多片MOV并联型避雷器在10/350 μs波形冲击实验过程中的性能参数变化

张家祥，索 娜

（郑州铁路职业技术学院电气工程系，郑州451460）

多片MOV并联型避雷器在10/350 μs波形冲击实验过程中的性能参数变化

张家祥，索 娜

（郑州铁路职业技术学院电气工程系，郑州451460）

采用了20 kV多波形发生器、红外温枪，相关性分析等实验方法研究了多片MOV并联型避雷器在10/350 μs波形冲击实验过程中的性能参数变化。实验表明：在10/350 μs波形冲击破坏过程中，电荷Q和单位能量W/R存在显著的正相关性关系；10/350 μs波形的冲击会导致MOV自身的阻抗发生变化，从而使多片MOV并联型避雷器中的各MOV产生温度差；用新的MOV替换损毁的MOV接入并联体可以使得避雷器重新恢复保护效能，但无法保证其使用寿命。

多片MOV并联型避雷器；10/350 μs波形冲击；电荷Q；单位能量W/R；温度差

0 引言

目前在国内，为了保证低压配电系统设备中的避雷器可以耐受大电流的直击雷冲击，根据GBT 3482-2008电子设备雷击试验方法规定[1]，用于直击雷防护的避雷器要通过10/350 μs脉冲冲击实验来模拟雷电直接击中供配电线路对避雷器的造成的损坏。然而，由于脉冲在短时间内的热量积累非常巨大且幅值较高，极易造成避雷器的炸裂失效，因此在实际的第三方测试中合格率并不高且实验过程中的数据离散性很大，很难找到显著的规律，故相关论文并不多见。

由于间隙型避雷器耐受冲击电流能力较强，很多厂家将其应用于Ⅰ级防雷产品的设计中完成对大电流的能量泄放[2-6]。然而，最新的研究表明，间隙型避雷器响应时间太慢≥200 μs，而真实的雷电流脉冲长度平均值≤180 μs，因此非常容易出现雷电脉冲已经损坏了第二级避雷器和被保护设备，但放电间隙仍未动作[7-10]。故在YD5098-2005中已明文规定，间隙或间隙组合型避雷器不得在通信局（站）使用[11]。多片MOV并联型避雷器采用分流的思想在一定程度上可以承受更大幅值的10/350 μs脉冲冲击，同时解决了间隙型避雷器带来的弊端，因此本文围绕该问题进行实验研究，旨在为主流避雷器生产商对电力系统避雷器的设计提供一定的参考。

国内外对于10/350 μs脉冲的冲击研究由来已久。其中在国外Karl.Berger等人结合了15年的阿尔卑斯山上高塔引雷实验数据，分析了雷电流的特征并总结自然界存在的10种类型闪电，另外通过对正地闪首次雷击的参数分析认为，正地闪首次雷击的参数具有长的持续时间和更大的电流、电荷量和能量[12]，因此10/350 μs波形也就在参考了 Karl.Berger等人的研究成果后提出的，具有权威性。在国内，何金良老师最早发现了ZnO阀片冲击破坏的两种类型:破裂破坏和穿孔破坏。阀片的破裂破坏是由热应力产生的热膨胀引起的，而穿孔破坏则是由局部温升过高而熔化引起的[13]，这为日后对MOV冲击破坏的研究提供了重要的理论依据。另外，杨仲江老师在最近的MOV多片并联实验中发现，在长期8/20 μs波形冲击下并联体中各MOV受损情况并不相同，这将导致受损较严重的MOV阻性与其他MOV产生很大差异，当再次经受电涌冲击时其将会吸收更多的冲击电流，这样就会造成各MOV的通流量不同，从而产生温度差[14]。故借鉴该思想方法，将各MOV受冲击后产生的温度差作为一个重要指标带入本次研究中。

1 实验安排

1.1 实验参数选择

冲击电流 impulse current（Iimp）：由电流幅值 Ipeak、电荷Q和单位能量W/R所限定，其中，Ipeak是回路的放电电流，Q是电荷的转移，W/R是释放的能量。在大量10/350 μs冲击实验中，当保证冲击设备的触发电压以及样品材料不发生改变的前提下，这些参数是非常接近的；

压敏电压U1mA：通过1 mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，泄漏电流Iie：施加工作电压后测得的漏电流值，这两个静态参数是直接反应MOV性能的参数；

遭受10/350 μs波形冲击后，各MOV的温度。

1.2 实验流程

选择某同一型号同尺寸的MOV若干片 （In为20 kA，U1mA为561 V），测试并记录各样品静态参数，选出压敏电压接近于标准参数且漏电流较小的样品5片，并标号，将1，2，3，4号样品进行并联同时测其整体的静态参数。之后对该多片MOV并联型避雷器样品进行10/350 μs波形的冲击破坏实验，设置冲击设备的启动电压为2 kV，预计冲击电流峰值将达到接近6 kA。即时记录MOV遭受冲击时各片的温度，冲击过程中的电流幅值 Ipeak、电荷Q和单位能量W/R以及整体冷却后的压敏电压和漏流直至避雷器遭到破坏。由于多片MOV并联型避雷器受到该冲击后主要的破坏形式多为其中一片MOV发生穿孔型破坏，因此用5号新样品进行替换，并再次进行上述实验，直至避雷器整体再一次遭到破坏。

2 实验结果及分析

图1 多片MOV并联型避雷器在冲击过程中电流幅值Ipeak、电荷Q和单位能量W/R变化图Fig.1 Current amplitude Ipeak，charge Q and specific energy W/R change chart of multi-chip shunt arrester during impulse process

图1 为多片MOV并联型避雷器在冲击过程中电流幅值 Ipeak、电荷Q和单位能量W/R随冲击次数的变化图。整体上看，从开始冲击直至避雷器遭受损坏，这些常规参数均未发生明显的变化，因此若要通过常规性能参数实现对避雷器失效的预判存在技术上的困难。

另外从图中可以看出在遭受10/350 μs冲击后，避雷器的能比与转移电荷存在小幅度的下降但并不显著，其中能比从初始的9.51减小至8.7，而转移电荷则从初始的2.9 As减小至2.6 As；而冲击设备产生的放电电流（即10/350 μs波形波峰幅值）在5.9 kA附近振荡。由于可以影响这些参数发生变化的主要原因是冲击设备误差和实验样品的阻抗，但放电电流是趋于5.9 kA较为稳定的，故可以推测设备放电的误差在此可以忽略不计，影响电荷Q和单位能量W/R发生改变的主要原因是避雷器本身的阻性在剧烈的10/350 μs脉冲冲击下发生了微弱的改变。为了验证该推断，对实验中的电流幅值、电荷、能比（即单位能量W/R）数据进行相关性分析：

由于三个测试指标因子量纲单位不一致，首先应对电流幅值Ipeak、电荷Q和单位能量 W/R这三个指标因子数据做标准化处理。本文使用Z-score标准化，目的是：使得各指标因子平均值为0，标准差为1，这样就可以使不同量纲的数据可以放在一个矩阵里。Z-score标准化处理表达式为[15-16]:

式中：x为指标因子实际冲击实验记录数据原始值，mean（x）为因子时间序列平均值，std（x）为因子时间序列标准差。

其次，对标准化后的因子数据使用一阶差分，消除其线性趋势。

最后对经一阶差分后的数据使用相关性分析，结果见表1。

表1 三个指标因子相关性分析表Table 1 The table of correlation analysis of three index factors

从表1可以看出，电荷Q和单位能量W/R之间的相关性系数为0.924 3，说明了通过显著性0.01检验，表明了两者之间存在显著的正相关性关系；电荷Q与电流幅值Ipeak之间的相关性系数为0.126 0，相关性系数很小，这表明了两者之间不存在显著地相关性；单位能量W/R与电流幅值Ipeak之间的相关性系数为-0.063 2，这也表明了两者之间不存在显著地相关性。

图2，图3为多片MOV并联型避雷器在冲击过程中U1mA、Iie的变化图，其中在经受前30次10/350 μs波形冲击后，避雷器仍有正常的静态参数U1mA为566.5 V，Iie为9.15 μA，然而在遭受第31次冲击后，2号MOV发生穿孔，此时避雷器整体的U1mA趋近于0，Iie趋于无穷大，整体回路处于开路状态。因此，可以认为通过常规的U1mA、Iie的测量并无法保证MOV型的避雷器可以耐受10/350 μs波形的冲击。从图中还可以发现，随着冲击的增多，U1mA缓慢上升，Iie缓慢下降，根据双肖特基势垒理论，此过程仍应处于在大电流的电场作用下电子注入空穴的过程，并未到达势垒发生畸变的阶段，故应用该理论无法解释10/350 μs波形冲击造成MOV破坏的问题。

图2 多片MOV并联型避雷器在冲击过程中U1mA的变化图Fig.2 U1mAchange diagram of multi-chip shunt arrester during the impulse process

图3 多片MOV并联型避雷器在冲击过程中Iie的变化图Fig.3 Iiechange diagram of multi-chip shunt arrester during the impulse process

图4 为1～4号MOV在冲击过程中各片温度的变化图，其中1～4号MOV随着冲击次数的增加，温度均有上升，因而由1～4号MOV并联而成的多片MOV并联型避雷器在多次遭受10/350 μs波形冲击后整体温度有了一定的上升，这也意味着其散热能力处于下降趋势。另外，在冲击初期各MOV间的温差很小，而到了冲击后期彼此间温差逐渐变大，这表现为2号MOV的温度上升非常明显到达61.5℃，而其他三个MOV的温度较为稳定趋于54℃左右。这主要是由于遭受冲击后各MOV的晶界受损情况不同，从而造成各MOV间的阻抗产生差异，当再一次通入大电流后，各MOV阻抗的不同造成各支路的分流量不同，其中受损严重的MOV阻抗较低反而分得更多电流，因此损坏更加严重。在这样恶性循环的过程中，最终在第31次冲击后发生穿孔。因此通过本次研究，可以对避雷器中各MOV温度进行在线监测实现对其失效模式的预判。

图4 1-4号MOV在冲击过程中各片温度的变化图Fig.4 1-4 MOV temperature changes of each varistor during impulse process

图5 为1、5、3、4号MOV在冲击过程中各片温度的变化图，在经过31次10/350 μs波形冲击后，避雷器中的2号MOV发生穿孔，因此将其用新的5号MOV替换继续进行实验。可以发现实验结果与图4中非常类似，这次是3号MOV温度显著增高，最后发生穿孔。另外，重新组合的避雷器仅在7次冲击后就遭到破坏，使用寿命比全新MOV组合而成的避雷器缩短了很多。目前，很多避雷器厂家设计出了一款插拔式避雷器，可以用新模块替换处于工作状态的某一失效模块。本次研究表明，该设计可以短时间内使得设备处于被保护状态，但是避雷器的使用寿命将无法得到保证。

图5 1、5、3、4号MOV在冲击过程中各片温度的变化图Fig.5 1、5、3、4 MOV temperature changes of each varistor during impulse process

3 结论

采用了20 kV多波形发生器对多片MOV并联型避雷器进行了10/350 μs波形冲击实验，对冲击过程中避雷器的静态参数以及温差进行了研究，结果表明：

1）在10/350 μs波形冲击破坏过程中，电荷Q和单位能量W/R存在显著的正相关性关系；

2）10/350 μs波形的冲击会导致MOV自身的阻抗发生变化，从而使多片MOV并联型避雷器中的各MOV产生温度差；

3）用新的MOV替换损毁的MOV接入并联体可以使得避雷器重新恢复保护效能，但无法保证其使用寿命。

[1]中国国家标准化管理委员会.GB/T18802.1低压电涌保护器第1部分：低压配电系统的电涌保护器，性能要求和试验方法[S].中国标准出版社，2010.

[2]应达，肖稳安，赵军，等.工频过电压对压敏电阻影响的实验研究[J].电瓷避雷器，2012（12）:71-75.YING Da，XIAO Wenan，ZHAO Jun，et al.Experimental study on the influence of power frequency overvoltage on MOV[J].Insulators and Surge Arresters，2012（12）:71-75.

[3]杨天琦，王振会，朱传林，等.MOV型 SPD在交直流电压下的热量累积对比分析[J].电瓷避雷器，2011（5）:81-89.YANG Tianqi，WANG Zhenhui，ZHU Chuanlin，et al.Comparative analysis of thermal accumulation of MOV-type SPD under AC and DC voltage[J].Insulators and Surge Arresters，2011（5）:81-89.

[4]曹斌，付文光，梁高源，等.基于ATP-EMTP的变电站二次系统雷电过电压仿真[J].高压电器，2012，48（12）:86-91.CAO Bin，FU Wenguang，LIANG Gaoyuan，et al.Simulation of lightning overvoltage in substation secondary system based on ATP-EMTP[J].High Voltage Apparatus，2012，48（12）:86-91.

[5]杨仲江，张枨，柴健，等.氧化锌压敏电阻老化过程中非线性系数变化的研究[J].电子元件与材料，2011，30（9）:27-30.YANG Zhongjiang，ZHANG Cheng，CHAI Jian，et al.Research on the varying of nonlinear coefficient during the degradation of ZnO varistor[J].Electronic Components and Materials，2011，30（9）:27-30.

[6]张鹏，张枨，汝洪博，等.ZnO压敏电阻两片并联方法及性能分析[J].电子元件与材料，2011，30（12）:34-37.ZHANG Peng，ZHANG Cheng，RU Hongbo，et al.Parallel connection of two ZnO varistors and its performance[J].Electronic Components and Materials，2011，30（12）:34-37.

[7]姚学玲，杜志航，杨志豪，等.气体放电管直流击穿电压测量技术的研究[J].西安交通大学学报，2012，46（10）:1-7.YAO Xuelin，DU Zhihang，YANG Zhihao，et al.Measuring technology for DC breakdown voltage of gas discharge tubes[J].Journal of Xian Jiaotong University，2012，46（10）:1-7.

[8]李鹏飞，杨仲江，华荣强，等.气体放电管击穿电压测量系统研究[J].电瓷避雷器，2016（2）:111-116.LI Pengfei，YANG Zhongjiang，HUA Rongqiang，et al.Research of GDT breakdown voltage measurement system[J].Insulators and Surge Arresters，2016（2）:111-116.

[9]李荣玉.金属陶瓷气体放电管的稳定性研究[J].上海交通大学学报，1997（5）:136-138.LI Rongyu.Study on stability of metal ceramic gas discharge tubes[J].Journal of Shanghai Jiaotong University，1997（5）:136-138.

[10]胡军，龙望成，何金良，等.ZnO压敏电阻残压比的影响因素分析[J].高电压技术，2011，37（3）:555-561.HU Jun，LONG Wangcheng，HE Jinliang，et al.Influence factors of residual voltage ratio of ZnO variostor[J].High Voltage Engineering，2011，37（3）:555-561.

[11]中华人民共和国信息产业部YD5098-2005.通信局（站）防雷与接地工程设计规范[S].北京邮电大学出版社，2005

[12]BERGER K.Novel observations on lightning discharges:results of research on mount san salvatore[J].Franklin Inst，1967，283:478-525.

[13]何金良，吴维韩，沈力，等.ZnO阀片的冲击破坏机理[J].中国电机工程学报，1993（S1）.HE Jinliang，WU Weihan，SHEN Li，et al.Impulse destruction mechanism of ZnO varistors[J].Proceedings of the CSEE，1993（S1）.

[14]楼嘉懿，杨仲江，姜苏，等.MOV多片并联在冲击老化过程中温度差的变化[J].电瓷避雷器，2016（1）:49-54.LOU Jiayi，YANG Zhongjiang，JIANG SU，et al.Temperature difference changing of the multi-chip MOV in parallel under the transient impact[J].Insulators and Surge Arresters，2016（1）:49-54.

[15]安俊琳，王跃思，李昕，等.北京大气中NO、NO2和O3浓度变化的相关性分析[J].环境科学，2007，28（4）:706-711.AN Junlin，WANG Yuesi，LI Xin，et al.Analysis of the relationship between NO，NO2and O3concentrations in beijing[J].Environmentalscience，2007，28（4）:706-711.

[16]徐兴奎，林朝晖，薛峰，等.气象因子与地表植被生长相关性分析[J].生态学报，2003，23（2）:221-230.XU Xingkui，LIN Chaohui，XUE Feng，et al.Correlation analysis between meteorological factors and the ratio of vegetation cover[J].Acta Ecologica Sinica，2003，23（2）:221-230.

Multi-Chip MOV Shunt Arrester Performance Parameters in 10/350 μs Waveform Impulse Test

ZHANG Jiaxiang，SUO Na
（Zhengzhou Railway Vocational and Technical College of Electrical Engineering，Zhengzhou 451460，China）

The multi-chip shunt arrester MOV performance parameters in 10/350 μs waveform impulse test is studied by using experimental methods 20 kV multi-waveform generator，infrared thermometers，correlation analysis.Experimental results show that:in the 10/350 μs waveform impulse damage process，there is a charge Q and specific energy W/R significantly positive correlation relationship;10/350 μs waveform impulse will cause MOV its impedance changes，so that each MOV in multi-chip shunt arresters will produce temperature difference;replace damaged MOV with the new access parallel body can restore the lightning protective efficacy，but cannot guarantee its service life.

multi-chip shunt arrester；10/350 μs waveform impact；charge Q；specific energy W/R；temperature difference

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.011

2016-07-23

张家祥 （1979—），男，讲师，主要研究方向为电气工程及其自动化。