金屬氧化物避雷器失效分析

趙騰

摘 要： 針對(duì)MOA的研究，從內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面來分析其失效模式。其中，內(nèi)部因素主要針對(duì)研究的是MOA壓敏電阻失效機(jī)理，外部因素則研究的是環(huán)境條件對(duì)MOA所造成的影響。

關(guān)鍵字： MOA； 失效模式； 內(nèi)因分析； 外因分析

中圖分類號(hào)：TM206 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 內(nèi)因分析

MOA失效的內(nèi)因分析就是研究壓敏電阻的微觀失效原理。ZnO壓敏電阻的非線性保持能力與晶粒的大小和晶界結(jié)構(gòu)的均勻性有關(guān)，非線性源于晶界效應(yīng)。當(dāng)突破了失效的多個(gè)局部臨近點(diǎn)，才會(huì)有可能導(dǎo)致熱崩潰的阻值退化，以及局部熱穿孔、電穿孔乃至炸裂失效，這說明了平均功率和熱阻是影響電阻特性和壽命的兩個(gè)重要指標(biāo)。由公式可知，閥片的非線性系數(shù) 比較小時(shí)，串并聯(lián)中的各級(jí)閥片發(fā)熱分布是不平衡的。

（1）

式（1）中， 和 表示流過電流為 時(shí)換算得到的單閥片兩端電壓。從公式中可以看出，當(dāng)其非線性系數(shù)降低到一定值時(shí)，電壓分布的微小差異將導(dǎo)致電流的分布差異很大，由此說明： 某單一閥片的失效將會(huì)使得其它各閥片的發(fā)熱極為不平衡。

在電網(wǎng)中，MOA工作時(shí)經(jīng)常會(huì)受到不同程度的沖擊，如果沖擊強(qiáng)度比較小時(shí)，泄漏區(qū)域段的伏安特性會(huì)出現(xiàn)“極化”現(xiàn)象，此階段是可逆的。低電壓情況下電阻的泄漏區(qū)域無大的改變，一定條件下可以恢復(fù)。

如果沖擊強(qiáng)度過大，可能導(dǎo)致MOV的晶界層勢(shì)壘發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，一些較為薄弱的勢(shì)壘將被破壞，再次遭遇強(qiáng)電流沖擊時(shí)，MOV的保護(hù)特性將發(fā)生變化，如果更加嚴(yán)重，就處于失效狀態(tài)了。在技術(shù)規(guī)范《交流無間隙金屬氧化物避雷器》（GB11032-2010）中，規(guī)定了壓敏電壓 下降10%的電壓值（這里表示為 ）作為判斷MOA失效的臨界電壓值[1]。

除了強(qiáng)電流的沖擊作用，系統(tǒng)正常工作電壓 對(duì)MOA長(zhǎng)期的累積效應(yīng)，也會(huì)造成壓敏電阻的伏安特性發(fā)生一定程度的劣化，相對(duì)工頻電壓而言，避雷器的泄漏電流中既含有阻性分量，也含有容性分量。與容性分量相比，雖然泄漏電流中阻性分量要小很多，然而隨著MOA使用年限的不斷增加，功率損耗可能逐漸增大，也使得壓敏電阻產(chǎn)生老化甚至劣化現(xiàn)象。

另一方面，連續(xù)沖擊電流產(chǎn)生功率損耗，功率損耗的累計(jì)增加引起避雷器內(nèi)部溫升，會(huì)進(jìn)一步加速壓敏電阻的老化。在過去，評(píng)定壓敏電阻性能，往往看重通流指標(biāo)，忽略或不夠重視平均功率和熱阻這兩個(gè)參數(shù)，最終往往導(dǎo)致避雷器使用不當(dāng)，壓敏電阻的失效概率增大。

2 外因分析

MOA的狀態(tài)主要是與外部參數(shù)的配合關(guān)系決定的，若其非線性電阻特征曲線穩(wěn)定，即小時(shí)域內(nèi)，避雷器的工作狀態(tài)由電網(wǎng)參數(shù)決定；若其特征曲線從大時(shí)域來看發(fā)生變化，則是受電網(wǎng)長(zhǎng)期過電壓以及外部環(huán)境所致。下面對(duì)外部影響參數(shù)分別加以分析。

（1）瓷套污穢

MOA在較大污穢情況下運(yùn)行可能發(fā)生三種情況：即外部閃絡(luò)現(xiàn)象，內(nèi)部的局部放電，以及內(nèi)部電阻片的溫度升高。其中，放電效應(yīng)是由避雷器內(nèi)外徑向電場(chǎng)改變或分布不均勻引起的，而ZnO閥片的溫升則是由MOA外表面上的污穢層引起的非線性的暫態(tài)電壓分布所導(dǎo)致的。閥片電流密度J隨時(shí)間的變化特征與電場(chǎng)強(qiáng)度的變化密切相關(guān)[2]，當(dāng)遭遇到較大的脈沖電壓后，其響應(yīng)為：

（2）

由此可以說明，閥片周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)影響閥片的電流密度，進(jìn)而改變閥片電阻的非線性特性，而瓷套的污穢可以改變閥片周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度大小以及分布的不均勻性。

（2）受潮

經(jīng)過試驗(yàn)表明，MOA內(nèi)部受潮直接造成閥片外表壁電流增大，功耗增加，散熱增大，導(dǎo)致電阻片更易被熱擊穿或熱穿孔，加速了MOA老化過程，同時(shí)由于避雷器瓷套內(nèi)部溫度驟增，可能使得內(nèi)部壓強(qiáng)過大而發(fā)生爆炸。此外，瓷套外壁的過度潮濕將對(duì)瓷套內(nèi)間隙的電容分布造成影響，從而造成避雷器的動(dòng)作特性降低，穩(wěn)定性變差，保護(hù)動(dòng)作頻度增加，更易受到暫態(tài)過電壓危害，進(jìn)一步加速避雷器老化乃至失效[3]。

（3）強(qiáng)電流沖擊

強(qiáng)電流沖擊對(duì)避雷器的影響較大，因此雷擊次數(shù)也是避雷器在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。

（4）電網(wǎng)參數(shù)

暫態(tài)過電壓和各次諧波對(duì)無間隙MOA影響較大。無間隙MOA的拐點(diǎn)電壓（這里近似將參考電壓作為拐點(diǎn)電壓）偏低，僅為2.21～2.56倍的最大相電壓 ，而暫態(tài)過電壓可達(dá)2.5～3.5倍 [4]。

（5）機(jī)械振動(dòng)

自然災(zāi)害（如臺(tái)風(fēng)、地震等）也有可能造成避雷器的安裝損壞，從而影響避雷器的運(yùn)行。

3 結(jié)論

通過MOA內(nèi)因分析，只有突破了失效的多個(gè)局部臨近點(diǎn)，才會(huì)有可能導(dǎo)致熱崩潰的阻值退化，以及局部熱穿孔、電穿孔乃至炸裂失效，這說明了平均功率和熱阻是影響電阻特性和壽命的兩個(gè)重要指標(biāo)。通過外因分析，各項(xiàng)條件的改變，會(huì)改變MOA運(yùn)行情況下的工作特征，尤其是電容電感特性，電位分布不均勻性，系統(tǒng)性和特性表征的外因主導(dǎo)性，從而使MOA逐步失效。

參考文獻(xiàn)：

[1] GrandkeT.Interprolation algorithms for diserete four iertransforms of weighted signals.IEEETransonIM，2003，32：350-355.

[2] 楊曉東.氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)方法分析.新疆電力技術(shù)，2008，（2）：26-29.

[3] 周龍，文遠(yuǎn)芳.MOA在線檢測(cè)與診斷技術(shù)的方法分析.電瓷避雷器，2012，（2）：45-47.

[4] 嵇麗明，柯明生.氧化鋅避雷器無線帶電診斷技術(shù)的推廣與應(yīng)用.高壓電器，2013，49（11）：133-139.