110 kV交流避雷器整支大電流沖擊耐受能力研究

王陸璐,吳成成,陳 立,萬 克,左中秋

(中國電力科學研究院有限公司,武漢 430074)

0 引言

為響應國家電力能源發(fā)展戰(zhàn)略目標,國網(wǎng)各機構(gòu)對于供電安全可靠性提出了更高的要求。避雷器作為電力系統(tǒng)絕緣配合的基礎,其性能直接關系到線路和設備的安全可靠運行。在實際工程以及國網(wǎng)、南網(wǎng)到貨檢驗中,已經(jīng)多次發(fā)現(xiàn)通過型式試驗、抽檢試驗的避雷器并不能通過整支避雷器的大電流沖擊耐受試驗。整支避雷器耐受大電流沖擊失效后一般出現(xiàn)炸裂、鼓包或嚴重的電氣性能劣化,嚴重降低輸電線路安全運行的可靠性,尤其在地閃密度較大的區(qū)域,線路繞擊雷更為頻發(fā),避雷器的可靠動作是線路穩(wěn)定運行的重要保障。

研究發(fā)現(xiàn)除按照標準化設計的配網(wǎng)避雷器外,常規(guī)設計的配網(wǎng)避雷器耐受大電流性能較差,尤其是10 kV整支避雷器連續(xù)耐受兩次65 kA大電流沖擊的通過率很低。其主要原因可能是普通配網(wǎng)避雷器價格過低,導致企業(yè)簡化實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu),忽視工藝控制,用劣質(zhì)材料替代應有材料。但目前的抽檢中僅對電阻片進行大電流沖擊試驗是無法發(fā)現(xiàn)這一問題的[1-7]。國網(wǎng)公司標準化設計推行的10 kV避雷器要求能夠耐受100 kA大電流沖擊,目的也在于提升10 kV等級避雷器的大電流沖擊耐受性能[8-10]。

然而,由于試驗設備能力原因,對于整支避雷器大電流沖擊耐受性能的研究主要在配網(wǎng),110 kV(66 kV)等級避雷器的大電流沖擊耐受試驗研究還未見報道,對于110 kV等級整支避雷器的大電流沖擊耐受性能還需要深入詳細的研究。此外,現(xiàn)行的無間隙避雷器標準GB/T 11032-2020和帶間隙避雷器標準GB/T 32520-2016、DL/T 815-2021中對于大電流沖擊耐受試驗的判定規(guī)則不完全一致,帶間隙避雷器標準的判定要求嚴于無間隙避雷器標準要求,其中增加了參考電壓變化率范圍±10%,并將殘壓變化范圍由±5%縮小到-2%～+5%。實際上,無論避雷器是否帶間隙,大電流沖擊耐受試驗考核的是避雷器本體性能而非間隙,因此有必要討論分析得出統(tǒng)一的避雷器大電流沖擊耐受試驗判定規(guī)則[10-18]。

為了明確110 kV(66 kV)等級交流避雷器的4/10 μs大電流沖擊耐受能力,研究影響整支避雷器大電流沖擊耐受性能的主要因素;同時對比現(xiàn)行標準中大電流沖擊耐受試驗的判定規(guī)則,并給出優(yōu)化建議,切實提升避雷器到貨抽檢中大電流沖擊試驗的考核效果,促進避雷器產(chǎn)品質(zhì)量提升[19-29]。本研究以110 kV(66 kV)交流系統(tǒng)及線路用瓷外套、復合外套“管型設計”和復合外套“纏繞型設計”避雷器為研究對象,采用試驗手段研究其核心元件電阻片及整支避雷器的大電流沖擊耐受能力,對比兩者性能的等價性;對比不同結(jié)構(gòu)的避雷器耐受大電流沖擊的能力,分析影響其大電流沖擊耐受性能的因素,從而優(yōu)化避雷器的試驗標準,為電網(wǎng)用戶選擇性能優(yōu)良的避雷器提供技術支撐。

1 試驗標準判定規(guī)則比對

現(xiàn)行無間隙、帶間隙避雷器國標、電力行標中的大電流沖擊耐受試驗方法基本相同,但試驗樣品和判定依據(jù)不完全相同。GB/T 11032、GB/T 32520-2016、DL/T 815標準規(guī)定的大電流沖擊波形、幅值和次數(shù)相同,判定依據(jù)的差異對比見表1。

表1 大電流沖擊耐受試驗各標準要求比較

由表1可見,五版標準中對110 kV等級避雷器的大電流沖擊耐受試驗的沖擊次數(shù)、電流幅值的要求一致,而試品類型和試驗評價要求有所不同。

GB/T 11032-2020標準中規(guī)定,大電流試驗試品可以是介電特性比例單元、電阻片或整支避雷器。調(diào)研發(fā)現(xiàn),受試驗條件限制,目前型式試驗、到貨抽檢試驗中并未在整支避雷器上完成大電流沖擊耐受試驗,而是在介電特性比例單元或電阻片上進行。標準規(guī)定介電特性比例單元要能夠完全還原整支避雷器材料的介電特性,其截面尺寸、材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)應與避雷器一致,包括電阻片、外套和支撐結(jié)構(gòu)等。介電特性比例單元在截面尺寸、材料等方面應是避雷器的復制,其應包含機械支撐結(jié)構(gòu),以及在避雷器中分布安裝的部件(如支撐件和墊片),電阻片芯體周圍應有與避雷器內(nèi)部相同的介質(zhì)。避雷器制造商在制備這種介電特性比例單元樣品時往往存在困惑,或制作不規(guī)范,不滿足標準要求。而直接使用電阻片作為試品可能存在嚴重的等價性偏差。因此對于制造商來說,保證大電流試品性能與整支避雷器性能等價的前提是正確的制備介電特性比例單元。其他標準中要求的比例單元試品在性能上也應與介電特性比例單元要求一致,但實際上往往較難實現(xiàn)。制造商僅在型式試驗時開模具制作,而在后續(xù)抽檢試驗中則難以抽取到適用的比例單元樣品,目前抽檢試驗多用電阻片作為試品。先不論電阻片與整支避雷器大電流沖擊耐受能力的等價性,抽取的電阻片樣品與避雷器中實際裝配的電阻片是否一致,需要解剖整支避雷器才能查明。而在實際抽樣和檢驗過程中并未要求解剖避雷器,因此無法杜絕抽樣與實際樣品中電阻片不一致的問題。

無間隙避雷器標準GB/T 11032中規(guī)定試驗前后試品的殘壓變化率不超過5%,而帶間隙避雷器標準GB/T 32520和DL/T 815中要求殘壓變化率不超過-2%～+5%范圍,DL/T 815標準還要求參考電壓變化不超過10%,其中DL/T 815-2021標準中更是明確了沖擊試驗前后的工頻參考電壓變化率不超過10%?？梢钥闯鰩чg隙避雷的要求更加嚴苛,這也符合線路避雷器更易遭受直擊雷的實際工況。但這并不表示無間隙避雷器不必考核大電流沖擊后參考電壓的變化,這點將在后文中結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析。

2 110 kV避雷器大電流沖擊試驗

2.1 試品信息及試驗方法

110 kV(66 kV)避雷器常見的設計結(jié)構(gòu)有瓷外套結(jié)構(gòu)、復合外套“管型”結(jié)構(gòu)和復合外套“纏繞型”結(jié)構(gòu)。下面就以這些結(jié)構(gòu)的避雷器為研究對象進行試驗。即試品包括兩大類:①整支避雷器,包括瓷外套和復合外套避雷器兩種,其中復合外套避雷器又包含“管型、纏繞型”兩種設計;②電阻片。按照標準分類,避雷器內(nèi)部有氣體通道結(jié)構(gòu)的為設計A,無氣體通道的實心結(jié)構(gòu)為設計B。瓷外套和復合外套“管型”結(jié)構(gòu)屬于設計A,復合外套“纏繞型”結(jié)構(gòu)屬于設計B。

試驗選用參與過國網(wǎng)公司招標的A～F共6家制造商生產(chǎn)的15種避雷器及其電阻片為試品進大電流沖擊耐受試驗,試品信息見表2。對比①不同結(jié)構(gòu)的整支避雷器的耐受性能;②整支避雷器與其電阻片的大電流沖擊耐受性能差異。表2中的15種整支避雷器,每種采用3只試品進行試驗,試驗在環(huán)境溫度20 ℃±15 K下進行。每只試品需耐受2次100 kA 4/10 μs大電流沖擊,不應出現(xiàn)擊穿、閃絡等損壞,兩次沖擊之間試品冷卻到環(huán)境溫度。沖擊試驗前后試品進行工頻參考電壓和標稱放電電流下的殘壓測量,后文將分別采用GB/T 11032-2020標準和DL/T 815-2021標準的判定規(guī)則對試品表現(xiàn)進行評價。

表2 試品信息表

表2中,以同一制造商生產(chǎn)的同規(guī)格電阻片為相同試品,6家企業(yè)共計有11種電阻片試品,每種電阻片采用3只進行上述程序的試驗。

2.2 依據(jù)GB/T 11032-2020標準判定的結(jié)果

2.2.1 整支避雷器試驗結(jié)果

15種共45只避雷器的100 kA大電流沖擊耐受試驗結(jié)果見表3。其中“”表示試品耐受沖擊后出現(xiàn)可見的外觀損壞,“/”表示試品殘壓變化率超過5%。由表3中數(shù)據(jù)可見,設計A類避雷器(電阻片尺寸包括:52 mm×24 mm、52 mm×25 mm、53 mm×23 mm、50 mm×24 mm)全部通過試驗,無擊穿、無閃絡、無損壞。設計B結(jié)構(gòu)的避雷器外觀損壞率為10%,其中B企業(yè)生產(chǎn)的YH10W-96/250(52 mm×25mm)型避雷器和YH10CX1-102/296(48 mm×28 mm)型避雷器各有1只試品在第二次沖擊中損壞炸裂;D企業(yè)生產(chǎn)的YH10W-96/250 W(52 mm×24 mm)型避雷器有1只試品在第二次沖擊中損壞,外套開裂。按照GB/T 11032標準方法判定的設計B類試品合格率為33.3%。即按照GB/T 11032標準規(guī)定,設計A類避雷器試驗通過率為100%,設計B類避雷器試驗通過率為33.3%,損壞的避雷器照片見圖1。

圖1 試驗中避雷器損壞照片

表3 整支避雷器大電流沖擊耐受試驗結(jié)果

2.2.2 避雷器用電阻片試驗結(jié)果

6家企業(yè)共11種電阻片的大電流沖擊耐受試驗結(jié)果見表4。電阻片整體試驗合格率為81.8%。其中B企業(yè)生產(chǎn)的48 mm×28 mm規(guī)格電阻片3片全部在第2次沖擊中破裂損壞;D企業(yè)生產(chǎn)的48 mm×28 mm規(guī)格電阻片有1片在第2次沖擊中破裂損壞;E企業(yè)生產(chǎn)的50 mm×24 mm規(guī)格電阻片有1片在第2次沖擊中破裂損壞;F企業(yè)生產(chǎn)的51 mm×24 mm規(guī)格電阻片有1片在第2次沖擊中破裂損壞。圖2為電阻片損壞照片。

圖2 試驗中電阻片損壞照片

表4 電阻片大電流沖擊耐受試驗結(jié)果

電阻片大電流沖擊試驗時使用夾具工裝可以增加電阻片兩端的壓緊力,提高電阻片鋁電極接受沖擊面的均勻度和緊密度,提升電阻片內(nèi)部晶粒單元間的受熱均勻度,同時還可減少電動力對電阻片的傷害。使用夾具雖然對某些電阻片具有提升其大電流沖擊耐受能力的作用,但試驗員操作夾具對電阻片施加壓緊力與整支避雷器裝配時兩端施加壓緊力的一致性不易保障,同時使用夾具引入了有別于整支避雷器設計的其他條件(如兩端電極尺寸、材料等),增加了試驗中的變量。因此,為保證試驗條件一致,以不帶工裝的電阻片試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析,試品布置照片見圖3。

圖3 電阻片試品布置照片

2.3 依據(jù)DL/T 815-2021標準判定的結(jié)果

2.3.1 整支避雷器試驗結(jié)果

表5中可以看出,15只設計A結(jié)構(gòu)的避雷器中有13只通過試驗,試驗合格率為86.7%;30只設計B結(jié)構(gòu)的避雷器中有7只通過試驗,試驗合格率為23.3%。兩種設計結(jié)構(gòu)避雷器的試驗合格率較GB/T 11032標準分別降低了13.3%、10%。原因是存在較大比例的整支避雷器耐受大電流沖擊后工頻參考電壓變化率超過10%,也存在一定量的整支避雷器殘壓變化率低于-2%,不符合DL/T 815-2021標準要求。

表5 整支避雷器大電流沖擊耐受試驗結(jié)果

2.3.2 避雷器用電阻片試驗結(jié)果

依據(jù)DL/T 815-2021標準判定規(guī)則,電阻片試驗數(shù)據(jù)見表6。電阻片的大電流沖擊耐受試驗合格率為57.6%,較GB/T 11032標準降低了24.2%,其原因是D、E、F企業(yè)生產(chǎn)的52 mm×24 mm、48 mm×28 mm、50 mm×24 mm、51 mm×24 mm電阻片試驗后工頻參考電壓跌落超過10%。外觀無損壞的電阻片殘壓變化率均符合要求。

表6 電阻片大電流沖擊耐受試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

將110 kV(66 kV)整支避雷器與其電阻片的合格率統(tǒng)計于表7,其中合格率按照GB/T 11032-2020和DL/T 812-2021兩個標準的判定規(guī)則分別統(tǒng)計?？梢妰深愒嚻窡o論依據(jù)哪個標準判定,其試驗合格率均不一致。

表7 試品的大電流沖擊耐受試驗合格率統(tǒng)計表

配網(wǎng)避雷器耐受大電流沖擊失效的主要表現(xiàn)是炸裂、鼓包等外觀損壞[1],而110 kV(66 kV)等級避雷器耐受大電流失效的主要表現(xiàn)是沖擊后的試品電氣參數(shù)變化率超過標準限值,避雷器外觀損壞為次要表現(xiàn)。導致110 kV(66 kV)等級避雷器電氣參數(shù)劣化明顯的主要原因是100 kA大電流沖擊比65 kA(配網(wǎng)適用的大電流沖擊試驗值)沖擊造成的老化和破壞嚴重,文獻[18-19]中也提出沖擊電流達到100 kA及以上時,沖擊老化問題非常嚴重,且無法恢復。下面分3點分析試驗結(jié)果:

1)耐受大電流沖擊后,避雷器和電阻片的工頻參考電壓大幅下降。試驗后外觀完好的整支避雷器試品中47.6%出現(xiàn)了工頻參考電壓下降超過10%的情況,說明耐受大電流沖擊后避雷器自身的安全穩(wěn)定運行性能降低,剩余壽命明顯減少。

工頻參考電壓是電阻片微觀結(jié)構(gòu)中金屬氧化物晶粒之間晶界勢壘厚度的一種表達,晶界勢壘是電阻片非線性特性的來源,工頻參考電壓是保障避雷器安全穩(wěn)定運行的敏感參數(shù)。電阻片耐受100 kA大電流時發(fā)生了嚴重的沖擊老化,使得晶界勢壘畸變,在宏觀上顯示出電阻片和整支避雷器工頻參考電壓的跌落,這也代表電阻片和避雷器自身安全穩(wěn)定運行壽命縮短。工頻參考電壓下降超過10%意味著再次耐受100 kA大電流沖擊時非?？赡馨l(fā)生電阻片破裂或整支避雷器炸裂,安全隱患大。

2)設計B結(jié)構(gòu)(內(nèi)部無空腔結(jié)構(gòu))的整支避雷器殘壓出現(xiàn)明顯跌落,而對照組的電阻片殘壓無明顯降低,兩種試品的殘壓變化趨勢不一致。試驗結(jié)果顯示,設計B結(jié)構(gòu)的整支避雷器中有74.1%殘壓跌落超過-2%,63.0%的整支避雷器殘壓跌落超過-5%。由于電阻片在標稱放電電流(10 kA)下的殘壓處于非線性曲線中的高電場區(qū)域[20],該區(qū)域內(nèi)電阻片殘壓主要由晶粒的阻抗決定,而氧化鋅晶粒的形態(tài)相對穩(wěn)定,一般情況下即便沖擊老化嚴重,電阻片在相同沖擊電流下的殘壓變化也不會非常明顯。換言之,沖擊老化使電阻片的非線性曲線向低電場區(qū)域漂移明顯,而高電場區(qū)的漂移較小。因此排除非線性電阻本身性能劣化導致的殘壓變化。分析認為應是整支避雷器芯體的包裹材料與電阻片絕緣層之間出現(xiàn)了閃絡,或電阻片絕緣層有閃絡損壞,存在放電通道,導致一部分非線性電阻被旁路,從而對外顯示出殘壓降低的現(xiàn)象。從試驗數(shù)據(jù)看,整支避雷器殘壓跌落超2%時一般伴有工頻參考電壓下降超7%,說明避雷器內(nèi)部應該確實存在放電損壞;當整支避雷器的殘壓跌落超5%時,工頻參考電壓下降超15%,這說明此時整支避雷器的沖擊老化已非常嚴重。這時的殘壓降低不代表避雷器的保護性能變好,而表示其自身安全穩(wěn)定運行壽命將盡,安全起見應當及時更換避雷器,以保障必要的絕緣配合不失效。

3)對于設計A結(jié)構(gòu)的避雷器,其整支試品的大電流試驗通過率要高于電阻片。這是因為電阻片試驗時全部采用不帶夾具的方式進行試驗,施加在電阻片兩端的壓緊力小于實際安裝在整支避雷器內(nèi)部的電阻片所承受的壓緊力,而適當大的增加壓緊力可以改善電阻片的沖擊耐受性能。故表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是瓷外套、復合外套“管型設計”這類有電阻片芯體周圍不直接接觸絕緣材料(有空腔結(jié)構(gòu))的整支避雷器大電流試驗耐受性能要優(yōu)于其電阻片的沖擊耐受性能。

4 抽檢試驗方法建議

4.1 試驗方法及試品選擇建議

大電流沖擊試驗結(jié)果顯示,沖擊試驗后外觀無損壞的避雷器中存在59.5%殘壓變化率都符合GB/T 11032標準要求,即殘壓變化率在5%范圍內(nèi)。但檢測這些避雷器的工頻參考電壓可發(fā)現(xiàn),變化率全部超過5%,部分甚至超過10%。說明避雷器耐受大電流沖擊后雖然外觀未損壞,在高電場區(qū)的伏安特性變化不大,但在低電場未擊穿區(qū)域的伏安特性漂移嚴重,這意味著避雷器繼續(xù)運行的荷電率會大幅提高,自身的安全穩(wěn)定性變差,在后續(xù)運行中存在非常大的故障風險。根據(jù)當前電網(wǎng)對供電可靠性的要求,顯然這種壽命受損較重或壽命將盡的避雷器是不應當繼續(xù)運行的。因此,本研究認為增加參考電壓變化率作為試驗判定是十分必要的。DL/T 815-2012標準沒有對參考電壓的交、直流做明確要求,而DL/T 815-2021版則明確了使用工頻參考電壓來判定。標準的更新體現(xiàn)了技術進步,早期由于避雷器的阻性電流難以測準,故工頻參考電壓的測準難度遠高于直流參考電壓,為了方便試驗操作才模糊了參考電壓的類型。大量的試驗經(jīng)驗表示,工頻參考電壓變化較直流參考電壓敏感許多,使用工頻參考電壓能夠更準確的發(fā)現(xiàn)避雷器的實際性能,而直流參考電壓不但更頓感還與極性有關,不同極性測得的直流參考電壓變化率相差較大。因此,建議對交流避雷器的大電流沖擊耐受試驗使用DL/T815-2021標準的判定規(guī)則,以工頻參考電壓變化率不超過10%,且殘壓變化在-2%～+5%范圍,試驗后試品無擊穿、無閃絡、無破裂或其他明顯破壞痕跡為判定標準。

對于設計A結(jié)構(gòu)的避雷器,影響其大電流沖擊耐受性能的因素主要來源于電阻片質(zhì)量,裝配工藝對試驗結(jié)果有影響,但不是關鍵因素,因此在抽檢試驗中允許使用電阻片作為試品。而使用整支避雷器完成試驗并滿足要求,說明制造商生產(chǎn)的避雷器產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu),應當給予產(chǎn)品評級提升,提升企業(yè)的高水平制造積極性。對于設計B結(jié)構(gòu)的避雷器,前文中的研究結(jié)果已證明電阻片與整支避雷器的大電流沖擊耐受性能不等價,其大電流沖擊耐受能力與整支避雷器的制造工藝和各部件的材料選擇密切相關,為了倒逼企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量,建議抽檢試驗樣品使用避雷器(避雷器本體)。

4.2 試驗評價

1)試驗前后工頻參考電壓變化率在(-10%～+10%)內(nèi)。

2)試驗前后測量的標稱放電電流下殘壓變化在(-2%～+5%)內(nèi)。

3)試驗后試品外觀檢查試品上應無擊穿、閃絡、開裂或其它明顯損害的痕跡。

這里需要指出,部分避雷器試驗規(guī)范中的大電流沖擊耐受試驗項目對試驗前后工頻參考電壓變化率未做要求。從本研究成果看,該試驗評價存在不足,對避雷器耐受大電流沖擊后自身的安全穩(wěn)定性能要求不夠,導致無法檢測出潛在的避雷器壽命低于預期的情況。大電流沖擊試驗后檢測工頻參考電壓的變化率對無間隙避雷器更為重要,沖擊耐受后工頻參考電壓降低,導致避雷器后續(xù)運行承擔的荷電率變大,增加了避雷器老化損壞的風險,同時避雷器耐受工頻過電壓的能力也下降。而帶間隙避雷器雖然有間隙阻隔,避雷器本體持續(xù)運行中幾乎不帶電,老化問題不是主要矛盾,工頻參考電壓降低帶來的工頻暫時過電壓耐受能力下降和續(xù)流遮斷能力損失是主要矛盾。

5 結(jié)論

1)整支避雷器的大電流沖擊耐受性能與其電阻片性能不等價。避雷器的大電流沖擊耐受能力不僅與電阻片的性能有關,還與整體結(jié)構(gòu)、制造工藝和各部件的材料選擇密切相關。設計A結(jié)構(gòu)避雷器的大電流耐受性能較設計B結(jié)構(gòu)(同電阻片尺寸時)更有保障。

2)工頻參考電壓跌落明顯是110 kV(66 kV)交流避雷器大電流沖擊耐受試驗無法通過的主要原因,說明耐受大電流沖擊后避雷器自身的安全穩(wěn)定運行性能降低,剩余壽命明顯減少。

3)避雷器殘壓跌落超2%時一般伴有工頻參考電壓下降超7%,說明避雷器內(nèi)部應該存在放電損壞;當整支避雷器的工頻參考電壓下降超15%,殘壓跌落超5%,這說明此時整支避雷器的沖擊破壞非常嚴重。這時的殘壓降低并非代表避雷器的保護水平提升,而表示其自身安全穩(wěn)定運行壽命將盡,應當及時更換避雷器。

4)建議對交流避雷器的大電流沖擊耐受試驗使用DL/T815-2021標準的判定規(guī)則,以工頻參考電壓變化率不超過10%,且殘壓變化在-2%～+5%,試驗后試品無擊穿、無閃絡、無破裂或其他明顯破壞痕跡為判定標準。

5)抽檢試驗試品選擇建議:設計A結(jié)構(gòu)的避雷器可使用電阻片或整支避雷器作為試品,使用整支避雷器試品通過試驗可給予更高的質(zhì)量評級;設計B結(jié)構(gòu)的避雷器要求使用整支避雷器作為試品。