交流线路用金属氧化物避雷器的伏安温度特性研究

周啸宇， 周路遥， 李 特， 李晓波， 魏仲镔， 郭 洁

(1. 国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007; 2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州，310014;3. 浙江金凤凰电力科技有限公司，浙江 绍兴 312000; 4. 浙江科成电气有限公司，浙江 绍兴 312000;5. 西安交通大学，陕西 西安 710000)

0 引 言

架空输电线路覆盖面广，穿越的气象、地理环境复杂多样，同时线路杆塔较高且经过之处以旷野和山区、沟涧为主，遭受雷击的概率较大[1]。雷电流具有高幅值、宽频谱及高瞬时功率等特性，发生时往往伴随着热效应、冲击效应、机械效应、化学效应和电气效应等，因此较为可靠的线路雷电防护始终是重点环节[2-3]。

金属氧化物避雷器（MOA）作为输电线路的主要防雷保护设备，主要由非线性金属氧化物电阻片（MOV）串联和（或）并联组成，其运行中的电气性能优劣将直接影响到被保护设备的安全[4]。MOA是交流线路限制各种高幅值过电压和释放雷电流的重要高压电气设备，研究表明MOA在长期运行中存在以下问题[5-7]：1）MOA密封不良；2）电阻片多次承受动作负荷劣化；3）MOA外套严重污染；4）交流系统谐波影响。同时，研究表明运行中交流线路MOA 的故障原因包括[8-10]：1）内部受潮；2）MOV局部老化；3）环境污秽；4）雷电冲击能量密度超过MOV临界值；5）MOA选型不当。在多重雷击作用下，当MOV吸收多次雷击过电压能量后，会产生不同程度的温升，故需研究MOV在经受多次冲击电压后的伏安特性[11-12]。

由于MOA的伏安特性为温度、电压幅值、波形等多项因素的函数，本文依据交流线路实际运行工况分区段研究不同温度下MOV的伏安特性，涵盖小电流区段，以及不同波前时间、电流类型的冲击电流区段，包括 30/60 µs操作波、8/20 µs标准雷电冲击波、4/10 µs大电流冲击波、1/5 µs陡波作用下的温升特性、能量吸收特性，研究结果可为MOA的仿真建模提供参考，有助于MOA运行的状态检测及故障诊断。

1 试验平台

1.1 直流试验平台

依据线路MOA在持续运行电压下的工作区段，确定直流小电流区的范围为10 µA～ 10 mA，相应的试品残压均在10 kV以内，因此选取变压器最大输出电压为 20 kV，最大输出电流为 400 mA，容量为5 kVA。同时选用输入电压有效值220 V，输出电压有效值0～ 250 V的调压器，利用硅堆进行整流，并且在回路内设置水电阻作为保护电阻。

由于半波整流会产生较大的脉动，为了保证直流电压的质量满足国标要求，必须满足直流脉动不超过±3%的条件。试品额定直流平均电压为Ud，额定直流平均电流为Id，直流电压脉动系数S的计算公式如下：

电容参数的选取由下式计算决定：

由于交流 MOA电阻片试品U1 mA约为 4～ 5 kV，实验回路最大电流 Id不超过10 mA，通过式（1）～ （2），选用电容值为 1 µF、耐受电压 20 kV 的电容符合实验要求。具体回路如图1所示。

图1 直流小电流特性测量回路

其中，R1为保护电阻，用于限制试品回路短路电流，其参数为100 kΩ；R2为取样电阻，其阻值随温度及电压变化极小，其参数为2 kΩ；C为整流电容，其参数为1 µF；D为整流硅堆；T为变压器。为了保护示波器，采用隔离变压器与试验回路电源隔离，防止试验时回路地电位抬升对示波器产生危害。

1.2 冲击试验平台

考虑到MOA在运行中可能遭受的操作冲击、雷电冲击过电压作用，研究中涉及到的冲击电流波形包括 30/60 µs操作波冲击电流波（500 A～ 2 kA）；8/20 µs标准雷电冲击电流（2～ 20 kA）；4/10 µs大电流冲击电流波（2～ 100 kA）；1/5 µs陡波冲击电流波（2～ 20 kA）。冲击电流试验回路如图2所示，其中冲击电流发生器主要由高压充电回路和电容放电回路构成，包括高压电容C、球隙G、放电电阻R和放电电感L、试品MOV、罗氏线圈S、整流硅堆Di、变压器Tr、保护电阻r。其工作原理为先对高压电容C充电到一定高压，然后控制隔离球隙G放电，使充电的电容能量通过电阻R和电感L放电到试品MOV上。通过调整放电回路的参数，可以得到不同的冲击电流波形。

图2 冲击电流试验回路

针对典型500 kV交流线路MOV规格、参数，并考虑到MOV生产过程不可避免存在分散性，每组试验试品均取3片相同规格的MOV，且选取的每种规格试品的直流参考电压U1 mA和初始残压尽可能相同，以保证MOV的伏安特性曲线具有较好的一致性。试验结果取同规格的3片电阻片测量数据均值，选取交流线路MOV试品的规格：直径为71 mm、高度为22.5 mm。试验过程中，通过热电偶测量冲击产生的温升，即将热电偶贴于MOV的侧面，并放入绝热桶中。由于MOV侧面釉的绝缘作用，且传热效果较好，可实时反映MOV的温度。

2 不同区段的伏安温度特性

在实际运行中，MOA在暂态电流冲击下会动作吸收能量，并呈现明显的温升，进而对后续暂态冲击下的伏安特性产生影响。由于MOV的非线性，MOV的伏安特性为温度、电压幅值、波形等多因素影响的函数。因此，根据交流MOV实际运行工况分区段研究不同温度下的伏安特性[13]。通常使用电压-温度曲线和电压-温度系数来描述特性曲线受温度影响的大小，定义电压-温度梯度为单位温升引起的电压变化量，电压-温度系数为单位温升引起的电压变化百分数。

2.1 小电流区

在小电流区段通常采用直流试验电压，依次测取不同温度下位于 10 µA、100 µA、500 µA、1 mA、5 mA、10 mA电流节点上MOV的电压。温度范围取–10～ 120 ℃，具体为–10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃、120 ℃。通过直流试验平台将套管同置于烘箱内的试品连接，将试品加热到指定的温度后，测量得到交流MOV小电流区段不同温度下的伏安特性曲线如图3所示。

图3 小电流区的伏安温度特性

由图3（a）可以看出，交流MOV的转折电压在1 mA处，且当MOV的电流小于1 mA时，MOV的伏安特性曲线接近线性；当MOV的电流高于1 mA时，MOV上的电压开始向非线性转变。对试验数据进行处理，得到如图3（b）所示的电压-温度特性曲线，图中各条曲线分别与10 µA～ 10 mA电流相对应。对图3（b）中的每条曲线进行线性拟合，得到如表1所示的电压-温度系数。电压温度系数α是指同一幅值电流通过时，MOV上电压与温度的变化关系，可用下式表示，式中U1、U2分别对应温度T1、T2下的MOV电压。

表1 交流MOV小电流区电压-温度系数

由图3（b）所示，伏安曲线也呈现明显的负温度系数。在相同电流下，温度越高，MOV上的电压越低，也即MOV呈现负温度系数。在相同温度范围内，MOV的电流越小，MOV上的电压下降越快，也即负温度系数越大。MOA正常运行情况下，泄漏电流很小，由温度的伏安特性曲线可以看出，随着温度的升高，MOA的泄漏电流将会增大，会加快MOA的老化，这将影响MOA的运行寿命。转折电压U1 mA随着温度的升高而降低，这有可能造成无间隙MOA的误动作。

取20 ℃一个间隔，计算每个间隔内的电压温度系数，如表1所示。在相同电流下，随着温度的升高，每个间隔内的电压温度系数绝对值相应升高。在同一个温度间隔内，随着电流的升高，电压温度系数绝对值逐渐减小，随温度的升高温度系数零值点对应的电流逐渐增大。由表可知，在90～ 120 ℃内，电阻片的负温度系数绝对值最大。

2.2 操作区

依据 GB 11032—2010要求，在操作冲击区段采用30/60 µs操作波，即通过冲击交流MOV产生不同的温升，温度范围为30～ 120 ℃，每隔20 ℃一个区间。依次测取 250 A、350 A、500 A、600 A、750 A、1000 A、1500 A、2000 A 电流节点的电压，对试验测得数据用U=AIα（0<α<1）进行拟合，可得到MOV在多个温度下的伏安特性曲线，如图4（a）所示。同样得到如图4（b）所示的电压-温度曲线，以及如表2所示的电压-温度系数表。

表2 交流MOV操作区（30/60 µs）电压-温度系数

图4 操作区的伏安温度特性

由图4（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲线在操作区呈现的温度特性由负转正，过渡点在600 A左右，即当电流小于600 A时呈现负温度特性，当电流大于600 A时呈现正温度特性。温度系数存在由负数过渡到正数的过程，且温度系数的绝对值都很小，最大温度系数绝对值为0.0519%/℃。

2.3 雷电区

依据GB 11032—2010要求，在雷电冲击段采用波形为8/20 µs的冲击电流，通过冲击交流MOV产生不同的温升，温度范围为30～ 120 ℃，每隔20 ℃一个区间。依次测取 5，10，15，20 kA电流节点的电压，对试验测得数据用U=AIα进行拟合，可得如图5（a）所示的MOV在雷电区段的伏安特性曲线。

同样得到如图5（b）所示的电压-温度曲线，以及如表3所示的电压-温度系数表。由图5（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲线总体呈现正的温度特性。电压-温度系数呈现正的温度系数，且温度系数的绝对值都很小，最大为0.0259%/℃。

表3 交流MOV雷电区（8/20 µs）电压-温度系数

图5 雷电区的伏安温度特性

2.4 陡波区

依据 GB 11032—2010要求，在陡波冲击段采用波形为1/5 µs的冲击电流，通过冲击交流MOV产生不同的温升，温度范围为20～ 70 ℃，每隔10 ℃一个区间。依次测取 5，10，15，20 kA 电流节点的电压，对试验测得数据用U=AIα进行拟合，可得到如图6所示的MOV在多个温度下的伏安特性曲线。

同样得到如图6（b）所示的电压-温度曲线，以及如表4所示的电压-温度系数表。由图6（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲线总体呈现正的温度特性。电压-温度系数呈现正的温度系数，且温度系数的绝对值都很小，最大为0.065%/℃。

表4 交流MOV陡波区（1/5 µs）电压-温度系数

图6 陡波区的伏安温度特性

2.5 大电流区

依据GB 11032—2010要求，在大电流冲击段采用波形为4/10 µs的冲击电流，通过冲击交流MOV产生不同的温升，温度范围为30～ 120 ℃，每隔 20 ℃ 一个区间。依次测取 5 kA、10 kA、15 kA、20 kA、40 kA、60 kA 电流节点的电压，对试验测得数据用U=AIα进行拟合，可得到如图7所示的交流MOV在多个温度下的伏安特性曲线。

同样得到如图7（b）所示的电压-温度曲线，以及如表5所示的电压-温度系数表。由图7（b）可以看出，交流MOV的伏安特性曲线总体呈现正的温度特性。电压-温度系数呈现正的温度系数，且温度系数的绝对值都很小，最大为0.0409%/℃。

表5 交流MOV大电流区（4/10 µs）电压-温度系数

图7 大电流区的伏安温度特性

3 MOV能量温升特性

MOV短期内吸收过电压大能量时，会发热产生温升现象。温度升高是电阻片吸收能量后的直观表现形式，当温度足够高时，会导致材料特性变化甚至烧坏[14]。冲击电流作用下MOA吸收能量的过程在较短时间内完成，热传递作用尚来不及发展，因此可认为是绝热温升过程。根据国内外雷电观测表明，70%的地面落雷为多重雷击[15]，且多重雷击间隔时间比较短，在此过程中多次雷击MOA动作所累积的能量致使MOA本体温度不断升高，可能会使MOA发生损坏。同时由于雷电频率比较高，MOV在高频下会有明显的集肤效应，会在MOV内部出现分布极为不均匀的热应力，MOV便会因局部能量密度超过固有极限负荷而损坏。

3.1 相同波形多次冲击

对交流MOV各区段的能量温升进行分析，采用幅值大小为 4 kA 的操作区（30/60 µs）、20 kA 的雷电区（8/20 µs）、19 kA 的陡波区（1/5 µs）、80.68 kA的大电流区（4/10 µs）波形进行冲击试验，每组试验连续进行4次，冲击间隔为试验回路必需的充电时间（约 30 s），试品质量m=489.6 g，初始温度 17 ℃，试验结果如表6所示。表中的能量参数根据冲击下电压与电流波形积分得到，能量计算如下式所示：

表6 交流MOV各区段能量温升特性

由于试验过程中绝热筒难以做到完全绝热，且MOV起始温度越高，绝热筒散热越明显，因此会对后续冲击产生的温升有所影响。由前述研究可知，操作冲击下残压温度系数很小，因此每次冲击注入的能量相近，试验表明每次同能量注入时产生的温升相近。

3.2 不同波形冲击比较

对MOV注入能量近似相等但波形不同的冲击电流，测试不同波形冲击引起的温升。其中，交流MOV 质量m=495 g，注入的能量均值大约为 620 J，试验结果如表7所示。

表7 交流MOV不同波形能量温升特性

试验表明，交流MOV在不同波形冲击下吸收同等能量产生的温升近似相等，即比热近似相等，表明波形对平均温升影响不大。

4 结束语

本文对交流500 kV输电线路MOA不同电流区段的伏安曲线温度特性进行了试验研究，研究了交流MOV在各区段不同温度下的伏安特性变化及能量温升特性，得到结论如下：

1）交流MOV在小电流区段呈现明显的负电压温度系数，且电流值越小，负温度系数绝对值越大；在操作区段（30/60 µs）、雷电区段（8/20 µs）、陡波区段（1/5 µs）和大电流区段（4/10 µs），交流 MOV 的伏安曲线受环境温度影响均不大，高电场区温度系数不明显。

2）多重雷击作用下，交流MOV在操作区段温度系数有一个由负数过渡到正数的过程，且温度系数的绝对值都很小，最大为0.0519%/℃；MOV在雷电区（8/20 µs）呈现微弱的正温度系数，最大温度系数为 0.0259%/℃；MOV 在陡波区（1/5 µs）呈现微弱的正温度系数，最大温度系数为0.065%/℃；MOV在大电流区（4/10 µs）呈现微弱的正温度系数，最大温度系数为 0.0409%/℃。

3）多重雷击由于间隔时间短，考虑绝热过程和前次雷击注入能量对MOA的伏安特性的影响，后续多重雷击MOA不同波形冲击下的吸收能量相近，每次吸收能量后产生的温升也相近，MOA须具备足够的固有能量吸收能力。