非线性电导材料改善避雷器不均匀电场研究

刘凌云，李志恒，张吴欣，司伟康，柳建军

(1 湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068；2 襄阳市三三电气有限公司，湖北 襄阳 441000)

为提高电能传输效率，输电线路的运行电压等级越来越高。随着电压等级的大幅度提高，输配电线路、电气设备、变电站等的安全运行问题也变得日益突出[1-3]。保护电力系统中各种电气设备安全稳定运行，免遭操作过电压和大气过电压的侵害就显得极为重要,而复合绝缘外套无间隙氧化锌避雷器作为一种限制过电压的保护设备便具备这样的功能[4-7]。由于氧化锌阀片具有良好的非线性伏安特性，它正常工作电压下避雷器呈现高阻状态，流过避雷器的电流仅有几百微安，但当过电压超过其规定的动作电压时，避雷器立即动作变为导通状态，流过避雷器的电流瞬间升高至数千安培，释放过电压能量，使电气设备免受过电压的侵害[8]。

根据韩社教等人的研究，杂散电容的存在使得避雷器内部电阻片电位分布极不均匀，并且随着避雷器电压等级和本体高度的增加而愈加严重。长期承受不均匀电位分布会加速电阻片的老化，甚至会导致整个避雷器的损毁[9-12]。在避雷器高压端和接地端长期承受着过高、甚至大于平均值数倍的电场强度，会加速复合硅橡胶绝缘外套的老化，在冲击过电压等恶劣运行情况下甚至会被击穿、损坏。所以外部绝缘材料的使用寿命同样会影响到避雷器的安全稳定运行，而改善避雷器外部绝缘材料面临的局部场强过大，场强分布不均是目前亟待解决的问题。

1 样品制备与测试

1.1 非线性电导材料样品的制备

使用某公司生产的ZnO压敏电阻粉体和道康宁某加成型液体硅橡胶为原料制备非线性电导材料样品。ZnO压敏粉体是以ZnO为主体，配以一定微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3等材料混合制成的。本次所用ZnO压敏粉体原料为经过喷雾造粒工艺之后的灰色粉料，样品制备的实验步骤如下：

1)烧结：将ZnO压敏粉体放置在马弗炉进行烧结。

2)研磨与过筛：使用玛瑙研磨器对烧结好的ZnO压敏粉料进行研磨处理，然后用200目网筛进行过筛，得到均匀粒径的ZnO压敏粉体。

3)混料与搅拌：将过筛后的ZnO压敏粉体按一定体积比与液体硅橡胶进行混合，并且使用大功率磁力搅拌器将其搅拌均匀，确保其不出现因填料沉降而导致的混合不均匀现象。

4)注模与抽真空：将搅拌均匀的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中连续抽真空。

5)硫化：将真空处理后的模具放置在电热鼓风干燥箱中，在150℃的温度下硫化20 min。

6)镀电极：使用北京世纪久泰公司SP-530磁控溅射仪对其表面镀银电极。

最后制得体积比分别为10%、20%、30%、40%、50%的圆形ZnO-硅橡胶复合物，它们的直径与厚度均分别为：30 mm、0.5 mm。

1.2 样品的非线性电导测试

样品电导特性测试由美国PolyK Technologies公司的PK-SPIV16高压介电击穿测试系统完成，测试前先将样品放置在真空干燥箱中干燥24 h，然后在室温条件下测得样品在0～1250 V直流电压下的电流，每50 V为一个测试电压。单个电压下测试5 min，取电流数据平均值。

1.3 结果分析

对数据进行处理之后，以电场强度与电导率对其电导特性进行表征，五种体积比的样品的实测电导特性如图1所示。可以看出在0～2.5 kV/mm场强范围内10%、20%样品基本不具备非线性电导特性，而30%、40%、50%样品具有较好的非线性电导特性，其电导率随着电场强度的提高而增大，将电导率出现突变的电场强度称为临界场强E0，一旦到达临界场强，具备这种非线性电导特性材料的电导率将获得几个数量级的增长。通过图1可以看出，虽然30%、40%、50%样品都具有非线性电导特性，但其临界场强却有差异，30%样品的E0出现在2.1 kV/mm附近，40%、50%样品的E0则分别出现在1.15 kV/mm、0.60 kV/mm左右。

图 1 非线性电导材料的电导率与电场强度关系

2 仿真模型

避雷器模型主要由ZnO电阻阀片、绝缘筒、硅橡胶复合外套、连接金具4部分组成。图2为避雷器二维轴对称模型，该型避雷器绝缘距离725 mm，爬电距离为2962 mm(阀片70 mm, 筒体直径78 mm, 硫化直径86 mm, 大伞直径76 mm, 小伞直径146 mm, 总长直径 912 mm)。材料参数见表1。用有限元法软件COMSOL建立二维轴对称模型，利用电场模块对避雷器进行仿真。为了改善避雷器两端分布极不均匀的场强，对高压端和接地端附近的硅橡胶外套用非线性电导材料进行替换，以此获得改善端部电场强度不均匀分布的效果，降低局部过高场强。

表1 材料性能参数

图 2 避雷器二维轴对称模型

依据材料特性的不同，建立4种仿真模型：模型A，绝缘外套全部为硅橡胶固定电导材料；模型B，端部硅橡胶外套替换为30%样品参数的非线性电导材料；模型C，端部硅橡胶外套替换为40%样品参数的非线性电导材料；模型D，端部硅橡胶外套替换为50%样品参数的非线性电导材料。参考线1为绝缘筒与硅橡胶交界处沿线，参考线2为硅橡胶外套沿线(不含大小伞裙，距离绝缘筒外层4 mm，且与之平行)。

3 仿真结果及分析

对上述4种仿真模型进行仿真，物理场类型为AC/DC电流模块，边界设为零电位。使用交流稳态求解器进行求解，设定110 kV交流激励电压，采用三角形网格进行自适应网格剖分。图3为全部采用硅橡胶材料时的避雷器整体场强分布图，从图中可以看出避雷器场强分布极不均匀，并且端部电场强度过大，尤其是在金具与硅橡胶外套连接处(记为R1)、金具与绝缘筒和硅橡胶外套这三部分的交界处(记为R2)。由图4所示的仿真结果，采用非线性电导材料对端部硅橡胶材料进行局部替换后，高压端的R1,R2区域的场强明显下降，未局部替换的A模型R1、R2区域的Emax分别为1.40 MV/m, 0.95 MV/m，而局部替换后B模型R1,R2区域的Emax分别为1.40 MV/m, 0.95 MV/m，C模型R1,R2区域的Emax分别为1.20 MV/m,0.82 MV/m，D模型R1,R2区域的Emax分别为1.10 MV/m, 0.75 MV/m。

图 3 A模型整体场强分布

(a)A模型的高压端场强

由于非线性电导材料中，电导率参数与空间场强大小呈现非线性的函数关系，在场强集中且过高的区域，材料电导率增加，局部分压减小。具有自适应地调控场强分布的功能，实现区域场强趋于均匀，而且能有效降低局部过高场强。

图5是4种模型的沿爬电距离的电场强度分布图。可以看出其场强分布与整个避雷器的场强分布一样，存在部分区域场强过大、分布极不均匀的情况。使用固定电导材料的A模型的高压端和接地端的最大场强Emax分别为1.21 MV/m, 1.08 MV/m，使用非线性电导材料替换后，C模型的高压端和接地端最大场强Emax分别为0.92 MV/m, 0.82 MV/m，D模型的高压端和接地端最大场强Emax分别仅为0.81 MV/m, 0.78 MV/m。避雷器两端的最大场强明显降低，较好地改善了高压端和接地端的场强分布。

(a)A模型沿爬电距离场强分布

表2分别是四种模型的不同几何位置的最大电场强度值Emax、平均电场强度值Eav、以及电场不均匀度(Emax与Eav的比值)。首先以爬电距离沿线的场强参数为例，未局部替换时A模型的最大电场强度Emax高达1.21MV/m，而其平均电场强度值Eav却仅为0.17 MV/m，其电场不均匀度已至7.12，当采用非线性电导材料进行端部替换后，C、D模型的相应数据分别降至0.92 MV/m、0.17 MV/m、5.41和0.80 MV/m、0.17 MV/m、4.76，其中Emax分别降低到未局部替换时的76%和67%。其他几何位置的最大电场强度Emax、平均电场强度Eav、以及电场不均匀度这三个参数变化趋势也与爬电距离沿线的相同。可以看出C、D模型中非线性电导材料的替换使用削弱了场强集中区域的最大场强，使端部不均匀的场强分布得到了改善，能够避免该区域长期承受场强不均匀，部分区域场强过大而带来的绝缘外套加速老化甚至被击穿的风险，提高避雷器运行使用过程中复合绝缘外套的安全可靠性。

表2 4种模型的仿真结果

4 结论

1)使用加成型液体硅橡胶为基体，ZnO压敏电阻粉体为填料，通过实验制备了具有良好非线性电导特性的复合材料。

2)在复合无间隙氧化锌避雷器场强分布不均、局部场强过大的端部区域，使用非线性电导材料替换其原有固定电导率参数的硅橡胶外套，利用非线性材料的电导率与空间场强大小的非线性函数特性，能够使绝缘材料的电导率参数与实际场强大小进行自适应调节，获得改善区域电场分布不均，降低局部过高场强的效果。

3)影响非线性电导材料均压效果的重要参数是其出现非线性工作特性的临界场强与非线性系数，并且不同非线性电导材料的临界场强与非线性系数是有差异的，其过大或过小都会影响其效果。所以应该依据不同电压等级的避雷器选择相匹配的非线性电导材料，以达到最优场强控制效果。