氧化锌避雷器

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７１００４９）

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８０年代，美国、日本、俄罗斯等国已分别研制出６．６～７５０ｋＶ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３ｋＶ～５００ｋＶ电压等级的复合外套氧化锌避雷器，并以生产１０ｋＶ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１０ｋＶ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（ＨＴＶ）、中温硫化（ＭＴＶ）、低温硫化（ＬＴＶ）和室温硫化（ＲＴＶ）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。

２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：

ａ．串联的氧化锌非线性电阻片（或称阀片）组成阀芯；

ｂ．玻璃纤维增强热固性树脂（ＦＲＰ）构成的内绝缘和机械强度材料；

ｃ．热硫化硅橡胶外伞套材料；

ｄ．有机硅密封胶和粘合剂；

ｅ．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１所示。

这里分别作Ａ型、Ｂ型、Ｃ型和Ｄ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。除了这四种外，还有ＳＭＣ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Ａ型和Ｂ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１四种典型结构的复合外套氧化锌避雷器示意图

１—接线端子２—屏蔽端盖３—内电极４—电阻片５—硅橡胶外套６—ＦＲＰ预制管

７—粘合层８—弹簧９—热固性树脂１０—ＦＲＰ卷绕层１１—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和比例单元，其中，Ａ型芯体是将电阻片、电极及弹簧封装于环氧玻璃丝管；Ｂ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；Ｃ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；Ｄ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 ３４×２０．５ｍｍ。

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。

３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，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。

３．１４／１０大电流冲击试验

对于复合外套氧化锌避雷器所用的 ３４×２０．５ｍｍ电阻片，其４／１０μｓ大电流冲击水平一直是我国向ＩＥＣ标准（即达到６５ｋＡ）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ＩＥＣ的要求。众所周知，在进行４／１０μｓ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４／１０μｓ大电流冲击性能。用过去广泛使用的１４５绝缘漆侧面保护的电阻片串联制成比例单元，其直流１ｍＡ参考电压为８．８ｋＶ～８．９ｋＶ，每种结构的避雷器比例单元三只，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１所示。

表１四种避雷器比例单元的４／１０μｓ大电流冲击试验结果ｋＡ

试品分类Ａ型Ｂ型Ｃ型Ｄ型

试品编号Ａ１Ａ２Ａ３Ｂ１Ｂ２Ｂ３Ｃ１Ｃ２Ｃ３Ｄ１Ｄ２Ｄ３

第一次试验５２５６６２５５６７６８５５６６６８５６６３６６

第二次试验５４× ×５８６９７０５９６７７０５８６５６８

注：表中×表示试验未通过

从试验结果看出，Ｂ型、Ｃ型和Ｄ型试品都能通过两次６５ｋＡ的大电流冲击，而Ａ型未通过５５ｋＡ的大电流，说明Ａ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Ａ型避雷器的４／１０μｓ大电流冲击性能比其它三种要低。

３．２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ＩＥＣ标准规定１．０５倍Ｕｃ下为５０ｐＣ，但国外大部分制造厂家都规定的很小，如ＩＢＢ公司规定为不大于５ｐＣ。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１．０５Ｕｃ，其中Ｕｃ取为１３．６ｋＶ，因此，笔者通过测量各种试品在局部放电量为５ｐＣ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２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，Ａ型结构比其它三种结构的起始放电电压略低，这正是由于在Ａ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２四种避雷器及其绝缘体的起始放电电压ｋＶ