闫中华
苏州电瓷厂,江苏 苏州 215007
1 前言
我国的金属氧化物避雷器(以下简称MOA)自80年代引进技术以来,已达到了一定的水平,正逐渐取代了传统的SiC阀式避雷器。特别是通过近期“城网”和“农网”改造,取代过程正在加快。但MOA阀片的4/10大电流冲击耐受能力,前一段时间,一直是我国MOA生产中的一个弱项。这可从其产品国家标准GB11032中规定的参数中反映出来。近一个时期以来,特别是GB11032修订以来,已引起了各方面的关注。对此进行了不懈的努力,取得了一些进步。笔者对此也进行了一些探索。
2 阀片对不同波形能量耐受的破坏特性
我国的MOA阀片对于陡波电流(波头为1μs)、雷电波电流(波头为8μs)和操作波电流(波头为30μs),按标准规定的参数耐受,一般是没有多大问题的,尚有一定的裕度。4/10大电流和2ms方波电流是最能表征阀片能量耐受能力的两种电流波形。两者对阀片的破坏特征和破坏机理有着明显的不同。
对2ms方波电流,其波形上升前沿约30μs～200μs;波头过冲允许+10%;波形持续时间是目前所有对阀片考核的电流波形中持续时间最长的。波长允许+20%,即2400μs。在此种波形的电流下,阀片的破坏特征主要是击穿(穿孔)。即使有时阀片炸裂,但从阀片断面上可明显地看到局部通道式电流集中灼烧的痕迹,即穿孔引起的炸裂。2ms方波电流波形,其波前时间随2ms方波发生器的波阻抗而异。设备容量越大,波阻抗越小,波形b/a值越小,波头过冲越大,对阀片考核越严格。从感性认识来讲,这种波形波前陡度越陡,越对阀片的一些孔隙性和薄弱点敏感,而持续时间较长的波长,则对其薄弱点起持续作用。从一些2ms方波试验的示波图中可见,有的波形前半部还非常正常,而波形后沿有明显的凸起,即意味着阀片已临界击穿。
提高2ms方波通流能力的途径,已有众多的研究成果。概括起来,就是提高阀片的均匀性,如结构的均匀性、成分的均匀性、电流密度的均匀性等。问题的实质是减少阀片的局部薄弱点。而以前的研究对于阀片的孔隙性讲的较少。孔隙是阀片薄弱点的集中体现,主要是由阀片制作过程中工艺缺陷所致,如阀片中PVA的加入量、成型缺陷、排胶速度、排胶是否完全、粉料中是否有有机杂质等等。
在不同波形的脉冲电流下,阀片的耐受能力是不同的。行业中一些人老是将电力线路计算所得的操作波电流值用2ms方波电流值来等效,片面地要求提高阀片2ms方波电流值,而实践证明,阀片对于两者的耐受能力是有较大差别的,相差一个数量级。
对于4/10大电流冲击耐受,阀片的破坏特征基本为侧面闪络或阀片炸裂。但阀片炸裂的断面看不到象2ms方波那样有局部电弧灼烧过的通道,这是因为穿孔需要电流波形能量较长时间的持续作用,而4/10大电流幅值虽高,但持续时间极短。实际上,在做4/10大电流冲击时,第一次通流后,检查一下,有时阀片已开裂,其断面就象锤子敲裂似的,非常干净。如不经检查,第二次再通流时则阀片会炸飞出来,断裂面上就有成片电弧灼烧的痕迹。
提高MOA阀片4/10大电流冲击耐受能力,笔者认为应从二个方面出发：一是减少阀片的内应力;二是解决好阀片的侧面绝缘。实践表明,4/10大电流对阀片的孔隙性和薄弱点并不敏感。
3 提高阀片4/10大电流冲击耐受能力需注意的若干问题
3.1 阀片的内应力
阀片的内应力既有通流时温度分布不均匀和温度梯度过高而形成的热应力,也有阀片的配方及制造过程中所形成的阀片固有应力(如类似钢化玻璃),在外界因素(如热应力增大)下诱发。这个问题,笔者仅有感性认识,需进一步的研究和探索。
笔者曾搞过一个阀片配方,其2ms方波通流、压比、老化特性均不错,但在4/10大电流冲击下,表现为易炸裂。有时第一次通流后,检查阀片侧面釉完好(室温硫化硅橡胶RTV,有着较好的弹性和延伸),而阀片已产生明显裂纹。而与之工艺条件相同的一个较为成熟的配方,无论怎么打,均未出现过炸裂。两者的配方在于前者阀片内玻璃态较多,阀片碰损时感觉较脆。
3.2 阀片的侧面釉
我国MOA阀片侧面釉的现状大致为：通常在阀片预烧(预收缩)后浸涂或涂抹一层无机高阻层。待阀片烧结后,再涂一层有机绝缘涂料,如耐热等级高的环氧树脂、聚酰亚胺、145耐热聚酯等。有的则不涂无机高阻层,只上一层有机绝缘涂料。
a.有机釉：优点是对阀片内无渗透,短时间能耐受200℃温度,实施工艺简单。缺点是有机釉与阀片受热的膨胀系数难匹配,釉层没有弹性,阀片受热时易形成微裂纹,特别是有机釉上得较厚时。釉层与阀片的附着力也有问题。另外釉层也不易上得很厚(因高温固化时流挂),须反复上釉反复固化。同时有机釉不耐电弧灼烧,表面拉过电弧后即会造成阀片侧面绝缘不可恢复的损坏。
b.无机高阻层：国内普遍采用的无机高阻层,通常是以Bi-Sb-Si-Li几种元素组成。但这种侧面釉表面粗糙,易吸附灰尘和水分。这与实施工艺有关,实际上在实施方法上稍加改进,完全可做得更好。
一般认为,使用无机高阻层(注意：不是无机绝缘层),阀片在脉冲电流冲击下,高阻层在阀片侧面起到了均压作用,阀片侧面不会因电压分布不均而引起侧面击穿。但实际上阀片的非线性远优于高阻层。在大电流冲击下,阀片本体的电阻急剧下降,而高阻层电阻下降不多(几乎所有的高阻材料均是非线性的,只是程度有所不同),高阻层的均压作用根本不存在。相反,无机高阻层在实施时会由于工艺缺陷,如浆料的颗粒细度不均,涂层厚度不均而引起高阻层电阻分布不均,从而造成局部薄弱点而引发侧面击穿。另外,无机高阻层渗透到阀片侧面的厚度不易控制。渗透太多,使小直径的阀片有效通流面积减少,反过来加重阀片侧面釉的负担。故有的无机高阻层配方中将Li元素去掉,使其基本不渗透到阀片中去。故对于提高4/10大电流冲击耐受能力,阀片的侧面应是无机绝缘层,而不是无机高阻层。
当然,现有的无机高阻层烧成时,渗透到阀片侧面中,对于2ms方波通流还是有帮助的。因2ms方波通流时,阀片两端的电压梯度要比大电流冲击耐受时要低得多。而阀片在成型时,其边缘侧面与模套壁相摩擦,成型密度要差一些,是一个薄弱环节。无机高阻层渗透进去,使阀片侧面绝缘电阻远大于阀片本体中间电阻,阀片边缘侧面的缺陷得到改善,可防止阀片的侧面击穿。在阀片通过较大幅值的2ms方波电流时,效果较明显。
3.3 电位梯度
这里指的是在4/10大电流冲击耐受时阀片两端的电压梯度。通过测量,如果以国内阀片通常的DC.U1mA下电位梯度≥200V/mm,雷电冲击电流残压约400V/mm计,则在4/10大电流冲击下,阀片的电位梯度约600V/mm。可见在通流时,阀片两端面间电场是非常强烈的。在此场强下,任何影响电场畸变的因素都会导致阀片的侧面闪络。
因此下列因素是值得关注的：
(1)阀片的铝电极至阀片边缘的距离应保持同心。有的铝电极用放大镜看,有放射性毛刺,边缘不光滑,在强电场下易引发电晕;
(2)阀片侧面釉应光滑,表面不坑坑洼洼,不吸附灰尘和水分;
(3)阀片侧面釉不能太薄,导致阀片侧面绝缘强度不够。
3.4 试验方法
在对阀片实施4/10大电流试验时,应注意：
a.电极的影响：试验时压住阀片的金属电极应光滑平整,直径略小于阀片;与阀片及比例单元之间应接触良好,必要时要填铝箔,但铝箔不能超出阀片直径;金属电极与阀片之间应有一定的压力,其压力应与阀片装在MOA内弹性元件所加的力相仿。
b.测量：4/10大电流的测量,国内一般采用分流器加示波器进行。而一般示波器的量程应不超过400V。故在100kA下分流器两端电压不超过400V的话,分流器阻值仅为10-3Ω。因此测量系统的接触电阻是不可忽略的。测量系统的准确度值得关注。因瞬间电流很大,大多数发生器的接地装置受条件的限制,很难达到设计要求,整个电流测量系统的地电位变化成了影响测量准确度的因素：将分流器短路,示波器上很难做到水平一条直线,即无干扰波形存在。对此建议应采用罗哥夫斯基线圈。
综上所述,提高MOA阀片4/10大电流冲击耐受能力,除去测量系统和试验方法的影响外,应注意阀片固有内应力,完善阀片的侧面绝缘。
4 各种阀片侧面釉的性能分析
4.1 有机釉
对于小直径的(如φ35)阀片采用不上高阻层或将高阻层配方中Li元素除去,而采用加厚有机釉的方法,如采用滚釉机滚釉的方法,对提高阀片4/10大电流冲击耐受能力可取得一定的效果,但裕度不大。
4.2 玻璃釉
为了不改变现有的阀片生产工艺流程,通常采用以高硼玻璃为基础的料方,涂敷在已烧成的阀片侧面,利用阀片热处理时一起完成玻化(玻化温度约为450℃～500℃)。玻璃釉表面光滑,不易粘灰和吸附水分,釉层耐温要比有机釉高。有的采用阀片上高阻层后,外面再复合一层玻璃釉,取得了很好的效果。但高硼玻璃热膨胀系数大,玻化温度范围窄,为降低膨胀系数,掺杂了较多的无机填料而减少玻璃态。这种玻璃釉的实施工艺及合适的粘合剂的选择,值得进一步的探索。而采用低硼玻璃为基础的料方,效果要好一些。但需专门为之实施玻化工艺,增加了成本。同时玻化温度也不能太高,否则将影响阀片电性能。笔者认为,比较理想的工艺为：在不改变现有工艺流程的条件下,在无机釉中加大玻璃相的成分,改变现有施釉工艺,来改变现有无机高阻层表面毛糙的弊病。
4.3 RTV
国内自1994年左右开始了用RTV作阀片侧面釉的研究,并取得一定的进展。开始用双组份RTV。但因双组份配组麻烦,实施工艺受RTV固化时间的限制,后大多采用单组份RTV。采用单组份RTV,工艺实施简单,基本不受固化时间限制。而施釉后固化时间又很短,不需要高温固化。RTV作阀片侧面釉,其高弹性能与阀片热膨胀系数相匹配,通流时有的阀片出现裂纹,而用RTV作的侧面釉仍完好,包住阀片。同时侧面釉耐水、耐电弧、绝缘电阻高,施釉工艺好时,表面可非常光滑。釉层可耐温200℃,施釉厚度可非常方便地调节。
但市购的单组份RTV一般不太理想。有时施釉后,表面发粘,总是有不干的感觉。涂敷在阀片侧面附着力不好,用指甲一刮可掀起一层来,有明显的分层。此时应再掺入合适的填料和偶联剂,以增强釉面强度和与阀片的附着力。采用RTV可明显地提高阀片4/10大电流冲击耐受能力。在排除了阀片内应力的因素后,35的阀片可比较可靠地通过65kA,釉层厚一些,电位梯度低一些可通过100kA。
这种釉的缺点是：阀片在周转过程中应保持清洁,否则表面粘有的灰尘和铝粉不易清除。同时应避免阀片的刮损,因釉层强度较低。但按阀片在MOA组装时的要求,还是可以满足的。用于复合外套MOA芯体的各种成型工艺也是可以的,基本不会与之接触的芯体材料发生反应而产生界面缺陷。另外阀片可在完成磨片清洗、喷铝、热处理后最后施釉。
4.4 硅橡胶绝缘套
受瓷绝缘子采用硅橡胶绝缘套以增大爬距的启发,阀片侧面仍沿用现有的无机釉工艺以解决2ms方波通流容量和一般的电流测量,在无机釉外面紧绷地套上一只或数只硅橡胶绝缘套。较好的方法可在绝缘套与阀片之间再涂上一层树脂,使之结合得较好;或者阀片套上数只硅橡胶绝缘套后,再在其表面涂上一层耐高温的有机釉。这样有效地增大了阀片的侧面绝缘距离,使其可耐受很高的场强,大幅度地提高4/10大电流冲击耐受能力。硅橡胶套的厚度可为0.2mm～1mm左右,也可更厚些。可采用挤管的方式制造绝缘套,成本不高,实施简单易行。
5 复合外套MOA中阀片的侧面釉
复合外套MOA因制作过程中需进行热硫化,随芯体成型工艺和芯体骨架绝缘材料的选用不同,对阀片的侧面釉及其通流能力有不同的影响。无机釉的影响要小一些。
复合外套MOA的复合外套及其骨架绝缘材料与阀片侧面之间的接触有粘连型和非粘连型二种。粘连型的制造工艺处理好的话,无形中增强了阀片的侧面绝缘。如果说原来单独阀片通过4/10大电流冲击比较勉强的话,而带了复合外套及骨架绝缘层后,可顺利地通过;而处理的不好的话,反而引起通流容量的下降。这里特别应注意骨架绝缘材料与阀片有机釉之间的热反应。如145耐热聚脂与某些耐高温环氧树脂的反应;RTV与某些不饱和树脂中溶剂的反应等。有时尽管两者之间采用了隔离层,但随着热硫化温度的上升,互相渗透反应还是会发生。其结果造成阀片侧面绝缘极易被损坏。当然骨架绝缘材料与阀片之间处理不好,绝缘材料渗透到阀片之间后,其结果更糟。故粘连型复合外套MOA,其骨架绝缘选用新材料新工艺后,一定要将阀片连同骨架绝缘材料一起进行通流试验。非粘连复合外套MOA,国内通常在整只MOA上截取比例元件时,阀片即与复合外套及骨架绝缘分离,试验时一般可不带复合外套和绝缘骨架。但此时应注意正因为非粘连型,阀片与绝缘骨架间有空气存在,而热硫化时,复合外套将这些空气中的部分保留在复合外套内,造成了复合外套MOA内部为负压,从而造成了侧面绝缘下降。例如某电力试验研究所测复合外套MOA整体残压,发现有些MOA连测残压都会沿侧面闪络,且不说通过4/10大电流了。而这时将整只MOA锯开,截取比例元件的话,则负压消失。故注意应用整只复合外套MOA的制作工艺来制作试验用避雷器比例元件。
6 结束语
提高MOA阀片4/10大电流冲击耐受能力与提高2ms方波通流能力,根据两者破坏特性不同,有着不同的解决途径和办法。前者的重点应为减少阀片的内应力,在阀片侧面绝缘上下功夫。对阀片的侧面釉要求：
侧面釉应有一定的厚度,绝缘电阻高、釉层应光滑、憎水、耐电弧,不吸附灰尘和水分、膨胀系数应能与阀片相匹配。
笔者提出的阀片侧面釉解决办法,有些仅是权宜之计,而解决的重点应放在现有阀片生产装备和工艺路线的更新。本文仅对提高阀片4/10大电流冲击耐受能力起到抛砖引玉作用
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