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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。
３．１ ４／１０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 Ａ１ Ａ２ Ａ３ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３ Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３
第一次试验 ５２ ５６ ６２ ５５ ６７ ６８ ５５ ６６ ６８ ５６ ６３ ６６
第二次试验 ５４ × × ５８ ６９ ７０ ５９ ６７ ７０ ５８ ６５ ６８
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
试品结构分类
Ａ型
Ｂ型
Ｃ型
Ｄ型
避雷器试品编号
Ａ４
Ａ５
Ｂ４
Ｂ５
Ｃ４
Ｃ５
Ｄ４
Ｄ５
起始放电电压
１４
１５
１５
１９
１７
１５
１６
１６
平均值
１４．５
１７．０
１６．０
１６．０
绝缘体试品编号
A6
A7
B6
B7
C6
C7
D6
D7
起始放电电压
１６
１７
２０
１６
１７
２０
１７
１８
平均值
１６．５
１８．０
１８．５
１７．５
３．３ 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１分钟工频（干）和１５次标准冲击（１．２／５０）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３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，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１０ｋＶ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。
３．４ 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４２ｈ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Ｂ型和Ｃ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４２ｈ盐水沸煮试验分为１６８ｈ盐水浸泡和１５０ｈ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１００℃干燥箱中保持３ｈ，完成“呼”气的过程，然后立即放入室温（约２４℃）的氯化钠盐水中浸泡１６８ｈ，完成“吸”水和渗透的过程，盐水的电阻率为４００Ω·ｃｍ，最后从盐水中取出试品冲洗净并自然凉干，２４ｈ后测量直流泄漏电流，试验结果如表３中所示。从结果来看，其泄漏电流的变化量最大不超过４μＡ，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１００℃干燥箱短期热老化试验，每累计５０ｈ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２０ｋＶ和５０ｋＶ，试验结果如表４所示。
测量结果表明，在１５０ｈ热老化后，Ｂ型和Ｃ型避雷器的直流泄漏电流变化量为１８μＡ～２３μＡ，而Ａ型和Ｄ型避雷器的直流泄漏电流变化量仅约５μＡ，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４ 四种避雷器及其绝缘体不同热老化时间的直流泄漏电流 μＡ
试品结构分类Ａ型Ｂ型Ｃ型Ｄ型
避雷器（２０ｋＶ）
试品编号Ａ４Ａ５Ｂ４Ｂ５Ｃ４Ｃ５Ｄ４Ｄ５０ｈ８６７８７８７６５０ｈ７７２１１９１８１６７８１００ｈ１０９２６２７２４２３９１０１５０ｈ１３１１２９３１２８２６１２１１
绝缘体（５０ｋＶ）
试品编号Ａ６Ａ７Ｂ６Ｂ７Ｃ６Ｃ７Ｄ６Ｄ７０ｈ２１１１１１１１５０ｈ１１１１１１１１１００ｈ１１２１２１１２１５０ｈ１１２１２１１２
３．５ 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＋６０℃±１℃和－４０℃±３℃温度下参照ＩＥＣ标准进行４×２４ｈ冷热循环，施加的弯曲负载为２００Ｎ。试验后先测量工频１５ｋＶ电压下局部放电量，然后继续进行４００Ｎ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５所示，在最后解剖检查中发现，Ｄ型的两只试品都在下电极处有约１ｍｍ～１．５ｍｍ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Ｄ型的变化量相对较大。
表５ 四种避雷器在热机和弯曲试验前后的局部放电量 ｐＣ
试品结构分类 Ａ型 Ｂ型 Ｃ型 Ｄ型
试品编号 Ａ４ Ａ５ Ｂ４ Ｂ５ Ｃ４ Ｃ５ Ｄ４ Ｄ５
试验前 ６ ５ ５ ２ ３ ５ ４ ４
热机试验后 ５ ５ ４ ３ ６ ４ ７ ８
弯曲试验后 ５ ４ ４ ５ ４ ３ ７ ８
４ 结论
（１）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４／１０大电流通流能力，并能改善避雷器的局部放电特性。
（２）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。
（３）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。
（４）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。
参考文献
１ 李学思．有机外壳避雷器．电瓷避雷器，１９９３（２）
２ 高玉明．１０ｋＶ合成套无间隙氧化锌避雷器热特性的研究．电瓷避雷器，１９９６（１）
３ ＩＥＣ９９－４．金属氧化物聚合物外套避雷器．ＩＥＣＣＤ３７（Ｓｅｃ．）１０
４，１９９４４ 周克琼．１０ｋＶ有机外套氧化锌避雷器的研制．电瓷避雷器，１９９６（６）
５ 车文俊．检验无间隙金属氧化物避雷器密封性能的水浸法判据分析．电瓷避雷器，１９９５（５）
６ 葛景滂等．局部放电测量．机械工业出版社，北京，１９８４年版
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