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氧化锌避雷器散热特性及氧化锌避雷器散热实验方法

发布时间:2021-7-22 8:41:45

1.实验方法

氧化锌避雷器在电力体系运行中会受到各种电、热等效应的效果,使得其内部芯体和表面温度升高,这些导致氧化锌避雷器温升的因素主要包含如下几个方面:

1)体系工频过电压或持续运行电压;

2)各种冲击过电压,包含雷电冲击和操作冲击等;

3)严格环境条件,如强太阳光辐照、环境高温、污秽等。持续运行电压下通过氧化锌避雷器的泄漏电流很小,不是引起氧化锌避雷器温度升高的首要因素;大部分状况下,雷电冲击的能量并不大,单次雷电冲击引起的氧化锌避雷器温升也有限;至于环境条件,曾有实测指出:太阳下暴晒的氧化锌避雷器靠近上法兰氧化锌电阻片的温度可以达到60℃。

工频过电压和操作过电压引起的温度升高是影响氧化锌避雷器热稳定性的首要因素,环境对氧化锌避雷器温度升高及热稳定性的影响也不容忽视。依据上述引起氧化锌避雷器温度升高的各种因素,实验研讨了工频加热、方波冲击电流加热及烘箱加热等不同条件下氧化锌避雷器及其份额单元的散热特性。实验时运用光纤布拉格光栅传感器技能测量氧化锌避雷器及其份额单元的温度。光纤布拉格光栅传感器与惯例的热敏电阻、热电偶等电子类传感器相比具有可带电测量、灵敏度高、响应速度快等优点。热光效应引起光纤光栅的有效折射率改变,而热膨胀效应引起光栅的栅格周期改变。当其所处的温度场改变时,温度与光纤光栅波长改变的联系为:ΔλB/λB=(ξα)ΔT(1)式中ξ为光纤的热光系数,α为光纤的热膨胀系数,二者根本为常数。粗略测量时可以以为波长λB与温度呈线性联系,精度要求较高时可分段标定。实验时传感器测温探头置于与电阻片紧邻的金属垫块内,测到的温度作为电阻片的温度处理。

 

2实验成果及剖析

2.1散热时刻常数

工程上常用散热时刻常数τ来衡量物体的散热才能。无其他热源时,氧化锌避雷器降温的温度时刻联系根本满意指数函数:T(t)=(T0-Tα)×e-t/πTα(2)式(2)中:Tt)为时刻t的温度,T0为任意的起始温度,一般从T0=120℃或实验过程中的*高温度开端计时,Tα为环境温度,为散热时刻常数。当温度由T=T0降低到T=(T0-Tα)/eTα时,以为经过了一个时刻常数。依据实验成果可以求出氧化锌避雷器的散热时刻常数。需求指出的是,散热时刻常数的概念能简单描绘氧化锌避雷器的散热才能,比较各种氧化锌避雷器及其份额元散热特性的优劣。但是氧化锌避雷器散热时的降温曲线并不严格遵循公式(2),份额单元与整只氧化锌避雷器的热等价性应按照**规范和IEC规范的要求利用降温曲线比较各个点的温度来确定。

2.2整只氧化锌避雷器的散热特性

试品为500kV复合外套型电站用氧化锌避雷器中的一节,外套资料为硅橡胶,外套与电阻片之间填充高分子资料,内部没有气体空隙。ZnO电阻片为饼状,规格为Φ75×36。工频电流由500kV实验变压器供给,实验期间电流峰值约为15mA,呈阻性电流,持续时刻约20min。实验时按GB11032-2000的要求,测温探头布置在距顶部为氧化锌避雷器长度的1/31/2之间。实验期间环境温度约6℃,测到的探头处ZnO电阻片*高温度约124℃。实验成果标明,此整只氧化锌避雷器的散热时刻常数约为2.5h

2.3份额单元的散热特性影响

氧化锌避雷器及其份额单元散热特性的因素很多,如环境温度、加热方法和加热时刻、试品结构等。通过有限元法核算指出:随环境温度降低散热时刻常数有所减小,即散热速度快,但改变不大。对某结构氧化锌避雷器,核算得到环境温度为0204060℃时的散热时刻常数分别为62.064.366.870min。加热时刻和加热方法对散热时刻常数的影响比较大:烘箱加热归于全体加热,试品内部芯体和外部绝缘资料都上升到*高温度。工频加热或方波冲击电流加热仅仅部分加热,外部伞套等其他绝缘结构的温度并没能随芯体温度一起上升或上升温度不大。依据传热学理论,热传导时,单位时刻内通过某平面的热量与该平面邻近的温度改变率、平面面积和导热系数成正比,即:准=-λAdt/dx式(3)中准为热流量,λ为导热系数,A为导热面积,dt/dx标明导热面邻近的温度改变率。对指定试品来说,导热面积A是固定的;部分加热时的温度改变率dt/dx大于全体加热;电阻片、硅橡胶和环氧筒等非金属资料的导热系数受温度影响不大,但份额单元两头的金属(钢)电极的导热系数随温度升高而降低,因而部分加热时导热系数大于全体加热。式(3)阐明,部分加热时的散热速度要比全体加热的快。为验证上述剖析,实验比较了烘箱加热与工频加热状况下份额单元的散热特性。给出了不同加热方法下份额单元的降温曲线,对应的实验状况。试品1、试品2、试品3标明实验次序。试品首要部件为:1个φ75×36电阻片、1个φ75×6测温金属探头及1个φ75×1铝垫块,外套为复合外套,两头为金属电极。烘箱加热归于全体加热,试品内部芯体和外部绝缘资料都上升到*高温度,散热时刻常数为3.2h,散热较慢;工频加热时,散热时刻常数在40min左右,不同加热方法下散热特性差异较大。另外,试品3的加热时刻较量品2要长,其外套温度上升较高,散热时刻常数稍大。*后,试品160℃降低到25℃要超越5h,降低到实验环境温度(13℃)则需求10h以上,这阐明环境因素引起的温升下,氧化锌避雷器的散热才能很差。在比较份额单元和整只氧化锌避雷器的热等价性时要注意确保加热方法相同,加热时刻应根本共同。尽管独自环境效果下氧化锌避雷器的温度一般不会超越60℃,但由于归于全体加热,此刻氧化锌避雷器的散热才能差,对热稳定性的影响不容忽视。还在工频加热方法下实测了其他几种结构的份额单元的散热时刻常数。在确保份额单元运用复合外套的状况下,相继采取了撤销两头电极、两头添加隔热资料等结构。成果标明复合外套份额单元的散热时刻常数均在40min左右,与前述试品相比没有大的改变,均小于整只(单节)氧化锌避雷器的散热时刻常数,不满意热等价性的要求。份额单元一般仅含有一个或少量几个电阻片,工频加热后电阻片温度高于周围介质的温度,其轴向和径向的dt/dx都较大,依据公式(2),轴向和径向的散热才能均较强。但整只(节)氧化锌避雷器含有的ZnO电阻片较多,工频加热后一切电阻片都上升到一个较高的温度,关于中心电阻片来说,其轴向dt/dx很小,轴向散热才能受到约束,只有径向散热才能与份额单元适当。另外,份额单元的绝缘资料与ZnO电阻片的份额大于整只(节)氧化锌避雷器,要吸收内部芯体热量的份额也大于整只氧化锌避雷器。因而,如果不采取隔热措施,份额单元的散热才能一般要强于整只(节)氧化锌避雷器的散热才能。依据以上剖析,进一步改变了份额单元的结构。将份额单元放入较大隔热环氧筒内,然后在环氧筒内份额单元四周填充隔热资料,降低份额单元的轴向和径向散热才能。成果显现这种状况下份额单元的散热时刻常数约3.2h,且冷却期间各瞬间的温度都高于整只氧化锌避雷器(节)的温度,满意**规范中热等价性的要求。给出了整只氧化锌避雷器与这种份额单元的降温曲线。与工频过电压加热相同,冲击过电压加热也归于部分加热,且加热时刻更短。因而其散热速度也应快于整只氧化锌避雷器。在长持续时刻冲击电流(2mS方波)加热方法下实测了另外一种份额单元的散热特性,试品与表1中试品的首要差别在于:内部芯体由4个Φ75×22ZnO电阻片组成,即内部ZnO电阻片体积较大。成果显现与工频加热差异不大,散热时刻常数在40min左右。

3理论核算研讨

氧化锌避雷器在实践运行中遇到的工况复杂多变,内部零部件对其散热性能的影响不共同,因而,要精确核算氧化锌避雷器的散热才能是比较困难的,迄今为止只有部分文献理论核算了氧化锌避雷器的散热才能。运用工程有限元剖析软件ANSYS核算研讨了氧化锌避雷器的散热才能,成果与实测值根本符合,可以作为进一步研讨的参考。传热学理论以为,热量的传递有三种根本方法:热传导、热对流和热辐射。实践物体中三种热量传递方法一般是一起起效果的,仅仅不同的物体起首要效果的热量传递方法可能不同而已。理论核算标明,对氧化锌避雷器或其份额单元的散热来说,热传导和热对流是首要的。

4定论

1)不同加热方法下,氧化锌避雷器份额单元的散热特性不同。在验证氧化锌避雷器与其份额单元的热等价性时要注意采取相同的加热方法,确保加热时刻根本共同。

2)尽管独自环境效果下氧化锌避雷器的温度一般不会超越60℃,但由于归于全体加热,氧化锌避雷器的散热才能差,对热稳定性的影响不容忽视。实测标明,全体加热时份额单元从60℃降低到实验环境温度(13℃)需求10h

3)工频过电压加热和冲击过电压加热都归于部分加热,散热时刻常数均小于全体加热。

4)一般份额单元的轴向散热才能强于整只(节)氧化锌避雷器。为了确保热等价性,制造份额单元时要注意约束其轴向散热才能,确保份额单元与实践避雷器的散热特性相似。

5)运用工程有限元剖析软件ANSYS核算氧化锌避雷器的散热特性,实测曲线与核算曲线趋势共同,实测与核算的散热时刻常数根本符合,可以作为进一步研讨的辅助手法。

 

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