金属氧化物避雷器失效分析

赵腾

摘 要： 针对MOA的研究，从内部因素和外部因素两个方面来分析其失效模式。其中，内部因素主要针对研究的是MOA压敏电阻失效机理，外部因素则研究的是环境条件对MOA所造成的影响。

关键字： MOA； 失效模式； 内因分析； 外因分析

中图分类号：TM206 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 内因分析

MOA失效的内因分析就是研究压敏电阻的微观失效原理。ZnO压敏电阻的非线性保持能力与晶粒的大小和晶界结构的均匀性有关，非线性源于晶界效应。当突破了失效的多个局部临近点，才会有可能导致热崩溃的阻值退化，以及局部热穿孔、电穿孔乃至炸裂失效，这说明了平均功率和热阻是影响电阻特性和寿命的两个重要指标。由公式可知，阀片的非线性系数 比较小时，串并联中的各级阀片发热分布是不平衡的。

（1）

式（1）中， 和 表示流过电流为 时换算得到的单阀片两端电压。从公式中可以看出，当其非线性系数降低到一定值时，电压分布的微小差异将导致电流的分布差异很大，由此说明： 某单一阀片的失效将会使得其它各阀片的发热极为不平衡。

在电网中，MOA工作时经常会受到不同程度的冲击，如果冲击强度比较小时，泄漏区域段的伏安特性会出现“极化”现象，此阶段是可逆的。低电压情况下电阻的泄漏区域无大的改变，一定条件下可以恢复。

如果冲击强度过大，可能导致MOV的晶界层势垒发生不可逆转的变化，一些较为薄弱的势垒将被破坏，再次遭遇强电流冲击时，MOV的保护特性将发生变化，如果更加严重，就处于失效状态了。在技术规范《交流无间隙金属氧化物避雷器》（GB11032-2010）中，规定了压敏电压 下降10%的电压值（这里表示为 ）作为判断MOA失效的临界电压值[1]。

除了强电流的冲击作用，系统正常工作电压 对MOA长期的累积效应，也会造成压敏电阻的伏安特性发生一定程度的劣化，相对工频电压而言，避雷器的泄漏电流中既含有阻性分量，也含有容性分量。与容性分量相比，虽然泄漏电流中阻性分量要小很多，然而随着MOA使用年限的不断增加，功率损耗可能逐渐增大，也使得压敏电阻产生老化甚至劣化现象。

另一方面，连续冲击电流产生功率损耗，功率损耗的累计增加引起避雷器内部温升，会进一步加速压敏电阻的老化。在过去，评定压敏电阻性能，往往看重通流指标，忽略或不够重视平均功率和热阻这两个参数，最终往往导致避雷器使用不当，压敏电阻的失效概率增大。

2 外因分析

MOA的状态主要是与外部参数的配合关系决定的，若其非线性电阻特征曲线稳定，即小时域内，避雷器的工作状态由电网参数决定；若其特征曲线从大时域来看发生变化，则是受电网长期过电压以及外部环境所致。下面对外部影响参数分别加以分析。

（1）瓷套污秽

MOA在较大污秽情况下运行可能发生三种情况：即外部闪络现象，内部的局部放电，以及内部电阻片的温度升高。其中，放电效应是由避雷器内外径向电场改变或分布不均匀引起的，而ZnO阀片的温升则是由MOA外表面上的污秽层引起的非线性的暂态电压分布所导致的。阀片电流密度J随时间的变化特征与电场强度的变化密切相关[2]，当遭遇到较大的脉冲电压后，其响应为：

（2）

由此可以说明，阀片周围的电场强度会影响阀片的电流密度，进而改变阀片电阻的非线性特性，而瓷套的污秽可以改变阀片周围的电场强度大小以及分布的不均匀性。

（2）受潮

经过试验表明，MOA内部受潮直接造成阀片外表壁电流增大，功耗增加，散热增大，导致电阻片更易被热击穿或热穿孔，加速了MOA老化过程，同时由于避雷器瓷套内部温度骤增，可能使得内部压强过大而发生爆炸。此外，瓷套外壁的过度潮湿将对瓷套内间隙的电容分布造成影响，从而造成避雷器的动作特性降低，稳定性变差，保护动作频度增加，更易受到暂态过电压危害，进一步加速避雷器老化乃至失效[3]。

（3）强电流冲击

强电流冲击对避雷器的影响较大，因此雷击次数也是避雷器在线监测的一个重要指标。

（4）电网参数

暂态过电压和各次谐波对无间隙MOA影响较大。无间隙MOA的拐点电压（这里近似将参考电压作为拐点电压）偏低，仅为2.21～2.56倍的最大相电压 ，而暂态过电压可达2.5～3.5倍 [4]。

（5）机械振动

自然灾害（如台风、地震等）也有可能造成避雷器的安装损坏，从而影响避雷器的运行。

3 结论

通过MOA内因分析，只有突破了失效的多个局部临近点，才会有可能导致热崩溃的阻值退化，以及局部热穿孔、电穿孔乃至炸裂失效，这说明了平均功率和热阻是影响电阻特性和寿命的两个重要指标。通过外因分析，各项条件的改变，会改变MOA运行情况下的工作特征，尤其是电容电感特性，电位分布不均匀性，系统性和特性表征的外因主导性，从而使MOA逐步失效。

参考文献：

[1] GrandkeT.Interprolation algorithms for diserete four iertransforms of weighted signals.IEEETransonIM，2003，32：350-355.

[2] 杨晓东.氧化锌避雷器监测方法分析.新疆电力技术，2008，（2）：26-29.

[3] 周龙，文远芳.MOA在线检测与诊断技术的方法分析.电瓷避雷器，2012，（2）：45-47.

[4] 嵇丽明，柯明生.氧化锌避雷器无线带电诊断技术的推广与应用.高压电器，2013，49（11）：133-139.