新型高壓真空間隙避雷器研究

翟鐵久

（鐵道部工程管理中心，北京100844）

電氣化鐵路接觸網是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路。鐵路線路穿過平原、山區、跨越江河湖泊，遇到的地理環境和氣象條件各不相同，接觸網是露天設置，沒有設置專用避雷線，并且接觸網懸掛整體高度一般在6 000 mm至8 000 mm的范圍，易遭受雷擊災害。根據2008年調研，在廣州鐵路局和成都鐵路局牽引供電系統的故障中，雷擊造成的系統故障占60%。尤其是近幾年發展起來的高速鐵路通常有80%左右的線路設計在高架橋上，接觸網更加容易被雷電擊中。根據運營部門統計：廣深線139.461 km，僅2000年1月—12月間共發生雷擊接觸網跳閘45次；京津城際鐵路在2009年共發生雷擊接觸網跳閘26次。雷電擊穿供電線上絕緣子、避雷器，造成供電線對地短路，導致牽引變電所供電系統跳閘和供電設備的損壞，嚴重影響安全可靠供電，研究牽引供電系統的雷電防護是高速鐵路所面臨的緊要課題。

根據TB 10009－2005《鐵路電力牽引供電設計規范》對接觸網進行大氣過電壓保護規定（1）吸流變壓器的原邊應設避雷裝置；（2）高雷區及強雷區，下列重點位置應設避雷器：①分相和站場端部絕緣錨段關節；②長度2 000 m及以上隧道的兩端；③較長的供電線或AF線到接觸網上的接線處。

目前在接觸網上裝設的是無間隙氧化鋅避雷器，但是在多條電氣化鐵路運行中時有發生避雷器爆炸事故，嚴重影響了供電運行安全，根據統計爆炸的避雷器：有大型骨干廠生產的也有小廠生產的；有國產的也有進口；既有發生在雷雨天，也有發生在晴天的；既有發生在操作時，也有發生在無操作時的。不僅影響了供電安全，也對人身安全造成威脅，其可靠性和防止雷電保護作用難以滿足高速鐵路安全無故障的要求。

1 避雷器問題分析

（1）大電流沖擊耐受能力差

無間隙氧化鋅避雷器的雷電通流量尚難滿足大的雷電沖擊，雷電沖擊電壓很高時，避雷器閥片中的電流密度很大。而沖擊電流在閥片中不是均勻分布的，當局部閥片的雷電沖擊電流密度超過其允許極限值，造成氧化鋅避雷器（閥片）擊穿、燒毀，雷電涌入供電線和供電系統，造成破壞。IEC標準以及國外先進水平避雷器的大電流沖擊耐受電流為65 k A，這一直是我國避雷器行業努力的目標，目前我國部分生產廠還不能完全滿足。

（2）暫態過電壓承受能力差

避雷器是過電壓保護電器，對于能量有限的過電壓，如雷電過電壓和操作過電壓，避雷器泄流能起限壓保護作用。對能量是無限（有補充能源）的過電壓，如暫態過電壓，工頻電源能自動補充過電壓能量，暫態過電壓進入避雷器保護動作區，勢必長時反復動作直至避雷器熱崩潰，損壞爆炸，因此暫態過電壓對避雷器有致命危害，暫態過電壓承受能力差是其致命弱點。

（3）老化問題

氧化鋅避雷器閥片兩端長期經受高壓作用，實際相當于一個非線性電阻的發熱元件，長年累月地直接在電網上承受著各種電壓應力，會產生老化，老化造成泄漏電流上升，甚至造成與瓷套內部放電，放電嚴重時避雷器內部氣體壓力和溫度急劇增高，而引起氧化鋅避雷器本體爆炸，影響供電系統的安全。

（4）密封問題

2006年北京鐵路局機務處曾隨機抽取9支使用中的不同廠生產的硅橡膠絕緣氧化鋅避雷器，由國家級試驗站進行密封性試驗，發現其中有6支密封不良。由于密封不良當受溫差變化影響時，會使潮氣浸入，造成內部絕緣損壞，加速了電阻片的劣化從而引起爆炸，內部受潮影響產品性能，是引起氧化鋅避雷器爆炸事故的主要原因之一。

2 高壓真空間隙避雷器的解決方案

傳統的串聯間隙氧化鋅避雷器使用了空氣間隙和氧化鋅閥片，兩者互為保護。間隙使電荷率為零，解決了氧化鋅閥片老化問題，但是間隙在續流時易損壞，受環境溫度、濕度、氣壓等影響較大，雷電、操作沖擊殘壓等性能穩定性較差。

為解決現有氧化鋅避雷器在運行中存在的隱患，本文提出了研制一種新型的高壓真空間隙避雷器的解決方案：由真空間隙串聯線性電阻（或非線性電阻）組成避雷器（如圖1所示）。

高壓真空間隙避雷器內部結構如圖2所示，是采用新型真空冷陰極高壓電子放電管作為核心元件的新型避雷器。

圖1 真空間隙串聯線性電阻避雷器剖面圖

圖2 高壓電子放電管剖面圖

2.1 高壓真空間隙避雷器工作原理

在正常情況下，線路電壓低于真空間隙避雷器放電值時，避雷器兩電極處于斷開狀態，電極間具有很高的絕緣性能。

當發生雷電及過電壓時，過電壓作用于真空避雷器，真空間隙快速（數微秒）擊穿導通，兩電極之間形成等離子區，快速生成電弧，且以很低的內阻通過大電流，過電壓能量快速對地泄放，于是過電壓的峰值隨之下降，從而可靠地保護了高壓電器和設備免遭損壞。雷電及過電壓波峰通過以后，電流隨即下降，放電管內電弧熄滅，放電管兩電極間絕緣性能又快速（數微秒）恢復成原來的斷開狀態。

2.2 主要研究內容

（1）研制真空間隙放電管，使之具有穩定的放電電壓、大通流量、低泄漏電流。目前我國已經可以生產出6～150 k V高壓真空間隙放電管，為研制高壓真空避雷器奠定了基礎。

（2）研制與真空放電管匹配的電阻，使避雷器具有合理的低殘壓，又沒有交流電網的續流。

（3）研制真空避雷器的封裝結構，使之具有體積小、質量輕、免維護、結構簡單、安裝方便，密封性好、防爆性強、耐污性和可靠性高的特點。

2.3 新型高壓真空放電管的特點

（1）真空間隙導通時阻值極小，由串聯的非線性電阻承受正常的工頻電壓，殘壓可降至理想的水平，提高了設備的過電壓防護性能，可有效的保護接觸網、牽引變電所高壓設備以及電力機車高壓設備的絕緣，延長使用壽命。

（2）采用真空間隙放電電壓穩定，一致性好，不受外界環境濕度、溫度和氣壓等影響。

（3）真空間隙的串入，減少了有功泄漏電流，降低了老化速度和自身損壞率，真正起到保護其他設備的作用。

（4）放電管自身電容和電感都很小，不會產生操作過電壓，故對被保護電路影響小。

（5）有很好的自愈性能，可多次重復使用，且放電速度快，恢復速度快，重復頻率高，使用壽命長，不需要維護。

（6）真空間隙避雷器具有無間隙氧化鋅避雷器的優點，同時還有暫態過電壓承受能力強的特點，用于吸收雷擊過電壓和真空開關操作過電壓，是一種理想的揚長避短的產品。

（7）提高耐受雷電沖擊電流（8／20波形）能力，尤其大電流沖擊能力；提高耐受長持續時間沖擊電流能力，提高標稱放電電流、操作沖擊電流。

2.4 真空間隙避雷器主要技術參數（表1）

表1 真空間隙避雷器主要技術參數

3 結束語

高速電氣化鐵路的建設和發展，對于安全可靠運行提出了更高的要求，其中對于雷電災害的預防更是急待解決的技術難題，在研究防雷系統方案時，不僅研究防護策略、技術和措施，還應研究性能優良、穩定可靠、少維修或者免維修的防雷器件，只有這樣才能真正構建適應各種氣象條件的全天候牽引供電系統，確保高速電氣化鐵路安全可靠運行。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10009－2005.鐵路電力牽引供電設計規范［S］.

［2］中華人民共和國機械電子工業部.GB 11032－89.交流無間隙金屬氧化鋅避雷器［S］.

［3］李 凡，施 圍.110 k V線路防雷的新措施——帶外串聯間隙復合外套氧化鋅避雷器［J］.電工技術雜志，2002，（8）：50－52.

［4］吳根富.氧化鋅避雷器的應用與分析［J］.電氣開關，2004，（5）：40－43.

［5］李樹侖.過電壓保護氣體放電管的進展及其應用［J］.真空電子技術，1989，（2）：30－36.