10kV配电避雷器整体大电流冲击耐受特性试验分析

广西优迈科技发展有限公司 陈思敏

10kV配电避雷器是指额定电压为10kV配电系统中使用的避雷器。整体大电流冲击耐受特性试验是对该避雷器进行的一种测试，以评估其在承受高电流冲击时的性能和可靠性。在开展大电流冲击耐受特性试验期间，基于国家有关部门颁布的相关标准，开展大电流冲击耐受试验，确保耐受试验中满足4/10us电流波形要求，能够在65kA下耐受两次。

1 试验条件

1.1 试验对象

试验共计选取不同参数的避雷器数量4个，均为复合外套金属类型的避雷器，按照试验对象将其分类，分别记为A、B、C、D四类，试验产品的型号均为YH5WS1-17/50的，但产品的电阻片参数有所差别，高度、直径、质量等均有所不同，具体试验产品的参数见表1。

表1 试验对象编号及电阻片参数

不同厂家所生产的同类型的10kV氧化锌避雷器，其内部的电阻片尺寸存在一定的差异，电阻片的高度、直径、质量等相差较大，其中直径最大达到了36.8mm，最小电阻片直径为30.2mm。不同厂家所生产的电阻片性能和质量存在一定的差异，试验需要衡量避雷器电阻片不同参数对耐冲击特性所产生的影响。

1.2 试验条件

试验条件确定分为两个部分，第一个试验项目是在直流1mA参考电压试验值，第二个试验项目是在0.75倍直流参考电压下开展泄漏电流试验。在两个试验条件均满足要求的情况下，方可开展大电流冲击试验。具体试验结果见表2。

表2 试验对象性能参数

试验条件试验主要确定在测定在直流1mA条件下的参考电压数值、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流数值。最终实测结果均在标准的范围内，可以用于后续的大电流冲击试验。大电流冲击下，试验人员主要观察产品是否符合标准，且对出现损坏的试验对象进行破坏程度评价，最终分析影响10kV配网避雷器耐大电流冲击性能的因素。

1.3 试验原理

试验过程中使用冲击电流器作为冲击设备，该设备能够按照相关部门标准产生4/10us的电流波形。在试验期间连接电路和电容器等元件，避雷器与罗氏线圈连接在一起，同时在结构内安装分压器、示波器等元件，模拟避雷器在作业环境内的连接模式。

设计电路回路，利用PLC电路和电容器组合成为充电电路，并在结构中设置放电球隙和硅堆。避雷器在工作状态下，变压器向电容器充电，完成充电过程之后，球隙内产生脉冲并放电，电流会流经电阻、电感，最终形成4/10us的电流波形，使得电路结构中的变压器承受大电流冲击。试验过程中所使用的发生器支持200kV的电压，能够满足4/10us大电流冲击的试验标准。

试验过程中使用线圈测量电流波形的变化形态，分压器主要用于测试避雷器的残压数值，示波器主要用于记录避雷器的电压波形，温度数值的提取则使用红外温度测试装置。

2 试验结果分析

2.1 试验数值提取

依据上述试验条件，依次对避雷器A、避雷器B、避雷器C和避雷器D开展试验，每次经受大电流冲击后，使用测温装置测取避雷器经过电流后的温度数值，待到冷却后进行第二次试验，完成试验后观察避雷器的数值变化及外观损坏情况。在测试期间，可以生成电压、电流的波形曲线，并且根据曲线变化及相关数据，能够计算和得到最终避雷器的耐受能量情况。试验4组电阻片参数存在差异，利用进行波形和幅度的调试，确保最终试验测试结果的可比性。

避雷器耐受数值计算公式如下：Q=I×t，式中：Q是避雷器所能承受的能量（J），I是电流（A），t是冲击时间（s）。该公式表示避雷器所能承受的能量与电流和冲击时间的乘积成正比；避雷器大电流冲击下的电流峰值计算公式如下：Ip=I×√，式中：Ip是电流峰值（A），I是有效值电流（A），√表示常规倍数。该公式表示电流峰值与有效峰值电流之间的关系，电流峰值是有效值电流的倍数。

ΔΤ=R×I^2×t/C，式中：ΔT是温升（℃），R是电阻（Ω），I是电流（A），t是作用时间（s），C是热容量（J/℃）。该公式表示温升与电阻、电流、作用时间和热容量之间的关系。具体4组避雷器大电流冲击下的耐受试验结果见表3。

表3 4组避雷器大电流耐冲击试验结果数值

根据表3分析4组避雷器在大电流耐冲击试验中的电流峰值变化情况，电流峰值处于41.5kA至74.2kA之间，试验A的耐受数值最低为34.2kJ，试验D的耐受最高数值可以达到45.9kJ。在充电器电压处于稳定160kV的状态下时，避雷器的冲击阻抗呈现出差异性的特点，阻抗值与电流值之间呈现出反比例的关系。在第一次耐受试验过程中，温度的数值大都处于50℃至100℃之间，在第二次耐受试验后，温度均超过100℃。由于避雷器在作业过程中的元件具备热传导的性质，且电阻片密封在结构之中，实际温度会比测试的结果更高。在试验期间，第二次冲击试验下避雷器A出现了明显的损坏，遭受冲击后呈现出炸裂的状态，电阻片的温度高达160℃以上。

2.2 避雷器状态分析

为了衡量不同避雷器在大冲击电流下的实际状态，将避雷器的状态分为四个等级，1级状态属于正常状态，经过试验后属于正常状态的避雷器外观没有明显的损坏，且参数显示结果正常。2级及以上的状态属于破损状态，2级状态下的避雷器外观无明显的异常，但测试最终参数结果并不准确，3级状态下的避雷器出现炸裂情况，但电阻片的外观正常，4级状态下的避雷器损坏严重，且电阻片结构被破坏。

区分4组避雷器的不同等级，提取经过两次耐受冲击试验后的结果，最终试验结果表明：避雷器A属于3级状态，避雷器在大电流冲击下损坏严重，但电阻片并未出现明显的损坏。其中，避雷器B和避雷器C在试验完成后避雷器的外观并未出现明显异常，但测试最终参数结果并不准确。其中，避雷器D的外观基本良好，试验完毕后参数显示较为正常[1]。

2.3 避雷器参数变化

避雷器的参数试验主要使用1mA直流参考电压下和0.75倍直流参考电压下的数值情况，测试结果显示避雷器B和避雷器C的U1mA（参考电压），降低幅度在25%左右，而标准的U1mA（参考电压）数值应保持在25kV以上。同时，避雷器B和避雷器C0.75倍直流参考电压下的泄漏电流增加，超过了标准数值20uA，其中避雷器B的泄漏电流变化值超过了40uA。试验对象中除避雷器D之外，其他的避雷器在2次大电流冲击下均呈现出了不同程度的损坏，且避雷器B和避雷器C的泄漏电流已经超出了标准数值，无法满足避雷器使用的需要。

3 避雷器大电流冲击耐受性能影响因素分析

3.1 电阻片参数

电阻片作为避雷器中的主要保护装置，电阻片的电阻值决定了通过它的电流大小，较大的电阻值可以限制大电流通过，并在一定程度上保护避雷器内部元件不受损害。电阻片的热容量决定了其在耐受大电流作用下的温升能力，较大的热容量意味着其能够吸收更多的热量，延长其承受大电流的时间。电阻片的温度系数反映了其阻值随温度变化的程度，如果温度系数较低，电阻片在大电流冲击过程中的阻值则变化较小，更有利于稳定避雷器的性能[2]。

在此次试验过程中，除避雷器D外，其余的避雷器均出现一定程度的损坏，而电阻片的直径越大，则电阻值越大，热容量越高，对大电流的耐冲击性越强。试验中的电阻片处于34.1mm以内的避雷器，无法满足大电流冲击的试验要求，且尺寸越小，则避雷器的性能越差。避雷器D的电阻片直径超过36mm，较大直径的电阻片通常拥有更大的表面积，这有助于提高散热性能，将产生的热量更有效地散发出去，使得避雷器承受住了大电流冲击。

3.2 避雷器结构

在试验结果中，电阻片是4组避雷器耐大电流冲击性能试验的主要变量，作为避雷器中关键的耗能元件，其结构设计能够影响避雷器吸收和分散电能的能力，较大的阻片面积和长度可提供更多的表面以吸收电能，提高避雷器的耐受能力。但在试验过程中发现，直径大小、阻抗面积变化较大的情况下，各避雷器之间的耐受性能存在明显的差异，尤其是在电阻片经过大电流耐受试验的情况下，避雷器整体试验无法达到标准。因此，分析影响避雷器大电流冲击耐受性能的影响因素，避雷器的结构对在大电流冲击下的耐受性能有重要影响。

避雷器结构中的泄流电极结构会影响到避雷器的大电流耐受性能。泄流电极通过导引大电流到地，起到限制过电压的作用，优化泄流电极结构可以使电流均匀地分布在电阻片上，避免出现避雷器局部过热或损坏的情况。避雷器结构的稳固性和系统之间的接触性，能够起到降低连接电阻的作用。避雷器选择时，应确保选择合适的紧固和连接方式，实现避雷器内部元件之间和与外部系统之间的良好接触，保证避雷器通过电流分布合理，使得避雷器整体耐受能力满足要求。避雷器内部的结构设计需要考虑对大电流冲击的响应能力。技术人员通过使用合理的内部电子元件布局、电极间距调整等措施，可提高避雷器的耐受能力和抗损坏能力[3]。

3.3 额定电压和额定电流

额定电压和额定电流会影响到避雷器在1mA和0.75倍参考电压下的数值。试验后发现，该数值对避雷器泄漏电流的情况产生一定程度的影响，影响到避雷器的大电流冲击耐受性能。在避雷器参数选择过程中，较高的额定电压表示避雷器设计能够承受更高的过电压，在大电流冲击时能够提供更好的保护，使得避雷器在承受过电压时不容易击穿或破坏，具有更高的耐受性能。较高的额定电流表示避雷器可在更大的电流冲击下工作。承受更高的电流并将其分散到地下，具有更好的耐受性能。较低的额定电流表示避雷器的设计能力有限，只适用于较小的电流冲击。当接触到超过额定电流的大电流冲击时，避雷器可能无法有效分散和吸收能量，会导致避雷器损坏或失效。额定电压和额定电流是避雷器设计参数，在实际使用中应准确选择符合配网所需保护水平的额定值，必要时可适当提高避雷器的特定电压和额定电流。

综上所述，通过对多个厂家生产的氧化锌避雷器的试验分析工作，试验A避雷器整体耐大电流冲击性能较差，甚至在冲击试验阶段出现炸裂现象，试验B和试验C试验期间U1mA（参考电压）有所降低，产生大量的泄漏电流，仅有试验D在耐受试验过程中并未发生明显的变化，在配网中应用能够起到保护设备、保护电网的作用。