城市軌道交通接觸網帶間隙避雷器的應用

沈海濱，陳維江，王立天，趙海軍，王彥利，尹 彬

0 引言

近年來，隨著國內城市軌道交通系統工程數量不斷增多，架空接觸網雷害問題日益突出，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支柱頂端架設避雷線來降低雷擊閃絡事故概率，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，已不能滿足現代城軌系統高運行可靠性的要求。

在架空接觸網支柱上裝設金屬氧化物避雷器（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，是一種性能優異的雷電防護措施。避雷器從結構上可分為無間隙和帶串聯間隙2種，相比無間隙結構，帶串聯間隙避雷器除間隙閃絡擊穿期間外，電阻片均不承受系統運行電壓，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接觸網中引入帶串聯間隙避雷器有著工程應用價值。

本文針對腕臂絕緣子用帶間隙避雷器開展研制工作，設計避雷器的結構，研究選擇電阻片參數、避雷器額定電壓和串聯間隙距離，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 避雷器結構與工作原理

[1，2]的研究成果，結合架空接觸網的實際結構，本文設計的帶間隙避雷器由避雷器本體、串聯間隙和安裝金具3部分組成，應用時避雷器安裝到腕臂上，與絕緣子并聯，結構示意如圖1。為了適應不同應用場合，設計出2種串聯間隙結構以供選擇，圖1 a的串聯間隙由平板電極與避雷器本體端部構成，圖1 b的串聯間隙由避雷器本體端部的環電極與絕緣子地電位端端部法蘭構成。

圖1 避雷器結構示意圖

避雷器本體外絕緣選用復合硅橡膠材料，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，其工作原理：在線路正常運行時，由于串聯間隙隔離，避雷器本體不承受系統直流運行電壓；在幅值足夠高的感應雷或直擊雷過電壓作用下，串聯間隙擊穿，本體電阻片在高電壓下瞬間呈現低阻抗，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放電；雷電沖擊后，施加在避雷器本體兩端的電壓為系統運行電壓，本體電阻片在低電壓下呈現高阻抗，串聯間隙絕緣性能迅速恢復，線路回到正常運行狀態。

2 避雷器額定參數

2.1 金屬氧化物電阻片參數

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，導致材料內部產生微應力，在過電壓作用時，應力場加劇，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。城市軌道交通系統雖然采用直流制式，但系統運行電壓只有1 500 V，加之避雷器采用帶串聯間隙結構，只有在雷擊動作期間，本體才瞬時承受直流運行電壓。考慮到該系統下運行電壓對電阻片的作用時間短、作用應力小，故電阻片直接選用常規的交流電阻片。

文獻[2]對電力系統10 kV配電網用ZnO電阻片參數進行了研究，通過試驗手段驗證了10 kV配電網選用交流D35型（直徑35 cm）電阻片的合理性。城市軌道交通架空接觸網導線對地高度與線路絕緣配置水平均與10 kV配電線路相當，線路走廊多位于城區，有建筑物等遮護，雷電防護也應以防感應雷為主。因此，借鑒文獻[2]的研究成果，選擇D35型電阻片，從性能和經濟性角度都是合適的。D35型電阻片應能耐受幅值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，更為詳細的電阻片性能參數要求，可依據交流無間隙金屬氧化物避雷器標準[4]規定的相關內容執行。

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，該參數的選擇恰當與否，直接關系到避雷器的保護性能、運行可靠性和經濟成本。為確定該參數，對架空接觸網導線上出現的最大感應過電壓做了仿真計算，研究該過電壓作用下流經避雷器的沖擊電流幅值，以此為依據選擇額定電壓。

參考文獻[5]中關于感應過電壓的研究內容，本文根據前蘇聯拉里昂諾夫（РАЗЕВИГ）模型[5，6]推導的公式，計算出接觸網導線上產生的最大感應過電壓。在該基礎上，利用電力系統中廣為采用的ATP-EMTP[7]電磁暫態程序，仿真研究接觸網上避雷器流過的沖擊電流。計算采用的集中參數等值電路如圖2所示。

圖2 集中參數等值電路圖

為保證間隙可靠滅弧，希望避雷器額定電壓選擇的高些，城市軌道交通系統可能出現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取得越大越好，即避雷器額定電壓選擇的小些。架空接觸網絕緣子雷電沖擊耐壓與電力系統 10 kV配電網絕緣子耐壓水平接近，參考10 kV配電網雷電防護設計和運行經驗，帶間隙避雷器額定電壓選擇在13 kV以內較為合適。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，并取5，7，10和13 kV典型值作為研究對象。

仿真研究結果表明：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過電壓作用下承受的沖擊電流幅值不超過1.5 kA，該持續時間短（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數據還可以看出，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。

根據表1數據，避雷器額定電壓取5～13 kV都是可行的?？紤]架空接觸網實際運行中還將遭受一定數量的直擊雷，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品的經濟成本。綜合權衡，最終確定避雷器額定電壓為10 kV。

2.3 串聯間隙距離

串聯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，確定串聯間隙的最大距離；根據系統最高運行電壓和操作過電壓幅值情況確定串聯間隙的最小距離。綜合上述研究結果，最終確定2種結構避雷器串聯間隙距離均取70 mm，該間隙距離對應的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%（標準氣象條件下）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，以驗證產品結構設計的合理性。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，記錄數據。

圖3 雷電沖擊放電伏秒特性試驗接線圖

試驗結果表明，在避雷器串聯間隙距離取70 mm條件下，所有雷電沖擊放電均發生在串聯間隙上；將串聯間隙距離每次增加5 mm，直到80 mm，重復上述試驗依然得到同樣結果。試驗證明，設計的避雷器結構合理、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

依據標準[8]規定，對避雷器本體試品進行了參數檢定及局部放電性能、密封性能、復合外套絕緣耐受性能、復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 應用效果

津-濱（天津市區—濱海新區）快速軌道交通線路地處雷電活動較為頻繁的渤海灣地區，一期工程正線全長45.1 km，其中高架橋線路所占比例達88%，線路結構決定了其易遭受雷擊、導線上感應的雷電過電壓幅值高。實際運行情況與分析吻合，2004—2006年，接觸網因雷擊導致絕緣子損壞超過60只，行車被迫中斷數小時。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，當年該易擊段未發生雷擊故障，第2年全線約一半線路增裝避雷器。

5 結論

（1）串聯間隙金屬氧化物避雷器利用電阻片釋放雷電能量、抑制直流續流起弧，有效地保護了絕緣子免于雷擊損壞，同時串聯間隙隔離系統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雷電防護手段。

（2）城市軌道交通架空接觸網用串聯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%內選取。

（3）本文研制的串聯間隙金屬氧化物避雷器結構合理，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架空絕緣導線雷擊斷線用新型串聯間隙金屬氧化物避雷器[J].電網技術，2006，31（3）：64-67.

[2]陳維江，孫昭英，尹彬.防止10 kV架空絕緣導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].電氣應用，2005，24（6）.

[4]GB11032-2000交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].2000.

[5]張山，陳維江，李成榕，等.變電站10 kV進線保護段研究[J].電網技術，2007，31（1）：71-74.

[6]B·P·拉里昂諾夫著.高電壓技術[M].北京：水利電力出版社，1994.

[7]電力科學研究院高壓所.ATP程序用戶使用手冊[M].北京：中國電力科學研究院出版科，1994.

[8]DL/T815-2002交流輸電線路用復合外套金屬氧化物避雷器[S].2002.