城市軌道交通接觸網(wǎng)帶間隙避雷器的應(yīng)用

沈海濱，陳維江，王立天，趙海軍，王彥利，尹 彬

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)城市軌道交通系統(tǒng)工程數(shù)量不斷增多，架空接觸網(wǎng)雷害問題日益突出，但雷電防護研究相對滯后。至今，在全國已投運城軌工程中，僅有部分線路通過接觸網(wǎng)支柱頂端架設(shè)避雷線來降低雷擊閃絡(luò)事故概率，未見其他雷電防護措施的研究報道。雷電防護手段單一、功能不完善，已不能滿足現(xiàn)代城軌系統(tǒng)高運行可靠性的要求。

在架空接觸網(wǎng)支柱上裝設(shè)金屬氧化物避雷器（以下簡稱避雷器），通過避雷器本體采用的氧化鋅（ZnO）電阻片釋放雷電能量，抑制直流續(xù)流起弧，保護絕緣子免于雷擊損壞的同時，可防止線路雷擊跳閘，是一種性能優(yōu)異的雷電防護措施。避雷器從結(jié)構(gòu)上可分為無間隙和帶串聯(lián)間隙2種，相比無間隙結(jié)構(gòu)，帶串聯(lián)間隙避雷器除間隙閃絡(luò)擊穿期間外，電阻片均不承受系統(tǒng)運行電壓，避免了電阻片長期耐受電壓老化損壞的問題，延長了使用壽命。因此，在城市軌道交通系統(tǒng)接觸網(wǎng)中引入帶串聯(lián)間隙避雷器有著工程應(yīng)用價值。

本文針對腕臂絕緣子用帶間隙避雷器開展研制工作，設(shè)計避雷器的結(jié)構(gòu)，研究選擇電阻片參數(shù)、避雷器額定電壓和串聯(lián)間隙距離，通過雷電沖擊放電伏秒特性等型式試驗對樣品性能進行檢驗 。

1 避雷器結(jié)構(gòu)與工作原理

[1，2]的研究成果，結(jié)合架空接觸網(wǎng)的實際結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的帶間隙避雷器由避雷器本體、串聯(lián)間隙和安裝金具3部分組成，應(yīng)用時避雷器安裝到腕臂上，與絕緣子并聯(lián)，結(jié)構(gòu)示意如圖1。為了適應(yīng)不同應(yīng)用場合，設(shè)計出2種串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)以供選擇，圖1 a的串聯(lián)間隙由平板電極與避雷器本體端部構(gòu)成，圖1 b的串聯(lián)間隙由避雷器本體端部的環(huán)電極與絕緣子地電位端端部法蘭構(gòu)成。

圖1 避雷器結(jié)構(gòu)示意圖

避雷器本體外絕緣選用復(fù)合硅橡膠材料，具有耐氣候老化、耐電蝕損、耐污穢、重量輕等優(yōu)點，尤其適合戶外架空線路長期使用。

避雷器的保護功能利用金屬氧化物電阻片的良好非線性特性得以實現(xiàn)，其工作原理：在線路正常運行時，由于串聯(lián)間隙隔離，避雷器本體不承受系統(tǒng)直流運行電壓；在幅值足夠高的感應(yīng)雷或直擊雷過電壓作用下，串聯(lián)間隙擊穿，本體電阻片在高電壓下瞬間呈現(xiàn)低阻抗，釋放雷電能量，限制住絕緣子兩端的過電壓，防止絕緣子沿面閃絡(luò)放電；雷電沖擊后，施加在避雷器本體兩端的電壓為系統(tǒng)運行電壓，本體電阻片在低電壓下呈現(xiàn)高阻抗，串聯(lián)間隙絕緣性能迅速恢復(fù)，線路回到正常運行狀態(tài)。

2 避雷器額定參數(shù)

2.1 金屬氧化物電阻片參數(shù)

ZnO電阻片長期在直流電場的作用下會造成低價陽離子的遷移，特別是小離子半徑的元素更易遷移，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微應(yīng)力，在過電壓作用時，應(yīng)力場加劇，容易引起電阻片破壞[3]。所以直流電阻片與交流電阻片在制造工藝上存在差異，在相同額定電壓下，要求直流電阻片比交流電阻片具有更高的電位梯度和能量耐受密度。城市軌道交通系統(tǒng)雖然采用直流制式，但系統(tǒng)運行電壓只有1 500 V，加之避雷器采用帶串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)，只有在雷擊動作期間，本體才瞬時承受直流運行電壓。考慮到該系統(tǒng)下運行電壓對電阻片的作用時間短、作用應(yīng)力小，故電阻片直接選用常規(guī)的交流電阻片。

文獻[2]對電力系統(tǒng)10 kV配電網(wǎng)用ZnO電阻片參數(shù)進行了研究，通過試驗手段驗證了10 kV配電網(wǎng)選用交流D35型（直徑35 cm）電阻片的合理性。城市軌道交通架空接觸網(wǎng)導(dǎo)線對地高度與線路絕緣配置水平均與10 kV配電線路相當(dāng)，線路走廊多位于城區(qū)，有建筑物等遮護，雷電防護也應(yīng)以防感應(yīng)雷為主。因此，借鑒文獻[2]的研究成果，選擇D35型電阻片，從性能和經(jīng)濟性角度都是合適的。D35型電阻片應(yīng)能耐受幅值65 kA的4/10 μs大電流沖擊2次，耐受幅值150 A的2 ms方波電流沖擊20次，更為詳細(xì)的電阻片性能參數(shù)要求，可依據(jù)交流無間隙金屬氧化物避雷器標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。

2.2 避雷器額定電壓

帶間隙避雷器額定電壓即為避雷器本體的額定電壓，該參數(shù)的選擇恰當(dāng)與否，直接關(guān)系到避雷器的保護性能、運行可靠性和經(jīng)濟成本。為確定該參數(shù)，對架空接觸網(wǎng)導(dǎo)線上出現(xiàn)的最大感應(yīng)過電壓做了仿真計算，研究該過電壓作用下流經(jīng)避雷器的沖擊電流幅值，以此為依據(jù)選擇額定電壓。

參考文獻[5]中關(guān)于感應(yīng)過電壓的研究內(nèi)容，本文根據(jù)前蘇聯(lián)拉里昂諾夫（РАЗЕВИГ）模型[5，6]推導(dǎo)的公式，計算出接觸網(wǎng)導(dǎo)線上產(chǎn)生的最大感應(yīng)過電壓。在該基礎(chǔ)上，利用電力系統(tǒng)中廣為采用的ATP-EMTP[7]電磁暫態(tài)程序，仿真研究接觸網(wǎng)上避雷器流過的沖擊電流。計算采用的集中參數(shù)等值電路如圖2所示。

圖2 集中參數(shù)等值電路圖

為保證間隙可靠滅弧，希望避雷器額定電壓選擇的高些，城市軌道交通系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大暫時過電壓接近2 kV，避雷器額定電壓選擇大于2 kV為宜；從保護絕緣子效果方面考慮，希望絕緣子全波額定雷電沖擊耐壓與避雷器殘壓間的配合系數(shù)取得越大越好，即避雷器額定電壓選擇的小些。架空接觸網(wǎng)絕緣子雷電沖擊耐壓與電力系統(tǒng) 10 kV配電網(wǎng)絕緣子耐壓水平接近，參考10 kV配電網(wǎng)雷電防護設(shè)計和運行經(jīng)驗，帶間隙避雷器額定電壓選擇在13 kV以內(nèi)較為合適。故本文在仿真計算時，將避雷器額定電壓初步確定在5～13 kV范圍內(nèi)，并取5，7，10和13 kV典型值作為研究對象。

仿真研究結(jié)果表明：在幅值不大于 300 kA、波頭時間為0.5～3.0 μs的雷電流作用下，避雷器本體在雷電感應(yīng)過電壓作用下承受的沖擊電流幅值不超過1.5 kA，該持續(xù)時間短（脈寬只有幾十至幾百μs）、幅值小的沖擊電流對于D35型電阻片來說是完全能夠耐受住多次動作的。部分仿真計算結(jié)果見表1。

表1 流過避雷器本體的沖擊電流幅值表（單位：kA）

從表 1數(shù)據(jù)還可以看出，避雷器額定電壓從5 kV升至13 kV，流過避雷器本體的沖擊電流幅值變化并不明顯。分析原因在于：流過避雷器本體的沖擊電流受到本體阻抗、支柱波阻抗和支柱沖擊接地電阻的共同約束，在避雷器動作期間，本體呈現(xiàn)低阻抗，阻抗值相比于支柱波阻抗和支柱沖擊接地電阻要小很多，這使得流經(jīng)避雷器本體的沖擊電流幅值主要取決于支柱波阻抗值和支柱沖擊接地電阻值，受避雷器額定電壓取值不同的影響較小。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，避雷器額定電壓取5～13 kV都是可行的。考慮架空接觸網(wǎng)實際運行中還將遭受一定數(shù)量的直擊雷，避雷器額定電壓選得過低，避雷器雷擊損壞的概率將增加；而在保證避雷器保護效果和運行可靠的前提下，額定電壓選高無疑將增加產(chǎn)品的經(jīng)濟成本。綜合權(quán)衡，最終確定避雷器額定電壓為10 kV。

2.3 串聯(lián)間隙距離

串聯(lián)間隙距離的確定原則：滿足避雷器在雷電過電壓下動作，在直流運行電壓及操作過電壓下不動作，同時，間隙距離不宜選得過小，防止避雷器遇雷頻繁動作降低使用壽命。

通過對帶間隙避雷器和絕緣子分別進行正極性50%雷電沖擊放電電壓（U50%）試驗研究，確定串聯(lián)間隙的最大距離；根據(jù)系統(tǒng)最高運行電壓和操作過電壓幅值情況確定串聯(lián)間隙的最小距離。綜合上述研究結(jié)果，最終確定2種結(jié)構(gòu)避雷器串聯(lián)間隙距離均取70 mm，該間隙距離對應(yīng)的U50%與絕緣子的放電電壓之比為80%～90%。雷電沖擊放電試驗得到的部分間隙距離下的正極性U50%見表2。

表2 不同間隙距離下的正極性U50%（標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下）值表

3 試驗檢驗

雷電沖擊放電伏秒特性試驗是帶間隙避雷器一項重要的型式試驗項目，用來檢驗避雷器動作的可靠程度，以驗證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。將避雷器試品按照圖 3的試驗接線布置進行了大量的雷電全波沖擊放電伏秒特性試驗研究。每次試驗都拍攝雷電放電路徑，記錄數(shù)據(jù)。

圖3 雷電沖擊放電伏秒特性試驗接線圖

試驗結(jié)果表明，在避雷器串聯(lián)間隙距離取70 mm條件下，所有雷電沖擊放電均發(fā)生在串聯(lián)間隙上；將串聯(lián)間隙距離每次增加5 mm，直到80 mm，重復(fù)上述試驗依然得到同樣結(jié)果。試驗證明，設(shè)計的避雷器結(jié)構(gòu)合理、動作可靠。間隙距離取70 mm時避雷器的伏秒特性曲線見圖4。

圖4 伏秒特性曲線圖

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定，對避雷器本體試品進行了參數(shù)檢定及局部放電性能、密封性能、復(fù)合外套絕緣耐受性能、復(fù)合外套與芯體的界面性能和機械性能等其它型式試驗項目的檢驗。

4 應(yīng)用效果

津-濱（天津市區(qū)—濱海新區(qū)）快速軌道交通線路地處雷電活動較為頻繁的渤海灣地區(qū)，一期工程正線全長45.1 km，其中高架橋線路所占比例達88%，線路結(jié)構(gòu)決定了其易遭受雷擊、導(dǎo)線上感應(yīng)的雷電過電壓幅值高。實際運行情況與分析吻合，2004—2006年，接觸網(wǎng)因雷擊導(dǎo)致絕緣子損壞超過60只，行車被迫中斷數(shù)小時。為了妥善解決該問題，2007年7月，選定該線路某一易遭雷擊路段，安裝了本文研制的避雷器，當(dāng)年該易擊段未發(fā)生雷擊故障，第2年全線約一半線路增裝避雷器。

5 結(jié)論

（1）串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器利用電阻片釋放雷電能量、抑制直流續(xù)流起弧，有效地保護了絕緣子免于雷擊損壞，同時串聯(lián)間隙隔離系統(tǒng)運行電壓作用到避雷器本體上，延長了電阻片的使用壽命，是一種較理想的城市軌道交通架空接觸網(wǎng)雷電防護手段。

（2）城市軌道交通架空接觸網(wǎng)用串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器電阻片選用交流D35型ZnO電阻片，額定電壓選為10 kV，串聯(lián)間隙距離按照間隙的50%雷電沖擊放電電壓與被保護絕緣子的放電電壓之比在80%～90%內(nèi)選取。

（3）本文研制的串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)合理，安裝方便，保護效果明顯。

參考文獻：

[1]沈海濱，陳維江，張少軍，等.一種防止10.kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線用新型串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，31（3）：64-67.

[2]陳維江，孫昭英，尹彬.防止10 kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線用帶間隙金屬氧化物避雷器研究[C].江蘇省電機工程學(xué)會論文集，2005.

[3]王玉平，李盛濤.新型ZnO壓敏電阻片的研究進展[J].電氣應(yīng)用，2005，24（6）.

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