劉凌云，李志恒，張吳欣，司偉康，柳建軍

(1 湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；2 襄陽市三三電氣有限公司，湖北 襄陽 441000)

為提高電能傳輸效率，輸電線路的運行電壓等級越來越高。隨著電壓等級的大幅度提高，輸配電線路、電氣設(shè)備、變電站等的安全運行問題也變得日益突出[1-3]。保護(hù)電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運行，免遭操作過電壓和大氣過電壓的侵害就顯得極為重要,而復(fù)合絕緣外套無間隙氧化鋅避雷器作為一種限制過電壓的保護(hù)設(shè)備便具備這樣的功能[4-7]。由于氧化鋅閥片具有良好的非線性伏安特性，它正常工作電壓下避雷器呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，流過避雷器的電流僅有幾百微安，但當(dāng)過電壓超過其規(guī)定的動作電壓時，避雷器立即動作變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，流過避雷器的電流瞬間升高至數(shù)千安培，釋放過電壓能量，使電氣設(shè)備免受過電壓的侵害[8]。

根據(jù)韓社教等人的研究，雜散電容的存在使得避雷器內(nèi)部電阻片電位分布極不均勻，并且隨著避雷器電壓等級和本體高度的增加而愈加嚴(yán)重。長期承受不均勻電位分布會加速電阻片的老化，甚至?xí)?dǎo)致整個避雷器的損毀[9-12]。在避雷器高壓端和接地端長期承受著過高、甚至大于平均值數(shù)倍的電場強(qiáng)度，會加速復(fù)合硅橡膠絕緣外套的老化，在沖擊過電壓等惡劣運行情況下甚至?xí)粨舸p壞。所以外部絕緣材料的使用壽命同樣會影響到避雷器的安全穩(wěn)定運行，而改善避雷器外部絕緣材料面臨的局部場強(qiáng)過大，場強(qiáng)分布不均是目前亟待解決的問題。

1 樣品制備與測試

1.1 非線性電導(dǎo)材料樣品的制備

使用某公司生產(chǎn)的ZnO壓敏電阻粉體和道康寧某加成型液體硅橡膠為原料制備非線性電導(dǎo)材料樣品。ZnO壓敏粉體是以ZnO為主體，配以一定微量的Ni2O3、Bi2O3、MnCO3、Cr2O3等材料混合制成的。本次所用ZnO壓敏粉體原料為經(jīng)過噴霧造粒工藝之后的灰色粉料，樣品制備的實驗步驟如下：

1)燒結(jié)：將ZnO壓敏粉體放置在馬弗爐進(jìn)行燒結(jié)。

2)研磨與過篩：使用瑪瑙研磨器對燒結(jié)好的ZnO壓敏粉料進(jìn)行研磨處理，然后用200目網(wǎng)篩進(jìn)行過篩，得到均勻粒徑的ZnO壓敏粉體。

3)混料與攪拌：將過篩后的ZnO壓敏粉體按一定體積比與液體硅橡膠進(jìn)行混合，并且使用大功率磁力攪拌器將其攪拌均勻，確保其不出現(xiàn)因填料沉降而導(dǎo)致的混合不均勻現(xiàn)象。

4)注模與抽真空：將攪拌均勻的混合物倒入模具中，然后放置在真空干燥箱中連續(xù)抽真空。

5)硫化：將真空處理后的模具放置在電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在150℃的溫度下硫化20 min。

6)鍍電極：使用北京世紀(jì)久泰公司SP-530磁控濺射儀對其表面鍍銀電極。

最后制得體積比分別為10%、20%、30%、40%、50%的圓形ZnO-硅橡膠復(fù)合物，它們的直徑與厚度均分別為：30 mm、0.5 mm。

1.2 樣品的非線性電導(dǎo)測試

樣品電導(dǎo)特性測試由美國PolyK Technologies公司的PK-SPIV16高壓介電擊穿測試系統(tǒng)完成，測試前先將樣品放置在真空干燥箱中干燥24 h，然后在室溫條件下測得樣品在0～1250 V直流電壓下的電流，每50 V為一個測試電壓。單個電壓下測試5 min，取電流數(shù)據(jù)平均值。

1.3 結(jié)果分析

對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，以電場強(qiáng)度與電導(dǎo)率對其電導(dǎo)特性進(jìn)行表征，五種體積比的樣品的實測電導(dǎo)特性如圖1所示。可以看出在0～2.5 kV/mm場強(qiáng)范圍內(nèi)10%、20%樣品基本不具備非線性電導(dǎo)特性，而30%、40%、50%樣品具有較好的非線性電導(dǎo)特性，其電導(dǎo)率隨著電場強(qiáng)度的提高而增大，將電導(dǎo)率出現(xiàn)突變的電場強(qiáng)度稱為臨界場強(qiáng)E0，一旦到達(dá)臨界場強(qiáng)，具備這種非線性電導(dǎo)特性材料的電導(dǎo)率將獲得幾個數(shù)量級的增長。通過圖1可以看出，雖然30%、40%、50%樣品都具有非線性電導(dǎo)特性，但其臨界場強(qiáng)卻有差異，30%樣品的E0出現(xiàn)在2.1 kV/mm附近，40%、50%樣品的E0則分別出現(xiàn)在1.15 kV/mm、0.60 kV/mm左右。

圖 1 非線性電導(dǎo)材料的電導(dǎo)率與電場強(qiáng)度關(guān)系

2 仿真模型

避雷器模型主要由ZnO電阻閥片、絕緣筒、硅橡膠復(fù)合外套、連接金具4部分組成。圖2為避雷器二維軸對稱模型，該型避雷器絕緣距離725 mm，爬電距離為2962 mm(閥片70 mm, 筒體直徑78 mm, 硫化直徑86 mm, 大傘直徑76 mm, 小傘直徑146 mm, 總長直徑 912 mm)。材料參數(shù)見表1。用有限元法軟件COMSOL建立二維軸對稱模型，利用電場模塊對避雷器進(jìn)行仿真。為了改善避雷器兩端分布極不均勻的場強(qiáng)，對高壓端和接地端附近的硅橡膠外套用非線性電導(dǎo)材料進(jìn)行替換，以此獲得改善端部電場強(qiáng)度不均勻分布的效果，降低局部過高場強(qiáng)。

表1 材料性能參數(shù)

圖 2 避雷器二維軸對稱模型

依據(jù)材料特性的不同，建立4種仿真模型：模型A，絕緣外套全部為硅橡膠固定電導(dǎo)材料；模型B，端部硅橡膠外套替換為30%樣品參數(shù)的非線性電導(dǎo)材料；模型C，端部硅橡膠外套替換為40%樣品參數(shù)的非線性電導(dǎo)材料；模型D，端部硅橡膠外套替換為50%樣品參數(shù)的非線性電導(dǎo)材料。參考線1為絕緣筒與硅橡膠交界處沿線，參考線2為硅橡膠外套沿線(不含大小傘裙，距離絕緣筒外層4 mm，且與之平行)。

3 仿真結(jié)果及分析

對上述4種仿真模型進(jìn)行仿真，物理場類型為AC/DC電流模塊，邊界設(shè)為零電位。使用交流穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解，設(shè)定110 kV交流激勵電壓，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分。圖3為全部采用硅橡膠材料時的避雷器整體場強(qiáng)分布圖，從圖中可以看出避雷器場強(qiáng)分布極不均勻，并且端部電場強(qiáng)度過大，尤其是在金具與硅橡膠外套連接處(記為R1)、金具與絕緣筒和硅橡膠外套這三部分的交界處(記為R2)。由圖4所示的仿真結(jié)果，采用非線性電導(dǎo)材料對端部硅橡膠材料進(jìn)行局部替換后，高壓端的R1,R2區(qū)域的場強(qiáng)明顯下降，未局部替換的A模型R1、R2區(qū)域的Emax分別為1.40 MV/m, 0.95 MV/m，而局部替換后B模型R1,R2區(qū)域的Emax分別為1.40 MV/m, 0.95 MV/m，C模型R1,R2區(qū)域的Emax分別為1.20 MV/m,0.82 MV/m，D模型R1,R2區(qū)域的Emax分別為1.10 MV/m, 0.75 MV/m。

圖 3 A模型整體場強(qiáng)分布

(a)A模型的高壓端場強(qiáng)

由于非線性電導(dǎo)材料中，電導(dǎo)率參數(shù)與空間場強(qiáng)大小呈現(xiàn)非線性的函數(shù)關(guān)系，在場強(qiáng)集中且過高的區(qū)域，材料電導(dǎo)率增加，局部分壓減小。具有自適應(yīng)地調(diào)控場強(qiáng)分布的功能，實現(xiàn)區(qū)域場強(qiáng)趨于均勻，而且能有效降低局部過高場強(qiáng)。

圖5是4種模型的沿爬電距離的電場強(qiáng)度分布圖。可以看出其場強(qiáng)分布與整個避雷器的場強(qiáng)分布一樣，存在部分區(qū)域場強(qiáng)過大、分布極不均勻的情況。使用固定電導(dǎo)材料的A模型的高壓端和接地端的最大場強(qiáng)Emax分別為1.21 MV/m, 1.08 MV/m，使用非線性電導(dǎo)材料替換后，C模型的高壓端和接地端最大場強(qiáng)Emax分別為0.92 MV/m, 0.82 MV/m，D模型的高壓端和接地端最大場強(qiáng)Emax分別僅為0.81 MV/m, 0.78 MV/m。避雷器兩端的最大場強(qiáng)明顯降低，較好地改善了高壓端和接地端的場強(qiáng)分布。

(a)A模型沿爬電距離場強(qiáng)分布

表2分別是四種模型的不同幾何位置的最大電場強(qiáng)度值Emax、平均電場強(qiáng)度值Eav、以及電場不均勻度(Emax與Eav的比值)。首先以爬電距離沿線的場強(qiáng)參數(shù)為例，未局部替換時A模型的最大電場強(qiáng)度Emax高達(dá)1.21MV/m，而其平均電場強(qiáng)度值Eav卻僅為0.17 MV/m，其電場不均勻度已至7.12，當(dāng)采用非線性電導(dǎo)材料進(jìn)行端部替換后，C、D模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)分別降至0.92 MV/m、0.17 MV/m、5.41和0.80 MV/m、0.17 MV/m、4.76，其中Emax分別降低到未局部替換時的76%和67%。其他幾何位置的最大電場強(qiáng)度Emax、平均電場強(qiáng)度Eav、以及電場不均勻度這三個參數(shù)變化趨勢也與爬電距離沿線的相同?？梢钥闯鯟、D模型中非線性電導(dǎo)材料的替換使用削弱了場強(qiáng)集中區(qū)域的最大場強(qiáng)，使端部不均勻的場強(qiáng)分布得到了改善，能夠避免該區(qū)域長期承受場強(qiáng)不均勻，部分區(qū)域場強(qiáng)過大而帶來的絕緣外套加速老化甚至被擊穿的風(fēng)險，提高避雷器運行使用過程中復(fù)合絕緣外套的安全可靠性。

表2 4種模型的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

1)使用加成型液體硅橡膠為基體，ZnO壓敏電阻粉體為填料，通過實驗制備了具有良好非線性電導(dǎo)特性的復(fù)合材料。

2)在復(fù)合無間隙氧化鋅避雷器場強(qiáng)分布不均、局部場強(qiáng)過大的端部區(qū)域，使用非線性電導(dǎo)材料替換其原有固定電導(dǎo)率參數(shù)的硅橡膠外套，利用非線性材料的電導(dǎo)率與空間場強(qiáng)大小的非線性函數(shù)特性，能夠使絕緣材料的電導(dǎo)率參數(shù)與實際場強(qiáng)大小進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，獲得改善區(qū)域電場分布不均，降低局部過高場強(qiáng)的效果。

3)影響非線性電導(dǎo)材料均壓效果的重要參數(shù)是其出現(xiàn)非線性工作特性的臨界場強(qiáng)與非線性系數(shù)，并且不同非線性電導(dǎo)材料的臨界場強(qiáng)與非線性系數(shù)是有差異的，其過大或過小都會影響其效果。所以應(yīng)該依據(jù)不同電壓等級的避雷器選擇相匹配的非線性電導(dǎo)材料，以達(dá)到最優(yōu)場強(qiáng)控制效果。