氧化锌避雷器的呼吸作用

1、避雷器受潮的主要原因是呼吸作用。据初步计算, 氧化锌避雷器内部空腔约占整个避雷器内空间的50% , 在环境温度冷热循环变化下, 内腔空气膨胀或收缩形成呼吸作用, 使原来存在的微小漏孔可能扩大, 潮气逐步侵入, 导致避雷器出现故障。特别值得注意的是, 如果运行中的避雷器内部受潮, 泄漏电流则增大, 受潮严重时出现沿氧化锌阀片柱表面和避雷器瓷套内壁表面的放电,引起避雷器爆炸。氧化锌避雷器受潮时阻性电流增加, 其特点是阻性电流的长期增加, 不会因时间的增加而减小。检测泄漏电流波形及阻性电流变化的幅度即可推断是否发生内部受潮及受潮程度。复合外套氧化锌避雷器的内部没有空腔，“呼吸”作用很小，主要是水分或

2、潮气的渗透作用，因此我们主要以浸泡试验为主，并适当考虑一些“呼吸”作用。采用“等形于”避雷器的绝缘体做试验，以能在较高的电压下测量泄漏电流，试品首先在干燥箱中保持，完成“呼”气的过程，然后立即放入室温（约）的氯化钠盐水中浸泡，完成“吸”水和渗透的过程，盐水的电阻率为，最后从盐水中取出试品冲洗净并自然凉干，后测量直流泄漏电流，试验结果如表中所示。从结果来看，其泄漏电流的变化量最大不超过，说明四种结构的密封性都优良。复合外套氧化锌避雷器内部结构与性能关系的研究西安交通大学电气绝缘研究所刘学忠焦兴六（西安） 摘要：进行了复合外套氧化锌避雷器结构与性能关系的研究，通过几种典型内部结构避雷器的电气、物理

3、机械等性能的对比试验，得到了各个结构在相关性能上的差异，并为复合外套氧化锌避雷器的优化设计提供了试验依据。 关键词：复合外套氧化锌避雷器玻璃纤维增强塑料局部放电大电流密封老化 1 引言 复合外套氧化锌避雷器问世于年代，美国、日本、俄罗斯等国已分别研制出系统用复合外套氧化锌避雷器，并有数千万只在电力系统运行。我国从开始到现在，已研制和生产电压等级的复合外套氧化锌避雷器，并以生产电压等级为主。 复合外套氧化锌避雷器与瓷外套氧化锌避雷器相比较，具有体积小、重量轻、防爆和密封性好、爬距大、耐污秽、制造工艺简单、结构紧凑等一系列优点，因而颇受用户欢迎，但也存在外套材料的老化和电蚀损的不足。目前在这一领域

4、除了研究如何提高氧化锌非线性电阻片的特性外，还研究外套绝缘材料的耐老化和电蚀损性，以及改善内绝缘结构及材料特性，以弥补有机复合材料的不足。 就我国目前大批量生产的电压等级复合外套氧化锌避雷器而言，其内外结构有十多种，而外套绝缘材料以硅橡胶为主，并有高温硫化（）、中温硫化（）、低温硫化（）和室温硫化（）之分，这样避雷器在结构和材料上的不同，表现出在整体性能上有一定的差别。 笔者首先从内部结构的不同来试验研究复合外套氧化锌避雷器的性能，以比较各个结构避雷器的特性，而对于外套绝缘材料的差别将在以后的研究中逐一报道。复合外套氧化锌避雷器的结构 复合外套氧化锌避雷器一般以下面几个主要部件组成：串联的氧化

5、锌非线性电阻片（或称阀片）组成阀芯；玻璃纤维增强热固性树脂（）构成的内绝缘和机械强度材料；热硫化硅橡胶外伞套材料；有机硅密封胶和粘合剂；内电极、外接线端子及金具。 但是，各个制造厂家却根据不同的生产和技术条件，选择不同的生产工艺和产品结构。笔者按照复合外套氧化锌避雷器的电阻片与外绝缘伞套间的内绝缘结构不同，选择我国目前有代表性的四种结构进行对比性的试验研究，以得到各个不同结构和工艺的复合外套氧化锌避雷器在电气和物理机械等性能方面的差别，这四种典型的避雷器结构如图所示。 这里分别作型、型、型和型来代表环氧玻璃丝预制管、树脂玻璃丝复合卷绕、树脂玻璃丝复合卷绕加树脂灌封、热缩塑料套加树脂灌封。除了这

6、四种外，还有热模压、高温固化环氧树脂浇注等，这里暂不研究。上述四种结构的避雷器的外伞套都可预制，这样通过高温二段硫化后，使外伞套材料达到最优的电气和物理性能，预制的伞套最后再与芯体粘合和密封。另外，上述四种结构的型和型可以在芯体内绝缘上直接模压或注射成型外伞套，但硫化温度和硫化时间都有一定的限度，否则容易造成内绝缘材料和电阻片的特性发生变化。图四种典型结构的复合外套氧化锌避雷器示意图接线端子屏蔽端盖内电极电阻片硅橡胶外套预制管粘合层弹簧热固性树脂卷绕层热缩塑料套 为了提高对比性，四种结构的试品都先制成电阻片芯体（棒），之后通过粘合剂与预制式硅橡胶外套紧密粘结，最后两端用屏蔽端盖封装成避雷器试品

7、和比例单元，其中，型芯体是将电阻片、电极及弹簧封装于环氧玻璃丝管；型芯体是将电阻片及电极用环氧浸渍的无碱玻璃丝带卷绕并加热固化；型芯体也是先将电阻片及电极用环氧浸渍的无碱玻璃丝带卷绕并加热固化，再用环氧树脂浇注并加热固化；型芯体是先将电阻片及电极用热缩塑料套固定，再用环氧树脂浇注并加热固化。电阻片的尺寸为。 另外，为了研究避雷器的内外绝缘性能，还用绝缘棒替代电阻片制成“等形于”避雷器的绝缘体试品。复合外套氧化锌避雷器的性能试验和分析 对于上述四种复合外套氧化锌避雷器的结构，其物理电气性能在哪些方面有差别？差别到底有多大？这就是笔者要研究和解决的问题。 参照复合外套氧化锌避雷器的相关标准就会发现

8、，在所有的试验项目中只有以下几个项目与上述避雷器的内部结构有关联，而其余项目与避雷器结构无关或关系很小。因此，这里只选择以下几个试验项目进行试验。大电流冲击试验 对于复合外套氧化锌避雷器所用的电阻片，其大电流冲击水平一直是我国向标准（即达到）以及国外先进水平冲击的目标，目前我国部分生产厂还不能完全满足的要求。众所周知，在进行大电流冲击试验中，由于残压高，往往沿电阻片侧面发生闪络或斜穿闪，为了解决这一问题，通过电阻片侧面绝缘保护材料的工艺改性，或加强避雷器内绝缘特性等措施可以提高避雷器大电流冲击性能。用过去广泛使用的绝缘漆侧面保护的电阻片串联制成比例单元，其直流参考电压为，每种结构的避雷器比例单

9、元三只，大电流从低向高逐级试验，每只试品按照避雷器标准的要求试验两次，试验结果如表所示。表四种避雷器比例单元的大电流冲击试验结果 试品分类 型 型 型 型试品编号 第一次试验 第二次试验 注：表中表示试验未通过 从试验结果看出，型、型和型试品都能通过两次的大电流冲击，而型未通过的大电流，说明型避雷器电阻片与环氧玻璃丝管之间存在气体间隙，其沿面闪络电压比固体绝缘材料击穿电压要低得多，因此型避雷器的大电流冲击性能比其它三种要低。局部放电 由于复合外套氧化锌避雷器的内外绝缘均为有机复合材料，而局部放电对有机绝缘材料的损害十分突出，在持续运行电压下的局部放电量反映着避雷器的制造水平，虽然标准规定倍下为

10、，但国外大部分制造厂家都规定的很小，如公司规定为不大于。为了研究上述四种结构避雷器在工频电压下的局部放电特性，本文分别用避雷器、以及用绝缘棒替代电阻片制成“等形于”避雷器的绝缘体来测量四种绝缘结构的局部放电特性。 由于试品的起始和熄灭放电电压大部分都大于，其中取为，因此，笔者通过测量各种试品在局部放电量为时的起始放电电压，来比较各种结构的局部放电特性，测量结果如表所示。 从测量结果看出，“等形于”避雷器的绝缘体的起始放电电压均高于避雷器本身，而且从局部放电波形中观测到，所有试品的放电特征都是电晕放电，说明复合外套氧化锌避雷器的局部放电起始于边缘（或尖端）的电晕放电，而不是气体间隙放电，型结构比

11、其它三种结构的起始放电电压略低，这正是由于在型结构中，内部的电极及弹簧等在气体媒介中首先产生电晕放电。由此看来，改善电阻片界面处的局部放电特性是提高避雷器整体局部放电特性的主要途径。表四种避雷器及其绝缘体的起始放电电压 试品结构分类型型型型避雷器试品编号起始放电电压平均值绝缘体试品编号A6A7B6B7C6C7D6D7起始放电电压平均值避雷器绝缘的耐压和泄漏电流为了得到复合外套氧化锌避雷器的内外绝缘的耐压特性和泄漏电流，采用上述“等形于”避雷器的绝缘体的试品进行分钟工频（干）和次标准冲击（）耐受试验，以及直流泄漏电流的测量。试验和测量的结果如表中所示，其中耐受电压值已折算为标准大气条件下的电压值

12、，泄漏电流为表中盐水浸泡前泄漏电流值。从以上结果看出，避雷器内外绝缘的工频和冲击耐受电压都超过电压等级避雷器的相关标准，完全满足避雷器的制造要求，在直流电压下的泄漏电流也远远小于避雷器电阻片对应电压下的电流值。密封和热老化关于复合外套氧化锌避雷器的密封性检验，在型式试验中是盐水沸煮后测量其泄漏电流，根据水煮前后泄漏电流的变化量来判断避雷器密封性能。但对于用树脂和玻璃丝复合卷（缠）绕作为内绝缘的避雷器，如同本文型和型结构，在一定温度下经过长时间热作用后，避雷器电阻片的非线性特性会发生变化，这样使人误认为避雷器的密封性不良。这是由于树脂固化中添加了一些类似于促进剂的材料，它在长时间的热作用下会向电

13、阻片亚表面层扩散，从而使电阻片亚表面层的非线性特性发生变化，导致避雷器的泄漏电流的增大。因此，为了避免这种混淆，将盐水沸煮试验分为盐水浸泡和短期热老化试验，以此分别检验复合外套氧化锌避雷器的密封性和短期热稳定性。 复合外套氧化锌避雷器的内部没有空腔，“呼吸”作用很小，主要是水分或潮气的渗透作用，因此我们主要以浸泡试验为主，并适当考虑一些“呼吸”作用。采用“等形于”避雷器的绝缘体做试验，以能在较高的电压下测量泄漏电流，试品首先在干燥箱中保持，完成“呼”气的过程，然后立即放入室温（约）的氯化钠盐水中浸泡，完成“吸”水和渗透的过程，盐水的电阻率为，最后从盐水中取出试品冲洗净并自然凉干，后测量直流泄漏

14、电流，试验结果如表中所示。从结果来看，其泄漏电流的变化量最大不超过，说明四种结构的密封性都优良。 为了测量在热作用下，复合外套氧化锌避雷器电阻片的非线性特性的变化，以及避雷器绝缘体的短期热稳定性，分别在避雷器和绝缘体试品上进行干燥箱短期热老化试验，每累计老化后取出试品在室温下测量直流泄漏电流，试验电压分别取为直流和，试验结果如表所示。 测量结果表明，在热老化后，型和型避雷器的直流泄漏电流变化量为，而型和型避雷器的直流泄漏电流变化量仅约，由此看来对于用树脂与玻璃纤维直接在电阻片上复合卷绕的避雷器，在制造和试验中不能不考虑长时间温度作用对其泄漏电流的影响。表四种避雷器及其绝缘体不同热老化时间的直流

15、泄漏电流 试品结构分类型型型型避雷器（）试品编号绝缘体（）试品编号热机和弯曲性能 为了考察上述四种结构避雷器的热机和弯曲性能，分别进行了冷热循环试验和弯曲耐受试验。避雷器和温度下参照标准进行冷热循环，施加的弯曲负载为。试验后先测量工频电压下局部放电量，然后继续进行的弯曲耐受试验，之后再测量局部放电量，最后解剖检查。 四种试品都在试验中未发生脱落等现象，局部放电量测量结果如表所示，在最后解剖检查中发现，型的两只试品都在下电极处有约长的裂痕，说明用热缩塑料代替玻璃纤维复合材料作内绝缘材料在热机和机械性能上比较差。另外从局部放电量的测量结果看出，试验前后变化不大，都能满足制造要求，其中型的变化量相对

16、较大。表四种避雷器在热机和弯曲试验前后的局部放电量 试品结构分类 型 型 型 型试品编号 试验前 热机试验后 弯曲试验后 结论（）避雷器电阻片的侧面用固体绝缘材料填充可显著提高避雷器的大电流通流能力，并能改善避雷器的局部放电特性。（）在长时间热作用下，电阻片侧面的固体填充材料对避雷器的非线性特性有一定的影响，内绝缘材料的选择需要优化。（）研究的几种典型结构避雷器都具有优良的绝缘和密封性能。（）避雷器用树脂玻璃纤维复合材料作内绝缘，表现出优良的热机和弯曲特性。10 kV避雷器故障分析 【摘要】10kV供电网络在雷电高温情况下,氧化锌避雷器常出现击穿故障,直接影响着供电线路的安全运行。为提高电网的

17、供电可靠性，对某地方供电局2010年避雷器故障情况进行统计，并对其中的典型故障进行分析，基本掌握了氧化锌避雷器的故障分析，提出了防侧面闪络能力不足及阀片能量耐受能力较低是导致避雷器故障的主要原因，并从设备订货技术要求和运行维护等角度提出措施。【关键词】供电可靠性；避雷器；故障分析；侧面闪络；能量耐受能力0.引言避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，除了限制雷击过电压外，有的还能限制一部分操作过电压。当前，在10kV的配电网中，配电用避雷器的使用频繁而大量，以防止因为

18、配电设备在雷电过电压下发生损坏。在实际运行中，避雷器因质量原因或者运行维护不到位，从而导致一些避雷器发生击穿故障。避雷器被击穿后，10kV线路通过避雷器发生接地，此时，必须停电才能处理或者隔离故障，故在一定程度上降低了供电可靠性。本文通过对某地方供电局2010年10kV避雷器的故障情况进行了分析，并提出了相应的反事故措施。1.避雷器故障原因分析2010年，广东某地方供电局一共发生38例10kV配网避雷器故障。其中侧面闪络为33例，比例为86.8%；阀片爆炸(破碎)5例，占13.2%。典型故障分析如下。表110kV配电网避雷器故障情况2.阀片侧面闪络故障例1：2010-7-25，雷雨天气，一条1

19、0kV线路发生接地故障，在巡查线路的时候，发现了一个避雷器被击穿，在更换故障避雷器以后，线路恢复送电成功。事后，对此故障避雷器进行解体，发现其中硅橡胶外套破裂，沿避雷器阀片侧面有明显电弧通道的痕迹（图1），但未见阀片有破裂或破碎情况。由于所有的阀片(共4片)均未出现破碎的现象，可以说明此避雷器的阀片并未劣化。因为若其劣化，并导致避雷器被击穿的，则故障应表现为阀片爆炸而不仅公是侧面闪络。本例避雷器阀片与绝缘筒间存在气隙，而空腔的呼吸作用导致潮气入侵，潮气聚集于阀片侧面而使侧面绝缘强度下降，在过电压作用下，沿阀片侧面发生闪络后形成电弧通道。避雷器受潮的主要原因是呼吸作用。据初步计算, 氧化锌避雷器

20、内部空腔约占整个避雷器内空间的50% , 在环境温度冷热循环变化下, 内腔空气膨胀或收缩形成呼吸作用, 使原来存在的微小漏孔可能扩大, 潮气逐步侵入, 导致避雷器出现故障。特别值得注意的是, 如果运行中的避雷器内部受潮, 泄漏电流则增大, 受潮严重时出现沿氧化锌阀片柱表面和避雷器瓷套内壁表面的放电,引起避雷器爆炸。氧化锌避雷器受潮时阻性电流增加, 其特点是阻性电流的长期增加, 不会因时间的增加而减小。检测泄漏电流波形及阻性电流变化的幅度即可推断是否发生内部受潮及受潮程度。图1 阀片发生侧面闪络( 沿阀片表面有明显的电弧通道)例2：2010-08-17，一起避雷器击穿故障，对击穿的避雷器解体，未

21、发现其内部金属件锈蚀，未发现阀片内部及其喷铝面放电，仅在阀片侧面发现电弧通道。侧面闪络原因为：厂家为消除避雷器阀片与外绝缘筒间的空腔，采用注胶来填充。注胶温度较高，约200oC，因绝缘釉与阀片的热膨胀系数相差较大，高温注胶可能导致绝缘釉中产生微裂纹，造成其绝缘强度下降1，在过电压下发生闪络。正常情况下, 内部阀片与外部瓷套之间的径向电位差较小。当氧化锌避雷器外部瓷套受到污秽及潮气作用时, 外部瓷套上的电位分布发生变化, 特别是在避雷器上或下部存在干区时, 电位分布将更不均匀, 内部阀片与外部瓷套间会存在较大的径向电位差, 产生脉冲电流。如果电流很大, 会使阀片在电流聚集的地方温升过高被烧熔,

22、损坏阀片, 导致整个避雷器破坏。这种情况对避雷器危害很大,须及时处理, 以保证避雷器的安全运行。如图3 所示, 当出现内部阀片与外部瓷套间的径向放电、产生脉冲电流现象时, 阻性电流上会有脉冲电流尖峰出现。这种现象可以作为出现径向局部放电的1个判据。图2 阀片表面的电弧通道图3 阻性电流波形以上2例对阀片侧面闪络故障进行分析，结合其它故障安全，认为阀片发生侧面闪络的主要原因是密封不良导致湿气入侵、阀片侧面的绝缘釉受损或阀片与外侧绝缘间的界面不良等而导致侧面绝缘强度低。3.阀片破碎故障2010-06-05，某10kV线路发生单相接地故障。巡查线路的时候，发现其中1个避雷器爆裂，在更换成功以后，线路

23、恢复送电成功。解体故障避雷器，发现其硅橡胶外套破裂，阀片中有2片裂开、2片破碎，但未见侧阀痕迹。根据故障表象及阀片在不同电流下的破坏特性，分析阀片损坏原因：避雷器遭受到雷电过电压作用而使阀片中流过雷电流，雷电流是冲击电流波，故阀片中的电流密度很大。而冲击电流在阀片中不是均匀分布的，当局部阀片的雷电冲击电流密度超过其允许极限值，阀片就会遭破坏。因雷电流能量不大，一般不会造成阀片破碎、爆炸，只会发生阀片破裂。阀片破碎原因：避雷器由4片阀片组成，正常情况下4片阀片共同承担系统电压。当其中两片破裂劣化，则系统电压全加在其余2片上，从而加速其劣化，最终导致阀片在工频电压下破坏，因工频电源能量大，阀片破坏

24、表现为破碎或爆炸。或者可以理解为避雷器的热破坏现象。氧化锌避雷器的热破坏是由于雷电或其它暂态过电压能量的注入, 使避雷器瞬时的发热大于其散热能力, 或由于受潮等引起氧化锌 阀片的阻性电流增加导致热破坏。在瓷套氧化锌避雷器内部, 气隙的体积约占内部体积的50% , 当避雷器在大幅值或多重雷冲击作用时, 由于气隙的导热性能差, 不能及时将吸收的冲击能量散出去, 容易引起阀片的劣化或热破坏。阀片由于吸收暂态能量或阻性电流增加而引起阀片温度升高时, 在相同的荷电率作用下导致避雷器的功率损耗增加。如图5 所示, 避雷器对应温度Ta , Tb 和Tc 的功率损耗曲线分布为Pa , Pb 和Pc 。在较小温

25、度Ta时, 功耗曲线Pa 与避雷器外套的散热曲线Q有2个交点, 二者间包围的面积较大, 表明有较大的热稳定性能; 温度增加到Tb ,对应的功耗曲线Pb与Q包围的面积减小, 热稳定能力降低; 当温度升高到Tc 时, 所对应的功耗曲线POC与Q 间没有交点, 表明避雷器出现热破坏现象。图4 阀片破坏情况图5 避雷器的热平衡图根据现行避雷器国家标准，避雷器应能耐受2次65kA(或40kA)的雷电流冲击。而kV系统中避雷器不可能流过超过65kA(40kA)的雷电流2。输电线路遭受雷击事故的类型分为三类：一是输电线路受雷击时沿线路向变电所入侵的雷电波；二是雷击输电线路附近地面的感应雷；三是雷直击变电所内线路和设备的直击雷。雷电波与感应雷的陡度大、幅值高，危害严重，不采用防雷措施很容易造成设备绝缘击穿。65kA(或40kA)的雷电流远远超过10kV线路耐雷水平，故沿线路袭来的雷电波不可能超过65kA(或40kA)；若是雷直击杆塔，雷电流可能超过65kA(或40kA)，此值远远超过10kV杆塔反击耐雷水平，会使线路多相闪络，发生相间短路速断跳闸，而本例故障只是线路单相接地，并没速断跳闸，故雷电直击产生的雷电流不可能超过65kA(或40kA) 3。可见避雷器故障原因是：避雷器阀片受雷电冲击能力较差