氧化鋅避雷器散熱特性及氧化鋅避雷器散熱試驗(yàn)方法
1.試驗(yàn)方法
氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)受到各種電、熱等效應(yīng)的作用，使得其內(nèi)部芯體和表面溫度升高，這些導(dǎo)致氧化鋅避雷器溫升的因素主要包括如下幾個(gè)方面：
（1）系統(tǒng)工頻過電壓或持續(xù)運(yùn)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(yán)酷環(huán)境條件，如強(qiáng)太陽(yáng)光輻照、環(huán)境高溫、污穢等。持續(xù)運(yùn)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(huán)境條件，曾有實(shí)測(cè)指出：太陽(yáng)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(dá)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(wěn)定性的主要因素，環(huán)境對(duì)氧化鋅避雷器溫度升高及熱穩(wěn)定性的影響也不容忽視?；谏鲜鲆鹧趸\避雷器溫度升高的各種因素，試驗(yàn)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(yàn)時(shí)運(yùn)用光纖布拉格光柵傳感器技術(shù)測(cè)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(guī)的熱敏電阻、熱電偶等電子類傳感器相比具有可帶電測(cè)量、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率變化，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期變化。當(dāng)其所處的溫度場(chǎng)變化時(shí)，溫度與光纖光柵波長(zhǎng)變化的關(guān)系為：ΔλB/λB=(ξ α)ΔT(1)式中ξ為光纖的熱光系數(shù)，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，二者基本為常數(shù)。粗略測(cè)量時(shí)可以認(rèn)為波長(zhǎng)λB與溫度呈線性關(guān)系，精度要求較高時(shí)可分段標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)傳感器測(cè)溫探頭置于與電阻片緊鄰的金屬墊塊內(nèi)，測(cè)到的溫度作為電阻片的溫度處理。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1散熱時(shí)間常數(shù)
工程上常用散熱時(shí)間常數(shù)τ來(lái)衡量物體的散熱能力。無(wú)其他熱源時(shí)，氧化鋅避雷器降溫的溫度時(shí)間關(guān)系基本滿足指數(shù)函數(shù)：T(t)=(T0-Tα)×e-t/π Tα(2)式（2）中：T（t）為時(shí)刻t的溫度，T0為任意的起始溫度，一般從T0=120℃或試驗(yàn)過程中的*高溫度開始計(jì)時(shí)，Tα為環(huán)境溫度，為散熱時(shí)間常數(shù)。當(dāng)溫度由T=T0降低到T=(T0-Tα)/e Tα?xí)r，認(rèn)為經(jīng)過了一個(gè)時(shí)間常數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以求出氧化鋅避雷器的散熱時(shí)間常數(shù)。需要指出的是，散熱時(shí)間常數(shù)的概念能簡(jiǎn)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(yōu)劣。但是氧化鋅避雷器散熱時(shí)的降溫曲線并不嚴(yán)格遵循公式（2），比例單元與整只氧化鋅避雷器的熱等價(jià)性應(yīng)按照**標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求利用降溫曲線比較各個(gè)點(diǎn)的溫度來(lái)確定。
2.2整只氧化鋅避雷器的散熱特性
試品為500kV復(fù)合外套型電站用氧化鋅避雷器中的一節(jié)，外套材料為硅橡膠，外套與電阻片之間填充高分子材料，內(nèi)部沒有氣體間隙。ZnO電阻片為餅狀，規(guī)格為Φ75×36。工頻電流由500kV試驗(yàn)變壓器提供，試驗(yàn)期間電流峰值約為15mA，呈阻性電流，持續(xù)時(shí)間約20min。試驗(yàn)時(shí)按GB11032-2000的要求，測(cè)溫探頭布置在距頂部為氧化鋅避雷器長(zhǎng)度的1/3～1/2之間。試驗(yàn)期間環(huán)境溫度約6℃，測(cè)到的探頭處ZnO電阻片*高溫度約124℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，此整只氧化鋅避雷器的散熱時(shí)間常數(shù)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(huán)境溫度、加熱方法和加熱時(shí)間、試品結(jié)構(gòu)等。通過有限元法計(jì)算指出：隨環(huán)境溫度降低散熱時(shí)間常數(shù)有所減小，即散熱速度快，但變化不大。對(duì)某結(jié)構(gòu)氧化鋅避雷器，計(jì)算得到環(huán)境溫度為0、20、40、60℃時(shí)的散熱時(shí)間常數(shù)分別為62.0、64.3、66.8、70min。加熱時(shí)間和加熱方法對(duì)散熱時(shí)間常數(shù)的影響比較大：烘箱加熱屬于整體加熱，試品內(nèi)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(jié)構(gòu)的溫度并沒能隨芯體溫度同時(shí)上升或上升溫度不大。根據(jù)傳熱學(xué)理論，熱傳導(dǎo)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)成正比，即：準(zhǔn)=-λAdt/dx式（3）中準(zhǔn)為熱流量，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，A為導(dǎo)熱面積，dt/dx表示導(dǎo)熱面附近的溫度變化率。對(duì)指定試品來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱面積A是固定的；局部加熱時(shí)的溫度變化率dt/dx大于整體加熱；電阻片、硅橡膠和環(huán)氧筒等非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度影響不大，但比例單元兩端的金屬（鋼）電極的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，因此局部加熱時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)大于整體加熱。式（3）說(shuō)明，局部加熱時(shí)的散熱速度要比整體加熱的快。為驗(yàn)證上述分析，試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)情況。試品1、試品2、試品3表示試驗(yàn)順序。試品主要部件為：1個(gè)φ75×36電阻片、1個(gè)φ75×6測(cè)溫金屬探頭及1個(gè)φ75×1鋁墊塊，外套為復(fù)合外套，兩端為金屬電極。烘箱加熱屬于整體加熱，試品內(nèi)部芯體和外部絕緣材料都上升到*高溫度，散熱時(shí)間常數(shù)為3.2h，散熱較慢；工頻加熱時(shí)，散熱時(shí)間常數(shù)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(shí)間比試品2要長(zhǎng)，其外套溫度上升較高，散熱時(shí)間常數(shù)稍大。*后，試品1從60℃降低到25℃要超過5h，降低到試驗(yàn)環(huán)境溫度（13℃）則需要10h以上，這說(shuō)明環(huán)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(jià)性時(shí)要注意保證加熱方式相同，加熱時(shí)間應(yīng)基本一致。雖然單獨(dú)環(huán)境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會(huì)超過60℃，但由于屬于整體加熱，此時(shí)氧化鋅避雷器的散熱能力差，對(duì)熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。還在工頻加熱方式下實(shí)測(cè)了其他幾種結(jié)構(gòu)的比例單元的散熱時(shí)間常數(shù)。在保證比例單元使用復(fù)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(jié)構(gòu)。結(jié)果表明復(fù)合外套比例單元的散熱時(shí)間常數(shù)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(jié)）氧化鋅避雷器的散熱時(shí)間常數(shù)，不滿足熱等價(jià)性的要求。比例單元一般僅含有一個(gè)或少量幾個(gè)電阻片，工頻加熱后電阻片溫度高于周圍介質(zhì)的溫度，其軸向和徑向的dt/dx都較大，根據(jù)公式（2），軸向和徑向的散熱能力均較強(qiáng)。但整只（節(jié)）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(gè)較高的溫度，對(duì)于中間電阻片來(lái)說(shuō)，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(dāng)。另外，比例單元的絕緣材料與ZnO電阻片的比例大于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器，要吸收內(nèi)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(qiáng)于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器的散熱能力。基于以上分析，進(jìn)一步改變了比例單元的結(jié)構(gòu)。將比例單元放入較大隔熱環(huán)氧筒內(nèi)，然后在環(huán)氧筒內(nèi)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(jié)果顯示這種情況下比例單元的散熱時(shí)間常數(shù)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(jié)）的溫度，滿足**標(biāo)準(zhǔn)中熱等價(jià)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(shí)間更短。因此其散熱速度也應(yīng)快于整只氧化鋅避雷器。在長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間沖擊電流（2mS方波）加熱方式下實(shí)測(cè)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(nèi)部芯體由4個(gè)Φ75×22ZnO電阻片組成，即內(nèi)部ZnO電阻片體積較大。結(jié)果顯示與工頻加熱差異不大，散熱時(shí)間常數(shù)在40min左右。
3理論計(jì)算研究
氧化鋅避雷器在實(shí)際運(yùn)行中遇到的工況復(fù)雜多變，內(nèi)部零部件對(duì)其散熱性能的影響不一致，因此，要準(zhǔn)確計(jì)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(xiàn)理論計(jì)算了氧化鋅避雷器的散熱能力。運(yùn)用工程有限元分析軟件ANSYS計(jì)算研究了氧化鋅避雷器的散熱能力，結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，能夠作為進(jìn)一步研究的參考。傳熱學(xué)理論認(rèn)為，熱量的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。實(shí)際物體中三種熱量傳遞方式一般是同時(shí)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(jì)算表明，對(duì)氧化鋅避雷器或其比例單元的散熱來(lái)說(shuō)，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是主要的。
4結(jié)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(yàn)證氧化鋅避雷器與其比例單元的熱等價(jià)性時(shí)要注意采取相同的加熱方式，保證加熱時(shí)間基本一致。
（2）雖然單獨(dú)環(huán)境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會(huì)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(duì)熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。實(shí)測(cè)表明，整體加熱時(shí)比例單元從60℃降低到試驗(yàn)環(huán)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(shí)間常數(shù)均小于整體加熱。
（4）一般比例單元的軸向散熱能力強(qiáng)于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器。為了保證熱等價(jià)性，制作比例單元時(shí)要注意限制其軸向散熱能力，保證比例單元與實(shí)際避雷器的散熱特性相似。
（5）運(yùn)用工程有限元分析軟件ANSYS計(jì)算氧化鋅避雷器的散熱特性，實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算曲線趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)與計(jì)算的散熱時(shí)間常數(shù)基本吻合，能夠作為進(jìn)一步研究的輔助手段。
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