针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法与流程

1.本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法。


背景技术：

2.随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。
3.雷击导致输电线路跳闸仍是危害线路安全稳定运行的原因之一。安装线路避雷器是提高线路耐雷水平最直接最有效的手段，能够有效地减少雷击跳闸率。氧化锌线路避雷器是电力系统的重要组成部分，其应用在电力系统中，主要用于释放系统在运行过程中出现的各种冲击电流并吸收能量，限制系统运行过程中正常的操作冲击、雷击等引起的过电压等。
4.在各种类型的冲击下，由于冲击能量的大小各异，使得氧化锌压敏电阻片在不同的冲击下吸收的能量也有所不同，从而引起阀片的各种破坏和损坏，主要有热崩溃、穿孔、断裂。热崩溃是由于漏电流的作用，使得阀片温度增加，从而导致阀片热平衡关系的破坏。穿孔是由于某区域电流密度相对较大，温升导致晶粒被熔融从而形成贯穿阀片的小孔，而断裂是因吸收能量过多产生巨大的热应力造成的物理破坏。运行经验表明，当交流或直流稳压施加在氧化锌阀片上时，这三种失效模式都会发生。但如果只对氧化锌阀片施加冲击电压或故障电流，线路避雷器只会发生穿孔或断裂。在短时高脉冲电流下失效模式以断裂为主，而雷电流就恰恰属于短时高脉冲电流。
5.目前，氧化锌线路避雷器的更换，一般是断裂后直接更换，或者是凭借人工经验进行提前更换。断裂后直接更换，可能导致电网停电的问题，而凭借人工经验进行提前更换，则可能产生器件浪费等问题。目前，缺乏专门针对雷电所产生的热应力所引起的氧化锌线路避雷器断裂的预测研究；因此电网系统也无法对雷电所产生的热应力所引起的氧化锌线路避雷器断裂进行预测，从而提前更换氧化锌线路避雷器，或者有针对性的对氧化锌线路避雷器进行检测和检修。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种可靠性高、客观性好且科学实用的针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法。
7.本发明提供的这种针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法，包括如下步骤：
8.s1.获取氧化锌线路避雷器中氧化锌阀片的伏安特性曲线；
9.s2.获取雷电流的波形数据曲线；
10.s3.根据步骤s1获取的伏安特性曲线和步骤s2获取的波形数据曲线，计算氧化锌阀片的最大脉冲功率；
11.s4.根据氧化锌阀片自身内部的裂纹缺陷数据和步骤s3计算得到的最大脉冲功率，对氧化锌线路避雷器的断裂进行预测。
12.步骤s1所述的获取氧化锌线路避雷器中氧化锌阀片的伏安特性曲线，具体为通过氧化锌线路避雷器中氧化锌阀片的厂家获取伏安特性曲线，或者通过试验确定氧化锌阀片的伏安特性曲线。
13.步骤s2所述的获取雷电流的波形数据曲线，具体包括如下步骤：
14.a.采用双指数函数波形来模拟雷电流，其中波头时间为t1，半幅值时间为t2，雷电流波形记为t1/t2；
15.b.雷电流波形的双指数函数表达式为：
16.i(t)＝imk(e-αt-e-βt
)
17.式中i(t)为雷电流在t时刻的值；im为雷电流峰值；k为波形校正系数；α为波前系数；β为波尾系数；
18.c.标准雷电流波形的参数值参考为：
19.雷电流波形为80/20μs，则α＝7.713
×
104，β＝2.484
×
105，k＝2.32；
20.雷电流波形为10/200μs，则α＝3.913
×
103，β＝2.301
×
105，k＝1.09；
21.雷电流波形为10/350μs，则α＝2.125
×
103，β＝2.456
×
105，k＝1.05；
22.雷电流波形为1.2/50μs，则α＝1.471
×
104，β＝1.081
×
107，k＝1.04；
23.雷电流波形为0.25/100μs，则α＝6.984
×
103，β＝1.081
×
107，k＝1.01；
24.d.采用如下算式作为雷电流幅值概率分布的经验表达式：
[0025][0026]
式中p为雷电流幅值大于或等于im的概率；im为雷电流幅值；选用20ka或10ka等级标称放电电流来测试线路避雷器。
[0027]
步骤s3所述的计算氧化锌阀片的最大脉冲功率，具体包括如下步骤：
[0028]
瞬时功率p(t)的计算式为p(t)＝u(t)i(t)，其中i(t)为通过阀片的电流，u(t)为施加在阀片两端的电压；然后求取瞬时功率p(t)的最大值，测到最大脉冲功率pc。
[0029]
步骤s4所述的根据氧化锌阀片自身内部的裂纹缺陷数据和步骤s3计算得到的最大脉冲功率，对氧化锌线路避雷器的断裂进行预测，具体包括如下步骤：
[0030]
采用如下不等式对氧化锌线路避雷器的断裂进行预测：
[0031]
若不等式成立，则预测氧化锌线路避雷器可能发生断裂；
[0032]
若不等式不成立，则预测氧化锌线路避雷器不可能发生断裂；式中a为氧化锌阀片自身内部的裂纹缺陷尺寸；c1为常数，且取值为4.5223
×
105，为步骤s3计算得到的最大脉冲功率在氧化锌阀片上所产生的功率密度。
[0033]
本发明提供的这种针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法，通过创造性地建模和模拟，不仅实现了氧化锌线路避雷器的断裂预测，而且本发明方法的可靠性高、客观性好且
科学实用。
附图说明
[0034]
图1为本发明方法的方法流程示意图。
[0035]
图2为本发明方法中的典型的氧化锌阀片伏安特性曲线示意图。
[0036]
图3为本发明方法中的雷电冲击电压标准波形及参数示意图。
[0037]
图4为本发明方法中的8/20μs雷电波形10ka冲击下阀片的脉冲功率示意图。
[0038]
图5为本发明方法中的8/20μs雷电波形20ka冲击下阀片的脉冲功率示意图。
[0039]
图6为本发明方法中的10/350μs雷电波形10ka冲击下阀片的脉冲功率示意图。
[0040]
图7为本发明方法中的10/350μs雷电波形20ka冲击下阀片的脉冲功率示意图。
[0041]
图8为本发明方法中的功率密度与临界缺陷尺寸之间的关系示意图。
具体实施方式
[0042]
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种针对氧化锌线路避雷器的断裂预测方法，包括如下步骤：
[0043]
s1.获取氧化锌线路避雷器中氧化锌阀片的伏安特性曲线；氧化锌晶界势垒具有肖特基效应，在较低电压作用下，呈现高阻特性，在超过临界电压的情况下呈现低电阻特性；氧化锌阀片典型的非线性伏安特性示意图如2所示；具体为通过氧化锌线路避雷器中氧化锌阀片的厂家获取伏安特性曲线，或者通过试验确定氧化锌阀片的伏安特性曲线；
[0044]
s2.获取雷电流的波形数据曲线；具体包括如下步骤：
[0045]
a.采用双指数函数波形来模拟雷电流，其中波头时间为t1，半幅值时间为t2，雷电流波形记为t1/t2；
[0046]
b.雷电流波形的双指数函数表达式为：
[0047]
i(t)＝imk(e-αt-e-βt
)
[0048]
式中i(t)为雷电流在t时刻的值；im为雷电流峰值；k为波形校正系数；α为波前系数；β为波尾系数；
[0049]
c.标准雷电流波形的参数值参考为：
[0050]
雷电流波形为80/20μs，则α＝7.713
×
104，β＝2.484
×
105，k＝2.32；
[0051]
雷电流波形为10/200μs，则α＝3.913
×
103，β＝2.301
×
105，k＝1.09；
[0052]
雷电流波形为10/350μs，则α＝2.125
×
103，β＝2.456
×
105，k＝1.05；
[0053]
雷电流波形为1.2/50μs，则α＝1.471
×
104，β＝1.081
×
107，k＝1.04；
[0054]
雷电流波形为0.25/100μs，则α＝6.984
×
103，β＝1.081
×
107，k＝1.01；
[0055]
具体的雷电冲击电压标准波形及参数示意图，而具体的电流波形如图4～7所示；
[0056]
d.采用如下算式作为雷电流幅值概率分布的经验表达式：
[0057][0058]
式中p为雷电流幅值大于或等于im的概率；im为雷电流幅值；选用20ka或10ka等级标称放电电流来测试线路避雷器；
[0059]
s3.根据步骤s1获取的伏安特性曲线和步骤s2获取的波形数据曲线，计算氧化锌
阀片的最大脉冲功率；具体包括如下步骤：
[0060]
瞬时功率p(t)的计算式为p(t)＝u(t)i(t)，其中i(t)为通过阀片的电流，u(t)为施加在阀片两端的电压；然后求取瞬时功率p(t)的最大值，测到最大脉冲功率pc；
[0061]
s4.根据氧化锌阀片自身内部的裂纹缺陷数据和步骤s3计算得到的最大脉冲功率，对氧化锌线路避雷器的断裂进行预测；具体包括如下步骤：
[0062]
采用如下不等式对氧化锌线路避雷器的断裂进行预测：
[0063]
若不等式成立，则预测氧化锌线路避雷器可能发生断裂；
[0064]
若不等式不成立，则预测氧化锌线路避雷器不可能发生断裂；式中a为氧化锌阀片自身内部的裂纹缺陷尺寸；c1为常数，取值为4.5223
×
105，为步骤s3计算得到的最大脉冲功率在氧化锌阀片上所产生的功率密度；
[0065]
上述判定式的推导过程为：
[0066]
通常情况下，如果局部拉应力超过阀片内部裂纹状缺陷的断裂标准，就会发生断裂；阀片中裂纹尺寸a、阀片直径d、最大脉冲功率pc和阀片材料特性在满足下列准则时自然导致断裂：
[0067][0068]
式中f为几何常数且kc为断裂韧性，对于氧化锌避雷器的值为kc≈2mpa
·m1/2
；d为阀片直径；ρ为阀片密度；cv为比热且cv＝0.6j/(gk)；α1为热膨胀系数且α1＝b1+b2t+b
3 lnt，其中b1＝-2.375
×
10-5
，b2＝-3.76
×
10-9
，b3＝5.11
×
10-6
，t为开尔文温度293k；y为氧化锌材料的杨氏模量且y＝1.7
×
107psi；
[0069]
整理上式可得其中c0为常数且c0＝3.5518
×
105；代入功率密度并整理得到其中为最大脉冲功率在氧化锌阀片上所产生的功率密度，单位为w/(cm)2；c1为常数且c1为常数，取值为4.5223
×
105。
[0070]
由判决不等式可以得到功率密度与临界缺陷尺寸之间的关系如8所示；因此，通过无损检测技术可以确定阀片内部缺陷尺寸，在脉冲电流波形已知的情况下，可以用功率密度与临界缺陷尺寸之间的关系来判定断裂是否可能发生。