不同试验方式下的ZnO避雷器的响应特性研究

杨海龙，李建明，陈 鑫，孔佳曦，邓育仁

（1.国网广元供电公司，四川广元628000；2.国网四川省电力公司博研站，成都610072；3.国网遂宁供电公司，四川遂宁629200；4.西华大学电气与电子信息学院，成都610039）

0 引言

近年来电力系统实际运行数据表明过电压是造成电网事故的主要原因之一，过电压的抑制及防护关乎电网的安全稳定运行，因此显得尤为重要[1-3]。为了设置更合理的绝缘配合，更好地抑制过电压、保护电网安全稳定运行，就必须对过电压进行精确测量，而通过仿真计算获取系统的过电压幅值及频率等特性参数可能与实际测量有较大差异，系统进行仿真时选用的参数及边界条件也可乐能与实际系统不符，得到的计算结果可能会产生较大的出入[4-7]，因此有必要采用仿真和试验相结合的手段对避雷器监测过电压的响应特性进行研究。

1 氧化锌电阻的等效模型

1.1 小电流低电场区等效模型

氧化锌非线性电阻在小电流低电场区可以等效为简单的电阻电容并联电路，如图1所示，C为氧化锌阀片固有电容，R为非线性电阻。

图1 MOA的小电流等值电路Fig.1 Equivalent circuit of the MOA under low current

简单的RC并联等效电路未能反映在小电流区的电流极化现象，因此考虑电流的极化效应时，引入极化电容和极化电阻[8]，阀片在小电流区可以等效为如图2所示。

图2 考虑电流极化现象的MOA等效电路Fig.2 MOA equivalent circuit of considering the current polarization

考虑极化现象后的等效电路较为复杂，参数确定更为困难。工程中一般使用简化的RC并联电路作为氧化锌电阻在小电流区的等效电路模型。

1.2 冲击大电流区等效模型

IEEE工作组提出了一种适用于更大波头范围的阀片冲击等效电路模型[9-12]。如图3所示，该模型用两部分非线性电阻来表示，两部分之间用线性R1L1支路分开，在不同时长波头的冲击波作用下，R1L1表现出不同的阻抗，在长波头冲击时，R1L1支路阻抗小，相当于RA0和RA1并联；在短波头冲击作用下，R1L1支路阻抗增大，流过RA0的电流增加，从而残压将增大。

2 阀片分压响应特性仿真分析

在对电力系统各种过电压在线监测的研究中利用氧化锌压敏电阻阀片分压具有操作方便、安装简单、安全性高等优势，其属于新型线路过电压在线监测分压方式。下面将对工频与冲击作用下避雷器阀片的响应特性进行分析。

图3 IEEE推荐的冲击电流下MOA等效电路Fig.3 MOA equivalent circuit under impulse current recommended by IEEE

2.1 工频分压特性

使用四片特性参数基本一致的氧化锌阀片串联，验证工频电压作用下每一片阀片的分压特性，其仿真原理如图4所示。

图4 工频仿真原理图Fig.4 Power frequency simulation schematic diagram

图5 各阀片工频分压波形Fig.5 Power frequency voltage divider waveform of each valve plate

得到的避雷器各阀片工频分压波形见图5，可以从图中判断当在工频电压幅值一定的前提下，各个阀片上的电压相位一致，幅值按阀片比例变化，这样可以保证通过阀片对过电压取样时，电压的波形不失真。

对不同幅值工频电压下放仿真得到了每片氧化锌阀片的分压比特性见图6，该图是在不同幅值工频电压作用下每片氧化锌阀片的分压比。其中，横坐标代表工频电源的电压幅值，纵坐标代表每一片阀片的分压大小，斜率代表每一片阀片所分电压占总电压的比例。由图6可以看出工频作用下阀片的分压比线性度较好。

图6 阀片工频分压比曲线Fig.6 Power frequency divider ratio curve in valve

2.2 冲击分压特性

为验证冲击作用下阀片的分压特性，其仿真原理如图7所示，可以改变冲击电压的幅值以及波头和波尾进行多方面论证。

图7 冲击仿真原理图Fig.7 Impulse simulation schematic diagram

得到的避雷器各阀片在冲击作用下的分压波形如图8所示，由图趋势可看出阀片在冲击作用下电压相位一致，幅值基本上按比例变化，波形未出现明显的失真，因此阀片可以作为冲击电压的分压装置使用。

图8 各阀片冲击分压波形Fig.8 Impulse voltage divider waveform of each valve plate

采用不同冲击电压幅值进行仿真得到了每片氧化锌阀片的分压比如图9所示。其中，横坐标代表冲击电源的电压幅值，纵坐标代表每一片阀片的分压大小，斜率代表每一片阀片所分电压占总电压的比例。由图9可以看出冲击电压作用下阀片的分压比线性度也较好。

图9 阀片冲击分压比曲线Fig.9 Impulse divider ratio curve in valve

2.3 工频和冲击下的对比

在工频电压下，各阀片分压比基本恒定，由图10可以看出，阀片2、3、4分压比均值分别为0.821、0.615、0.309；在冲击电压下，各阀片分压比大致相同，阀片 2、3、4分压比均值分别为 0.891、0.620、0.319；阀片2、3、4的工频分压比和冲击分压比的均值误差分别为7.91%、0.87%、3.16%；阀片2的工频分压比和冲击分压比误差相对较大，而阀片3和阀片4在两种情况下的分压比基本相等，分压比较为恒定，可以工频和冲击分压比对比曲线图也可明显看出，2号阀片在工频和冲击下的分压比曲线相离较远，而3号和4号阀片在工频和冲击下的分压比曲线基本重合。产生误差的原因为各阀片参数不尽一致，即在两种电压下等效为不同的模型，分别按不同的阻抗进行分压，不同模型下，阻抗比可能不同，因而分压比有所差异。因此，在实际测量中为保证较稳定的分压比，应尽量选用特性参数基本一致的避雷器阀片。

图10 工频和冲击下阀片分压比曲线对比Fig.10 Comparison of the voltage ratio curve between power frequency and impulse voltage

3 避雷器阀片响应特性仿真

在ATP-EMTP中仿真电源侧施加1.2/50 μs的雷电冲击波，分别在避雷器阀片导通和未导通的情况下测量各阀片的电压。当在电源侧施加峰值为1 kV的1.2/50 μs操作冲击波时，阀片未导通，此时测得各阀片电压值成比例，分别为3/4，2/4，1/4，波形一致；在仿真电源侧施加峰值为3 kV的1.2/50 μs操作冲击波时，阀片导通，阀片上的电压为避雷器残压，通过测得各阀片电压值也成比例，分别为3/4，2/4，1/4，从图11（b）中可以看出导通的情况下在波头部分发生了过冲及电压振荡现象，但各阀片波形趋势一致。

图11 阀片雷电冲击分压仿真波形Fig.11 Lighting impulse voltage divider simulation waveform of valve plate

在ATP-EMTP仿真中对4片阀片施加工频电压800 V和3 000 V，在避雷器阀片不导通和导通的情况下观察其在工频电压下的响应特性，如图12所示，各阀片电压相位一致，阀片2、3、4端电压与避雷器顶端阀片的电压响应特性相同，即在工频小电流和工频大电流时避雷器阀片分压比不变，且分压阀片与避雷器本体电压相位保持一致，在两种不同情况下，避雷器阀片响应特性趋势基本一致。

4 阀片分压响应特性试验

图12 阀片工频分压仿真波形Fig.12 Power frequency voltage divider simulation waveform of valve plate

图13 雷电冲击阀片未击穿电压波形Fig.13 The non breakdown voltage waveform of the lightning impulse of the valve plate

图14 雷电冲击阀片击穿电压波形Fig.14 The breakdown voltage waveform of the lightning impulse of the valve plate

该响应特性试验利用冲击电压发生器向避雷器施加雷电冲击电压波，避雷器未击穿时，在避雷器高压端测得冲击电压峰值为72.51 kV，波头时间：1.13 μs；分压阀片示波器通道显示峰值为18 V，波头时间为1.5 μs。两者电压波形如下图13所示，可以看到未击穿时，因冲击波的波头时间较短，阀片电压在波头部分发生了振荡，避雷器高压端和分压阀片电压波形基本一致。通过冲击电压发生器，向避雷器高压端施加雷电冲击电压使得避雷器击穿，测得避雷器高压端冲击电压峰值为146.75 kV，波头时间:0.78 μs；分压阀片示波器通道显示峰值为34.8 V，波头时间为1.0 μs，两者电压波形见图14，可以看出电压超过避雷器动作电压后，避雷器导通，避雷器高压端和分压阀片均为残压，对比避雷器高压端电压波形和分压阀片的电压波形，可以看到两者波形基本一致。

5 结论

通过上面试验对冲击电压发生器自带波形记录仪和35 kV避雷器电压传感器测量结果的校对可知：对于未击穿雷击过电压、击穿雷击过电压以及工频过电压，在不同频率段的数据的衰减倍数本试验为26×160=4 160与试验波形分析的衰减倍数基本吻合，分压比误差小于6%。氧化锌压敏电阻分压器是一种频率响应宽、幅值线性度高，测量精度满足电力系统暂态过电压监测要求的电压分压器。根据等效模型进行了阀片分压的仿真，得出在小电流区和大电流区具有相同的分压比；采用特性基本一致的4片阀片进行了实验室试验，得到各阀片的分压比特性在工频和冲击电压作用下基本相等，最后在氧化锌避雷器主体下串联分压阀片进行了高压分压试验，得到各阀片分压比与理论值基本相等。根据试验和仿真结果得出的避雷器的响应特性可知氧化锌阀片在工频和冲击电压作用下均有较好的分压比线性度，氧化锌阀片可以作为电压传感器装置，用于电力系统过电压测量。

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