1.試驗辦法

氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中會遭到各種電、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要素主要包括如下幾個方面。

（1）系統(tǒng)工頻過電壓或繼續(xù)運轉(zhuǎn)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)厲環(huán)境條件，如強太陽光輻照、環(huán)境高溫、污穢等。繼續(xù)運轉(zhuǎn)電壓下經(jīng)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首要要素；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能夠達到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(wěn)定性的首要要素，環(huán)境對氧化鋅避雷器溫度升高及熱穩(wěn)定性的影響也不容忽視。根據(jù)上述引起氧化鋅避雷器溫度升高的各種要素，試驗研討了工頻加熱、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(shù)丈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慣例的熱敏電阻、熱電偶等電子類傳感器比較具有可帶電丈量、靈敏度高、呼應(yīng)速度快等長處。熱光效應(yīng)引起光纖光柵的有效折射率改動，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期改動。當(dāng)其所處的溫度場改動時，溫度與光纖光柵波長改動的聯(lián)絡(luò)為：ΔλB/λB=(ξα)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)，二者底子為常數(shù)。粗略丈量時能夠以為波長λB與溫度呈線性聯(lián)絡(luò)，精度要求較高時可分段標(biāo)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(nèi)，測到的溫度作為電阻片的溫度處理。

2試驗作用及分析

2.1散熱時間常數(shù)

工程上常用散熱時間常數(shù)τ來衡量物體的散熱性能。無其他熱源時，氧化鋅避雷器降溫的溫度時間聯(lián)絡(luò)底子滿足指數(shù)函數(shù)：T(t)=(T0-Tα)×e-t/πTα(2)式（2）中：T（t）為時間t的溫度，T0為恣意的開始溫度，一般從T0=120℃或試驗過程中的*高溫度開端計時，Tα為環(huán)境溫度，為散熱時間常數(shù)。當(dāng)溫度由T=T0下降到T=(T0-Tα)/eTα時，以為經(jīng)過了一個時間常數(shù)。根據(jù)試驗作用能夠求出氧化鋅避雷器的散熱時間常數(shù)。需求指出的是，散熱時間常數(shù)的概念能簡單描繪氧化鋅避雷器的散熱性能，比較各種氧化鋅避雷器及其比例元散熱特性的優(yōu)劣?？墒茄趸\避雷器散熱時的降溫曲線并不嚴(yán)厲遵循公式（2），比例單元與整只氧化鋅避雷器的熱等價性應(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點的溫度來確認(rèn)。

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)部沒有氣體空地。ZnO電阻片為餅狀，規(guī)格為Φ75×36。工頻電流由500kV試驗變壓器供應(yīng)，試驗期間電流峰值約為15mA，呈阻性電流，繼續(xù)時間約20min。試驗時按GB11032-2000的要求，測溫探頭安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(huán)境溫度約6℃，測到的探頭處ZnO電阻片*高溫度約124℃。試驗作用標(biāo)明，此整只氧化鋅避雷器的散熱時間常數(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要素許多，如環(huán)境溫度、加熱辦法和加熱時間、試品結(jié)構(gòu)等。經(jīng)過有限元法核算指出：隨環(huán)境溫度下降散熱時間常數(shù)有所減小，即散熱速度快，但改動不大。對某結(jié)構(gòu)氧化鋅避雷器，核算得到環(huán)境溫度為0、20、40、60℃時的散熱時間常數(shù)分別為62.0、64.3、66.8、70min。加熱時間和加熱辦法對散熱時間常數(shù)的影響比較大：烘箱加熱歸于整體加熱，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部分加熱，外部傘套等其他絕緣結(jié)構(gòu)的溫度并沒能隨芯體溫度一同上升或上升溫度不大。根據(jù)傳熱學(xué)理論，熱傳導(dǎo)時，單位時間內(nèi)經(jīng)過某平面的熱量與該平面鄰近的溫度改動率、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標(biāo)明導(dǎo)熱面鄰近的溫度改動率。對指定試品來說，導(dǎo)熱面積A是固定的；部分加熱時的溫度改動率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)隨溫度升高而下降，因此部分加熱時導(dǎo)熱系數(shù)大于整體加熱。式（3）闡明，部分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。給出了不同加熱辦法下比例單元的降溫曲線，對應(yīng)的試驗情況。試品1、試品2、試品3標(biāo)明試驗次序。試品首要部件為：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(fù)合外套，兩端為金屬電極。烘箱加熱歸于整體加熱，試品內(nèi)部芯體和外部絕緣材料都上升到*高溫度，散熱時間常數(shù)為3.2h，散熱較慢；工頻加熱時，散熱時間常數(shù)在40min左右，不同加熱辦法下散熱特性差異較大。別的，試品3的加熱時間比賽品2要長，其外套溫度上升較高，散熱時間常數(shù)稍大。*后，試品1從60℃下降到25℃要逾越5h，下降到試驗環(huán)境溫度（13℃）則需求10h以上，這闡明環(huán)境要素引起的溫升下，氧化鋅避雷器的散熱性能很差。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辦法相同，加熱時間應(yīng)底子一同。雖然單獨環(huán)境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會逾越60℃，但由于歸于整體加熱，此時氧化鋅避雷器的散熱性能差，對熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。還在工頻加熱辦法下實測了其他幾種結(jié)構(gòu)的比例單元的散熱時間常數(shù)。在保證比例單元運用復(fù)合外套的情況下，相繼采納了吊銷兩端電極、兩端增加隔熱材料等結(jié)構(gòu)。作用標(biāo)明復(fù)合外套比例單元的散熱時間常數(shù)均在40min左右，與前述試品比較沒有大的改動，均小于整只（單節(jié)）氧化鋅避雷器的散熱時間常數(shù)，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(zhì)的溫度，其軸向和徑向的dt/dx都較大，根據(jù)公式（2），軸向和徑向的散熱性能均較強。但整只（節(jié)）氧化鋅避雷器含有的ZnO電阻片較多，工頻加熱后全部電阻片都上升到一個較高的溫度，關(guān)于中心電阻片來說，其軸向dt/dx很小，軸向散熱性能遭到束縛，只要徑向散熱性能與比例單元恰當(dāng)。別的，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，假如不采納隔熱措施，比例單元的散熱性能一般要強于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器的散熱性能。根據(jù)以上分析，進一步改動了比例單元的結(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，下降比例單元的軸向和徑向散熱性能。作用顯現(xiàn)這種情況下比例單元的散熱時間常數(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，沖擊過電壓加熱也歸于部分加熱，且加熱時間更短。因此其散熱速度也應(yīng)快于整只氧化鋅避雷器。在長繼續(xù)時間沖擊電流（2mS方波）加熱辦法下實測了別的一種比例單元的散熱特性，試品與表1中試品的首要不同在于：內(nèi)部芯體由4個Φ75×22ZnO電阻片組成，即內(nèi)部ZnO電阻片體積較大。作用顯現(xiàn)與工頻加熱差異不大，散熱時間常數(shù)在40min左右。

3理論核算研討

氧化鋅避雷器在實踐運轉(zhuǎn)中遇到的工況復(fù)雜多變，內(nèi)部零部件對其散熱性能的影響不一同，因此，要精確核算氧化鋅避雷器的散熱性能是比較困難的，迄今為止只要部分文獻理論核算了氧化鋅避雷器的散熱性能。運用工程有限元分析軟件ANSYS核算研討了氧化鋅避雷器的散熱性能，作用與實測值底子契合，能夠作為進一步研討的參閱。傳熱學(xué)理論以為，熱量的傳遞有三種底子辦法：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實踐物體中三種熱量傳遞辦法一般是一同起作用的，只是不同的物體起首要作用的熱量傳遞辦法可能不同而已。理論核算標(biāo)明，對氧化鋅避雷器或其比例單元的散熱來說，熱傳導(dǎo)和熱對流是首要的。

4結(jié)論

（1）不同加熱辦法下，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納相同的加熱辦法，保證加熱時間底子一同。

（2）雖然單獨環(huán)境作用下氧化鋅避雷器的溫度一般不會逾越60℃，但由于歸于整體加熱，氧化鋅避雷器的散熱性能差，對熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。實測標(biāo)明，整體加熱時比例單元從60℃下降到試驗環(huán)境溫度（13℃）需求10h。

（3）工頻過電壓加熱和沖擊過電壓加熱都歸于部分加熱，散熱時間常數(shù)均小于整體加熱。

（4）一般比例單元的軸向散熱性能強于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器。為了保證熱等價性，制作比例單元時要注意束縛其軸向散熱性能，保證比例單元與實踐避雷器的散熱特性相似。

（5）運用工程有限元分析軟件ANSYS核算氧化鋅避雷器的散熱特性，實測曲線與核算曲線趨勢一同，實測與核算的散熱時間常數(shù)底子契合，能夠作為進一步研討的輔助手法。