特高压直流避雷器电阻片加速老化试验方法的研究

赵 霞, 张搏宇, 时卫东, 沈海滨, 贺子鸣, 吕雪斌

(中国电力科学研究院有限公司, 北京 100192)

0 引言

由于ZnO电阻片具有良好的非线性伏安特性，因此被广泛应用于金属氧化物避雷器中[1-2]。避雷器并联在被保护设备的两端，在正常工况下持续承受电力系统运行电压的作用。在该电压作用下，ZnO电阻片工作在小电流区，呈现出高电阻状态，避雷器中出现很小的泄漏电流(漏流)，进而产生功率损耗(功耗)，同时温度上升。在电-热共同作用下，避雷器因逐渐老化而性能变差。早期ZnO电阻片在恒定电压老化过程中，漏流逐渐增大，因而功耗也逐渐增大。此外，过电压、受潮等因素会加速避雷器的老化[3]。后来，随着制作工艺提高，电阻片在老化过程中呈现出泄漏电流先减小，在某一时刻点之后逐渐增大。对于这两类电阻片，通过提取漏流值就可以判断电阻片的老化情况和剩余寿命[4]。目前，为了适应我国特高压输电工程的发展，供应商通过改进配方和工艺生产出了性能不同的ZnO电阻片[5]。这类电阻片在老化初期功耗迅速下降，后趋于稳定，老化之后电气性能的变化也不同于先前的电阻片。

长期以来，加速老化试验中功耗变化是判断试验是否通过的唯一标准，然而，有些厂家电阻片可以通过加速老化试验，但是在服役过程中出现了参考电压大幅下降情况，严重时超过5%。根据《国家电网公司直流换流站检测规定》附录A.7条规定“直流参考电压U1mA实测值与初值差不超过±5%”，因此，此类避雷器将不能继续使用。这种情况也表明在老化试验前后引入电气参数变化率的考虑具有重要的意义。直流电阻片在长期偏置电压下出现势垒畸变，更要考虑正反向的电气参数变化。

避雷器用ZnO电阻片在长期运行电压的作用下性能变化(即老化)的速度和程度与避雷器荷电率的取值有关[6-7]。荷电率表征的是单位电阻片上的电压负荷，其高低对避雷器的老化程度影响很大。降低荷电率，长期连续运行电压下阻性漏电流小，所引起的损耗易与散热能力平衡，不会发生热崩溃；但另一方面提高荷电率，可提高避雷器的保护水平，对降低设备绝缘水平有重要意义。对于交流避雷器，我国国标GB 11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》未定义荷电率[8]。《±800 kV直流输电技术研究》和《Q/GDW 144-2006 ±800 kV特高压直流换流站过电压保护和绝缘配合导则》中给出，直流避雷器的荷电率是持续运行电压幅值(CCOV)和持续运行电压峰值(PCOV)与直流参考电压(Uref)的比值[9-10]。合理的荷电率值必须考虑稳定性、泄漏电流的大小，持续运行电压峰值、直流电压分量、安装位置(户外或户内)，温度对伏安特性的影响以及污秽对避雷器瓷或硅橡胶外套电位分布的影响等因素，通过包括老化试验的稳定性试验和污秽试验来确定[11]。

本研究选取不同荷电率，对我国特高压直流输电工程中使用的直流ZnO电阻片在直流电压下进行加速老化试验。通过对比老化前后电阻片电气参数的差异，分析出直流老化对直流ZnO电阻片电气性能的影响规律。最后，对该类电阻片的加速老化试验方法提出改进建议。

1 试验方法

老化试验的目的是判断电阻片在持续运行电压下是否表现出稳定的或者不断下降的功耗。直流老化试验中温度和时间要求与交流情形一致(115±4 ℃，稳定性±1 ℃，至少1 000 h)。直流换流站中，避雷器持续承受各种复杂波形的作用，这些复杂波形可以分解为直流分量和各次谐波分量。一般来说，对于换流站各位置避雷器来说，直流极母线避雷器承受纯直流电压作用，相对于其他位置避雷器而言，劣化程度更明显。因此，采用直流电压对电阻片进行老化。避雷器的环境温度Ta高于60 ℃(24 h平均值)时， IEC 2014a中9.11.2和9.11.3方案中的试验时间大于1 000 h。与交流老化一样，老化时间t基于假定的Arrhenius模式进行估算[12]，公式如下：

(1)

具体的老化试验条件和测试参数见表1。规定与老化电压相同的方向为正方向，标记为“+”；与老化电压相反的方向为反方向，标记为“-”。老化前后测试分别测试正向和反向的参考电压U1mA，10 kA和20 kA的8/20 μs雷电冲击电流下的残压Ur10kA和Ur20kA。

表1 ZnO电阻片老化试验条件及测试参数Table 1 Accelerated ageing test conditions and test parameters for ZnO varistors

直流老化试验的通过标准和交流老化一样： 1)老化1 000 h后的功耗P10不高于1.1P0； 2)如果功耗曲线存在最小值Pmin，P10也不超过1.3Pmin。不同于交流老化P0取施加电压后3 h ± 15 min时的功耗，直流老化P0取施加电压后1 h ± 5 min的功耗，这是为了观察一些电阻片在老化开始时迅速下降的功耗，见图1。根据老化特性，初始值的准确选取与否将对试验结果产生重要影响。

图1 ZnO电阻片老化功耗曲线Fig.1 The schematic for power loss of ZnO varistors during accelerated ageing test

2 试验结果

选取国内A厂家和B厂家的特高压直流工程用ZnO电阻片在95%荷电率下进行直流老化试验。按标准要求，对3片试样进行试验。老化过程中的功率损耗曲线见图2和图3。刚加上老化电压时，功率损耗较高，随着老化时间推移，功率损耗持续下降。在0～100 h，功率损耗迅速下降；100 h之后，功率损耗缓慢下降。提高荷电率至100%，B厂家电阻片功耗曲线见图4，电阻片功耗曲线变化趋势与95%荷电率时相同，只是电阻片功耗趋于稳定所需时间更短一些。仅从功耗来判断，电阻片似乎处于永久“稳定”状态，对于这种处于热稳定状态的电阻片，利用Arrhenius模型预测寿命的方法将会失效。

图2 A厂家电阻片在95%荷电率下加速老化试验功率曲线Fig.2 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer A under 95% applied voltage ratio

图3 B厂家电阻片在95%荷电率下的直流老化功耗曲线Fig.3 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer B under 95% applied voltage ratio

图4 B厂家电阻片在100%荷电率下的直流老化功耗曲线Fig.4 Power loss curves of ZnO varistors of manufacturer B under 100% applied voltage ratio

老化前后ZnO电阻片的电气参数见表2所示。可以看出，直流老化之后，电阻片的伏安特性出现不对称，这是由于直流偏压长时间作用下电阻片势垒结构畸变引起的。正向参考电压增大，反向参考电压下降；雷电冲击残压增大，并且反向残压增大更明显。

表2 各厂家ZnO电阻片老化前后的电气参数对比Table 2 Comparison of electrical parameters for ZnO varistors from different manufacturers before and after accelerated ageing test

进一步对老化前后电气参数变化率进行分析，可以看出，B厂家电阻片在100%荷电率老化后反向参考电压下降已超过5%，这在实际运行中是不允许的。但是，若仅仅以功耗曲线作为试验通过判据的话，这个电阻片是通过试验的。因此，我们认为不能仅以功耗变化作为老化试验通过判据，应当同时考虑电阻片正反向残压的变化，判断老化后避雷器是否还能起到应有的保护作用。

双Schottky势垒(DSB)模型被广泛用于解释ZnO电阻片的电气性能和老化机理，见图5。DSB包括晶界界面受主阴离子及其两侧的耗尽层中的施主氧离子，其中阴离子主要是锌空位(VZn)，氧离子(O)等；阳离子包括锌填隙(Zni)，氧空位(VO)，掺杂离子等。根据迁移势垒的大小，这些离子可以划分为非稳态离子和稳态离子。Zni和O的迁移势垒约为0.57 eV和0.87 eV，属于非稳态离子，其他离子的迁移势垒较高，可以认为是稳态离子[13]。

图5 直流老化后电阻片的双Schottky势垒Fig.5 Double Schottky barrier model of ZnO varistors after DC accelerated ageing test

势垒高度(Φb)决定ZnO电阻片小电流区的电气性能，一般说来，势垒高度增大，泄漏电流降低。增大界面负电荷的密度可以提高势垒高度。在掺杂浓度确定的情况下，优化的烧结工艺可以提高界面负电荷的密度，进而提高势垒高度。直流老化期间，迁移势垒较低的Zni和O在外电场作用下迁移[14-15]。正偏侧(图4中左侧)耗尽层中，Zni向晶粒深处迁移，而界面氧离子则迁移至另一侧晶界处；反偏侧(图4中右侧)耗尽层中Zni向晶界处迁移，中和了部分界面负电荷，但是，从正偏侧迁移过来的氧离子又补充了反偏侧的界面负电荷。上述过程最终导致正偏侧势垒降低，反偏侧势垒增大，因此，ZnO电阻片在直流老化后，正向参考电压(受反偏侧势垒控制)增大，反向参考电压(受正偏侧势垒控制)降低。此外，准稳态离子迁移并在晶界与负电荷复合后，晶粒中的导电粒子数目减少，晶粒电阻率增大，最终导致电阻片的残压上升。

特高压系统中，由于提高电力设备绝缘水平的成本很高，所以会考虑增大避雷器的荷电率来优化其保护水平。但是，更高的荷电率意味着上述准稳态离子的迁移更显著，最终导致势垒严重畸变和电气性能劣化。试验结果也表明，有些电阻片老化后参考电压的变化率超过5%。鉴于此，笔者将正反方向的参考电压和残压变化纳入判断电阻片是否通过老化试验的指标。

3 试验改进

通过前面的分析，提出改进的直流避雷器老化试验方案，具体流程见图6。第一，老化前，在室温下分别测试避雷器电阻片正反向的参考电压和残压，判断避雷器的伏安特性是否对称。第二，选取荷电率，按照IEC 60099-9中的规定对避雷器进行老化，老化时长为1 000 h。第三，老化至1 000 h后，判断电阻片功率损耗是否满足要求，即1)Pend≤ 1.1P0和2)Pend≤ 1.3Pmin。第四，如果功耗满足要求，测试电阻片正反两个方向的参考电压和残压。第五，判断参考电压和残压是否小于规定值(建议选取为5%)。如果以上试验均通过，则认为避雷器通过老化试验，否则未通过老化试验。

图6 直流老化试验流程图Fig.6 Flow-chart for DC accelerated ageing test

4 结论

对国内两个主流特高压直流避雷器厂家的ZnO电阻片进行老化试验。试验结果表明，电阻片的功率损耗在老化过程中持续下降。按照现有的标准，电阻片均能通过老化试验。但是对比老化前后的电气参数后发现，正向参考电压增大，反向参考电压下降。正向和反向的冲击残压均增大，且反向大于正向。严重时，反向变化率超过5%。考虑到直流换流站存在极性反转的运行工况，有必要综合考虑避雷器正向和反向的电气性能。因此，本研究对避雷器老化试验方法提出了改进建议。