标称电流为5 kA的避雷器幅值超过10 kA的大电流冲击累积25次以上。

3 带间隙氧化锌避雷器状态监测系统

3.1 系统原理

监测装置由红外测温单元、冲击电流监测单元、现场测控单元及GPRS无线通信单元组成。红外测温传感器选用距离系数为80∶1，安装在杆塔靠近避雷器的地方，距离符合红外测试精度要求和绝缘距离要求，可有效监测避雷器本体在大电流冲击后表面温度变化。冲击电流采集传感器由Rogowski线圈整体刚化而成，成单匝穿心互感器形状，可以将流过避雷器的冲击电流峰值实时地采集下来，并就地进行积分和数字化处理后，将数字信号传至现场检测单元，记录冲击电流幅值并累积大电流冲击次数。冲击电流传感器安装在避雷器接地线上。现场检测单元为基于单片机的数据采集和处理电路，有良好的电磁屏蔽，安装在杆塔横担上。当大电流冲击次数与冲击温升达到设定的门限值时，监测装置发出状态异常报警信号。在线监测系统拓扑结构见图3。

图3 在线监测系统拓扑结构Fig.3 On line monitoring system topology

3.2 装置测试

在实验室对在线监测装置进行测试，测试波形采用8/20 μs。对氧化锌避雷器试品进行雷电冲击试验，用在线监测装置检测避雷器冲击放电波形，并与试验测量系统检测波形进行对比，结果见图4及表4。在50 cm外测温灵敏度为0.8℃。表明装置能可靠测量冲击电流幅值并累积计数，以及较灵敏反应冲击前后温度变化。

图4 装置测量波形与标准波形比较Fig.4 Comparison of measurement waveform and standard waveform

序号标准值/kA测试值/kA误差/%12.942.814.426.797.084.2315.4216.14.4429.9131.24.3560.8362.312.4680.4283.43.77100.35102.52.1

4 结论

通过试验研究，得到了线路氧化锌避雷器阀片老化与雷电大电流冲击次数的关系，以及大电流冲击时避雷器本体温升与阀片老化、阀片受潮等缺陷之间的关系。根据氧化锌避雷器的雷电冲击老化特性及本体表面温升特征，不仅有效监测避雷器的阀片老化缺陷，还可监测其是否受潮。综合大电流冲击次数及大电流冲击时温升的串联间隙氧化锌避雷器在线监测方法具有良好的可行性。