直流额定放电电流20 kA 避雷器的研发

刘宏泰，缪祖基

0 前言

国际上城市轨道交通直流供电使用的20 kA额定放电电流避雷器，国内仍需进口，也无相关的规范标准。该避雷器价格昂贵，维修成本高，维修材料购置困难。中铁电气化局集团第三工程有限公司和上海避雷器厂根据交流系统金属氧化物避雷器规范GB 11032、IEC 60052、IEC 60099 和JB/T 8952《交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器》等标准，研制和开发了20 kA 8/20 μs 的直流避雷器。现在该产品已通过了全部型式试验，并在现场大量安装。

1 设计技术参数的确定

经过认真研究国际同型号产品以及参考沿海城市轨道交通1 500 V 直流系统高架区间绝缘设计计算，确定了20 kA 8/20 μs 的直流避雷器产品必须满足以下参数要求。

工频耐压：≥50 kV（干燥），≥30 kV（潮湿）；

全波冲击耐压：≥100 kV；

额定放电电流：20 kA 8/20 μs；

大电流冲击耐受2 次：65 kA 4/10 μs；

持续放电电流：1 200～1 500 A 2 ms；

直流起始放电电压：3 900 V；

全波冲击残压：≤5.39 kV；

标称雷电冲击放电电压：≤7.5 kV；

避雷器顶端最小允许水平拉力：300 N；

爬电距离：400 mm；

额定电压：2.4 kV；

持续运行电压：2.0 kV；

持续运行电压下的持续电流：≤20 μA；

直流泄漏1mA 参考电压：≥2.67 kV；

陡坡冲击电流残压：≤5.9 kV；

地震烈度、风力、海拔、温度：烈度≤7 级、风力≤35 m/s、海拔≤2 500 m、-55℃≤温度≤+55℃。

根据产品选型和参数研究，确定新产品的型号为HY20WL2-2.4/5。

a.氧化锌避雷器和有间隙避雷器的选择：当避雷器有间隙时其保护特性取决于间隙元件的冲击放电电压（例如7.5 kV）和与其串联的非线性电阻元件的标称雷电放电残压（例如20 kA 时的残压是5.39 kV）两者之间的高者（为7.5 kV）；当避雷器无间隙时其保护特性直接取决于非线性电阻元件的雷电流残压特性（雷电流20 kA 时为5.39 kV，10 kA 时为4.90 kV，5 kA 时为4.65 kV）。金属氧化物避雷器没有火花放电，电流符合伏安特性曲线；残压分布度较小，一般±3%，具有良好的陡坡前特性；可承受高于运行电压50 Hz 的暂态负载；并联避雷器运行可提高能量吸收能力；主部件结构简单，组件少，可忽略老化问题。而有间隙避雷器有火花放电，随后有工频续流出现；火花间隙常有散射区，取决于非线性电压分布，最高达15%；由于突波前电压导致火花放电电压会陡增（大于25%）；50 Hz 下的持续电压低于额定电压；有限的能量吸收能力，并联没有作用；部件结构复杂，电弧易引起老化。下面通过比较24 kV、标称放电电流10 kA 有间隙避雷器和无间隙金属氧化物避雷器的放电电压-时间曲线，进一步对上述结论做以证明。

图1 避雷器放电电压-时间曲线比较图

轨道交通选用20 kA 就是为了提高线路的放电电压等级和通流能力，根据以上分析选择无间隙氧化锌避雷器进行设计，关键技术在于提高氧化锌电阻片的通流能力，一旦选定了材料，便确定了一定的电流密度和工艺能力。通过增加氧化锌电阻片的截面和氧化锌电阻片的数量可以提高流通能力，而截面增大的结果还同时降低了电阻片本身标称放电电流下残压，这无疑是一种可靠达到20 kA 标称放电电流的最佳选择方案。氧化锌电阻片是直流避雷器的核心元件，直流阀片电气性能的好坏，直接关系到避雷器的保护水平和运行的稳定性；直流电压下，电阻片的加速老化试验条件最为苛刻，在试验温度115℃条件下，荷电率0.85，一个在交流电压下能通过1 000 h 试验的电阻片，被放置在直流电压下有可能几小时或几十小时就趋于热崩溃。这说明直流电阻片配方和工艺与交流电阻片配方和工艺是有区别的。无法通过直流老化试验的电阻片一般是不能用在直流无间隙避雷器上的，当然荷电率进一步降低时，例如降低到0.45 以下时，有可能一般的交流电阻片也能通过直流老化试验，但在这种情况下，电阻片的实用价值已经不大了，因为在维持放电电流和残压不变的要求下，荷电率的进一步降低，将会使直流起始放电电压滑落在不安全的运行区域内，加速了电阻片走向热崩溃的可能。随着近年电阻片制造技术的进步和工艺水平的提高，直流电阻片加速老化性能有了明显的改善。在试验温度115℃条件下，荷电率0.80 时，通过直流1 000 h 老化试验的电阻片，老化系数已能达到0.8，甚至更低，其典型的老化曲线是类似浴盆形曲线，1 000 h 仅处于盆底的前半段，这就大大提高了电阻片组装成的避雷器在实际运行中的安全性。

b.2-2.4/5.39 直流避雷器结构和材料设计。HY20WL2-2.4/5.39 直流避雷器通过托板安装在用户的立柱支架上，高压从顶端导入，内部芯体由电极、高性能电阻片及包覆的环氧玻布缠绕层组成，外面有压注成型的硅橡胶外壳，整个避雷器下端通过螺栓座装在托板上并与脱离器串接，脱离器的下端接有防护罩和软导线，软导线的另一端与托板一起固定在安装支架上，再与电缆连接。适当增加氧化锌阀片的截面，使其能够达到安全通流20 kA 的标准要求，平时电阻片工作在高阻状态，仅有几到几十微安的泄漏电流通过，而当过电压（雷过电压、操作过电压）侵入时，电阻片立即呈低阻工作状态，冲击电流通过避雷器入地，冲击电流过后，电阻片又呈高阻工作状态，系统恢复正常运行；当通过避雷器的电流幅值和时间远超过避雷器的实际承受能力时，避雷器就可能发生故障，故障电流会使脱离器内部的温度迅速上升，根据脱离器的动作电流时间特性，在电流持续一定时间后，脱离器内部温度积蓄到一定能量后就会引爆脱离器小炸药，使脱离器外壳设定的薄弱环节发生爆裂，于是脱离器下端头、连同防护罩和软导线自行脱落，使避雷器退出运行，并形成可见断口，便于巡查发现。

c.辅助产品设计。雷电计数器：配套采用的JC-2 型MOA 直流避雷器计数器，是一种由单片机控制的新型全电子化产品，采用电磁耦合原理一次单匝穿心传感器，实现无残压的取样方式，性能可靠，抗干扰能力强，这也是本次设计的一个亮点，产品结构新颖，计数响应值达到50 A～20 kA（8/20 µs）、100 kA（4/10 µs），产品具有配套20 kA的通流能力。

2 研制重点注意问题和产品特点

a.关于避雷器压力释放试验的探讨。安全设计：避雷器故障率很低。在其发生故障时，应不造成其他设备的损坏和影响人身安全。避雷器压力释放就是通过试验验证避雷器在内部有故障时，不会产生强烈的爆炸，伤及其他的设备和工作人员，该产品采取了双重防护的方法，即在不配装脱离器的情况下靠复合外壳本身的结构特点释放可能出现的内部压力；当配装脱离器时靠脱离器的动作将故障隔离，以确保避雷器在发生故障时不造成对其他设备的损坏和影响人身安全。该产品的短路耐受能力是通过带复合外套的同类结构长度较高的产品的试验结果推断的。试验通过了20 kA 持续时间为0.2 s 的大电流短路试验和800 A 持续时间为0.5 s的小电流短路试验；另外配装了脱离器，GB 11032标准规定了脱离器在交流情况下的动作特性曲线是20，200，800 A 的动作时间，已验证了在直流情况下20 A 的动作时间，一般不到60 s 便已动作，因此，当避雷器故障电流通过脱离器时，脱离器的可靠动作以及脱离器外面的护罩是确保避雷器在发生故障时不会造成对其他设备的损坏和影响人身安全又一道保证措施。

b.该 20 kA 级地铁用直流避雷器爬距为400 mm、外绝缘工频耐压65 kV（干燥）、全波冲击耐受100 kV，直流避雷器外绝缘要求比交流系统避雷器更高，避雷器在直流电场下的积污能力远高于交流电场，如不采取措施会影响避雷器外绝缘的性能，为此在产品设计时通过增大爬距以及采用硅橡胶材料代替瓷材料的方法来提高防污闪水平。

c.直流避雷器通流容量要比交流系统避雷器更大，直流输电系统中电容元件（如长电缆段、滤波电容器、冲击波吸收电容器等）远比交流系统多，而且正常运行时均处于全充电状态，一旦有某一个避雷器动作，将通过这一只避雷器进行放电，该20 kA 级地铁用直流避雷器2 ms 方波的通流容量达到1 300 A（对应GB11032 标准规定的线路放电等级为4 级）。

d.避雷器的机械负荷：由于该避雷器实际使用时是采用座式安装，机械负荷主要是抗弯负荷，避雷器顶端应能承受最大水平拉力与风压力折算到顶端的集中作用力之和的2.5 倍，并在该负荷作用下耐受10 s 而不损坏，试验前后局部放电量均不大于10 pC，直流参考电压变化不大于5%。该产品设计的导线最大允许水平拉力F1= 300 N，风压力F2= 20 N，试验施加顶端负荷是2.5（F1+F2/2） =775 N。如果用户需要将避雷器进行悬挂安装或悬臂安装时应做抗拉和抗扭试验，试验要求和方法由供需双方协商解决。

e.避雷器复合外套起痕和耐电蚀损设计，避雷器外套应耐受1 000 h 伞套起痕和耐电蚀损试验。复合外套直接关系到电力系统的安全运行。由于复合外套的主要材料是高温硫化硅橡胶，其耐电痕化和蚀损试验主要用于评定在严酷环境条件下电气绝缘材料的耐污性能，一般复合外套避雷器选用耐漏电起痕3.5 级的绝缘材料就可以满足用户部门对避雷器的污秽等级要求。避雷器外套材料应按GB/T 6553 要求进行耐漏电起痕和耐电蚀损试验，本产品试验达到了要求。

f.低压产品短路试验条件不足的说明，咨询有关单位不能在该产品直接进行压力释放试验的原因如下：由于产品电压等级（仅2 400 V）和结构高度（仅200 mm）都较低，当大电流短路试验时，即使能有100%的产品额定电压加在试品上，并且通过的电流也能使内部并联的短路熔丝熔断产生电弧，但熔丝熔断后的电弧压降很快增高，而外加电压低，电场梯度也随之降低，于是电弧很快熄灭（估计毫秒级），电弧维持的时间比预期电流直接通过试品的时间（0.2 s）要小很多，在这样情况下，一般低电压等级的产品短路试验都是借用同类型较高长度、较高电压等级产品的试验结果。

3 试品电气试验

依据GB11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》和JB/T8952-2005《交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器》，给国家资质试验部门送检的3 件试品，试验包括爬电距离、直流参考电压试验、持续电流试验、局部放电试验、 8/20μs残压试验、1/10 μs 残压试验、密封试验、长持续时间电流冲击耐受试验、操作冲击负载试验、复合外套外绝缘耐受试验、工频电压耐受试验、抗弯负荷试验、复合外套起痕和电蚀试验等项均达到了国家标准和有关IEC 标准。

4 产品存在的不足之处

使用脱离器使避雷器的残压升高约100 V，这将会影响避雷器的性能，目前国际上均存在这个问题，须待以后改进。

5 产品性能总结

HY20WL2-2.4/5.39（额定电压2～2.4 kV）型金属氧化物避雷器必将推广适用于城市轨道交通接触网系统的过电压保护，即使在最恶劣条件下，氧化锌电阻片的低保护水平和高能量吸收能力仍能确保直流接触网系统设备的安全和可靠运行。产品良好的密封性能和各项环境指标的要求均能满足我国大部分的地区使用；杰出的机械性能可在地震、冲撞中得到自身保护；安全的多角度设计满足了遭遇大电流雷电的冲击，低烟无卤材料和硅橡胶的使用解决了对环境的影响，也减少了瓷绝缘脆裂时对人身等的潜在威胁；脱扣器的使用使避雷器在故障情况下形成明显断口，便于巡视人员更换和维修，总之该产品在国内填补了空白，也必将被市场认可推广，当然该产品也存在一些缺陷，这将在以后的实践使用中不断加以改进。

[1] GB11032-2000 交流无间隙金属氧化物避雷器[S].

[2] IEC60099 避雷器[S].

[3] 城市轨道交通标准汇编[S].中国计划出版社.