10 kV鐵路電力線路感應雷擊防跳閘技術

王彥斌

（中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司，北京 100043）

0 引 言

通過相關的調查分析發現，在鐵路10 kV電力線路的應用過程中，有80%的雷擊事故源于感應雷擊。在遭遇到感應雷擊之后，如果感應過電壓與工頻電壓之和超過絕緣子放電電壓的50%，那么線路絕緣子便會出現閃絡現象，進而導致線路跳閘。為有效解決此類問題，帶有外串聯間隙形式的氧化鋅避雷器開始備受關注。基于此，在對鐵路10 kV電力線路感應雷擊防跳閘技術進行研究的過程中，技術人員應將該避雷器的應用技術作為重點研究對象，以此來有效防止感應雷擊對鐵路10 kV電力線路造成的跳閘事故。

1 帶有外串聯間隙氧化鋅避雷器的主要工作原理

在帶有外串聯間隙氧化鋅避雷器中，主要的組成部分有兩個，一是避雷器本身，也叫做MOA，二是外串聯間隙。具體應用中需要將二者串聯再和絕緣子串進行并聯使用，我國的外串聯間隙所應用的大多是羊角單臂型。圖1是這種氧化鋅避雷器的主要工作原理示意圖。

圖1 帶有外串聯間隙氧化鋅避雷器主要工作原理示意圖

實際使用中，在運行正常的狀態下，所有的工頻電壓都將加載到外串聯間隙中，避雷器上的電壓與荷電率幾乎為零。當線路遭到感應雷擊而出現過電壓的情況下，外串聯間隙將會被擊穿，感應雷所產生的電流和能量都會從外串聯間隙通過，這時的避雷器將會吸收絕大部分的感應雷過電壓和能量。在感應雷所產生的過電壓消失之后，避雷器內的氧化鋅片將迅速恢復到高阻狀態，切斷續流通道，避雷器也將迅速停止工作，并從電路中斷開，這樣便可有效避免斷路器發生跳閘事故[1]。

2 鐵路10 kV電力線路感應雷擊防跳閘技術的應用現狀

2.1 防跳閘技術應用情況

目前，我國采用串并聯形式的10 kV鐵路線路感應雷擊防跳閘技術措施主要有3種，第一種是通過空氣間隙和絕緣子串進行并聯，第二種是通過不帶有串聯間隙的氧化鋅避雷器與絕緣子串進行并聯，第三種是通過帶有串聯間隙的氧化鋅避雷器與絕緣子串進行并聯。相比較第一種而言，第三種措施由于避雷器的存在，在空氣間隙被感應雷擊穿之后可以迅速斷弧，不會讓線路受到很大影響。相較第二種而言，第三種措施因為避雷器不需要長期負荷工頻電壓，能達到良好的防老化效果，可以使線路保護水平得到進一步的提升。另外，憑借著自身動作的可靠性，第三中防跳閘保護技術也可以迅速消除感應雷擊所引起的過電壓現象，進而有效防止發生線路跳閘情況，使鐵路10 kV電力線路的正常運行及其經濟效益得以良好保障。

2.2 防跳閘技術難點和解決措施

在帶有串聯間隙氧化鋅避雷器具體應用中，也存在一定的技術難點，需要通過合理的措施來加以解決，具體情況如下。合理確定和設計外串聯間隙的大小屬于一項技術難點，具體解決中可通過相關資料的查閱來進行合理計算，再對間隙大小進行仿真試驗，然后結合實際情況來確定。氧化鋅避雷器本體設計及選型屬于一項技術難點，具體解決中應根據相應的資料，結合實踐經驗，對避雷器U1mA的值進行合理確定。此外，避雷器的運行監測和維護也是一項技術難點，具體解決中應安排專業的技術人員通過專業設備來進行運行監測和維護，并做好各項監測記錄與運行數據統計，以此來及時糾正運行問題，保障運行效果。

3 鐵路10 kV電力線路感應雷擊防跳閘技術的具體應用分析

3.1 合理確定外串聯間隙距離

在實際應用過程中，帶有外串聯間隙氧化鋅避雷器需要對雷電沖擊能可靠動作，而對短時的線路過電壓和一定范圍內的操作過電壓能合理耐受。確定外串聯間隙距離要綜合考慮這兩種情況。

參考相關數據可知，在雷電沖擊情況下，避雷器在50%雷電電壓作用下的放電電壓應該和避雷器自身1 mA直流參考電壓加串聯間隙50%雷電沖擊放電電壓之和相當，且這兩者的偏差不應超過10%。考慮僅使用空氣間隙和絕緣子串進行并聯的情況，假設間隙雷電沖擊放電電壓的50%是Ub50，絕緣子雷電沖擊放電電壓的50%是Uj50，當保護間隙雷電沖擊放電電壓的50%等于絕緣子雷電沖擊放電電壓50%的0.835倍時，便可讓絕緣子串在閃絡過程中得到良好保護。本文采用常規型號的防污絕緣子，按照日本NGK公司的相關公式，可對外串聯間隙保護條件下的最大間隙距離進行計算。外串聯間隙計算后的主要參數情況如表1所示。

表1 外串聯間隙計算后的主要參數情況

在操作過電壓情況下，分析鐵路10 kV電力線路典型操作過電壓情況，通常操作過電壓最大值應該在系統運行相電壓最大值的4倍以內。因此在具體設計中可以將操作過電壓最大值設置為線路運行相電壓最大值的4倍。10 kV鐵路電力線路中的線電壓最大值是26.68 kV，可求得運行相電壓最大值是6.67 kV[2]。在理論計算的過程中，為了使氣隙絕緣要求與沖擊擊穿電壓相符合，可將保護間隙雷電沖擊放電電壓設計為117.6%的最大操作過電壓，即31.4 kV，而這個值也是氣隙50%沖擊放電電壓最小值U50%/min。在具體計算中，其最小串聯間隙為：

式中：K代表氣隙系數，取10.9；S代表最小間隙距離，其單位是mm。將U50%/min=31.4 kV代入到該公式中，便可計算出S的值約為44 mm。

求得串聯間隙的最大值與最小值后，擬取中間值50 mm。綜合考慮避雷器本體電阻的分壓影響，實際使用過程中的串聯間隙應比理論計算的要小，可以選取最小值44 mm。

3.2 氧化鋅避雷器自身的U1mA確定

目前，我國對氧化鋅避雷器的參數與制造工藝都進行了很大程度的改進，其數據庫十分穩定，且制造工藝也正在不斷更新升級。在氧化鋅避雷器選型時需要確定一個關鍵的電氣參數U1mA[3]。U1mA即避雷器的起始動作電壓，指的是在1 mA直流電流或者是工頻電流峰值通過時產生在避雷器兩端的直流電壓或者是工頻電壓峰值[4]。通過資料查閱和實驗研究發現，在鐵路10 kV電力線路實際的應用過程中，YH5W5-17/50型號的避雷器可實現提升可靠性，降低續流，并為后續應用中的串聯間隙滅弧提供有利條件的目的，其直流電壓為25 kV，額定電壓為17 kV。

具體應用中，為有效保障避雷器在外串聯間隙條件下能夠實現可靠動作，特對此進行了動作試驗。經試驗發現，在沒有串聯間隙的條件下，此類避雷器的1 mA直流參考電壓大約是有串聯間隙條件下1 mA電流參考電壓的1.2倍[5]。基于此，在對帶外串聯間隙氧化鋅避雷器自身U1mA進行設定時，其1 mA直流參考電壓應設計為25/1.2 V，約等于21 kV[6]。

3.3 避雷器運行維護分析

鐵路10 kV電力線路中的串聯間隙型氧化鋅避雷器長時間運行在無人監護的狀態中，雖然在正常工作情況下避雷器上并不會有持續的工頻電壓存在，閥片老化等問題發生的概率也很低，保護能力相對較好，但是在具體應用中為有效保障此類避雷器工作的可靠性，并實現其使用壽命的進一步延長，管理單位就需要及時對其進行科學維護，并將相應的在線運行監測設備加裝到避雷器上[7]。尤其是對于其電流泄露情況，更應該進行嚴格檢查，及時發現其漏電流情況，明確大小，然后根據實際情況進行妥善處理，以此來保障避雷器的應用效果[8]。

在此過程中，管理單位也可以通過原始數據庫和測試數據庫的建立來進行避雷器運行情況的動態記錄，對于和出廠運行數據偏差較大的情況，應及時查明原因，并通過合理的措施進行調整，這樣便可以良好地保護避雷器運行效果，避免發生避雷器運行條件不佳所導致的感應雷沖擊斷路跳閘情況，從而達到最大限度保障鐵路10 kV電力線路安全穩定運行的目的[9]。雖然這樣的運行維護有著較大的工作量，但伴隨著當今科學技術的發展，基于計算機輔助形式的氧化鋅避雷器在線監測技術已經得到了越來越廣泛的應用，該技術不僅可以有效解決傳統在線監測技術工作量大和工作內容復雜等的諸多問題，同時也可以讓避雷器的工作狀況及其運行問題等得以實時反映，以此來有效保障避雷器的良好運行[10]。

4 結 論

在鐵路10 kV電力線路的應用過程中，感應雷是導致其斷路跳閘故障的一個主要影響因素。如果此問題得不到有效解決，那么在電力線路被感應雷沖擊時，瞬間的過電壓現象就會使線路跳閘，不僅會影響到整體電力線路的正常運行，也會對鐵路交通運輸質量和安全帶來一定程度的不利影響，嚴重情況下甚至會破壞電氣設備，導致鐵路交通運輸故障甚至停運，進而造成嚴重的經濟損失。基于此，在對鐵路10 kV電力線路進行感應雷防跳閘保護的過程中，電力單位一定要合理應用外串聯間隙氧化鋅避雷器，根據實際需求對其各項參數進行科學設置，并通過良好的運行保護措施來保障其運行效果。這樣才可以有效防止鐵路10 kV電力線路感應雷擊斷路跳閘事故的發生，讓電力系統和鐵路交通得以良好運行。