新型高压真空间隙避雷器研究

翟铁久

（铁道部工程管理中心，北京100844）

电气化铁路接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。铁路线路穿过平原、山区、跨越江河湖泊，遇到的地理环境和气象条件各不相同，接触网是露天设置，没有设置专用避雷线，并且接触网悬挂整体高度一般在6 000 mm至8 000 mm的范围，易遭受雷击灾害。根据2008年调研，在广州铁路局和成都铁路局牵引供电系统的故障中，雷击造成的系统故障占60%。尤其是近几年发展起来的高速铁路通常有80%左右的线路设计在高架桥上，接触网更加容易被雷电击中。根据运营部门统计：广深线139.461 km，仅2000年1月—12月间共发生雷击接触网跳闸45次；京津城际铁路在2009年共发生雷击接触网跳闸26次。雷电击穿供电线上绝缘子、避雷器，造成供电线对地短路，导致牵引变电所供电系统跳闸和供电设备的损坏，严重影响安全可靠供电，研究牵引供电系统的雷电防护是高速铁路所面临的紧要课题。

根据TB 10009－2005《铁路电力牵引供电设计规范》对接触网进行大气过电压保护规定（1）吸流变压器的原边应设避雷装置；（2）高雷区及强雷区，下列重点位置应设避雷器：①分相和站场端部绝缘锚段关节；②长度2 000 m及以上隧道的两端；③较长的供电线或AF线到接触网上的接线处。

目前在接触网上装设的是无间隙氧化锌避雷器，但是在多条电气化铁路运行中时有发生避雷器爆炸事故，严重影响了供电运行安全，根据统计爆炸的避雷器：有大型骨干厂生产的也有小厂生产的；有国产的也有进口；既有发生在雷雨天，也有发生在晴天的；既有发生在操作时，也有发生在无操作时的。不仅影响了供电安全，也对人身安全造成威胁，其可靠性和防止雷电保护作用难以满足高速铁路安全无故障的要求。

1 避雷器问题分析

（1）大电流冲击耐受能力差

无间隙氧化锌避雷器的雷电通流量尚难满足大的雷电冲击，雷电冲击电压很高时，避雷器阀片中的电流密度很大。而冲击电流在阀片中不是均匀分布的，当局部阀片的雷电冲击电流密度超过其允许极限值，造成氧化锌避雷器（阀片）击穿、烧毁，雷电涌入供电线和供电系统，造成破坏。IEC标准以及国外先进水平避雷器的大电流冲击耐受电流为65 k A，这一直是我国避雷器行业努力的目标，目前我国部分生产厂还不能完全满足。

（2）暂态过电压承受能力差

避雷器是过电压保护电器，对于能量有限的过电压，如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。对能量是无限（有补充能源）的过电压，如暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量，暂态过电压进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至避雷器热崩溃，损坏爆炸，因此暂态过电压对避雷器有致命危害，暂态过电压承受能力差是其致命弱点。

（3）老化问题

氧化锌避雷器阀片两端长期经受高压作用，实际相当于一个非线性电阻的发热元件，长年累月地直接在电网上承受着各种电压应力，会产生老化，老化造成泄漏电流上升，甚至造成与瓷套内部放电，放电严重时避雷器内部气体压力和温度急剧增高，而引起氧化锌避雷器本体爆炸，影响供电系统的安全。

（4）密封问题

2006年北京铁路局机务处曾随机抽取9支使用中的不同厂生产的硅橡胶绝缘氧化锌避雷器，由国家级试验站进行密封性试验，发现其中有6支密封不良。由于密封不良当受温差变化影响时，会使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化从而引起爆炸，内部受潮影响产品性能，是引起氧化锌避雷器爆炸事故的主要原因之一。

2 高压真空间隙避雷器的解决方案

传统的串联间隙氧化锌避雷器使用了空气间隙和氧化锌阀片，两者互为保护。间隙使电荷率为零，解决了氧化锌阀片老化问题，但是间隙在续流时易损坏，受环境温度、湿度、气压等影响较大，雷电、操作冲击残压等性能稳定性较差。

为解决现有氧化锌避雷器在运行中存在的隐患，本文提出了研制一种新型的高压真空间隙避雷器的解决方案：由真空间隙串联线性电阻（或非线性电阻）组成避雷器（如图1所示）。

高压真空间隙避雷器内部结构如图2所示，是采用新型真空冷阴极高压电子放电管作为核心元件的新型避雷器。

图1 真空间隙串联线性电阻避雷器剖面图

图2 高压电子放电管剖面图

2.1 高压真空间隙避雷器工作原理

在正常情况下，线路电压低于真空间隙避雷器放电值时，避雷器两电极处于断开状态，电极间具有很高的绝缘性能。

当发生雷电及过电压时，过电压作用于真空避雷器，真空间隙快速（数微秒）击穿导通，两电极之间形成等离子区，快速生成电弧，且以很低的内阻通过大电流，过电压能量快速对地泄放，于是过电压的峰值随之下降，从而可靠地保护了高压电器和设备免遭损坏。雷电及过电压波峰通过以后，电流随即下降，放电管内电弧熄灭，放电管两电极间绝缘性能又快速（数微秒）恢复成原来的断开状态。

2.2 主要研究内容

（1）研制真空间隙放电管，使之具有稳定的放电电压、大通流量、低泄漏电流。目前我国已经可以生产出6～150 k V高压真空间隙放电管，为研制高压真空避雷器奠定了基础。

（2）研制与真空放电管匹配的电阻，使避雷器具有合理的低残压，又没有交流电网的续流。

（3）研制真空避雷器的封装结构，使之具有体积小、质量轻、免维护、结构简单、安装方便，密封性好、防爆性强、耐污性和可靠性高的特点。

2.3 新型高压真空放电管的特点

（1）真空间隙导通时阻值极小，由串联的非线性电阻承受正常的工频电压，残压可降至理想的水平，提高了设备的过电压防护性能，可有效的保护接触网、牵引变电所高压设备以及电力机车高压设备的绝缘，延长使用寿命。

（2）采用真空间隙放电电压稳定，一致性好，不受外界环境湿度、温度和气压等影响。

（3）真空间隙的串入，减少了有功泄漏电流，降低了老化速度和自身损坏率，真正起到保护其他设备的作用。

（4）放电管自身电容和电感都很小，不会产生操作过电压，故对被保护电路影响小。

（5）有很好的自愈性能，可多次重复使用，且放电速度快，恢复速度快，重复频率高，使用寿命长，不需要维护。

（6）真空间隙避雷器具有无间隙氧化锌避雷器的优点，同时还有暂态过电压承受能力强的特点，用于吸收雷击过电压和真空开关操作过电压，是一种理想的扬长避短的产品。

（7）提高耐受雷电冲击电流（8／20波形）能力，尤其大电流冲击能力；提高耐受长持续时间冲击电流能力，提高标称放电电流、操作冲击电流。

2.4 真空间隙避雷器主要技术参数（表1）

表1 真空间隙避雷器主要技术参数

3 结束语

高速电气化铁路的建设和发展，对于安全可靠运行提出了更高的要求，其中对于雷电灾害的预防更是急待解决的技术难题，在研究防雷系统方案时，不仅研究防护策略、技术和措施，还应研究性能优良、稳定可靠、少维修或者免维修的防雷器件，只有这样才能真正构建适应各种气象条件的全天候牵引供电系统，确保高速电气化铁路安全可靠运行。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10009－2005.铁路电力牵引供电设计规范［S］.

［2］中华人民共和国机械电子工业部.GB 11032－89.交流无间隙金属氧化锌避雷器［S］.

［3］李 凡，施 围.110 k V线路防雷的新措施——带外串联间隙复合外套氧化锌避雷器［J］.电工技术杂志，2002，（8）：50－52.

［4］吴根富.氧化锌避雷器的应用与分析［J］.电气开关，2004，（5）：40－43.

［5］李树仑.过电压保护气体放电管的进展及其应用［J］.真空电子技术，1989，（2）：30－36.