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氧化鋅避雷器散熱特性及氧化鋅避雷器散熱試驗方法

知識百科

氧化鋅避雷器散熱特性及氧化鋅避雷器散熱試驗方法
 
1.試驗方法
氧化鋅避雷器在電力系統運行中會受到各種電、熱等效應的作用 ， 使得其內部芯體和表面溫度升高 ， 這些導致氧化鋅避雷器溫升的因素主要包括如下幾個方面：
（1）系統工頻過電壓或持續運行電壓；
（2）各種沖擊過電壓 ， 包括雷電沖擊和操作沖擊等；
（3）嚴酷環境條件 ， 如強太陽光輻照、環境高溫、污穢等 。 持續運行電壓下通過氧化鋅避雷器的泄漏電流很小 ， 不是引起氧化鋅避雷器溫度升高的主要因素；大部分情況下 ， 雷電沖擊的能量并不大 ， 單次雷電沖擊引起的氧化鋅避雷器溫升也有限；至于環境條件 ， 曾有實測指出：太陽下暴曬的氧化鋅避雷器靠近上法蘭氧化鋅電阻片的溫度可以達到60℃ 。
工頻過電壓和操作過電壓引起的溫度升高是影響氧化鋅避雷器熱穩定性的主要因素 ， 環境對氧化鋅避雷器溫度升高及熱穩定性的影響也不容忽視 。 基于上述引起氧化鋅避雷器溫度升高的各種因素 ， 試驗研究了工頻加熱、方波沖擊電流加熱及烘箱加熱等不同條件下氧化鋅避雷器及其比例單元的散熱特性 。 試驗時運用光纖布拉格光柵傳感器技術測量氧化鋅避雷器及其比例單元的溫度 。 光纖布拉格光柵傳感器與常規的熱敏電阻、熱電偶等電子類傳感器相比具有可帶電測量、靈敏度高、響應速度快等優點 。 熱光效應引起光纖光柵的有效折射率變化 ， 而熱膨脹效應引起光柵的柵格周期變化 。 當其所處的溫度場變化時 ， 溫度與光纖光柵波長變化的關系為：ΔλB/λB=(ξ α)ΔT(1)式中ξ為光纖的熱光系數 ， α為光纖的熱膨脹系數 ， 二者基本為常數 。 粗略測量時可以認為波長λB與溫度呈線性關系 ， 精度要求較高時可分段標定 。 試驗時傳感器測溫探頭置于與電阻片緊鄰的金屬墊塊內 ， 測到的溫度作為電阻片的溫度處理 。
2試驗結果及分析
2.1散熱時間常數
工程上常用散熱時間常數τ來衡量物體的散熱能力 。 無其他熱源時 ， 氧化鋅避雷器降溫的溫度時間關系基本滿足指數函數：T(t)=(T0-Tα)×e-t/π Tα(2)式（2）中：T（t）為時刻t的溫度 ， T0為任意的起始溫度 ， 一般從T0=120℃或試驗過程中的*高溫度開始計時 ， Tα為環境溫度 ， 為散熱時間常數 。 當溫度由T=T0降低到T=(T0-Tα)/e Tα時 ， 認為經過了一個時間常數 。 根據試驗結果可以求出氧化鋅避雷器的散熱時間常數 。 需要指出的是 ， 散熱時間常數的概念能簡單描述氧化鋅避雷器的散熱能力 ， 比較各種氧化鋅避雷器及其比例元散熱特性的優劣 。 但是氧化鋅避雷器散熱時的降溫曲線并不嚴格遵循公式（2） ， 比例單元與整只氧化鋅避雷器的熱等價性應按照**標準和IEC標準的要求利用降溫曲線比較各個點的溫度來確定 。
2.2整只氧化鋅避雷器的散熱特性
試品為500kV復合外套型電站用氧化鋅避雷器中的一節 ， 外套材料為硅橡膠 ， 外套與電阻片之間填充高分子材料 ， 內部沒有氣體間隙 。 ZnO電阻片為餅狀 ， 規格為Φ75×36 。 工頻電流由500kV試驗變壓器提供 ， 試驗期間電流峰值約為15mA ， 呈阻性電流 ， 持續時間約20min 。 試驗時按GB11032-2000的要求 ， 測溫探頭布置在距頂部為氧化鋅避雷器長度的1/3～1/2之間 。 試驗期間環境溫度約6℃ ， 測到的探頭處ZnO電阻片*高溫度約124℃ 。 試驗結果表明 ， 此整只氧化鋅避雷器的散熱時間常數約為2.5h 。
2.3比例單元的散熱特性影響
氧化鋅避雷器及其比例單元散熱特性的因素很多 ， 如環境溫度、加熱方法和加熱時間、試品結構等 。 通過有限元法計算指出：隨環境溫度降低散熱時間常數有所減小 ， 即散熱速度快 ， 但變化不大 。 對某結構氧化鋅避雷器 ， 計算得到環境溫度為0、20、40、60℃時的散熱時間常數分別為62.0、64.3、66.8、70min 。 加熱時間和加熱方法對散熱時間常數的影響比較大：烘箱加熱屬于整體加熱 ， 試品內部芯體和外部絕緣材料都上升到*高溫度 。 工頻加熱或方波沖擊電流加熱只是局部加熱 ， 外部傘套等其他絕緣結構的溫度并沒能隨芯體溫度同時上升或上升溫度不大 。 根據傳熱學理論 ， 熱傳導時 ， 單位時間內通過某平面的熱量與該平面附近的溫度變化率、平面面積和導熱系數成正比 ， 即：準=-λAdt/dx式（3）中準為熱流量 ， λ為導熱系數 ， A為導熱面積 ， dt/dx表示導熱面附近的溫度變化率 。 對指定試品來說 ， 導熱面積A是固定的；局部加熱時的溫度變化率dt/dx大于整體加熱；電阻片、硅橡膠和環氧筒等非金屬材料的導熱系數受溫度影響不大 ， 但比例單元兩端的金屬（鋼）電極的導熱系數隨溫度升高而降低 ， 因此局部加熱時導熱系數大于整體加熱 。 式（3）說明 ， 局部加熱時的散熱速度要比整體加熱的快 。 為驗證上述分析 ， 試驗比較了烘箱加熱與工頻加熱情況下比例單元的散熱特性 。 給出了不同加熱方式下比例單元的降溫曲線 ， 對應的試驗情況 。 試品1、試品2、試品3表示試驗順序 。 試品主要部件為：1個φ75×36電阻片、1個φ75×6測溫金屬探頭及1個φ75×1鋁墊塊 ， 外套為復合外套 ， 兩端為金屬電極 。 烘箱加熱屬于整體加熱 ， 試品內部芯體和外部絕緣材料都上升到*高溫度 ， 散熱時間常數為3.2h ， 散熱較慢；工頻加熱時 ， 散熱時間常數在40min左右 ， 不同加熱方式下散熱特性差異較大 。 另外 ， 試品3的加熱時間比試品2要長 ， 其外套溫度上升較高 ， 散熱時間常數稍大 。 *后 ， 試品1從60℃降低到25℃要超過5h ， 降低到試驗環境溫度（13℃）則需要10h以上 ， 這說明環境因素引起的溫升下 ， 氧化鋅避雷器的散熱能力很差 。 在比較比例單元和整只氧化鋅避雷器的熱等價性時要注意保證加熱方式相同 ， 加熱時間應基本一致 。 雖然單獨環境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會超過60℃ ， 但由于屬于整體加熱 ， 此時氧化鋅避雷器的散熱能力差 ， 對熱穩定性的影響不容忽視 。 還在工頻加熱方式下實測了其他幾種結構的比例單元的散熱時間常數 。 在保證比例單元使用復合外套的情況下 ， 相繼采取了取消兩端電極、兩端添加隔熱材料等結構 。 結果表明復合外套比例單元的散熱時間常數均在40min左右 ， 與前述試品相比沒有大的變化 ， 均小于整只（單節）氧化鋅避雷器的散熱時間常數 ， 不滿足熱等價性的要求 。 比例單元一般僅含有一個或少量幾個電阻片 ， 工頻加熱后電阻片溫度高于周圍介質的溫度 ， 其軸向和徑向的dt/dx都較大 ， 根據公式（2） ， 軸向和徑向的散熱能力均較強 。 但整只（節）氧化鋅避雷器含有的ZnO電阻片較多 ， 工頻加熱后所有電阻片都上升到一個較高的溫度 ， 對于中間電阻片來說 ， 其軸向dt/dx很小 ， 軸向散熱能力受到限制 ， 只有徑向散熱能力與比例單元相當 。 另外 ， 比例單元的絕緣材料與ZnO電阻片的比例大于整只（節）氧化鋅避雷器 ， 要吸收內部芯體熱量的比例也大于整只氧化鋅避雷器 。 因此 ， 如果不采取隔熱措施 ， 比例單元的散熱能力一般要強于整只（節）氧化鋅避雷器的散熱能力 。 基于以上分析 ， 進一步改變了比例單元的結構 。 將比例單元放入較大隔熱環氧筒內 ， 然后在環氧筒內比例單元四周填充隔熱材料 ， 降低比例單元的軸向和徑向散熱能力 。 結果顯示這種情況下比例單元的散熱時間常數約3.2h ， 且冷卻期間各瞬間的溫度都高于整只氧化鋅避雷器（節）的溫度 ， 滿足**標準中熱等價性的要求 。 給出了整只氧化鋅避雷器與這種比例單元的降溫曲線 。 與工頻過電壓加熱相同 ， 沖擊過電壓加熱也屬于局部加熱 ， 且加熱時間更短 。 因此其散熱速度也應快于整只氧化鋅避雷器 。 在長持續時間沖擊電流（2mS方波）加熱方式下實測了另外一種比例單元的散熱特性 ， 試品與表1中試品的主要差別在于：內部芯體由4個Φ75×22ZnO電阻片組成 ， 即內部ZnO電阻片體積較大 。 結果顯示與工頻加熱差異不大 ， 散熱時間常數在40min左右 。
3理論計算研究
氧化鋅避雷器在實際運行中遇到的工況復雜多變 ， 內部零部件對其散熱性能的影響不一致 ， 因此 ， 要準確計算氧化鋅避雷器的散熱能力是比較困難的 ， 迄今為止只有部分文獻理論計算了氧化鋅避雷器的散熱能力 。 運用工程有限元分析軟件ANSYS計算研究了氧化鋅避雷器的散熱能力 ， 結果與實測值基本吻合 ， 能夠作為進一步研究的參考 。 傳熱學理論認為 ， 熱量的傳遞有三種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射 。 實際物體中三種熱量傳遞方式一般是同時起作用的 ， 只是不同的物體起主要作用的熱量傳遞方式可能不同而已 。 理論計算表明 ， 對氧化鋅避雷器或其比例單元的散熱來說 ， 熱傳導和熱對流是主要的 。
4結論
（1）不同加熱方式下 ， 氧化鋅避雷器比例單元的散熱特性不同 。 在驗證氧化鋅避雷器與其比例單元的熱等價性時要注意采取相同的加熱方式 ， 保證加熱時間基本一致 。
（2）雖然單獨環境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會超過60℃ ， 但由于屬于整體加熱 ， 氧化鋅避雷器的散熱能力差 ， 對熱穩定性的影響不容忽視 。 實測表明 ， 整體加熱時比例單元從60℃降低到試驗環境溫度（13℃）需要10h 。
（3）工頻過電壓加熱和沖擊過電壓加熱都屬于局部加熱 ， 散熱時間常數均小于整體加熱 。
（4）一般比例單元的軸向散熱能力強于整只（節）氧化鋅避雷器 。 為了保證熱等價性 ， 制作比例單元時要注意限制其軸向散熱能力 ， 保證比例單元與實際避雷器的散熱特性相似 。
（5）運用工程有限元分析軟件ANSYS計算氧化鋅避雷器的散熱特性 ， 實測曲線與計算曲線趨勢一致 ， 實測與計算的散熱時間常數基本吻合 ， 能夠作為進一步研究的輔助手段 。
【氧化鋅避雷器散熱特性及氧化鋅避雷器散熱試驗方法】