图1脱离器时间电流特性曲线

     1．2　MOA阀片的能量吸收能力
    近区雷击时，在接近避雷器安装处遭受直接雷击或者发生反击时，通过避雷器的电流比较大。避雷器的能量吸收能力包括大电流冲击特性和长持续时间电流冲击特性。目前国内生产的MOA阀片的小电流冲击特性和国外产品水平相差不多，但是在能量吸收能力和残压比等大电流冲击特性方面仍有较大差距，尤其是能量吸收能力。MOA阀片的能量吸收能力W V 表达为

W_V ＝W/ V＝/ V＝4KI _S U _S T/πd ² l                (1)

    式中K—— 冲击电流波形系数；
        I S —— 冲击电流峰值；
        U S —— 残压；
        T—— 冲击电流持续时间；
        d—— 电阻片直径
        l——电阻片厚度。
    根据式(1)可以计算得出国外产品的2ms 方波(长持续时间电流冲击)和4/10μs大电流冲击的能量吸收能力分别比国内产品高出30％和50％ [2] 。因此人们把研究的焦点集中于提高MOA阀片的能量吸收能力上。
    根据文献记载，全世界50％的雷电流大约37kA，而每回第二次来雷时，都至少包括两次闪击。尽管这样的雷击释放能量不高，即使产生电压处于最低值，但对金属氧化物避雷器(MOA)来说，也会反复出现反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。
    随着中压电网中电缆线路增多，因雷电和操作过电压在电网中存贮了较多的能量，因此在电缆末端的套管上或架空线引入处必须安装避雷器进行保护。这就要求避雷器尽可能地提高其能量吸收能力，以保证电气设备的安全可靠地运行。
    线路避雷器所处的位置距雷击点更近使之更易受雷电流冲击，因而对线路避雷器比常规的电站避雷器要求吸收更多的能量。文献[3]的研究表明，对于相对保护水平较高的线路放电等级1、2级的避雷器，大电流冲击试验的能量吸收能力才可与长持续电流冲击相比，并提供了每次长持续电流冲击试验中吸收的能量近似值(见表2)[3] 。
    从表1可知，美标比IEC标准和国标要求严格，因而选择美标的特性参数作为试验依据。本公司的MOA阀片D3、D4的能量吸收能力分别为2、3KJ/KV，其对应的试验波形图见图2～5。

表1　脱离器特征参数对照表

标准类别 大电流短持续时间试验 小电流长持续时间试验 负载循环试验 污秽试验 脱离器时间电流特性试验 避雷器等级/kA 电流峰值(4/10μs)/kA 避雷器等级/kA 电流峰值(2ms )/A 美标 10
5 100
65 10
5 250
75 要求进行该项试验 要求进行该项试验，但未明确规定具体的附盐密度 取20，80，200，800A4种电流水平，每种电流水平试5只试品，计20只试品 IEC标准 5 65 5 75 不要求进行该项试验 取20，200，800A3种电流水平，每种电流水平试5只试品，计15只试品 国标 5
5 65
65 5
5 150
75

表2长持续电流冲击试验避雷器能量数据线

线路放电等级

每次冲击能量/kJ(kV) ^－1

图2 4/10μs大冲击电流波形图(试品D3阀片)T ₁ ＝3．96μs；T ₂ ＝9．9μs；I_p＝66．1kA；
K＝15％；D3×22．6，充电电压65．7kV

图3 4/10μs大冲击电流波形图(试品D4阀片)T ₁ ＝3．96μs；T ₂ ＝9．9μs；I_p＝100．6kA；
K＝8％；D4×26，充电电压94．8kV

    由式(1)表明MOA阀片的能量吸收能力与阀片直径成反比，阀片的直径愈大，其相应的能量吸收能力反而小。换言之，对于相同的冲击电流峰值，直径小一些的阀片其单位体积的能量耐受能力强。本公司生产的5kA避雷器用D3阀片(Ф33mm)，10kA避雷器用D4阀片(Ф42mm)。试验结果表明本公司的D3和D4阀片的能量吸收能力已达到先进水平。
    1．3压力释放装置的性能研究
    当避雷器出现内部故障时，故障电弧造成气体膨胀使瓷套内部的气压激增，导致压力释放装置的薄弱环节被迅速冲破，将内部短路电弧引至瓷套外部闪络，从而使瓷套不发生破坏或爆炸性的破坏。
    故障电弧电压U a 可表示为 [4]

U _a ＝E _a l _a      (2)

    式中，E _a  为电弧电压梯度(V/cm)；l_a  为电弧长度(cm)。电弧能量Q(J)为 [5]

Q＝U _a Itη        (3)

    式中，I为短路电流有效值(A)；t为电弧燃烧时间(s)；η为效率系数。
    假定短路电流取I＝5000A，电弧长度为60cm，燃弧时间t＝0．2s，电弧能量全部用于加热气体且均匀分布，取η＝1，大气中电弧电压梯度E a 为10～20V/cm，可估算出电弧能量Q约在600～1200kJ范围内。
    文献[4研究表明，空气中稳定的故障电弧的电位梯度在大电流范围内约为10～20V/cm，但随着电弧运动速度，电弧所处的环境参数等的改变而增加。发生在固体或液体绝缘中的故障电弧的电位梯度远高于空气中的电弧电位梯度，这意味着释放的电弧能量比上面的估算值还要高。因此，对压力释放装置的性能研究重点要解决下述几点问题：
    (1)研究瓷套在耐受压力释放试验时应不产生爆炸性破坏所具有的抗冲击强度。
    (2)研究避雷器故障时将瓷套内部产生的高温及高压气体迅速地引到瓷套外部闪络的环节的设计，即压力释放装置的薄弱环节设计。
    (3)本产品为具有脱离器与压力释放装置双功能结构，因而需在压力释放装置中心处设计带有脱离器。
    (4)脱离器用的导电胶的参数确定及研制。

图4 2ms 方波冲击电流波形图(试品D3阀片)T ₁₀ ＝2752μs；T₉₀ ＝2110μs；I_p＝151．7A；
T ₁₀ /T ₉₀ ＝1．3；D3×22．2，充电电压8．7kV

图5 2ms 方波冲击电流波形图(试品D4阀片)T ₁₀ ＝2744μs；T ₉₀ ＝2112μs；I_p＝254．6A；
T ₁₀ /T ₉₀ ＝1．3；D4×30．1，充电电压12．4kV

    上面假定电弧长度取60cm，是由于电弧会有不同程度的拉长，实际电弧的长度要大于产生电弧的两电极间的直线距离。同时基于考虑对压力释放试验要求在给定型式和结构的最高电压额定值上进行，而相同型式和结构的低电压元件无须试验。这一条款不论是美标、IEC标准以及国标均规定一致。为了使本产品既能适用于出口(用于36kV电网)，也能在国内35kV电网中采用，因此按国内35kV电力系统用的避雷器额定电压已提高到51kV，选择试品的参数为：持续运行电压为40.8kV，直流1mA参考电压73kV，5kA等级。试验依据美国国家标准ANSI /IEEE C62．11－1987《交流电力系统用金属氧化物避雷器》，试验波形见图6、7。

图6 试验波形(10kV、5kA)

图7试验波形(400～600A)

    试验结果：大电流压力释放试验，试验电流5kA，持续时间0．24s。小电流压力释放试验，试验电流500A，持续时间1．3s。2种电流压力释放试验，均正常释放，试验后进行检查，试品外套保持完整，脱落的试品零件保留在围栏之内。试验合格。
    2 结论
    (1)比较美标、IEC标准和国标3种标准中的技术参数，美标比IEC标准和国标要求严格。
    (2)MOA阀片的能量吸收能力与阀片直径成反比，对相同的冲击电流峰值，直径小的阀片其单位体积的能量吸收能力强。本文介绍的由本公司生产的D3和D4阀片的能量吸收能力已达到国际先进水平。
    (3)本产品依据美标进行试验，经电力部电力设备及仪表质量检验测试中心试验，全部合格。经福建省科技信息研究所查询，鉴定委员会认为，具有脱离器与压力释放装置双功能结构的新型金属氧化物避雷器，属于国内首创，主要技术性能指标达到国际同类产品水平。
    参考文献
     1严增容，陈绍疆．避雷器脱离器的研究与试制．电网技术，1998，22，(7)
    2李建英，胡楠，李盛涛等．提高ZnO压敏电阻片能量耐受能力的方法与途径．电瓷避雷器，1998，(2)
    3Stenstr om L，Lundquist J．输电线路避雷器整体雷电放电分布下的能量应力．电瓷避雷器译丛，1999，(46)
    4古金国，徐国政，钱家骊．故障电弧特性．高压电器，1999，(6)
    5喻建良，王淑兰，周一卉．封闭电器用爆破片选型与设计．高压电器，1999，(6)