有关配电型避雷器用电阻片雷电冲击电流耐受能力的探讨

孙 泉，罗六寿，田泽群，钟 磊

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

0 引言

对于配电避雷器，国际避雷器标准IEC 60099-4：2009以及国家避雷器标准GB11032-2010都以2ms方波冲击电流考核其能量耐受能力[1-2]。此外，国内学者也对氧化锌避雷器或氧化锌电阻片在不同冲击电流下的耐受情况进行了探讨[4-15]。在IEC 60099-4:2014中，以重复电荷转移能力试验替代了长持续电流冲击耐受试验，规定以8/20 μs雷电冲击电流对配电避雷器进行考核。然而IEC 60099-4:2014中只是简单给出了8/20 μs冲击电流峰值与电荷量之间的转换公式，国内研究中，也缺乏相关讨论，使国内制造商对新旧标准之间电流值与电荷量之间的转换过程产生了疑惑。此外，国家标准GB 11032-2010即将修订，需要开展针对国内配电型避雷器常用氧化锌电阻片在8/20 μs冲击电流下试验情况的相关研究。

笔者用简化的数学模型对8/20 μs冲击电流峰值与电荷量之间的转换进行了数学推导，在此基础上，挑选了典型的配电型避雷器用电阻片进行了连续8/20 μs冲击电流试验与重复电荷转移能量试验，分析了试验结果，为即将修订的国家标准GB 11032-2010中相关内容提供了参考。

1 8/20μs电流值与其电荷量的数学关系

8/20 μs雷电冲击电流波形常用的的数学等效模型有3种，分别为双指数函数波、斜角平顶波、等效余弦波[3-15]。波形所覆盖的面积即为通过试品的电荷量，可利用积分原理，推导出电流值与其电荷量的对应关系。

笔者为简化数学推导过程，将8/20 μs冲击电流视为三角波，其波形如图1所示。

图1 简化的8/20μs雷电冲击电流波形Fig.1 The simplified model of 8/20 μs lightning impulse current wave

图1中，i代表雷电冲击电流峰值，单位为kA，t1为冲击电流总持续时间，单位为s。

图1中三角形的面积即为通过试品的电荷量Qrs，其计算公式：

i和t1之间存在如下关系式：

可得出：t1=32×10-6，代入式（1）可求得：

而IEC 60099—4:2014中推荐的公式为

比较式（3）与式（4），可以看出笔者依据简化的数学模型得出的理论推导结果与IEC 60099—4:2014中给出的计算公式相同。

2 国内配电型避雷器电阻片雷电流冲击耐受能力探讨

2.1 8/20 μs雷电冲击电流峰值与电荷量的选取

IEC 60099-4:2014中给出了理想波形下2 ms方波冲击电流视在峰值与电荷量之间的转换公式。

式（5）中，ir为方波冲击电流幅值，单位为A。

依据IEC 60099-4:2014的方法，结合式（4）与式（5），就可以推导出视在峰值持续时间为2 ms的方波冲击电流规定值与8/20 μs冲击电流规定电荷量、电流峰值之间的对应关系如表1所示。

由于IEC 60099-4:2014中规定，将1.1倍～1.2倍的额定电荷量作为重复电荷转移能量试验的规定值，因此表1中也给出了对应的1.1倍～1.2倍电流值。

表1 不同电流波形下电流值与电荷量之间的对应关系Table 1 Correspondence between current value and charge value of different current wave

国内配电型避雷器常用电阻片的规格一般为ϕ28 mm、ϕ30 mm、ϕ32 mm、ϕ3 5mm。笔者分别挑选三个制造商的ϕ28 mm、ϕ30 mm和ϕ35 mm规格的氧化锌电阻片进行试验。

在国内2 ms方波冲击电流耐受试验中，规格为ϕ28 mm、ϕ30 mm的氧化锌电阻片方波冲击电流规定值一般为75 A～100 A，规格为ϕ35 mm的氧化锌电阻片方波冲击电流规定值大多数为150 A。结合表1，同时考虑严苛的情况，对于ϕ28 mm、ϕ30 mm的电阻片，笔者选择峰值为11.2 kA和14.9 kA的8/20 μs雷电冲击电流进行试验，对于ϕ35 mm的电阻片，笔者选择峰值为14.9 kA、18.6 kA、22.3 kA的雷电冲击电流进行试验。

2.2 试验程序

为了从严考核，在每个制造商的ϕ28mm、ϕ30mm和ϕ35 mm规格的氧化锌电阻中随机选取5只进行连续20次8/20 μs雷电冲击电流试验，试验电流值如2.1节所述，施加每次冲击电流的间隔为1 min，如果某个制造商的电阻片中有至少一只电阻片在试验过程中发生击穿或者闪络，则重新随机挑选该制造商的另外5只同规格、同批次的电阻片按照IEC 60099-4:2014中重复电荷转移能量试验的程序、以相同的电流值进行试验直至试验结束。试验流程图如图2所示。

2.3 试验结果

试验结果如表2-表4、图3-图4所示。

图2 试验流程图Fig.2 Test flow diagram

图3 ϕ28 mm、ϕ30 mm氧化锌电阻片在14.9 kA下耐受冲击电流耐受次数的曲线Fig.3 The curve of impulse current withstand time under 14.9 kA forϕ28 mm，ϕ30 mm ZnO varistor

2.4 试验结果分析

1）由表2和表3可以看出，对于2 ms方波耐受电流规定值所对应的1.2倍电荷量下的8/2 0μs冲击电流耐受试验，每个制造商不同规格的电阻都具有耐受连续20次8/20 μs冲击电流耐受的能力。

表2 ϕ28 mm、ϕ30 mm氧化锌电阻片连续冲击下的试验结果Table 2 The result of continuous lightning impulse current test forϕ28 mm～ϕ30 mm MOA resistor

表3 ϕ35 mm氧化锌电阻片连续冲击下的试验结果Table 3 The result of continuous lightning impulse current test forϕ35 mm ZnO varistor

表4 重复电荷转移能量试验结果Table 4 The result of repetitive charge transfer rating test

2）由表2和表3可以看出，对于ϕ28 mm、ϕ30 mm的氧化线电阻片，当电流值由11.2 kA提高到14.9 kA时，三个制造商的试品通过率下降比较明显，通过率最多由100%下降到了60%。对于ϕ35mm氧化锌电阻片，电流值由14.9 kA提高到18.6 kA时，三个制造商的试品通过率最多由100%下降到了80%，电流值由18.6 kA提高到22.3 kA时，三个制造商的试品通过率最多由80%下降到了20%，此时通过率下降非常明显。

3）由图3可以看出，在进行14.9 kA下的连续8/20 μs雷电冲击电流耐受试验时，制造商B的5只ϕ30 mm电阻片中有1只在第2次冲击时发生了击穿，其照片与示波图如图5所示；有1只在第3次冲击时发生了闪络，其照片与示波图如图6所示。其余3只都能够耐受连续20次冲击。制造商A和制造商C的电阻片损坏都是发生在第14次以后，损坏的电阻片均是侧面闪络，其波形图与图6的波形图相似，是在冲击电流波尾时电阻片发生损坏的。

图4 ϕ35 mm氧化锌电阻片在22.3 kA下耐受冲击电流次数的曲线Fig.4 The curve of impulse current withstand time under 22.3 kA forϕ35 mm ZnO varistor

4）由图4可以看出，在对ϕ35 mm氧化锌电阻片进行连续进行8/20 μs雷电冲击电流耐受试验时，三个制造商的电阻片损坏的情况大多发生在第8～12次冲击电流耐受之间，并且在第8次冲击电流耐受之后，各个制造商电阻片的通过率下降比较明显。

5）通过表4可以看出，对于没有100%通过20次连续雷电冲击电流耐受的电阻片，选用新的电阻片按照IEC 60099-4:2014中的方法进行试验时，仍然有不能通过试验的情况，但试验通过率至少都为80%。

图5 制造商B的电阻片发生击穿的照片及示波图Fig.5 The photo and oscillogram for puncture varistor made by manufacturer B

图6 制造商B的电阻片发生闪络的照片及示波图Fig.6 The photo and oscillogram for flashover varistor made by manufacturer B

这里需要指出的是，受样本容量以及试品选取随机性的影响，对于更多样本的情况可进行进一步研究。

3 结论

1）笔者给出了8/20 μs冲击电流峰值与其电荷量之间关系式的简化的推导过程，结果与国际标准IEC 60099-4:2014中给出的换算公式吻合。

2）将2 ms方波冲击电流耐受值对应的电荷量转换为8/20 μs冲击电流波形进行试验时，笔者挑选的三个制造商的所有规格氧化锌电阻片都有能够满足耐受连续20次冲击电流的能力。

3）笔者挑选的试品中，当连续8/20 μs雷电冲击电流试验的电流值由11.2 kA提高到14.9 kA时，三个制造商的ϕ28mm、ϕ30 mm氧化锌电阻片通过率下降比较明显；当连续8/20 μs雷电冲击电流试验的电流值由18.6 kA提高到22.3 kA时，三个制造商的ϕ35 mm氧化锌电阻片通过率下降非常明显。

4）在进行连续8/20 μs雷电冲击电流试验时，试品既可能发生击穿、也可能发生闪络。生产商B的试验结果比较极端，同一电流下，有的试品能够耐受连续20次冲击，有的试品却只能耐受连续2～3次冲击。而生产商A与生产商C无论是在同一电流下试品耐受次数还是同一电流下的试品通过率都比较接近。

5）对于没有100%通过20次连续雷电冲击电流耐受的电阻片，按照IEC 60099-4:2014中的重复电荷转移能量试验流程进行试验时，在不同电流下，本文挑选的三个制造商的氧化锌电阻片通过率至少为80%。

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