城市轨道交通接触网带间隙避雷器的应用

2010-09-21沈海滨陈维江王立天赵海军王彦利

电气化铁道 2010年5期

沈海滨，陈维江，王立天，赵海军，王彦利，尹彬

0 引言

近年来，随着国内城市轨道交通系统工程数量不断增多，架空接触网雷害问题日益突出，但雷电防护研究相对滞后。至今，在全国已投运城轨工程中，仅有部分线路通过接触网支柱顶端架设避雷线来降低雷击闪络事故概率，未见其他雷电防护措施的研究报道。雷电防护手段单一、功能不完善，已不能满足现代城轨系统高运行可靠性的要求。

在架空接触网支柱上装设金属氧化物避雷器（以下简称避雷器），通过避雷器本体采用的氧化锌（ZnO）电阻片释放雷电能量，抑制直流续流起弧，保护绝缘子免于雷击损坏的同时，可防止线路雷击跳闸，是一种性能优异的雷电防护措施。避雷器从结构上可分为无间隙和带串联间隙2种，相比无间隙结构，带串联间隙避雷器除间隙闪络击穿期间外，电阻片均不承受系统运行电压，避免了电阻片长期耐受电压老化损坏的问题，延长了使用寿命。因此，在城市轨道交通系统接触网中引入带串联间隙避雷器有着工程应用价值。

本文针对腕臂绝缘子用带间隙避雷器开展研制工作，设计避雷器的结构，研究选择电阻片参数、避雷器额定电压和串联间隙距离，通过雷电冲击放电伏秒特性等型式试验对样品性能进行检验。

1 避雷器结构与工作原理

[1，2]的研究成果，结合架空接触网的实际结构，本文设计的带间隙避雷器由避雷器本体、串联间隙和安装金具3部分组成，应用时避雷器安装到腕臂上，与绝缘子并联，结构示意如图1。为了适应不同应用场合，设计出2种串联间隙结构以供选择，图1 a的串联间隙由平板电极与避雷器本体端部构成，图1 b的串联间隙由避雷器本体端部的环电极与绝缘子地电位端端部法兰构成。

图1 避雷器结构示意图

避雷器本体外绝缘选用复合硅橡胶材料，具有耐气候老化、耐电蚀损、耐污秽、重量轻等优点，尤其适合户外架空线路长期使用。

避雷器的保护功能利用金属氧化物电阻片的良好非线性特性得以实现，其工作原理：在线路正常运行时，由于串联间隙隔离，避雷器本体不承受系统直流运行电压；在幅值足够高的感应雷或直击雷过电压作用下，串联间隙击穿，本体电阻片在高电压下瞬间呈现低阻抗，释放雷电能量，限制住绝缘子两端的过电压，防止绝缘子沿面闪络放电；雷电冲击后，施加在避雷器本体两端的电压为系统运行电压，本体电阻片在低电压下呈现高阻抗，串联间隙绝缘性能迅速恢复，线路回到正常运行状态。

2 避雷器额定参数

2.1 金属氧化物电阻片参数

ZnO电阻片长期在直流电场的作用下会造成低价阳离子的迁移，特别是小离子半径的元素更易迁移，导致材料内部产生微应力，在过电压作用时，应力场加剧，容易引起电阻片破坏[3]。所以直流电阻片与交流电阻片在制造工艺上存在差异，在相同额定电压下，要求直流电阻片比交流电阻片具有更高的电位梯度和能量耐受密度。城市轨道交通系统虽然采用直流制式，但系统运行电压只有1 500 V，加之避雷器采用带串联间隙结构，只有在雷击动作期间，本体才瞬时承受直流运行电压。考虑到该系统下运行电压对电阻片的作用时间短、作用应力小，故电阻片直接选用常规的交流电阻片。

文献[2]对电力系统10 kV配电网用ZnO电阻片参数进行了研究，通过试验手段验证了10 kV配电网选用交流D35型（直径35 cm）电阻片的合理性。城市轨道交通架空接触网导线对地高度与线路绝缘配置水平均与10 kV配电线路相当，线路走廊多位于城区，有建筑物等遮护，雷电防护也应以防感应雷为主。因此，借鉴文献[2]的研究成果，选择D35型电阻片，从性能和经济性角度都是合适的。D35型电阻片应能耐受幅值65 kA的4/10 μs大电流冲击2次，耐受幅值150 A的2 ms方波电流冲击20次，更为详细的电阻片性能参数要求，可依据交流无间隙金属氧化物避雷器标准[4]规定的相关内容执行。

2.2 避雷器额定电压

带间隙避雷器额定电压即为避雷器本体的额定电压，该参数的选择恰当与否，直接关系到避雷器的保护性能、运行可靠性和经济成本。为确定该参数，对架空接触网导线上出现的最大感应过电压做了仿真计算，研究该过电压作用下流经避雷器的冲击电流幅值，以此为依据选择额定电压。

参考文献[5]中关于感应过电压的研究内容，本文根据前苏联拉里昂诺夫（РАЗЕВИГ）模型[5，6]推导的公式，计算出接触网导线上产生的最大感应过电压。在该基础上，利用电力系统中广为采用的ATP-EMTP[7]电磁暂态程序，仿真研究接触网上避雷器流过的冲击电流。计算采用的集中参数等值电路如图2所示。

图2 集中参数等值电路图

为保证间隙可靠灭弧，希望避雷器额定电压选择的高些，城市轨道交通系统可能出现的最大暂时过电压接近2 kV，避雷器额定电压选择大于2 kV为宜；从保护绝缘子效果方面考虑，希望绝缘子全波额定雷电冲击耐压与避雷器残压间的配合系数取得越大越好，即避雷器额定电压选择的小些。架空接触网绝缘子雷电冲击耐压与电力系统 10 kV配电网绝缘子耐压水平接近，参考10 kV配电网雷电防护设计和运行经验，带间隙避雷器额定电压选择在13 kV以内较为合适。故本文在仿真计算时，将避雷器额定电压初步确定在5～13 kV范围内，并取5，7，10和13 kV典型值作为研究对象。

仿真研究结果表明：在幅值不大于 300 kA、波头时间为0.5～3.0 μs的雷电流作用下，避雷器本体在雷电感应过电压作用下承受的冲击电流幅值不超过1.5 kA，该持续时间短（脉宽只有几十至几百μs）、幅值小的冲击电流对于D35型电阻片来说是完全能够耐受住多次动作的。部分仿真计算结果见表1。

表1 流过避雷器本体的冲击电流幅值表（单位：kA）

从表 1数据还可以看出，避雷器额定电压从5 kV升至13 kV，流过避雷器本体的冲击电流幅值变化并不明显。分析原因在于：流过避雷器本体的冲击电流受到本体阻抗、支柱波阻抗和支柱冲击接地电阻的共同约束，在避雷器动作期间，本体呈现低阻抗，阻抗值相比于支柱波阻抗和支柱冲击接地电阻要小很多，这使得流经避雷器本体的冲击电流幅值主要取决于支柱波阻抗值和支柱冲击接地电阻值，受避雷器额定电压取值不同的影响较小。

根据表1数据，避雷器额定电压取5～13 kV都是可行的。考虑架空接触网实际运行中还将遭受一定数量的直击雷，避雷器额定电压选得过低，避雷器雷击损坏的概率将增加；而在保证避雷器保护效果和运行可靠的前提下，额定电压选高无疑将增加产品的经济成本。综合权衡，最终确定避雷器额定电压为10 kV。

2.3 串联间隙距离

串联间隙距离的确定原则：满足避雷器在雷电过电压下动作，在直流运行电压及操作过电压下不动作，同时，间隙距离不宜选得过小，防止避雷器遇雷频繁动作降低使用寿命。

通过对带间隙避雷器和绝缘子分别进行正极性50%雷电冲击放电电压（U50%）试验研究，确定串联间隙的最大距离；根据系统最高运行电压和操作过电压幅值情况确定串联间隙的最小距离。综合上述研究结果，最终确定2种结构避雷器串联间隙距离均取70 mm，该间隙距离对应的U50%与绝缘子的放电电压之比为80%～90%。雷电冲击放电试验得到的部分间隙距离下的正极性U50%见表2。

表2 不同间隙距离下的正极性U50%（标准气象条件下）值表

3 试验检验

雷电冲击放电伏秒特性试验是带间隙避雷器一项重要的型式试验项目，用来检验避雷器动作的可靠程度，以验证产品结构设计的合理性。将避雷器试品按照图 3的试验接线布置进行了大量的雷电全波冲击放电伏秒特性试验研究。每次试验都拍摄雷电放电路径，记录数据。

图3 雷电冲击放电伏秒特性试验接线图

试验结果表明，在避雷器串联间隙距离取70 mm条件下，所有雷电冲击放电均发生在串联间隙上；将串联间隙距离每次增加5 mm，直到80 mm，重复上述试验依然得到同样结果。试验证明，设计的避雷器结构合理、动作可靠。间隙距离取70 mm时避雷器的伏秒特性曲线见图4。

图4 伏秒特性曲线图

依据标准[8]规定，对避雷器本体试品进行了参数检定及局部放电性能、密封性能、复合外套绝缘耐受性能、复合外套与芯体的界面性能和机械性能等其它型式试验项目的检验。

4 应用效果

津-滨（天津市区—滨海新区）快速轨道交通线路地处雷电活动较为频繁的渤海湾地区，一期工程正线全长45.1 km，其中高架桥线路所占比例达88%，线路结构决定了其易遭受雷击、导线上感应的雷电过电压幅值高。实际运行情况与分析吻合，2004—2006年，接触网因雷击导致绝缘子损坏超过60只，行车被迫中断数小时。为了妥善解决该问题，2007年7月，选定该线路某一易遭雷击路段，安装了本文研制的避雷器，当年该易击段未发生雷击故障，第2年全线约一半线路增装避雷器。