配网金属氧化物避雷器额定重复转移电荷特性探讨

按照IEC 60099-4:2014标准规定,配网用金属氧化物避雷器的能量吸收能力应采用8/20μs波形的雷电冲击电流进行考核,GB/T 11032—2010标准规定采用方波冲击电流进行考核。本文分别对两个系列的金属氧化物电阻片进行方波冲击电流耐受试验和8/20μs雷电冲击电流试验,记录试验前后参考电压数值、波形及残压数值,并对数值、波形进行分析、比对,证实不同系列的金属氧化物电阻片对方波冲击电流和8/20μs雷电冲击电流的响应特性不同,提出配网用避雷器应采用8/20μs雷电冲击电流进行考核,拟修订的GB/T 11032标准应参照IEC 60099-4:2014标准对相关条款进行修订。     

不同波形下冲击电流发生器的搭建

避雷器残压试验中,国标规定的雷电冲击标准波形为8/20μs及陡波冲击1/10μs,然而在实际过电压保护中,避雷器遭受的雷电冲击电流差异性很大,完全不同于标准规定的冲击电流波形,此时的残压特性将会与标称放电电流时有很大不同,通过理论分析和合理试验搭建了输出波形为15/40μs、8/20μs,4/10μs,1/4μs、幅值范围为1～20 k A冲击电流发生器,并给出了回路的基本设计参数及波形调节原则,即先确定C并将L、R调至最小,后依据波形调节L及R。结果表明:电感或电容的减小均会使波头时间变短;电阻的增大会使波头时间变短,波尾变长。搭建的冲击电流发生器均能产生满足国标要求的冲击电流波形,为研究避雷器不同的残压特性打下了基础。     

标准10/350μs雷电流波的频谱分析

标准雷电流波的频谱分析可以获得电流在不同频率范围内的振幅及能量分布,这为防雷器件和电子设备的标准波形冲击试验以及雷电防护工作提供技术参考。选取描述首次短时间雷击的10/350μs标准雷电流波进行频谱分析。结果表明雷电电流波形的振幅和能量主要集中在低频部分,振幅频谱主要集中在1MHz以下,能量主要集中在几千赫兹到几万赫兹。     

氧化锌非线性电阻片在不同冲击电流波形下的等值电路分析

为了研究快速暂态过电压对金属氧化物避雷器造成的危害,重点对氧化锌非线性电阻片在8/20μs、4/10μs、2/5μs、0.7/1.5μs等冲击电流波形下的等值电路,陡波大电流作用下的电气模型进行了分析;对MOV在陡波大电流作用下的残压波形和波头过冲现象进行了对比。认为,建立陡波下MOV的等值电路时,必须考虑MOV的动态伏安特性,另外也必须考虑到在不同波头时间的电流作用下,电流波头陡度的影响,并提出了今后重点研究的内容。     

雷电侵入波波形对避雷器放电电流的影响

无间隙金属氧化物避雷器的雷电残压特性、雷电动作负载特性是避雷器雷电保护特性的核心特征,这些特性和作用的雷电波有很大关系。利用电磁暂态分析程序EMTP—ATP建立了典型750 k V变电站雷电计算模型,依据国内外捕获的雷电波特征参数统计结果,雷电流的波头约为1μs~5μs,波长约为20μs~100μs,选取了有代表性的5种雷电侵入波波形,即1/20μs、1/100μs、2.6/50μs、5/20μs、5/100μs。研究了不同雷电侵入波对避雷器放电电流的影响。     

不同雷电侵入方式下线路避雷器放电电流分析

国标中规定避雷器标称放电电流是用来划分避雷器等级的、具有波形的雷电冲击电流峰值,它关系到避雷器选择、试验考核及运行应力。然而实际运行中,避雷器(简称MOA)放电电流与8/20μs相去甚远。本文通过搭建500kV线路避雷器模型,对不同雷电侵入方式下线路MOA的放电电流进行了仿真计算,结果表明:雷击塔顶及绕击情况下MOA放电电流波头均比8/20μs短得多;相同雷电流幅值下,雷电流波头越长,MOA放电电流波头也越长且幅值越低;相同雷电流波形下,雷电流幅值越高,MOA放电电流幅值也越高且波头越长,且安装相数及雷电波波尾对MOA放电电流影响不大。本研究对避雷器的合理试验提供了一定的依据。     

影响电站避雷器放电电流特性因素分析

避雷器的标称放电电流是用来划分避雷器等级、具有8/20μs波形的雷电冲击电流峰值。它关系到避雷器的选择和运行应力。因此揭示影响电站避雷器放电电流特性的因素,对如何合理配置避雷器有重要影响。本文从不同雷电波波形、峰值、雷击点位置、侵入路径和避雷器配置等对流过避雷器的电流波形影响的角度出发,结合典型750kV系统接线方式进行仿真计算,研究分析了影响电站避雷器放电电流特性的因素:雷电侵入波波形;避雷器配置方式;雷击点位置;线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距;杆塔冲击接地电阻。     

陡波冲击电流试验装置及残压测量分析

简要介绍了建立陡波冲击电流发生器的重要性。阐述了该试验装置的技术要求及测量要求、设计方案、波形调试及调试结果。分别对不同厂家的D3、D4、D5、D7电阻片的波头1μs、2.5μs和8μs,幅值分别为5kA、10kA、20kA、40kA冲击电流下的残压进行了测量,并对测试结果进行了分析比较。     

有关配电型避雷器用电阻片雷电冲击电流耐受能力的探讨

考虑到配电型避雷器的实际安装位置和运行情况,避雷器国际标准IEC 60099-4:2014中不再采用2 ms方波冲击电流耐受试验对配电型避雷器进行考核,而是在重复电荷转移能量耐受试验中以8/20μs雷电冲击电流波形对配电型避雷器用电阻片进行考核。简化了8/20μs雷电冲击电流峰值与其电荷量之间转换的数学推导过程。在此基础上,挑选了配电型避雷器常用的三种规格氧化锌电阻片进行了试验,研究了这三种规格的氧化锌电阻片连续雷电冲击电流试验和重复电荷转移能量试验的情况,可为即将修订的国家标准GB 11032-2010中相关内容提供参考。     

不同脉冲电流作用下氧化锌压敏电阻伏安特性分析

传统MOV(氧化锌压敏电阻)主要用于后级保护,不进行10/350 μs波形冲击测试.随着MOV通流量等性能的提升,已有部分MOV产品应用于首级高暴露区线路,此时有必要开展MOV在10/350 μs波形冲击下的性能研究.根据双肖特基势垒模型,结合离子迁移理论,首次对MOV在10/350 μs与8/20 μs冲击波形下的动态伏安特性曲线进行对比分析得出:在两种脉冲电流冲击下,动态伏安曲线都可以用一个峰值△U来校准测量值;两者的动态伏安曲线中后期都有一个先上升后缓慢回环下降的趋势,前期10/350 μs的动态伏安曲线上升速度比8/20 μs快;大电流冲击下两者的峰值电压超前峰值电流的时间同冲击电流幅值成正比.这为厂家生产用于一级低压配电侧的MOV产品提供借鉴意义.     

SPD在不同波形雷电流冲击下的极限应力研究

从实际环境中采集到的雷击波形出发，研究电涌保护器（SPD）在不同雷电流波形下的极限耐受能力，研究数据表明：SPD在不同雷电流冲击下的最大放电电流、通过电荷量与半峰值时间呈幂函数关系。通过此函数关系，可以将实际环境中采集到的电流波形对应应力转换为8/20μs波形下的测试应力，实现在SPD选型和研发测试阶段对所有波形雷电流进行防护设计。     

多片MOV并联型避雷器在10/350μs波形冲击实验过程中的性能参数变化

采用了20 kV多波形发生器、红外温枪,相关性分析等实验方法研究了多片MOV并联型避雷器在10/350μs波形冲击实验过程中的性能参数变化。实验表明:在10/350μs波形冲击破坏过程中,电荷Q和单位能量W/R存在显著的正相关性关系;10/350μs波形的冲击会导致MOV自身的阻抗发生变化,从而使多片MOV并联型避雷器中的各MOV产生温度差;用新的MOV替换损毁的MOV接入并联体可以使得避雷器重新恢复保护效能,但无法保证其使用寿命。     

杂散参数对冲击电流波形影响的数学分析

在冲击电流试验回路中,输出波形必须满足IEC标准规定的要求。已有研究表明,杂散参数对陡波冲击电流发生回路的影响尤为严重,而且避雷器等试品具有非线性U-I特性,在冲击电流发生回路的设计中必须考虑。针对此问题,首先研究了回路的剩余电感对输出波形的影响。对于波前时间小于1μs的陡波冲击电流发生器,回路需要的总电感在1μH左右,所以要尽量减小回路的剩余电感,否则会使波前时间增大,超出IEC标准要求。然后在线性回路情况下推导了考虑杂散电容时回路输出电流的表达式,进而研究杂散电容对输出波形的影响。研究表明,随着杂散电容的增大,波前时间和波尾时间增大,回路效率降低。但只要杂散电容小于0.1μF,其对冲击电流波形参数引起的误差都在IEC标准规定的误差容限之内。实际回路杂散电容以pF计,因此可以忽略不计。最后,同时考虑试品的非线性特性和杂散电容,分析了杂散电容对输出波形的影响,结论与在线性回路情况下一致。另外避雷器试品有助于提高波头陡度,这是陡波冲击试验中的有利因素。     

氧化锌避雷器用传统数轮计数型监测器下限动作灵敏度研究

金属氧化物避雷器用监测器串接于避雷器接地端,用于记录避雷器的动作次数和泄漏电流。在机械行业标准JB/T 10492-2011中规定了监测器的下限动作电流为50 A,波形为8/20μs,此项要求以动作性能试验进行性能判定,且被列入型式试验及验收试验项目。对数轮式机械计数型监测器在不同波形下的下限动作临界电流幅值及多位数字轮计数器在进位过程中最低动作电流幅值下的动作性能进行研究。结果表明:传统数轮计数型监测器下限动作灵敏度与通过监测器的波形和数轮计数器数轮位数有关,波形持续时间越长,数轮位数越少,灵敏度越高。     

新型500千伏磁吹避雷器的研究与试制(续)

<正> 三、特性综述和试验结果 9.通流能力我们用三种波形进行了通流能力试验: ① 4/10us,100kA冲击大电流试验2次。实测波形为4.94～5.08/9.25～10.88μs,幅值为93.1～94.9kA,大电流2次,试验前后工放变化分别为-5.7％,+4.6％及-2.2％。②输电线路能量释放试验按照IEC标准第4级进行。试验回路为分布常数发生器,它是由两组各10链长线并联。先进行回路的校核:接入4.7Ω校核电阻代替试品,回路充电电压(U_d)     

基于Crowbar开关的10/350μs冲击电流发生器的研究与设计

通过对传统的RLC放电回路以及基于Crowbar开关的10/350μs冲击电流发生器回路进行理论分析,并运用Simulink对两种电路分别进行了仿真模拟,得出基于Crowbar开关的10/350μs冲击电流发生器具有节省空间,成本低,能耗少等优点,并在考虑绝缘的基础上,研究并设计出了一套基于Crowbar开关的冲击电流发生器。     

避雷器加速电热老化下的响应特性研究

避雷器在运行过程中会承受多次雷电冲击影响，其过电压防护效果值得关注。选取现场已运行19年的110 kV氧化锌阀片为研究对象，在135℃条件下进行加速交流老化试验，测试了阀片热功耗曲线及其它特征参量，并基于热加速因子的阿伦纽斯模型计算了阀片剩余寿命。进一步，以特制存在不同阀片劣化程度的避雷器为研究对象，开展了多次连续的雷电冲击电流(8/20μs, 10 kA)试验，测试了多次雷电冲击电流前后能表征避雷器电气性能的特征参量以及冲击电流、电压波形。研究发现：已服役19年的阀片剩余寿命分散性明显；避雷器局部阀片的劣化将使避雷器耐受雷电冲击特性明显下降；雷电冲击试验后，若避雷器未发生击穿或击穿后阀片无明显外观缺陷，其绝缘电阻、阻性电流、交流U_1mA、直流U_1mA和残压等特征参量几乎没变化或变化不明显；若避雷器发生击穿且阀片发生炸裂或明显破损，则上述参量(除残压外)会明显下降，阻性电流明显增加。虽然残压值基本不变，但雷电冲击电流、电压波形会发生显著变化。     

10 kV配电避雷器整体大电流冲击耐受特性试验研究

配电避雷器是一种重要的过电压保护装置。4/10μs大电流冲击试验是用于检验避雷器在遭受直击雷时的可靠性,是确保避雷器安全可靠运行的重要考核指标。本文试验选取了5个厂家的避雷器进行整只4/10μs大电流冲击耐受试验,检测其在大电流冲击作用后是否失效,试验结果表明,10 kV整只避雷器4/10μs冲击大电流冲击耐受能力较差,所有厂家的试品都不满足国标GB/T 11032-2010的相关规定和要求,其中两个厂家避雷器在试验过程中发生爆裂,其余3个厂家避雷器在试验后,其U_(1mA)大幅降低,对应0.75倍U_(1mA)下的泄漏电流急剧增大。整只避雷器开展的大电流冲击耐受特性试验更能检验现场运行的避雷器的实际性能,应该加强对整只避雷器在投入运行前的大电流冲击耐受检测。     

氧化锌压敏电阻多脉冲试验与仿真

为了模拟真实雷电浪涌对氧化锌压敏电阻造成的危害,需要研究其在雷电多脉冲冲击作用下的特性。利用EMTP软件搭建8/20μs波形的多脉冲发生电路,采用IEEE压敏电阻模型进行仿真冲击,并将仿真数据与实测数据进行对比分析。发现IEEE模型较好反映了压敏电阻在雷电多脉冲冲击下的响应特性。同时利用多脉冲与单次脉冲作用下的氧化锌压敏电阻失效统计数据,根据威布尔分布拟合累积失效概率函数,计算压敏电阻冲击电流平均寿命。计算结果表明:多脉冲作用下,压敏电阻平均寿命远低于单次脉冲作用。需要进一步探究多脉冲作用下压敏电阻的失效机理。     

不同频域范围对水平接地体的雷电冲击响应特性的影响分析

雷电流可分解为不同的频率分量,目前对于雷电流各频域范围与冲击响应电压之间的对应关系还缺乏相应的研究。在CDEGS中建立土壤电阻率500Ω·m下的100 m长水平接地体模型,利用MATLAB计算研究2.6/50μs雷电流中各频域范围对100 m长水平接地体的冲击电压幅值及幅值时间的影响,研究了将雷电流通过傅里叶变换分解为一系列的离散频率,计算接地极在各频率下的响应电压,再通过傅里叶反变换合成得到雷电流冲击响应电压波形的方法。并通过与CDEGS仿真的雷电流冲击响应电压波形对比分析,证明该方法可用于计算雷电流作用下接地极的冲击响应电压。研究发现雷电流不同频域范围对接地体冲击响应电压的影响不同:0~33 333 Hz频域对冲击电压幅值起增幅作用并且增幅程度最大;66 666~360 000 Hz的频域主要影响峰值电压出现的时间;586 667~910 000 Hz频域对冲击电压幅值起削弱作用,对冲击电压幅值时间影响较小;1 080 000 Hz之后频域主要产生毛刺谐波,此外还会削弱冲击电压的幅值。