直流額定放電電流20 kA 避雷器的研發

劉宏泰，繆祖基

0 前言

國際上城市軌道交通直流供電使用的20 kA額定放電電流避雷器，國內仍需進口，也無相關的規范標準。該避雷器價格昂貴，維修成本高，維修材料購置困難。中鐵電氣化局集團第三工程有限公司和上海避雷器廠根據交流系統金屬氧化物避雷器規范GB 11032、IEC 60052、IEC 60099 和JB/T 8952《交流系統用復合外套無間隙金屬氧化物避雷器》等標準，研制和開發了20 kA 8/20 μs 的直流避雷器。現在該產品已通過了全部型式試驗，并在現場大量安裝。

1 設計技術參數的確定

經過認真研究國際同型號產品以及參考沿海城市軌道交通1 500 V 直流系統高架區間絕緣設計計算，確定了20 kA 8/20 μs 的直流避雷器產品必須滿足以下參數要求。

工頻耐壓：≥50 kV（干燥），≥30 kV（潮濕）；

全波沖擊耐壓：≥100 kV；

額定放電電流：20 kA 8/20 μs；

大電流沖擊耐受2 次：65 kA 4/10 μs；

持續放電電流：1 200～1 500 A 2 ms；

直流起始放電電壓：3 900 V；

全波沖擊殘壓：≤5.39 kV；

標稱雷電沖擊放電電壓：≤7.5 kV；

避雷器頂端最小允許水平拉力：300 N；

爬電距離：400 mm；

額定電壓：2.4 kV；

持續運行電壓：2.0 kV；

持續運行電壓下的持續電流：≤20 μA；

直流泄漏1mA 參考電壓：≥2.67 kV；

陡坡沖擊電流殘壓：≤5.9 kV；

地震烈度、風力、海拔、溫度：烈度≤7 級、風力≤35 m/s、海拔≤2 500 m、-55℃≤溫度≤+55℃。

根據產品選型和參數研究，確定新產品的型號為HY20WL2-2.4/5。

a.氧化鋅避雷器和有間隙避雷器的選擇：當避雷器有間隙時其保護特性取決于間隙元件的沖擊放電電壓（例如7.5 kV）和與其串聯的非線性電阻元件的標稱雷電放電殘壓（例如20 kA 時的殘壓是5.39 kV）兩者之間的高者（為7.5 kV）；當避雷器無間隙時其保護特性直接取決于非線性電阻元件的雷電流殘壓特性（雷電流20 kA 時為5.39 kV，10 kA 時為4.90 kV，5 kA 時為4.65 kV）。金屬氧化物避雷器沒有火花放電，電流符合伏安特性曲線；殘壓分布度較小，一般±3%，具有良好的陡坡前特性；可承受高于運行電壓50 Hz 的暫態負載；并聯避雷器運行可提高能量吸收能力；主部件結構簡單，組件少，可忽略老化問題。而有間隙避雷器有火花放電，隨后有工頻續流出現；火花間隙常有散射區，取決于非線性電壓分布，最高達15%；由于突波前電壓導致火花放電電壓會陡增（大于25%）；50 Hz 下的持續電壓低于額定電壓；有限的能量吸收能力，并聯沒有作用；部件結構復雜，電弧易引起老化。下面通過比較24 kV、標稱放電電流10 kA 有間隙避雷器和無間隙金屬氧化物避雷器的放電電壓-時間曲線，進一步對上述結論做以證明。

圖1 避雷器放電電壓-時間曲線比較圖

軌道交通選用20 kA 就是為了提高線路的放電電壓等級和通流能力，根據以上分析選擇無間隙氧化鋅避雷器進行設計，關鍵技術在于提高氧化鋅電阻片的通流能力，一旦選定了材料，便確定了一定的電流密度和工藝能力。通過增加氧化鋅電阻片的截面和氧化鋅電阻片的數量可以提高流通能力，而截面增大的結果還同時降低了電阻片本身標稱放電電流下殘壓，這無疑是一種可靠達到20 kA 標稱放電電流的最佳選擇方案。氧化鋅電阻片是直流避雷器的核心元件，直流閥片電氣性能的好壞，直接關系到避雷器的保護水平和運行的穩定性；直流電壓下，電阻片的加速老化試驗條件最為苛刻，在試驗溫度115℃條件下，荷電率0.85，一個在交流電壓下能通過1 000 h 試驗的電阻片，被放置在直流電壓下有可能幾小時或幾十小時就趨于熱崩潰。這說明直流電阻片配方和工藝與交流電阻片配方和工藝是有區別的。無法通過直流老化試驗的電阻片一般是不能用在直流無間隙避雷器上的，當然荷電率進一步降低時，例如降低到0.45 以下時，有可能一般的交流電阻片也能通過直流老化試驗，但在這種情況下，電阻片的實用價值已經不大了，因為在維持放電電流和殘壓不變的要求下，荷電率的進一步降低，將會使直流起始放電電壓滑落在不安全的運行區域內，加速了電阻片走向熱崩潰的可能。隨著近年電阻片制造技術的進步和工藝水平的提高，直流電阻片加速老化性能有了明顯的改善。在試驗溫度115℃條件下，荷電率0.80 時，通過直流1 000 h 老化試驗的電阻片，老化系數已能達到0.8，甚至更低，其典型的老化曲線是類似浴盆形曲線，1 000 h 僅處于盆底的前半段，這就大大提高了電阻片組裝成的避雷器在實際運行中的安全性。

b.2-2.4/5.39 直流避雷器結構和材料設計。HY20WL2-2.4/5.39 直流避雷器通過托板安裝在用戶的立柱支架上，高壓從頂端導入，內部芯體由電極、高性能電阻片及包覆的環氧玻布纏繞層組成，外面有壓注成型的硅橡膠外殼，整個避雷器下端通過螺栓座裝在托板上并與脫離器串接，脫離器的下端接有防護罩和軟導線，軟導線的另一端與托板一起固定在安裝支架上，再與電纜連接。適當增加氧化鋅閥片的截面，使其能夠達到安全通流20 kA 的標準要求，平時電阻片工作在高阻狀態，僅有幾到幾十微安的泄漏電流通過，而當過電壓（雷過電壓、操作過電壓）侵入時，電阻片立即呈低阻工作狀態，沖擊電流通過避雷器入地，沖擊電流過后，電阻片又呈高阻工作狀態，系統恢復正常運行；當通過避雷器的電流幅值和時間遠超過避雷器的實際承受能力時，避雷器就可能發生故障，故障電流會使脫離器內部的溫度迅速上升，根據脫離器的動作電流時間特性，在電流持續一定時間后，脫離器內部溫度積蓄到一定能量后就會引爆脫離器小炸藥，使脫離器外殼設定的薄弱環節發生爆裂，于是脫離器下端頭、連同防護罩和軟導線自行脫落，使避雷器退出運行，并形成可見斷口，便于巡查發現。

c.輔助產品設計。雷電計數器：配套采用的JC-2 型MOA 直流避雷器計數器，是一種由單片機控制的新型全電子化產品，采用電磁耦合原理一次單匝穿心傳感器，實現無殘壓的取樣方式，性能可靠，抗干擾能力強，這也是本次設計的一個亮點，產品結構新穎，計數響應值達到50 A～20 kA（8/20 μs）、100 kA（4/10 μs），產品具有配套20 kA的通流能力。

2 研制重點注意問題和產品特點

a.關于避雷器壓力釋放試驗的探討。安全設計：避雷器故障率很低。在其發生故障時，應不造成其他設備的損壞和影響人身安全。避雷器壓力釋放就是通過試驗驗證避雷器在內部有故障時，不會產生強烈的爆炸，傷及其他的設備和工作人員，該產品采取了雙重防護的方法，即在不配裝脫離器的情況下靠復合外殼本身的結構特點釋放可能出現的內部壓力；當配裝脫離器時靠脫離器的動作將故障隔離，以確保避雷器在發生故障時不造成對其他設備的損壞和影響人身安全。該產品的短路耐受能力是通過帶復合外套的同類結構長度較高的產品的試驗結果推斷的。試驗通過了20 kA 持續時間為0.2 s 的大電流短路試驗和800 A 持續時間為0.5 s的小電流短路試驗；另外配裝了脫離器，GB 11032標準規定了脫離器在交流情況下的動作特性曲線是20，200，800 A 的動作時間，已驗證了在直流情況下20 A 的動作時間，一般不到60 s 便已動作，因此，當避雷器故障電流通過脫離器時，脫離器的可靠動作以及脫離器外面的護罩是確保避雷器在發生故障時不會造成對其他設備的損壞和影響人身安全又一道保證措施。

b.該 20 kA 級地鐵用直流避雷器爬距為400 mm、外絕緣工頻耐壓65 kV（干燥）、全波沖擊耐受100 kV，直流避雷器外絕緣要求比交流系統避雷器更高，避雷器在直流電場下的積污能力遠高于交流電場，如不采取措施會影響避雷器外絕緣的性能，為此在產品設計時通過增大爬距以及采用硅橡膠材料代替瓷材料的方法來提高防污閃水平。

c.直流避雷器通流容量要比交流系統避雷器更大，直流輸電系統中電容元件（如長電纜段、濾波電容器、沖擊波吸收電容器等）遠比交流系統多，而且正常運行時均處于全充電狀態，一旦有某一個避雷器動作，將通過這一只避雷器進行放電，該20 kA 級地鐵用直流避雷器2 ms 方波的通流容量達到1 300 A（對應GB11032 標準規定的線路放電等級為4 級）。

d.避雷器的機械負荷：由于該避雷器實際使用時是采用座式安裝，機械負荷主要是抗彎負荷，避雷器頂端應能承受最大水平拉力與風壓力折算到頂端的集中作用力之和的2.5 倍，并在該負荷作用下耐受10 s 而不損壞，試驗前后局部放電量均不大于10 pC，直流參考電壓變化不大于5%。該產品設計的導線最大允許水平拉力F1= 300 N，風壓力F2= 20 N，試驗施加頂端負荷是2.5（F1+F2/2） =775 N。如果用戶需要將避雷器進行懸掛安裝或懸臂安裝時應做抗拉和抗扭試驗，試驗要求和方法由供需雙方協商解決。

e.避雷器復合外套起痕和耐電蝕損設計，避雷器外套應耐受1 000 h 傘套起痕和耐電蝕損試驗。復合外套直接關系到電力系統的安全運行。由于復合外套的主要材料是高溫硫化硅橡膠，其耐電痕化和蝕損試驗主要用于評定在嚴酷環境條件下電氣絕緣材料的耐污性能，一般復合外套避雷器選用耐漏電起痕3.5 級的絕緣材料就可以滿足用戶部門對避雷器的污穢等級要求。避雷器外套材料應按GB/T 6553 要求進行耐漏電起痕和耐電蝕損試驗，本產品試驗達到了要求。

f.低壓產品短路試驗條件不足的說明，咨詢有關單位不能在該產品直接進行壓力釋放試驗的原因如下：由于產品電壓等級（僅2 400 V）和結構高度（僅200 mm）都較低，當大電流短路試驗時，即使能有100%的產品額定電壓加在試品上，并且通過的電流也能使內部并聯的短路熔絲熔斷產生電弧，但熔絲熔斷后的電弧壓降很快增高，而外加電壓低，電場梯度也隨之降低，于是電弧很快熄滅（估計毫秒級），電弧維持的時間比預期電流直接通過試品的時間（0.2 s）要小很多，在這樣情況下，一般低電壓等級的產品短路試驗都是借用同類型較高長度、較高電壓等級產品的試驗結果。

3 試品電氣試驗

依據GB11032-2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》和JB/T8952-2005《交流系統用復合外套無間隙金屬氧化物避雷器》，給國家資質試驗部門送檢的3 件試品，試驗包括爬電距離、直流參考電壓試驗、持續電流試驗、局部放電試驗、 8/20μs殘壓試驗、1/10 μs 殘壓試驗、密封試驗、長持續時間電流沖擊耐受試驗、操作沖擊負載試驗、復合外套外絕緣耐受試驗、工頻電壓耐受試驗、抗彎負荷試驗、復合外套起痕和電蝕試驗等項均達到了國家標準和有關IEC 標準。

4 產品存在的不足之處

使用脫離器使避雷器的殘壓升高約100 V，這將會影響避雷器的性能，目前國際上均存在這個問題，須待以后改進。

5 產品性能總結

HY20WL2-2.4/5.39（額定電壓2～2.4 kV）型金屬氧化物避雷器必將推廣適用于城市軌道交通接觸網系統的過電壓保護，即使在最惡劣條件下，氧化鋅電阻片的低保護水平和高能量吸收能力仍能確保直流接觸網系統設備的安全和可靠運行。產品良好的密封性能和各項環境指標的要求均能滿足我國大部分的地區使用；杰出的機械性能可在地震、沖撞中得到自身保護；安全的多角度設計滿足了遭遇大電流雷電的沖擊，低煙無鹵材料和硅橡膠的使用解決了對環境的影響，也減少了瓷絕緣脆裂時對人身等的潛在威脅；脫扣器的使用使避雷器在故障情況下形成明顯斷口，便于巡視人員更換和維修，總之該產品在國內填補了空白，也必將被市場認可推廣，當然該產品也存在一些缺陷，這將在以后的實踐使用中不斷加以改進。

[1] GB11032-2000 交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].

[2] IEC60099 避雷器[S].

[3] 城市軌道交通標準匯編[S].中國計劃出版社.