10 kV铁路电力线路感应雷击防跳闸技术

王彦斌

（中铁二十二局集团电气化工程有限公司，北京 100043）

0 引 言

通过相关的调查分析发现，在铁路10 kV电力线路的应用过程中，有80%的雷击事故源于感应雷击。在遭遇到感应雷击之后，如果感应过电压与工频电压之和超过绝缘子放电电压的50%，那么线路绝缘子便会出现闪络现象，进而导致线路跳闸。为有效解决此类问题，带有外串联间隙形式的氧化锌避雷器开始备受关注。基于此，在对铁路10 kV电力线路感应雷击防跳闸技术进行研究的过程中，技术人员应将该避雷器的应用技术作为重点研究对象，以此来有效防止感应雷击对铁路10 kV电力线路造成的跳闸事故。

1 带有外串联间隙氧化锌避雷器的主要工作原理

在带有外串联间隙氧化锌避雷器中，主要的组成部分有两个，一是避雷器本身，也叫做MOA，二是外串联间隙。具体应用中需要将二者串联再和绝缘子串进行并联使用，我国的外串联间隙所应用的大多是羊角单臂型。图1是这种氧化锌避雷器的主要工作原理示意图。

图1 带有外串联间隙氧化锌避雷器主要工作原理示意图

实际使用中，在运行正常的状态下，所有的工频电压都将加载到外串联间隙中，避雷器上的电压与荷电率几乎为零。当线路遭到感应雷击而出现过电压的情况下，外串联间隙将会被击穿，感应雷所产生的电流和能量都会从外串联间隙通过，这时的避雷器将会吸收绝大部分的感应雷过电压和能量。在感应雷所产生的过电压消失之后，避雷器内的氧化锌片将迅速恢复到高阻状态，切断续流通道，避雷器也将迅速停止工作，并从电路中断开，这样便可有效避免断路器发生跳闸事故[1]。

2 铁路10 kV电力线路感应雷击防跳闸技术的应用现状

2.1 防跳闸技术应用情况

目前，我国采用串并联形式的10 kV铁路线路感应雷击防跳闸技术措施主要有3种，第一种是通过空气间隙和绝缘子串进行并联，第二种是通过不带有串联间隙的氧化锌避雷器与绝缘子串进行并联，第三种是通过带有串联间隙的氧化锌避雷器与绝缘子串进行并联。相比较第一种而言，第三种措施由于避雷器的存在，在空气间隙被感应雷击穿之后可以迅速断弧，不会让线路受到很大影响。相较第二种而言，第三种措施因为避雷器不需要长期负荷工频电压，能达到良好的防老化效果，可以使线路保护水平得到进一步的提升。另外，凭借着自身动作的可靠性，第三中防跳闸保护技术也可以迅速消除感应雷击所引起的过电压现象，进而有效防止发生线路跳闸情况，使铁路10 kV电力线路的正常运行及其经济效益得以良好保障。

2.2 防跳闸技术难点和解决措施

在带有串联间隙氧化锌避雷器具体应用中，也存在一定的技术难点，需要通过合理的措施来加以解决，具体情况如下。合理确定和设计外串联间隙的大小属于一项技术难点，具体解决中可通过相关资料的查阅来进行合理计算，再对间隙大小进行仿真试验，然后结合实际情况来确定。氧化锌避雷器本体设计及选型属于一项技术难点，具体解决中应根据相应的资料，结合实践经验，对避雷器U1mA的值进行合理确定。此外，避雷器的运行监测和维护也是一项技术难点，具体解决中应安排专业的技术人员通过专业设备来进行运行监测和维护，并做好各项监测记录与运行数据统计，以此来及时纠正运行问题，保障运行效果。

3 铁路10 kV电力线路感应雷击防跳闸技术的具体应用分析

3.1 合理确定外串联间隙距离

在实际应用过程中，带有外串联间隙氧化锌避雷器需要对雷电冲击能可靠动作，而对短时的线路过电压和一定范围内的操作过电压能合理耐受。确定外串联间隙距离要综合考虑这两种情况。

参考相关数据可知，在雷电冲击情况下，避雷器在50%雷电电压作用下的放电电压应该和避雷器自身1 mA直流参考电压加串联间隙50%雷电冲击放电电压之和相当，且这两者的偏差不应超过10%。考虑仅使用空气间隙和绝缘子串进行并联的情况，假设间隙雷电冲击放电电压的50%是Ub50，绝缘子雷电冲击放电电压的50%是Uj50，当保护间隙雷电冲击放电电压的50%等于绝缘子雷电冲击放电电压50%的0.835倍时，便可让绝缘子串在闪络过程中得到良好保护。本文采用常规型号的防污绝缘子，按照日本NGK公司的相关公式，可对外串联间隙保护条件下的最大间隙距离进行计算。外串联间隙计算后的主要参数情况如表1所示。

表1 外串联间隙计算后的主要参数情况

在操作过电压情况下，分析铁路10 kV电力线路典型操作过电压情况，通常操作过电压最大值应该在系统运行相电压最大值的4倍以内。因此在具体设计中可以将操作过电压最大值设置为线路运行相电压最大值的4倍。10 kV铁路电力线路中的线电压最大值是26.68 kV，可求得运行相电压最大值是6.67 kV[2]。在理论计算的过程中，为了使气隙绝缘要求与冲击击穿电压相符合，可将保护间隙雷电冲击放电电压设计为117.6%的最大操作过电压，即31.4 kV，而这个值也是气隙50%冲击放电电压最小值U50%/min。在具体计算中，其最小串联间隙为：

式中：K代表气隙系数，取10.9；S代表最小间隙距离，其单位是mm。将U50%/min=31.4 kV代入到该公式中，便可计算出S的值约为44 mm。

求得串联间隙的最大值与最小值后，拟取中间值50 mm。综合考虑避雷器本体电阻的分压影响，实际使用过程中的串联间隙应比理论计算的要小，可以选取最小值44 mm。

3.2 氧化锌避雷器自身的U1mA确定

目前，我国对氧化锌避雷器的参数与制造工艺都进行了很大程度的改进，其数据库十分稳定，且制造工艺也正在不断更新升级。在氧化锌避雷器选型时需要确定一个关键的电气参数U1mA[3]。U1mA即避雷器的起始动作电压，指的是在1 mA直流电流或者是工频电流峰值通过时产生在避雷器两端的直流电压或者是工频电压峰值[4]。通过资料查阅和实验研究发现，在铁路10 kV电力线路实际的应用过程中，YH5W5-17/50型号的避雷器可实现提升可靠性，降低续流，并为后续应用中的串联间隙灭弧提供有利条件的目的，其直流电压为25 kV，额定电压为17 kV。

具体应用中，为有效保障避雷器在外串联间隙条件下能够实现可靠动作，特对此进行了动作试验。经试验发现，在没有串联间隙的条件下，此类避雷器的1 mA直流参考电压大约是有串联间隙条件下1 mA电流参考电压的1.2倍[5]。基于此，在对带外串联间隙氧化锌避雷器自身U1mA进行设定时，其1 mA直流参考电压应设计为25/1.2 V，约等于21 kV[6]。

3.3 避雷器运行维护分析

铁路10 kV电力线路中的串联间隙型氧化锌避雷器长时间运行在无人监护的状态中，虽然在正常工作情况下避雷器上并不会有持续的工频电压存在，阀片老化等问题发生的概率也很低，保护能力相对较好，但是在具体应用中为有效保障此类避雷器工作的可靠性，并实现其使用寿命的进一步延长，管理单位就需要及时对其进行科学维护，并将相应的在线运行监测设备加装到避雷器上[7]。尤其是对于其电流泄露情况，更应该进行严格检查，及时发现其漏电流情况，明确大小，然后根据实际情况进行妥善处理，以此来保障避雷器的应用效果[8]。

在此过程中，管理单位也可以通过原始数据库和测试数据库的建立来进行避雷器运行情况的动态记录，对于和出厂运行数据偏差较大的情况，应及时查明原因，并通过合理的措施进行调整，这样便可以良好地保护避雷器运行效果，避免发生避雷器运行条件不佳所导致的感应雷冲击断路跳闸情况，从而达到最大限度保障铁路10 kV电力线路安全稳定运行的目的[9]。虽然这样的运行维护有着较大的工作量，但伴随着当今科学技术的发展，基于计算机辅助形式的氧化锌避雷器在线监测技术已经得到了越来越广泛的应用，该技术不仅可以有效解决传统在线监测技术工作量大和工作内容复杂等的诸多问题，同时也可以让避雷器的工作状况及其运行问题等得以实时反映，以此来有效保障避雷器的良好运行[10]。

4 结 论

在铁路10 kV电力线路的应用过程中，感应雷是导致其断路跳闸故障的一个主要影响因素。如果此问题得不到有效解决，那么在电力线路被感应雷冲击时，瞬间的过电压现象就会使线路跳闸，不仅会影响到整体电力线路的正常运行，也会对铁路交通运输质量和安全带来一定程度的不利影响，严重情况下甚至会破坏电气设备，导致铁路交通运输故障甚至停运，进而造成严重的经济损失。基于此，在对铁路10 kV电力线路进行感应雷防跳闸保护的过程中，电力单位一定要合理应用外串联间隙氧化锌避雷器，根据实际需求对其各项参数进行科学设置，并通过良好的运行保护措施来保障其运行效果。这样才可以有效防止铁路10 kV电力线路感应雷击断路跳闸事故的发生，让电力系统和铁路交通得以良好运行。