新型雙功能金屬氧化物避雷器技術性能分析

1、新型雙功能金屬氧化物避雷器技術性能分析作者：佚名 文章來源：不詳 點擊數(shù)： 82 更新時間：2008-9-26 14:06:50 摘要： 比較了ANSI，IEC和國標3種標準中的技術參數(shù)，分析了脫離器特征參數(shù)、MOA閥片能量吸收能力和壓力釋放裝置的性能研究，給出新型金屬氧化物避雷器的性能指標和研制水平。 關鍵詞： 脫離器；閥片吸收能力；壓力釋放裝置；金屬氧化物避雷器 國內(nèi)35kV以下瓷套式避雷器的帶壓力釋放裝置被視為禁區(qū)而無人問津，而以美國為代表的先進國家，致力于研究在36kV以下的電網(wǎng)中設計具有脫離器與壓力釋放裝置雙功能的新型金屬氧化物避雷器。當避雷器出故障時，其內(nèi)部氣壓瞬時突然升高，此時壓

2、力釋放裝置的薄弱環(huán)節(jié)被瓷套內(nèi)部的高溫及高壓氣體沖破，使內(nèi)部短路迅速轉向瓷套外部閃絡，從而使瓷套不發(fā)生破壞或爆炸性的破壞。這種具有脫離器與壓力釋放裝置雙功能的新型金屬氧化物避雷器，是一項難度很大的高新技術，是當今國內(nèi)外避雷器行業(yè)技術發(fā)展的新趨勢。本公司研究開發(fā)這種新產(chǎn)品，既是迎戰(zhàn)國際上先進國家的高新技術，也給企業(yè)的技術進步注入生機。 1主要技術性能分析 標準是衡量某種產(chǎn)品性能指標的法定尺度。國內(nèi)外的避雷器標準有美國國家標準ANSI /IEEE C62111987交流電力系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器(簡稱美標)，國際標準IEC994(199111第一版)避雷器第四部分：交流系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器(

3、簡稱IEC標準)和我國國家標準GB110322000交流無間隙金屬氧化物避雷器(簡稱國標)。這三項標準代表了國內(nèi)外對不同水平的避雷器性能要求，其他一些國家(英、法、德等)標準基本與IEC標準一樣。通過比較分析可以發(fā)現(xiàn)，國標的特征參數(shù)等同IEC標準，IEC標準代表了國際上大多數(shù)國家的通用標準，唯有美標制定的一些性能參數(shù)要高出IEC標準與國標的規(guī)定值。 11脫離器(Disconnector )的性能比較 美標、IEC標準與國標對脫離器的性能要求見表1。 從表1可見，對大電流短持續(xù)時間試驗，國標與IEC標準一樣均為65kA；美標比國標(等同IEC標準)電壓等級高一檔，分別對應為65kA與100kA兩

4、檔。同樣，美標中重負載10kA等級對小電流長持續(xù)時間試驗要求為250A，也高出IEC標準和國標的相應要求。污穢試驗僅美標要求進行該項試驗，IEC標準與國標均無此項要求。時間電流特性試驗，美標取的是4種電流水平，每種試驗5只計20只試品，而IEC標準與國標取3種電流水平，試驗15只試品。由此可見美標對脫離器特征參數(shù)的要求比IEC標準與國標都高。為了使研制出的新產(chǎn)品能更好地進入國際市場參與競爭，我們選擇了美標作為新產(chǎn)品的試驗依據(jù)。 美標、IEC標準以及國標對脫離器的定義均為故障避雷器的一個示出裝置。由此可知避雷器出故障(即損壞)時脫離器需動作，并給出可見標志。換句話說，若避雷器是完好的(未出故障)

5、，則脫離器不應動作。假如避雷器尚未損壞而脫離器卻過早地動作了，則意味著需要更換一只新避雷器掛網(wǎng)運行。此避雷器本應繼續(xù)在它的崗位上執(zhí)行保護電氣設備的任務，卻因脫離器的提前動作而退出運行。因此研究脫離器的動作性能時，固然不能忽視其時間電流動作特性(安秒特性)，但脫離器必須耐受的不動作安全電流特性(見表1)也同樣重要。由于動作元件是決定脫離器動作特性的核心元件，要耐受表1中的4/10s大電流沖擊100kA，小電流2ms 方波250A和負載循環(huán)以及污穢試驗而不動作，即要求動作元件的內(nèi)阻要足夠大，耐受此四項試驗時，應穩(wěn)如泰山，巋然不動。同時動作元件在經(jīng)受時間電流特性試驗時，用美標中的話說，在電弧跨越避雷

6、器元件時，要求脫離器此時應動如脫兔，迅速響應。圖1是按美標要求選取的四種電流水平下，用20只試品進行時間電流特性試驗的實際數(shù)據(jù)所繪制出的安秒特性曲線1圖1脫離器時間電流特性曲線 12MOA閥片的能量吸收能力 近區(qū)雷擊時，在接近避雷器安裝處遭受直接雷擊或者發(fā)生反擊時，通過避雷器的電流比較大。避雷器的能量吸收能力包括大電流沖擊特性和長持續(xù)時間電流沖擊特性。目前國內(nèi)生產(chǎn)的MOA閥片的小電流沖擊特性和國外產(chǎn)品水平相差不多，但是在能量吸收能力和殘壓比等大電流沖擊特性方面仍有較大差距，尤其是能量吸收能力。MOA閥片的能量吸收能力W V 表達為WV W/ V/ V4KI S U S T/d 2 l (1)

7、式中K 沖擊電流波形系數(shù)； I S 沖擊電流峰值； U S 殘壓； T 沖擊電流持續(xù)時間； d 電阻片直徑 l電阻片厚度。 根據(jù)式(1)可以計算得出國外產(chǎn)品的2ms 方波(長持續(xù)時間電流沖擊)和4/10s大電流沖擊的能量吸收能力分別比國內(nèi)產(chǎn)品高出30和50 2 。因此人們把研究的焦點集中于提高MOA閥片的能量吸收能力上。 根據(jù)文獻記載，全世界50的雷電流大約37kA，而每回第二次來雷時，都至少包括兩次閃擊。盡管這樣的雷擊釋放能量不高，即使產(chǎn)生電壓處于最低值，但對金屬氧化物避雷器(MOA)來說，也會反復出現(xiàn)反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。 隨著中壓電網(wǎng)中電纜線路增多，因雷電和操作過電壓在電

8、網(wǎng)中存貯了較多的能量，因此在電纜末端的套管上或架空線引入處必須安裝避雷器進行保護。這就要求避雷器盡可能地提高其能量吸收能力，以保證電氣設備的安全可靠地運行。 線路避雷器所處的位置距雷擊點更近使之更易受雷電流沖擊，因而對線路避雷器比常規(guī)的電站避雷器要求吸收更多的能量。文獻3的研究表明，對于相對保護水平較高的線路放電等級1、2級的避雷器，大電流沖擊試驗的能量吸收能力才可與長持續(xù)電流沖擊相比，并提供了每次長持續(xù)電流沖擊試驗中吸收的能量近似值(見表2)3 。 從表1可知，美標比IEC標準和國標要求嚴格，因而選擇美標的特性參數(shù)作為試驗依據(jù)。本公司的MOA閥片D3、D4的能量吸收能力分別為2、3KJ/KV

9、，其對應的試驗波形圖見圖25。表1脫離器特征參數(shù)對照表標準類別 大電流短持續(xù)時間試驗 小電流長持續(xù)時間試驗 負載循環(huán)試驗 污穢試驗 脫離器時間電流特性試驗 避雷器等級/kA 電流峰值(4/10s)/kA 避雷器等級/kA 電流峰值(2ms )/A 美標 105 10065 105 25075 要求進行該項試驗 要求進行該項試驗，但未明確規(guī)定具體的附鹽密度 取20，80，200，800A4種電流水平，每種電流水平試5只試品，計20只試品 IEC標準 5 65 5 75 不要求進行該項試驗 取20，200，800A3種電流水平，每種電流水平試5只試品，計15只試品 國標 55 6565 55 15

10、075表2長持續(xù)電流沖擊試驗避雷器能量數(shù)據(jù)線 線路放電等級每次沖擊能量/kJ(kV) 112345 1020304250 圖2 4/10s大沖擊電流波形圖(試品D3閥片)T 1 396s；T 2 99s；Ip661kA；K15；D3226，充電電壓657kV圖3 4/10s大沖擊電流波形圖(試品D4閥片)T 1 396s；T 2 99s；Ip1006kA；K8；D426，充電電壓948kV 由式(1)表明MOA閥片的能量吸收能力與閥片直徑成反比，閥片的直徑愈大，其相應的能量吸收能力反而小。換言之，對于相同的沖擊電流峰值，直徑小一些的閥片其單位體積的能量耐受能力強。本公司生產(chǎn)的5kA避雷器用D3

11、閥片(33mm)，10kA避雷器用D4閥片(42mm)。試驗結果表明本公司的D3和D4閥片的能量吸收能力已達到先進水平。 13壓力釋放裝置的性能研究 當避雷器出現(xiàn)內(nèi)部故障時，故障電弧造成氣體膨脹使瓷套內(nèi)部的氣壓激增，導致壓力釋放裝置的薄弱環(huán)節(jié)被迅速沖破，將內(nèi)部短路電弧引至瓷套外部閃絡，從而使瓷套不發(fā)生破壞或爆炸性的破壞。 故障電弧電壓U a 可表示為 4U a E a l a (2) 式中，E a為電弧電壓梯度(V/cm)；la 為電弧長度(cm)。電弧能量Q(J)為 5QU a It (3) 式中，I為短路電流有效值(A)；t為電弧燃燒時間(s)；為效率系數(shù)。 假定短路電流取I5000A，電

12、弧長度為60cm，燃弧時間t02s，電弧能量全部用于加熱氣體且均勻分布，取1，大氣中電弧電壓梯度E a 為1020V/cm，可估算出電弧能量Q約在6001200kJ范圍內(nèi)。 文獻4研究表明，空氣中穩(wěn)定的故障電弧的電位梯度在大電流范圍內(nèi)約為1020V/cm，但隨著電弧運動速度，電弧所處的環(huán)境參數(shù)等的改變而增加。發(fā)生在固體或液體絕緣中的故障電弧的電位梯度遠高于空氣中的電弧電位梯度，這意味著釋放的電弧能量比上面的估算值還要高。因此，對壓力釋放裝置的性能研究重點要解決下述幾點問題： (1)研究瓷套在耐受壓力釋放試驗時應不產(chǎn)生爆炸性破壞所具有的抗沖擊強度。 (2)研究避雷器故障時將瓷套內(nèi)部產(chǎn)生的高溫及高

13、壓氣體迅速地引到瓷套外部閃絡的環(huán)節(jié)的設計，即壓力釋放裝置的薄弱環(huán)節(jié)設計。 (3)本產(chǎn)品為具有脫離器與壓力釋放裝置雙功能結構，因而需在壓力釋放裝置中心處設計帶有脫離器。 (4)脫離器用的導電膠的參數(shù)確定及研制。圖4 2ms 方波沖擊電流波形圖(試品D3閥片)T 10 2752s；T90 2110s；Ip1517A；T 10 /T 90 13；D3222，充電電壓87kV圖5 2ms 方波沖擊電流波形圖(試品D4閥片)T 10 2744s；T 90 2112s；Ip2546A；T 10 /T 90 13；D4301，充電電壓124kV 上面假定電弧長度取60cm，是由于電弧會有不同程度的拉長，實際

14、電弧的長度要大于產(chǎn)生電弧的兩電極間的直線距離。同時基于考慮對壓力釋放試驗要求在給定型式和結構的最高電壓額定值上進行，而相同型式和結構的低電壓元件無須試驗。這一條款不論是美標、IEC標準以及國標均規(guī)定一致。為了使本產(chǎn)品既能適用于出口(用于36kV電網(wǎng))，也能在國內(nèi)35kV電網(wǎng)中采用，因此按國內(nèi)35kV電力系統(tǒng)用的避雷器額定電壓已提高到51kV，選擇試品的參數(shù)為：持續(xù)運行電壓為40.8kV，直流1mA參考電壓73kV，5kA等級。試驗依據(jù)美國國家標準ANSI /IEEE C62111987交流電力系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器，試驗波形見圖6、7。圖6 試驗波形(10kV、5kA)圖7試驗波形(40060

15、0A) 試驗結果：大電流壓力釋放試驗，試驗電流5kA，持續(xù)時間024s。小電流壓力釋放試驗，試驗電流500A，持續(xù)時間13s。2種電流壓力釋放試驗，均正常釋放，試驗后進行檢查，試品外套保持完整，脫落的試品零件保留在圍欄之內(nèi)。試驗合格。 2 結論 (1)比較美標、IEC標準和國標3種標準中的技術參數(shù)，美標比IEC標準和國標要求嚴格。 (2)MOA閥片的能量吸收能力與閥片直徑成反比，對相同的沖擊電流峰值，直徑小的閥片其單位體積的能量吸收能力強。本文介紹的由本公司生產(chǎn)的D3和D4閥片的能量吸收能力已達到國際先進水平。 (3)本產(chǎn)品依據(jù)美標進行試驗，經(jīng)電力部電力設備及儀表質量檢驗測試中心試驗，全部合格。經(jīng)福建省科技信息研究所查詢，鑒定委員會認為，具有脫離器與壓力釋放裝置雙功能結構的新型金屬氧化物避雷器，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，主要技術性