氧化锌避雷器散热特性及氧化锌避雷器散热试验方法 _知识百科

氧化锌避雷器散热特性及氧化锌避雷器散热试验方法

1.试验方法
氧化锌避雷器在电力系统运行中会受到各种电、热等效应的作用，使得其内部芯体和表面温度升高，这些导致氧化锌避雷器温升的因素主要包括如下几个方面：
（1）系统工频过电压或持续运行电压；
（2）各种冲击过电压，包括雷电冲击和操作冲击等；
（3）严酷环境条件，如强太阳光辐照、环境高温、污秽等。持续运行电压下通过氧化锌避雷器的泄漏电流很小，不是引起氧化锌避雷器温度升高的主要因素；大部分情况下，雷电冲击的能量并不大，单次雷电冲击引起的氧化锌避雷器温升也有限；至于环境条件，曾有实测指出：太阳下暴晒的氧化锌避雷器靠近上法兰氧化锌电阻片的温度可以达到60℃ 。
工频过电压和操作过电压引起的温度升高是影响氧化锌避雷器热稳定性的主要因素，环境对氧化锌避雷器温度升高及热稳定性的影响也不容忽视。基于上述引起氧化锌避雷器温度升高的各种因素，试验研究了工频加热、方波冲击电流加热及烘箱加热等不同条件下氧化锌避雷器及其比例单元的散热特性。试验时运用光纤布拉格光栅传感器技术测量氧化锌避雷器及其比例单元的温度。光纤布拉格光栅传感器与常规的热敏电阻、热电偶等电子类传感器相比具有可带电测量、灵敏度高、响应速度快等优点。热光效应引起光纤光栅的有效折射率变化，而热膨胀效应引起光栅的栅格周期变化。当其所处的温度场变化时，温度与光纤光栅波长变化的关系为：ΔλB/λB=(ξ α)ΔT(1)式中ξ为光纤的热光系数， α为光纤的热膨胀系数，二者基本为常数。粗略测量时可以认为波长λB与温度呈线性关系，精度要求较高时可分段标定。试验时传感器测温探头置于与电阻片紧邻的金属垫块内，测到的温度作为电阻片的温度处理。
2试验结果及分析
2.1散热时间常数
工程上常用散热时间常数τ来衡量物体的散热能力。无其他热源时，氧化锌避雷器降温的温度时间关系基本满足指数函数：T(t)=(T0-Tα)×e-t/π Tα(2)式（2）中：T（t）为时刻t的温度， T0为任意的起始温度，一般从T0=120℃或试验过程中的*高温度开始计时， Tα为环境温度，为散热时间常数。当温度由T=T0降低到T=(T0-Tα)/e Tα时，认为经过了一个时间常数。根据试验结果可以求出氧化锌避雷器的散热时间常数。需要指出的是，散热时间常数的概念能简单描述氧化锌避雷器的散热能力，比较各种氧化锌避雷器及其比例元散热特性的优劣。但是氧化锌避雷器散热时的降温曲线并不严格遵循公式（2），比例单元与整只氧化锌避雷器的热等价性应按照**标准和IEC标准的要求利用降温曲线比较各个点的温度来确定。
2.2整只氧化锌避雷器的散热特性
试品为500kV复合外套型电站用氧化锌避雷器中的一节，外套材料为硅橡胶，外套与电阻片之间填充高分子材料，内部没有气体间隙。 ZnO电阻片为饼状，规格为Φ75×36 。工频电流由500kV试验变压器提供，试验期间电流峰值约为15mA ，呈阻性电流，持续时间约20min 。试验时按GB11032-2000的要求，测温探头布置在距顶部为氧化锌避雷器长度的1/3～1/2之间。试验期间环境温度约6℃ ，测到的探头处ZnO电阻片*高温度约124℃ 。试验结果表明，此整只氧化锌避雷器的散热时间常数约为2.5h 。
2.3比例单元的散热特性影响
氧化锌避雷器及其比例单元散热特性的因素很多，如环境温度、加热方法和加热时间、试品结构等。通过有限元法计算指出：随环境温度降低散热时间常数有所减小，即散热速度快，但变化不大。对某结构氧化锌避雷器，计算得到环境温度为0、20、40、60℃时的散热时间常数分别为62.0、64.3、66.8、70min 。加热时间和加热方法对散热时间常数的影响比较大：烘箱加热属于整体加热，试品内部芯体和外部绝缘材料都上升到*高温度。工频加热或方波冲击电流加热只是局部加热，外部伞套等其他绝缘结构的温度并没能随芯体温度同时上升或上升温度不大。根据传热学理论，热传导时，单位时间内通过某平面的热量与该平面附近的温度变化率、平面面积和导热系数成正比，即：准=-λAdt/dx式（3）中准为热流量， λ为导热系数， A为导热面积， dt/dx表示导热面附近的温度变化率。对指定试品来说，导热面积A是固定的；局部加热时的温度变化率dt/dx大于整体加热；电阻片、硅橡胶和环氧筒等非金属材料的导热系数受温度影响不大，但比例单元两端的金属（钢）电极的导热系数随温度升高而降低，因此局部加热时导热系数大于整体加热。式（3）说明，局部加热时的散热速度要比整体加热的快。为验证上述分析，试验比较了烘箱加热与工频加热情况下比例单元的散热特性。给出了不同加热方式下比例单元的降温曲线，对应的试验情况。试品1、试品2、试品3表示试验顺序。试品主要部件为：1个φ75×36电阻片、1个φ75×6测温金属探头及1个φ75×1铝垫块，外套为复合外套，两端为金属电极。烘箱加热属于整体加热，试品内部芯体和外部绝缘材料都上升到*高温度，散热时间常数为3.2h ，散热较慢；工频加热时，散热时间常数在40min左右，不同加热方式下散热特性差异较大。另外，试品3的加热时间比试品2要长，其外套温度上升较高，散热时间常数稍大。 *后，试品1从60℃降低到25℃要超过5h ，降低到试验环境温度（13℃）则需要10h以上，这说明环境因素引起的温升下，氧化锌避雷器的散热能力很差。在比较比例单元和整只氧化锌避雷器的热等价性时要注意保证加热方式相同，加热时间应基本一致。虽然单独环境作用下氧化锌避雷器的温度一般不会超过60℃ ，但由于属于整体加热，此时氧化锌避雷器的散热能力差，对热稳定性的影响不容忽视。还在工频加热方式下实测了其他几种结构的比例单元的散热时间常数。在保证比例单元使用复合外套的情况下，相继采取了取消两端电极、两端添加隔热材料等结构。结果表明复合外套比例单元的散热时间常数均在40min左右，与前述试品相比没有大的变化，均小于整只（单节）氧化锌避雷器的散热时间常数，不满足热等价性的要求。比例单元一般仅含有一个或少量几个电阻片，工频加热后电阻片温度高于周围介质的温度，其轴向和径向的dt/dx都较大，根据公式（2），轴向和径向的散热能力均较强。但整只（节）氧化锌避雷器含有的ZnO电阻片较多，工频加热后所有电阻片都上升到一个较高的温度，对于中间电阻片来说，其轴向dt/dx很小，轴向散热能力受到限制，只有径向散热能力与比例单元相当。另外，比例单元的绝缘材料与ZnO电阻片的比例大于整只（节）氧化锌避雷器，要吸收内部芯体热量的比例也大于整只氧化锌避雷器。因此，如果不采取隔热措施，比例单元的散热能力一般要强于整只（节）氧化锌避雷器的散热能力。基于以上分析，进一步改变了比例单元的结构。将比例单元放入较大隔热环氧筒内，然后在环氧筒内比例单元四周填充隔热材料，降低比例单元的轴向和径向散热能力。结果显示这种情况下比例单元的散热时间常数约3.2h ，且冷却期间各瞬间的温度都高于整只氧化锌避雷器（节）的温度，满足**标准中热等价性的要求。给出了整只氧化锌避雷器与这种比例单元的降温曲线。与工频过电压加热相同，冲击过电压加热也属于局部加热，且加热时间更短。因此其散热速度也应快于整只氧化锌避雷器。在长持续时间冲击电流（2mS方波）加热方式下实测了另外一种比例单元的散热特性，试品与表1中试品的主要差别在于：内部芯体由4个Φ75×22ZnO电阻片组成，即内部ZnO电阻片体积较大。结果显示与工频加热差异不大，散热时间常数在40min左右。
3理论计算研究
氧化锌避雷器在实际运行中遇到的工况复杂多变，内部零部件对其散热性能的影响不一致，因此，要准确计算氧化锌避雷器的散热能力是比较困难的，迄今为止只有部分文献理论计算了氧化锌避雷器的散热能力。运用工程有限元分析软件ANSYS计算研究了氧化锌避雷器的散热能力，结果与实测值基本吻合，能够作为进一步研究的参考。传热学理论认为，热量的传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。实际物体中三种热量传递方式一般是同时起作用的，只是不同的物体起主要作用的热量传递方式可能不同而已。理论计算表明，对氧化锌避雷器或其比例单元的散热来说，热传导和热对流是主要的。
4结论
（1）不同加热方式下，氧化锌避雷器比例单元的散热特性不同。在验证氧化锌避雷器与其比例单元的热等价性时要注意采取相同的加热方式，保证加热时间基本一致。
（2）虽然单独环境作用下氧化锌避雷器的温度一般不会超过60℃ ，但由于属于整体加热，氧化锌避雷器的散热能力差，对热稳定性的影响不容忽视。实测表明，整体加热时比例单元从60℃降低到试验环境温度（13℃）需要10h 。
（3）工频过电压加热和冲击过电压加热都属于局部加热，散热时间常数均小于整体加热。
（4）一般比例单元的轴向散热能力强于整只（节）氧化锌避雷器。为了保证热等价性，制作比例单元时要注意限制其轴向散热能力，保证比例单元与实际避雷器的散热特性相似。
（5）运用工程有限元分析软件ANSYS计算氧化锌避雷器的散热特性，实测曲线与计算曲线趋势一致，实测与计算的散热时间常数基本吻合，能够作为进一步研究的辅助手段。
【氧化锌避雷器散热特性及氧化锌避雷器散热试验方法】