多重雷击下ZnO避雷器热击穿机理研究

毕洁廷

(1. 江苏电子信息职业学院，江苏 淮安223003; 2. 广西大学电气工程学院，南宁530004)

0 引言

在国标GB/T 21714.1—2015的3.7中，把多重雷击描述为：平均由3～4个雷电闪击组成，两个雷击的时间间隔约为50 ms。由电网公司实际雷电定位装置记录的多重雷击和国标中的描述有较大差异，在本研究研究工作中，主要依照实际雷电定位装置记录的多重雷击的特性。为此，现将多重雷击作如下说明：

一次雷击中包含多次放电，放电时间间隔为毫秒级的重复性雷称为多重雷击，时间间隔从几个毫秒到上百毫秒不等。毫秒级多重雷击时间间隔主要在10～200 ms之间。在两个毫秒级的多重雷击之间又包含多次微秒级的放电过程，称为多次回击。回击雷时间间隔主要在50～1 000 μs之间，有时回击雷也称之为多重雷击。本研究中，毫秒级多重雷击和微秒级回击雷统称多重雷击，也称为叠加性雷击。将雷击时间间隔超过1 s的雷击过程称为多次雷击。

在多数情况下，每一次雷击中都伴随着若干次多重雷击，据国际大电网会议(CIGRE)统计，自然界中的雷击中75%以上为多重雷击[1]。

在中国，全国范围内的平均雷击事故率已超过50%，南方地区由于雷雨较多，雷击事故率更是高达70%[2]，在这些雷击事故中，ZnO避雷器热击穿事故是不容忽视的问题。

常用的复合外套ZnO避雷器是封闭结构，其散热问题一直比较突出，尤其是气候变化导致极端气候增多，雷害越来越严重，由巨型雷和多重雷击引发的雷害所占比例越来越高，高压输配电线路上避雷器发生热击穿现象越来越多，更为严重的是，有时热击穿现象还会进一步发展为避雷器爆炸等严重后果。在此背景下，本研究研究多重雷击下ZnO避雷器的热击穿问题具有重要的现实意义。

本研究首先分析影响ZnO避雷器热击穿的各种因素。接着重点研究多重雷击下，ZnO避雷器的热击穿机理。通过FLUENT仿真[3]实验再现ZnO避雷器发生热击穿时的温度变化过程，为多重雷击的防护和新型防雷技术的研究提供重要的参考依据。

1 复合外套ZnO避雷器结构

与瓷外套式相比，复合外套ZnO避雷器体积更小，重量轻，且密封效果好不易受潮。尤其重要的是，和瓷外套式相比，它的安全性相对较高，具有一定的防爆性能，不容易破碎，因此应用更广。在以下分析中将采用110kV复合外套ZnO避雷器为例(图1)。

图1 110 kV ZnO避雷器图片Fig .1 110 kV ZnO arrester

110 kV复合外套ZnO避雷器的主要结构由以下5部分组成(图2)。

图2 复合外套ZnO避雷器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of composite insulation ZnO arrester

图2中：1为ZnO阀片电阻；2为硅橡胶外套与阀片电阻之间的间隙(高分子填充料)；3为铝金属端头；4为环氧玻璃棒；5为硅橡胶外套。ZnO阀片电阻在低电压作用下，呈现出很强的电介质特性，而在高电压作用下呈现出很强的电导体特性。

2 ZnO避雷器热击穿的强化因素

影响ZnO避雷器热击穿的因素有很多，其中起到强化作用的因素，除了环境温度之外，还包括避雷器集肤效应、时滞性、老化受潮、多次雷击后的累积效应等因素。起到减弱热击穿作用的因素包括避雷线的分流作用和ZnO阀片较高的能量吸收能力等。本研究重点关注四个强化因素对ZnO避雷器热击穿的综合影响。

2.1 ZnO避雷器的受潮老化现象

ZnO避雷器由于其良好的防雷性能，在各级电网中获得了广泛的应用，在长期的应用实践中，ZnO避雷器也会发生受潮[3-5]和老化现象[6-7]，由于硅橡胶作为绝缘材料的复合外套无法彻底隔绝水分的渗透，不仅降低绝缘水平，而且ZnO阀片电阻也很难阻止从外套渗透进来的水分子的影响，引起ZnO避雷器电位的不均匀分布，受影响的ZnO阀片率先老化，如果荷电率此时增加，ZnO阀片的负担会进一步加重，加速其老化进程。这种不正常现象如果长时间持续，就会检测到ZnO避雷器异常发热现象[8]。

复合外套ZnO避雷器，在长期持续运行电压的作用下，流过ZnO避雷器阀片电阻的泄露电流、功率损耗等随着时间的增加而上升，温度会越来越高，温度升高反过来又会使泄漏电流增大，加剧功耗增加，二者相互促进，如图3所示。

图3 ZnO避雷器的温度-泄漏(阻性)电流曲线Fig.3 Temperature-resistance current curve of ZnO arrester

在图3中，曲线1为100%荷电率曲线，曲线2为85%荷电率。可以看出，在同一荷电率下，温度越高，阻性电流越大，在阀片电阻上消耗的功率也会逐渐增加。

随着功耗和漏电流的不断发展，老化劣化现象不断加深。阀片电阻的晶粒结构也会被损坏，晶界粒子会发生迁移现象，从而会导致非线性特性发生改变[9]。当累积到一定程度，ZnO避雷器阀片电阻的热特性会出现严重不稳定现象，为热击穿热崩溃现象的发生准备了便利条件。ZnO避雷器的受潮老化现象对其温升的影响因子用λ1表示。

2.2 集肤效应冲击实验研究

在雷击过电压下，ZnO避雷器阀片电阻也会存在集肤效应现象，为ZnO避雷器发生击穿现象提供了一定程度上的便利条件。

在文献[10]中给出了集肤效应影响系数的一般表达式，如公式(1)所示。

(1)

在式(1)中，S为导体截面积，L为导体周长，f为电源频率，μ为磁导率，ρ为电阻率。

从集肤效应影响系数的表达式(1)可以看出，Kf与电流的频率f密切相关，随着频率的增大而增大。

如果ZnO避雷器阀片电阻被强雷电流击穿后，基本上变成了良导体，也存在明显的集肤效应。作者所在研究团队，曾进行了一系列不同冲击电压的ZnO避阀片的击穿实验，使用的是1.2/50 μs冲击波形，模拟雷电脉冲。本次实验所涉及的ZnO的避雷器的实验条件是U1mA≥145 kV，1.2/50 μs模拟雷电流冲击作用下的残压不大于260 kV。

实验过程中，为了更清晰的表现击穿效果，在ZnO避雷器阀片的表面覆盖一层圆形白纸片，把白纸放在两片ZnO避雷器阀片中间。经过多次高压冲击试验，发现穿过白纸片的击穿点基本上集中在白纸的外层。从而验证了雷电流在ZnO阀片电阻上的集肤效应现象，如下图4所示。

图4 两个ZnO阀片中间的纸片的击穿效果图Fig.4 Breakdown effect of the paper between two pieces of ZnO valve plates

文献[11]通过傅里叶变换的方式分析了雷电流的频谱，指出雷电流中含有较高频率的分量，雷电流的陡度越大，其中含有的高频分量越多，ZnO阀片电阻上的集肤效应现象越明显[13]。ZnO阀片电阻的集肤效应现象对避雷器热击穿起着强化作用，对避雷器温升的影响因子用λ2表示。

2.3 避雷器阀片电阻时滞性

ZnO避雷器在工作时，避雷器阀片不仅存在着集肤效应，还存在着延迟导通和延迟关断的现象，称其为避雷器阀片电阻的时滞性。参考文献[13-14]中明确指出，当阀片电阻流过大电流时，会出现导电时滞性现象，并给出了等效电路。

在阀片电阻两端的电压和流过阀片电阻的电流的波形图上，前者的波形超前于后者的波形。

由于避雷器阀片存在延迟关断现象，在遭受雷击流过雷电流之后，从理论上讲，还会流过一定的工频续流。避雷器阀片电阻的时滞性起着强化避雷器热击穿的作用，对避雷器温升的影响因子用λ3表示。

2.4 多次脉冲冲击下ZnO阀片温度变化累积效应

如引言中所述，多次冲击脉冲和本研究重点研究的多重脉冲有本质的区别，前者两次脉冲的时间间隔较长，至少间隔1秒。后者的时间间隔是毫秒级甚至是微秒级的。

参考文献[15]中描述，在统检试验过程中，出现了很多不合格ZnO避雷器产品，原因是在做动作负载实验时，ZnO避雷器在多次标称雷电流冲击后，ZnO避雷器阀片电阻发生了热击穿现象。ZnO阀片电阻在吸收了雷电流能量后，温度急剧升高，同时ZnO阀片电阻值有一定程度的下降。

ZnO阀片电阻片吸收能量的能力受其起始温度的影响比较大，吸收大小相同的能量，如果阀片电阻片的起始温度不同，产生的温升ΔT也不相同。

参考文献[16]中描述，即使在起始温度相同的情况下，ZnO阀片电阻被累积冲击的次数不同，即便注入同样的能量，其所产生的温度变化也是不同的。相同的能量，ZnO阀片电阻被冲击累积的次数越多，温度升高的幅度就越大，对应的U1mA变化率就越发明显。阀片电阻的温度越高，需要冷却恢复的时间就越长，这一系列的实验表明，冲击能量和温度对ZnO阀片电阻均具有累积效应，文献中列出了精确的数据表格。如表1所示(8/20 μs冲击波形)。

表1 ZnO阀片电阻吸收冲击能量后的温度变化Table1 Temperature change of ZnO resistor after absorbing shock energy ℃

由表1可以看出，ZnO阀片电阻温度的升高具有明显累积效应，犹如对雷击的次数具有“记忆”功能。因此,含有多次冲击能量的雷击和温度升高更容易造成ZnO避雷器发生热击穿现象，对避雷器温升的影响因子用λ4表示。

2.5 温升综合影响系数

综合以上各因素对ZnO避雷器温升的加强作用，可建立ZnO避雷器的温升综合影响系数λ=f(λ1，λ2，λ3，λ4)，λ1、λ2、λ3和λ4分别代表ZnO避雷器的老化受潮影响因子、阀片电阻集肤效应影响因子、阀片电阻时滞性影响因子和阀片电阻雷电脉冲冲击累积影响因子，即实际温升值T′=λT,T为理想条件下的温升值。经计算，ZnO避雷器的温升综合影响系数λ在1.0至1.2之间，4个影响因子对λ的影响是不断变化的。对新安装避雷器，λ取值主要受λ2和λ3的影响。在理想条件下，λ取1.0，在工程计算中λ可取1.08～1.1之间，一般取1.08。温升综合影响系数λ虽然不是特别精确值，但在工程实践应用中是合理的。在下面ZnO避雷器热击穿仿真计算中，要考虑到温升综合影响系数的影响。

3 ZnO避雷器的极限运行温度

如下图5所示，当ZnO阀片电阻吸收一定的能量后，将产生温升ΔT。

图5 ZnO避雷器发热散热示意图Fig.5 Schematic diagram of heat generation and heat dissipation of ZnO arrester

图5中，T0为环境温度，交点1为稳定运行点，发热功率和散热功率达到平衡。T1为避雷器的稳定运行温度值，它受环境温度条件和阀片电阻的性能等因素的影响比较大。不同的阀片电阻有不同的稳定运行温度值；与此相反，交点2为不稳定运行点，T2为对应的不稳定温度值，又称极限温度值。在室温环境条件下，ZnO避雷器的极限温度为200 ℃(473 K)[14]。在研究多重雷击热击穿机理时，将参照此极限温度值。

在正常工作条件下，ZnO避雷器既有吸收能量，使温度升高的趋势，又有散发热量使温度降低的趋势，所以ZnO避雷器在超过环境温度T0的某一平衡温度下运行。当温升达到一定程度，如果超过不平衡点(图5中交点2)，ZnO阀片的热平衡将受到破坏，将导致ZnO避雷器发生热击穿或热崩溃现象。

ZnO避雷器在雷电过电压的作用下，阀片电阻吸收高幅值的冲击能量之后，会引起避雷器温度骤然升高。以下将通过仿真实验再现多重雷电冲击下，ZnO避雷器的温度变化情况及发生热击穿的过程。

4 多重雷击下避雷器热击穿机理过程研究

4.1 建立仿真模型

在建立仿真模型时，尺寸大小等模拟型号为φ156 mm×15 mm的ZnO避雷器。在仿真之前，首先用画出ZnO避雷器比例单元的平面几何模型，由于ZnO避雷器的整体结构是对称结构，因此用ZnO避雷器的1/2仿真模型代替整体仿真模型，这样处理得出的结论完全是一致的。ZnO避雷器1/2仿真物理模型如下图6所示。

图6 复合外套ZnO避雷器热特性分析的物理模型Fig.6 Analyzing physical model of thermal characteristics of ZnO arrester

4.2 多重雷击下ZnO避雷器的热击穿过程

在设置内部热源时，能量来源于一次多重雷击，以t=0时刻为起始，在t=0 ms时刻遭受一次主雷击，分别在时间t=0.11 ms和t=0.16 ms时刻遭受2次回击雷袭击并在t=10.01 ms时刻遭受1次重复雷袭击，共遭受4次袭击。

选择2.6/40 μs雷电流的波形，t=0 ms时刻的主雷击和t=10.01 ms时刻重复雷的雷电流幅值选择100 kA，由于回击雷的幅值要小一些，所以2次回击雷的幅值选择50 kA。环境温度取300 K(26.85 ℃)，并考虑温升综合影响系数的影响，为此可以仿真计算出ZnO避雷器阀片的温度升高过程。

按照Ansys FLUENT仿真软件的仿真步骤可得到ZnO避雷器的温度演变图。如下列图7至图10所示。

1)在t=0 ms时刻遭受第1次主雷击之后，t=0.10 ms时刻的ZnO避雷器温度分布图(温度单位：K)。

图7 t=0.10 ms时刻的温度分布图Fig.7 Temperature distribution of ZnO arrester at t=0.10 ms

2)在t=0.11ms时刻遭受第1次回击雷之后，t=0.15 ms时刻的ZnO避雷器温度分布图。

图8 t=0.15 ms时刻的温度分布图Fig.8 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=0.15 ms

3)在t=0.16 ms时刻遭受第2次回击雷之后，t=3 ms时刻的ZnO避雷器温度分布图。

图9 t=3 ms时刻的温度分布图Fig. 9 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=3 ms

4)在t=10.01 ms时刻遭受重复雷袭击之后，t=10.5 ms时刻的ZnO避雷器温度分布图。

图10 t=10.5 ms时刻的温度分布图Fig. 10 Temperature distribution of ZnO arrester at time t=10.5 ms

不同环境温度下，通过进一步仿真，可获得在各时刻ZnO避雷器阀片柱中心区域的平均温度如下表2所示。

表2 避雷器阀片柱中心区域的平均温度Table 2 Average temperature in the center area of the arrester valve column K

在上述仿真实验中，改变避雷器线路附近遭受重复雷和回击雷袭击的时间，如重复雷从几个毫秒到上百毫秒不等，均可得到近似的ZnO避雷器的温度变化演变图和避雷器阀片柱中心区域的平均温度值。如果增加回击雷或重复雷的次数，温度值将明显增加。

4.3 仿真结果分析

通过仿真，当环境温度为300 K(26.85 ℃)时，从ZnO避雷器的温度变化演变图和表2中的平均温度可以看出，在遭受这一次多重雷击之后，在10.5 ms的时间内，其温度已经飙升到461 K(188 ℃)，虽然没有到达极限温度(200 ℃)[15]，但是已经很接近了。

如果环境温度比较高时，当达到或超过40 ℃，在遭受这一次多重雷击之后，ZnO避雷器的温度可超过ZnO避雷器运行的极限温度200 ℃，将大概率的发生避雷器的热击穿现象，影响局部电网的安全稳定运行。

5 结论

首次开展了多重雷击作用下ZnO避雷器的热击穿机理研究，提出了温升综合影响系数的概念。

1)ZnO避雷器在多重雷击作用下，容易达到甚至是超过极限温度值，避雷器存在着热击穿的风险，可能会成为输电系统的故障源。

2)本研究虽然指出了ZnO避雷器存在的不足之处，但这并不是否定避雷器的重大贡献。相反，ZnO避雷器已经并将继续发挥着重大的作用。

3)为避免ZnO避雷器热击穿，尽量选用体积和容量较大的高能阀片，并定期维护检测。

本研究的研究结论对工程实践均具有重要的参考价值，对工程实践具指导意义。