1.實(shí)驗(yàn)方法

氧化鋅避雷器在電力體系運(yùn)行中會(huì)受到各種電、熱等效應(yīng)的效果，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含如下幾個(gè)方面：

（1）體系工頻過電壓或持續(xù)運(yùn)行電壓；

（2）各種沖擊過電壓，包含雷電沖擊和操作沖擊等；

（3）嚴(yán)格環(huán)境條件，如強(qiáng)太陽光輻照、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首要因素；大部分狀況下，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)定性的首要因素，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。依據(jù)上述引起氧化鋅避雷器溫度升高的各種因素，實(shí)驗(yàn)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份額單元的散熱特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)運(yùn)用光纖布拉格光柵傳感器技能測量氧化鋅避雷器及其份額單元的溫度。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相比具有可帶電測量、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改變，而熱膨脹效應(yīng)引起光柵的柵格周期改變。當(dāng)其所處的溫度場改變時(shí)，溫度與光纖光柵波長改變的聯(lián)系為：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)，二者根本為常數(shù)。粗略測量時(shí)可以以為波長λB與溫度呈線性聯(lián)系，精度要求較高時(shí)可分段標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)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實(shí)驗(yàn)成果及剖析

2.1散熱時(shí)刻常數(shù)

工程上常用散熱時(shí)刻常數(shù)τ來衡量物體的散熱才能。無其他熱源時(shí)，氧化鋅避雷器降溫的溫度時(shí)刻聯(lián)系根本滿意指數(shù)函數(shù)：T(t)=(T0-Tα)×e-t/πTα(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?qū)嶒?yàn)過程中的*高溫度開端計(jì)時(shí)，Tα為環(huán)境溫度，為散熱時(shí)刻常數(shù)。當(dāng)溫度由T=T0降低到T=(T0-Tα)/eTα?xí)r，以為經(jīng)過了一個(gè)時(shí)刻常數(shù)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)成果可以求出氧化鋅避雷器的散熱時(shí)刻常數(shù)。需求指出的是，散熱時(shí)刻常數(shù)的概念能簡單描繪氧化鋅避雷器的散熱才能，比較各種氧化鋅避雷器及其份額元散熱特性的優(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），份額單元與整只氧化鋅避雷器的熱等價(jià)性應(yīng)按照**規(guī)范和IEC規(guī)范的要求利用降溫曲線比較各個(gè)點(diǎn)的溫度來確定。

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)，外套資料為硅橡膠，外套與電阻片之間填充高分子資料，內(nèi)部沒有氣體空隙。ZnO電阻片為餅狀，規(guī)格為Φ75×36。工頻電流由500kV實(shí)驗(yàn)變壓器供給，實(shí)驗(yàn)期間電流峰值約為15mA，呈阻性電流，持續(xù)時(shí)刻約20min。實(shí)驗(yàn)時(shí)按GB11032-2000的要求，測溫探頭布置在距頂部為氧化鋅避雷器長度的1/3～1/2之間。實(shí)驗(yàn)期間環(huán)境溫度約6℃，測到的探頭處ZnO電阻片*高溫度約124℃。實(shí)驗(yàn)成果標(biāo)明，此整只氧化鋅避雷器的散熱時(shí)刻常數(shù)約為2.5h。

2.3份額單元的散熱特性影響

氧化鋅避雷器及其份額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)刻、試品結(jié)構(gòu)等。通過有限元法核算指出：隨環(huán)境溫度降低散熱時(shí)刻常數(shù)有所減小，即散熱速度快，但改變不大。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(shí)的散熱時(shí)刻常數(shù)分別為62.0、64.3、66.8、70min。加熱時(shí)刻和加熱方法對散熱時(shí)刻常數(shù)的影響比較大：烘箱加熱歸于全體加熱，試品內(nèi)部芯體和外部絕緣資料都上升到*高溫度。工頻加熱或方波沖擊電流加熱僅僅部分加熱，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起上升或上升溫度不大。依據(jù)傳熱學(xué)理論，熱傳導(dǎo)時(shí)，單位時(shí)刻內(nèi)通過某平面的熱量與該平面鄰近的溫度改變率、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)熱面鄰近的溫度改變率。對指定試品來說，導(dǎo)熱面積A是固定的；部分加熱時(shí)的溫度改變率dt/dx大于全體加熱；電阻片、硅橡膠和環(huán)氧筒等非金屬資料的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度影響不大，但份額單元兩頭的金屬（鋼）電極的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，因而部分加熱時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)大于全體加熱。式（3）闡明，部分加熱時(shí)的散熱速度要比全體加熱的快。為驗(yàn)證上述剖析，實(shí)驗(yàn)比較了烘箱加熱與工頻加熱狀況下份額單元的散熱特性。給出了不同加熱方法下份額單元的降溫曲線，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)狀況。試品1、試品2、試品3標(biāo)明實(shí)驗(yàn)次序。試品首要部件為：1個(gè)φ75×36電阻片、1個(gè)φ75×6測溫金屬探頭及1個(gè)φ75×1鋁墊塊，外套為復(fù)合外套，兩頭為金屬電極。烘箱加熱歸于全體加熱，試品內(nèi)部芯體和外部絕緣資料都上升到*高溫度，散熱時(shí)刻常數(shù)為3.2h，散熱較慢；工頻加熱時(shí)，散熱時(shí)刻常數(shù)在40min左右，不同加熱方法下散熱特性差異較大。另外，試品3的加熱時(shí)刻較量品2要長，其外套溫度上升較高，散熱時(shí)刻常數(shù)稍大。*后，試品1從60℃降低到25℃要超越5h，降低到實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度（13℃）則需求10h以上，這闡明環(huán)境因素引起的溫升下，氧化鋅避雷器的散熱才能很差。在比較份額單元和整只氧化鋅避雷器的熱等價(jià)性時(shí)要注意確保加熱方法相同，加熱時(shí)刻應(yīng)根本共同。盡管獨(dú)自環(huán)境效果下氧化鋅避雷器的溫度一般不會(huì)超越60℃，但由于歸于全體加熱，此刻氧化鋅避雷器的散熱才能差，對熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。還在工頻加熱方法下實(shí)測了其他幾種結(jié)構(gòu)的份額單元的散熱時(shí)刻常數(shù)。在確保份額單元運(yùn)用復(fù)合外套的狀況下，相繼采取了撤銷兩頭電極、兩頭添加隔熱資料等結(jié)構(gòu)。成果標(biāo)明復(fù)合外套份額單元的散熱時(shí)刻常數(shù)均在40min左右，與前述試品相比沒有大的改變，均小于整只（單節(jié)）氧化鋅避雷器的散熱時(shí)刻常數(shù)，不滿意熱等價(jià)性的要求。份額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，依據(jù)公式（2），軸向和徑向的散熱才能均較強(qiáng)。但整只（節(jié)）氧化鋅避雷器含有的ZnO電阻片較多，工頻加熱后一切電阻片都上升到一個(gè)較高的溫度，關(guān)于中心電阻片來說，其軸向dt/dx很小，軸向散熱才能受到約束，只有徑向散熱才能與份額單元適當(dāng)。另外，份額單元的絕緣資料與ZnO電阻片的份額大于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器，要吸收內(nèi)部芯體熱量的份額也大于整只氧化鋅避雷器。因而，如果不采取隔熱措施，份額單元的散熱才能一般要強(qiáng)于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器的散熱才能。依據(jù)以上剖析，進(jìn)一步改變了份額單元的結(jié)構(gòu)。將份額單元放入較大隔熱環(huán)氧筒內(nèi)，然后在環(huán)氧筒內(nèi)份額單元四周填充隔熱資料，降低份額單元的軸向和徑向散熱才能。成果顯現(xiàn)這種狀況下份額單元的散熱時(shí)刻常數(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，滿意**規(guī)范中熱等價(jià)性的要求。給出了整只氧化鋅避雷器與這種份額單元的降溫曲線。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(shí)刻更短。因而其散熱速度也應(yīng)快于整只氧化鋅避雷器。在長持續(xù)時(shí)刻沖擊電流（2mS方波）加熱方法下實(shí)測了另外一種份額單元的散熱特性，試品與表1中試品的首要差別在于：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。成果顯現(xiàn)與工頻加熱差異不大，散熱時(shí)刻常數(shù)在40min左右。

3理論核算研討

氧化鋅避雷器在實(shí)踐運(yùn)行中遇到的工況復(fù)雜多變，內(nèi)部零部件對其散熱性能的影響不共同，因而，要精確核算氧化鋅避雷器的散熱才能是比較困難的，迄今為止只有部分文獻(xiàn)理論核算了氧化鋅避雷器的散熱才能。運(yùn)用工程有限元剖析軟件ANSYS核算研討了氧化鋅避雷器的散熱才能，成果與實(shí)測值根本符合，可以作為進(jìn)一步研討的參考。傳熱學(xué)理論以為，熱量的傳遞有三種根本方法：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實(shí)踐物體中三種熱量傳遞方法一般是一起起效果的，僅僅不同的物體起首要效果的熱量傳遞方法可能不同而已。理論核算標(biāo)明，對氧化鋅避雷器或其份額單元的散熱來說，熱傳導(dǎo)和熱對流是首要的。

4定論

（1）不同加熱方法下，氧化鋅避雷器份額單元的散熱特性不同。在驗(yàn)證氧化鋅避雷器與其份額單元的熱等價(jià)性時(shí)要注意采取相同的加熱方法，確保加熱時(shí)刻根本共同。

（2）盡管獨(dú)自環(huán)境效果下氧化鋅避雷器的溫度一般不會(huì)超越60℃，但由于歸于全體加熱，氧化鋅避雷器的散熱才能差，對熱穩(wěn)定性的影響不容忽視。實(shí)測標(biāo)明，全體加熱時(shí)份額單元從60℃降低到實(shí)驗(yàn)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?xì)w于部分加熱，散熱時(shí)刻常數(shù)均小于全體加熱。

（4）一般份額單元的軸向散熱才能強(qiáng)于整只（節(jié)）氧化鋅避雷器。為了確保熱等價(jià)性，制造份額單元時(shí)要注意約束其軸向散熱才能，確保份額單元與實(shí)踐避雷器的散熱特性相似。

（5）運(yùn)用工程有限元剖析軟件ANSYS核算氧化鋅避雷器的散熱特性，實(shí)測曲線與核算曲線趨勢共同，實(shí)測與核算的散熱時(shí)刻常數(shù)根本符合，可以作為進(jìn)一步研討的輔助手法。