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(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)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(qū)、跨越江河湖泊，遇到的地理環(huán)境和氣象條件各不相同，接觸網(wǎng)是露天設(shè)置，沒有設(shè)置專用避雷線，并且接觸網(wǎng)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(zāi)害。根據(jù)2008年調(diào)研，在廣州鐵路局和成都鐵路局牽引供電系統(tǒng)的故障中，雷擊造成的系統(tǒng)故障占60%。尤其是近幾年發(fā)展起來的高速鐵路通常有80%左右的線路設(shè)計在高架橋上，接觸網(wǎng)更加容易被雷電擊中。根據(jù)運營部門統(tǒng)計：廣深線139.461 km，僅2000年1月—12月間共發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)跳閘45次；京津城際鐵路在2009年共發(fā)生雷擊接觸網(wǎng)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(dǎo)致牽引變電所供電系統(tǒng)跳閘和供電設(shè)備的損壞，嚴重影響安全可靠供電，研究牽引供電系統(tǒng)的雷電防護是高速鐵路所面臨的緊要課題。

根據(jù)TB 10009－2005《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》對接觸網(wǎng)進行大氣過電壓保護規(guī)定（1）吸流變壓器的原邊應(yīng)設(shè)避雷裝置；（2）高雷區(qū)及強雷區(qū)，下列重點位置應(yīng)設(shè)避雷器：①分相和站場端部絕緣錨段關(guān)節(jié)；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(wǎng)上的接線處。

目前在接觸網(wǎng)上裝設(shè)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(fā)生避雷器爆炸事故，嚴重影響了供電運行安全，根據(jù)統(tǒng)計爆炸的避雷器：有大型骨干廠生產(chǎn)的也有小廠生產(chǎn)的；有國產(chǎn)的也有進口；既有發(fā)生在雷雨天，也有發(fā)生在晴天的；既有發(fā)生在操作時，也有發(fā)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(dāng)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(tǒng)，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(yè)努力的目標，目前我國部分生產(chǎn)廠還不能完全滿足。

（2）暫態(tài)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(tài)過電壓，工頻電源能自動補充過電壓能量，暫態(tài)過電壓進入避雷器保護動作區(qū)，勢必長時反復(fù)動作直至避雷器熱崩潰，損壞爆炸，因此暫態(tài)過電壓對避雷器有致命危害，暫態(tài)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(jīng)受高壓作用，實際相當(dāng)于一個非線性電阻的發(fā)熱元件，長年累月地直接在電網(wǎng)上承受著各種電壓應(yīng)力，會產(chǎn)生老化，老化造成泄漏電流上升，甚至造成與瓷套內(nèi)部放電，放電嚴重時避雷器內(nèi)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(tǒng)的安全。

（4）密封問題

2006年北京鐵路局機務(wù)處曾隨機抽取9支使用中的不同廠生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)其中有6支密封不良。由于密封不良當(dāng)受溫差變化影響時，會使潮氣浸入，造成內(nèi)部絕緣損壞，加速了電阻片的劣化從而引起爆炸，內(nèi)部受潮影響產(chǎn)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(tǒng)的串聯(lián)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(xù)流時易損壞，受環(huán)境溫度、濕度、氣壓等影響較大，雷電、操作沖擊殘壓等性能穩(wěn)定性較差。

為解決現(xiàn)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(lián)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(lián)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(tài)，電極間具有很高的絕緣性能。

當(dāng)發(fā)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(shù)微秒）擊穿導(dǎo)通，兩電極之間形成等離子區(qū)，快速生成電弧，且以很低的內(nèi)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(shè)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(nèi)電弧熄滅，放電管兩電極間絕緣性能又快速（數(shù)微秒）恢復(fù)成原來的斷開狀態(tài)。

2.2 主要研究內(nèi)容

（1）研制真空間隙放電管，使之具有穩(wěn)定的放電電壓、大通流量、低泄漏電流。目前我國已經(jīng)可以生產(chǎn)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(chǔ)。

（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(wǎng)的續(xù)流。

（3）研制真空避雷器的封裝結(jié)構(gòu)，使之具有體積小、質(zhì)量輕、免維護、結(jié)構(gòu)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(dǎo)通時阻值極小，由串聯(lián)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(shè)備的過電壓防護性能，可有效的保護接觸網(wǎng)、牽引變電所高壓設(shè)備以及電力機車高壓設(shè)備的絕緣，延長使用壽命。

（2）采用真空間隙放電電壓穩(wěn)定，一致性好，不受外界環(huán)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(shè)備的作用。

（4）放電管自身電容和電感都很小，不會產(chǎn)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(fù)使用，且放電速度快，恢復(fù)速度快，重復(fù)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(yōu)點，同時還有暫態(tài)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(guān)操作過電壓，是一種理想的揚長避短的產(chǎn)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(xù)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(shù)參數(shù)（表1）

表1 真空間隙避雷器主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)束語

高速電氣化鐵路的建設(shè)和發(fā)展，對于安全可靠運行提出了更高的要求，其中對于雷電災(zāi)害的預(yù)防更是急待解決的技術(shù)難題，在研究防雷系統(tǒng)方案時，不僅研究防護策略、技術(shù)和措施，還應(yīng)研究性能優(yōu)良、穩(wěn)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(gòu)建適應(yīng)各種氣象條件的全天候牽引供電系統(tǒng)，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(shè)計規(guī)范［S］.

［2］中華人民共和國機械電子工業(yè)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(lián)間隙復(fù)合外套氧化鋅避雷器［J］.電工技術(shù)雜志，2002，（8）：50－52.

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

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