10 kV鐵路電力線路感應(yīng)雷擊防跳閘技術(shù)

王彥斌

（中鐵二十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，北京 100043）

0 引 言

通過相關(guān)的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，在鐵路10 kV電力線路的應(yīng)用過程中，有80%的雷擊事故源于感應(yīng)雷擊。在遭遇到感應(yīng)雷擊之后，如果感應(yīng)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(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致線路跳閘。為有效解決此類問題，帶有外串聯(lián)間隙形式的氧化鋅避雷器開始備受關(guān)注。基于此，在對鐵路10 kV電力線路感應(yīng)雷擊防跳閘技術(shù)進(jìn)行研究的過程中，技術(shù)人員應(yīng)將該避雷器的應(yīng)用技術(shù)作為重點(diǎn)研究對象，以此來有效防止感應(yīng)雷擊對鐵路10 kV電力線路造成的跳閘事故。

1 帶有外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的主要工作原理

在帶有外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器中，主要的組成部分有兩個(gè)，一是避雷器本身，也叫做MOA，二是外串聯(lián)間隙。具體應(yīng)用中需要將二者串聯(lián)再和絕緣子串進(jìn)行并聯(lián)使用，我國的外串聯(lián)間隙所應(yīng)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(lián)間隙氧化鋅避雷器主要工作原理示意圖

實(shí)際使用中，在運(yùn)行正常的狀態(tài)下，所有的工頻電壓都將加載到外串聯(lián)間隙中，避雷器上的電壓與荷電率幾乎為零。當(dāng)線路遭到感應(yīng)雷擊而出現(xiàn)過電壓的情況下，外串聯(lián)間隙將會被擊穿，感應(yīng)雷所產(chǎn)生的電流和能量都會從外串聯(lián)間隙通過，這時(shí)的避雷器將會吸收絕大部分的感應(yīng)雷過電壓和能量。在感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓消失之后，避雷器內(nèi)的氧化鋅片將迅速恢復(fù)到高阻狀態(tài)，切斷續(xù)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(fā)生跳閘事故[1]。

2 鐵路10 kV電力線路感應(yīng)雷擊防跳閘技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 防跳閘技術(shù)應(yīng)用情況

目前，我國采用串并聯(lián)形式的10 kV鐵路線路感應(yīng)雷擊防跳閘技術(shù)措施主要有3種，第一種是通過空氣間隙和絕緣子串進(jìn)行并聯(lián)，第二種是通過不帶有串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器與絕緣子串進(jìn)行并聯(lián)，第三種是通過帶有串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器與絕緣子串進(jìn)行并聯(lián)。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(yīng)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?yàn)楸芾灼鞑恍枰L期負(fù)荷工頻電壓，能達(dá)到良好的防老化效果，可以使線路保護(hù)水平得到進(jìn)一步的提升。另外，憑借著自身動(dòng)作的可靠性，第三中防跳閘保護(hù)技術(shù)也可以迅速消除感應(yīng)雷擊所引起的過電壓現(xiàn)象，進(jìn)而有效防止發(fā)生線路跳閘情況，使鐵路10 kV電力線路的正常運(yùn)行及其經(jīng)濟(jì)效益得以良好保障。

2.2 防跳閘技術(shù)難點(diǎn)和解決措施

在帶有串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器具體應(yīng)用中，也存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，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(shè)計(jì)外串聯(lián)間隙的大小屬于一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，具體解決中可通過相關(guān)資料的查閱來進(jìn)行合理計(jì)算，再對間隙大小進(jìn)行仿真試驗(yàn)，然后結(jié)合實(shí)際情況來確定。氧化鋅避雷器本體設(shè)計(jì)及選型屬于一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，具體解決中應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的資料，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對避雷器U1mA的值進(jìn)行合理確定。此外，避雷器的運(yùn)行監(jiān)測和維護(hù)也是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，具體解決中應(yīng)安排專業(yè)的技術(shù)人員通過專業(yè)設(shè)備來進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測和維護(hù)，并做好各項(xiàng)監(jiān)測記錄與運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以此來及時(shí)糾正運(yùn)行問題，保障運(yùn)行效果。

3 鐵路10 kV電力線路感應(yīng)雷擊防跳閘技術(shù)的具體應(yīng)用分析

3.1 合理確定外串聯(lián)間隙距離

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

參考相關(guān)數(shù)據(jù)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(yīng)該和避雷器自身1 mA直流參考電壓加串聯(lián)間隙50%雷電沖擊放電電壓之和相當(dāng)，且這兩者的偏差不應(yīng)超過10%。考慮僅使用空氣間隙和絕緣子串進(jìn)行并聯(lián)的情況，假設(shè)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(dāng)保護(hù)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(shí)，便可讓絕緣子串在閃絡(luò)過程中得到良好保護(hù)。本文采用常規(guī)型號的防污絕緣子，按照日本NGK公司的相關(guān)公式，可對外串聯(lián)間隙保護(hù)條件下的最大間隙距離進(jìn)行計(jì)算。外串聯(lián)間隙計(jì)算后的主要參數(shù)情況如表1所示。

表1 外串聯(lián)間隙計(jì)算后的主要參數(shù)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(yīng)該在系統(tǒng)運(yùn)行相電壓最大值的4倍以內(nèi)。因此在具體設(shè)計(jì)中可以將操作過電壓最大值設(shè)置為線路運(yùn)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(yùn)行相電壓最大值是6.67 kV[2]。在理論計(jì)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(hù)間隙雷電沖擊放電電壓設(shè)計(jì)為117.6%的最大操作過電壓，即31.4 kV，而這個(gè)值也是氣隙50%沖擊放電電壓最小值U50%/min。在具體計(jì)算中，其最小串聯(lián)間隙為：

式中：K代表氣隙系數(shù)，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(jì)算出S的值約為44 mm。

求得串聯(lián)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(shí)際使用過程中的串聯(lián)間隙應(yīng)比理論計(jì)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(shù)與制造工藝都進(jìn)行了很大程度的改進(jìn)，其數(shù)據(jù)庫十分穩(wěn)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(shí)需要確定一個(gè)關(guān)鍵的電氣參數(shù)U1mA[3]。U1mA即避雷器的起始動(dòng)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(shí)產(chǎn)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(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在鐵路10 kV電力線路實(shí)際的應(yīng)用過程中，YH5W5-17/50型號的避雷器可實(shí)現(xiàn)提升可靠性，降低續(xù)流，并為后續(xù)應(yīng)用中的串聯(lián)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(yīng)用中，為有效保障避雷器在外串聯(lián)間隙條件下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠動(dòng)作，特對此進(jìn)行了動(dòng)作試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒有串聯(lián)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(lián)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(lián)間隙氧化鋅避雷器自身U1mA進(jìn)行設(shè)定時(shí)，其1 mA直流參考電壓應(yīng)設(shè)計(jì)為25/1.2 V，約等于21 kV[6]。

3.3 避雷器運(yùn)行維護(hù)分析

鐵路10 kV電力線路中的串聯(lián)間隙型氧化鋅避雷器長時(shí)間運(yùn)行在無人監(jiān)護(hù)的狀態(tài)中，雖然在正常工作情況下避雷器上并不會有持續(xù)的工頻電壓存在，閥片老化等問題發(fā)生的概率也很低，保護(hù)能力相對較好，但是在具體應(yīng)用中為有效保障此類避雷器工作的可靠性，并實(shí)現(xiàn)其使用壽命的進(jìn)一步延長，管理單位就需要及時(shí)對其進(jìn)行科學(xué)維護(hù)，并將相應(yīng)的在線運(yùn)行監(jiān)測設(shè)備加裝到避雷器上[7]。尤其是對于其電流泄露情況，更應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其漏電流情況，明確大小，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行妥善處理，以此來保障避雷器的應(yīng)用效果[8]。

在此過程中，管理單位也可以通過原始數(shù)據(jù)庫和測試數(shù)據(jù)庫的建立來進(jìn)行避雷器運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)記錄，對于和出廠運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差較大的情況，應(yīng)及時(shí)查明原因，并通過合理的措施進(jìn)行調(diào)整，這樣便可以良好地保護(hù)避雷器運(yùn)行效果，避免發(fā)生避雷器運(yùn)行條件不佳所導(dǎo)致的感應(yīng)雷沖擊斷路跳閘情況，從而達(dá)到最大限度保障鐵路10 kV電力線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的[9]。雖然這樣的運(yùn)行維護(hù)有著較大的工作量，但伴隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)輔助形式的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)不僅可以有效解決傳統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)工作量大和工作內(nèi)容復(fù)雜等的諸多問題，同時(shí)也可以讓避雷器的工作狀況及其運(yùn)行問題等得以實(shí)時(shí)反映，以此來有效保障避雷器的良好運(yùn)行[10]。

4 結(jié) 論

在鐵路10 kV電力線路的應(yīng)用過程中，感應(yīng)雷是導(dǎo)致其斷路跳閘故障的一個(gè)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(yīng)雷沖擊時(shí)，瞬間的過電壓現(xiàn)象就會使線路跳閘，不僅會影響到整體電力線路的正常運(yùn)行，也會對鐵路交通運(yùn)輸質(zhì)量和安全帶來一定程度的不利影響，嚴(yán)重情況下甚至?xí)茐碾姎庠O(shè)備，導(dǎo)致鐵路交通運(yùn)輸故障甚至停運(yùn)，進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。基于此，在對鐵路10 kV電力線路進(jìn)行感應(yīng)雷防跳閘保護(hù)的過程中，電力單位一定要合理應(yīng)用外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，根據(jù)實(shí)際需求對其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，并通過良好的運(yùn)行保護(hù)措施來保障其運(yùn)行效果。這樣才可以有效防止鐵路10 kV電力線路感應(yīng)雷擊斷路跳閘事故的發(fā)生，讓電力系統(tǒng)和鐵路交通得以良好運(yùn)行。