地铁用无间隙金属氧化物避雷器研制

朱月亭， 范 娟

(文华学院 机械与电气工程学部，武汉 430074)

0 引 言

随着我国城市经济快速发展，地铁、轻轨等城市轨道交通成为解决交通拥堵最有效的手段之一[1-2]。截止2020年底，我国已经有42个城市开通了地铁线路，累计233条线路，总里程为7 765 km，各城市的地铁线路条数及里程见图1。其中上海、北京和广州线路里程最长，分别达到772、727和531 km，这几个地区同样也是雷电活动剧烈的地区，雷击导致地铁信号设备故障时有发生,是引发地铁不同类型运营事故的重要原因之一[3-9]。2019年4月9日，上海地铁浦江线汇臻路站站外区间设备遭到雷击，造成该站道岔故障，并伴有异响、烟雾及火花现象，致使浦江线全线列车限速运行，发车班次间隔延长。2011年4月22日，北京地铁十号线巴沟至知春路区段因地面信号设备遭雷击，使得瞬态雷电浪涌通过信号传输通道窜入导致信号系统故障，列车正常运行受到影响，运输能力降低。而深圳地铁在2011年至2014年间，地铁接触网遭受4次雷击，造成多个供电分区跳闸、绝缘子击穿、线索烧伤及开关控制箱内部元器件损坏等严重后果[10]。因此，研究及开发保护地铁牵引电机及电气设备免受过电压的侵害用的避雷器意义重大[11-20]。

图1 各城市的地铁线路条数及里程Fig.1 Number and mileage of metro lines in each city

本研究研制了适合1.5 kV电压等级[21-25]地铁用的直流复合外套无间隙金属氧化物避雷器装置[26-29]。结合地铁避雷器标准[30]，设计了避雷器的关键结构参数，开展残压试验、方波冲击电流耐受试验、动作负载试验、外套的绝缘耐受试验及机械负荷试验、湿气侵入试验和密封试验等一系列试验项目对研制的避雷器样品进行电气和机械性能检验，完成了样机结构和关键技术参数的设计定型，并通过了型式试验的考核，为下一步实现工程应用打下基础。

1 结构及关键参数

避雷器主要由内部氧化锌电阻片、环氧管、外部硅橡胶复合外套及脱离器组成，依据NB/T 42049—2015标准，提出了避雷器的电气和机械结构，并初步选择了内部氧化锌电阻片规格为φ74×14.5 mm，技术参数和机械结构设计的合理性需要进一步通过试验来进行验证，标准规定的型式试验项目见表1。

表1 避雷器型式试验项目Table 1 Type test items of arrester

根据直流牵引供电系统的过电压水平和绝缘配合设计计算了地铁避雷器的关键技术参数，主要包括：额定电压、标称放电电流、直流参考电压、残压、方波耐受、外绝缘的雷电冲击和直流湿耐受水平等。避雷器的关键技术参数详见表2。

表2 地铁避雷器关键技术参数Table 2 Key technical parameters of metro arrester

避雷器的外绝缘采用均等伞结构进行设计，由5个伞裙结构和两端的护套组成，单个伞的高度为32 mm，伞的直径为150 mm，护套部分直径为94 mm，两端的护套长度均为30 mm，其中伞裙结构见图2。

图2 避雷器伞形结构示意图Fig.2 Sketch map of arrester umbrella structure

2 电气性能试验检验

2.1 残压试验

试验样品为3只避雷器，编号分别为1、2和3，试验要求为测量避雷器在标称放电电流In下的雷电冲击电流残压和陡波冲击电流残压值值，以及在峰值为1 kA下的操作冲击电流残压值，三者均应符合表2的规定。由表3避雷器残压测试结果可知，3只避雷器的雷电冲击残压、陡波冲击残压和操作冲击残压均分别≤4.8 kV、≤5.4 kV和≤4.0 kV，满足相关技术要求。

表3 避雷器残压试验数据表Table 3 Residual voltage test data sheet of arrester

2.2 方波冲击电流耐受试验

试验样品为3只避雷器，编号分别为1、2和3，是经受残压测试后的避雷器。试验要求为测量避雷器在耐受方波冲击电流前后标称放电电流In下雷电冲击电流残压的变化率不应大于5%，同时试验后的试品不应发生击穿、闪络或损坏现象。其中施加的方波冲击电流要求波形为2 000 μs、峰值为1 200 A，共由18次放电动作组成(见图3)，分为6组，每组3次，2次动作间隔时间为50～60 s，2组之间的间隔时间较长，应使试品能够冷却到接近环境温度。

图3 施加的方波冲击电流值Fig.3 Data of square wave impulse current value

由表4避雷器方波冲击电流耐受测试结果可知，3只避雷器在经受18次方波电流冲击后，雷电冲击残压值均稍有增大，但仍<4.8 kV，残压变化率最大为0.4%，同时在试验过程中及试验后试品均未发生击穿、闪络、破碎或者出现明显损坏的痕迹，满足相关技术要求。

表4 避雷器方波冲击电流耐受试验数据表Table 4 Square wave impulse current withstand test data sheet ofarrester

2.3 动作负载试验

2.3.1 加速老化试验

试验样品为3只电阻片，编号分别为A1、A2和A3。试验要求为对电阻片施加一直流电压，幅值为避雷器持续运行电压Uc，持续时间为1 000 h，同时在试验过程中电阻片的表面温度应控制在115±4℃的范围内，然后分别在第0、1、2、125、225、325、425、525、625、701、801、901和1 001 h，共计13个时刻测试电阻片的功率损耗，其中1h时刻的功率损耗记为P1，测试终了即1 001h时刻的功率损耗记为P2，测试过程中的最小功率损耗记为P3，如果P2≤P1且P2≤1.1P3，则说明电阻片通过加速老化试验。3只电阻片的功耗随时间的变化曲线见图4，以A3电阻片的测试过程为例进行说明，在0-800 h时间内电阻片的功耗整体呈下降趋势，随后略有增加，其中P1=0.577 W≥P2，P2=0.521 W≤1.1P3=1.1×0.493=0.542 3 W，老化系数Kct=P2/P1=0.521/0.577 =0.9<1，满足相关技术要求。

图4 电阻片功耗曲线图Fig.4 Power consumption curve of resistors

2.3.2 大电流冲击动作负载试验

试验样品为3只避雷器，编号分别为4、5和6。试验要求为对避雷器依次进行预备性试验、4/10 μs大电流冲击耐受试验及直流电压试验考核，试验前后残压变化率应≤5%，且试验过程中避雷器不应出现击穿和闪络现象。其中预备性试验要求为在避雷器施加直流电压2.4 kV的条件下，以幅值为10 kA、波形为8/20 μs的电流冲击20次；4/10 μs大电流冲击耐受试验要求为首先施加1次100 kA大电流冲击，随后将避雷器预热至60 ℃，再施加第2次100 kA大电流冲击；直流电压试验要求为在避雷器经受2次大电流冲击后100 ms时间内，对避雷器施加幅值为2.4 kV、持续时间为5 min的直流电压，随后将直流电压幅值降至2 kV，分别测量避雷器在2 kV电压作用下第1、15和30 min时的功耗值，最后测量避雷器的残压。测试结果分别见图5和表5，从图5中可以看出，避雷器在第1、15和30 min时的功耗呈现出稳定下降的趋势；从表5中可以看出试验前后避雷器的残压变化很小(最大仅为-0.2%)，同时试验后电阻片无击穿、闪络或损坏，满足相关技术要求。

图5 2 kV下避雷器的功耗曲线图Fig.5 Power consumption curve of arrester under 2 kV

表5 避雷器动作负载耐受试验数据表Table 5 Action load test data sheet of arrester

2.4 外套的绝缘耐受试验

试验样品为3只避雷器外套，编号分别为W1、W2和W3。试验要求为避雷器外套在耐受正/负各15次雷电冲击电压和正极性直流电压(湿)的过程中均不应发生击穿和闪络，其中雷电冲击电压波形为1.2/50 μs、幅值为60 kV，正极性直流电压幅值为40 kV，湿环境条件为水温23.5 ℃，雨水电导率102.3 μS/cm，降雨量水平分量1.29 mm/min、垂直分量1.39 mm/min。对避雷器外套实际施加的15次正/负极性雷电冲击电压值见表6，幅值分在61.5-62.2 kV范围内(>60 kV)，施加的直流电压值为40.2 kV(>40 kV)，在整个试验过程中试品均未出现击穿和闪络现象，其中避雷器外套雷电冲击电压试验数据见表6。

表6 避雷器外套雷电冲击电压试验数据表Table 6 Lightning impulse voltage test data sheet of arrester jacket

3 机械性能试验检验

3.1 机械负荷试验

试验样品为3只避雷器，编号分别为7、8和9。试验要求为避雷器在弯曲负荷作用下耐受60 s不损坏，残余偏移量与避雷器高度的比值应≤5%，同时通过密封试验和浸水试验，最后测量避雷器的直流1 mA参考电压、漏电流、局放和残压数值，变化率(量)均应分别≤5%、≤20 μA、≤10 pC和≤5%。

其中弯曲负荷幅值为F=2.5(F1+F2/2)，方向为垂直于避雷器的轴线方向，F1为避雷器顶端承受导线的水平拉力，取为147 N，F2为作用在避雷器上的风压力，按式(1)进行计算，得到F2=26 N，F=400 N，考虑一定的裕度，可按600 N对避雷器施加弯曲负荷。

(1)

式中：F2为作用于避雷器上的最大风压力，N；ν0为最大风速，m/s；α为空气动力系数，它依风速大小而定。当ν0≤35 m/s时，α=0.8；S为避雷器的迎风面积(应考虑表面覆冰厚度20 mm)，m2。

试验过程中对避雷器顶端施加600 N弯曲负荷，耐受时间为81～85 s，测量得到最大偏移量为5 mm，残余偏移量为2 mm，残余偏移量/避雷器高度为0.9%(≤5%)，同时施加的力与偏移曲线两者在试验过程中均未发生突变。

随后对避雷器继续进行密封试验(热水浸泡)和浸水试验(NaCl的含量为1 kg/m3的沸水)，其中密封试验要求为浸泡用热水温度为78 ℃(环境温度为30 ℃)、时间为15 min，试验过程中观察避雷器有无连续性气泡产生；浸水试验要求为沸水中煮42 h，取出后在空气中放置6 h；最后再开展相应的电气性能测试，试验结果见表7，可以看出试验前后避雷器的直流1 mA参考电压最小值为2.73 kV(≥2.6 kV)，变化率最大值为0.4%(≤5%)；漏电流最大值为5 μA(≤50 μA)，变化量最大值为2μA(≤20 μA)；局放最大值为4.5 pC(≤10pC)，变化量最大值为0.7 pC(≤10 pC)；残压最大值为4.63 kV(≤4.8 kV)，变化率最大值为0.4%(≤5%)，均满足相关技术要求。

表7 机械负荷试验前后避雷器关键电气性能数据表Table 7 Key electrical performance data sheet of arrester before and after mechanical load test

3.2 湿气侵入试验

试验样品为1只避雷器，编号为10。试验要求为避雷器依次经过终端扭矩预处理试验、热机预处理试验和浸水试验，最后进行关键电气性能测试，其中终端扭矩预处理试验要求在避雷器顶端施加60 Nm扭矩，耐受时间为30 s；热机预处理试验要求在避雷器顶端施加300 N(额定弯曲负荷600 N的50%)弯曲负荷，并经受两次冷热循环，每个阶段施加力的时间均为16 h，热1阶段(60 ℃)加力角度0°，冷2阶段(-25 ℃%)加力角度180°，热3阶段(45 ℃%)加力角度270°，冷4阶段(-40 ℃%)加力角度90°；随后将避雷器浸入沸水(NaCl的含量为1kg/m3)中煮42h，取出后在空气中放置6 h；最后再开展相应的电气性能测试，试验结果见表8，可以看出试验前后避雷器的直流1 mA参考电压分别为2.75和2.73 kV，变化率为0.7%；漏电流分别为2和4 μA，变化量为2 μA；局放分别为3.7和4.4 pC，变化量为0.7 pC；残压分别为4.63和4.61 kV，变化率为0.4%，均满足相关技术要求。

表8 湿气侵入试验前后避雷器关键电气性能数据表Table 8 Key electrical performance data sheet of arrester before and after moisture intrusion test

3.3 密封试验

试验样品为3只避雷器，编号分别为11、12和13。试验要求为避雷器在NaCl含量为1 kg/m3的沸水中煮42 h，取出后在空气中放置6 h，然后测试直流1 mA参考电压、漏电流和局放值，同时与水煮之前避雷器的性能参数进行对比，详见表9。结果表明水煮对避雷器U1mA的最大影响程度为-0.4%(≤5%)，仍在2.7 kV(≥2.6 kV)以上；对漏电流的最大影响程度为2 μA(≤20 μA)，仍在5 μA(≤50 μA)以下；对局放的最大影响程度为0.4 pC(≤10 pC)，仍在5 pC(≤10 pC)以下，均满足相关技术要求，能够保证在避雷器运行寿命期间，不会因密封不良而影响避雷器的运行性能。

表9 密封试验前后避雷器关键电气性能数据表Table 9 Key electrical performance data sheet of arrester before and after sealing test

4 结论

1)地铁避雷器由氧化锌电阻片、环氧管、外部硅橡胶复合外套及脱离器组成，内部封装单片φ74×14.5 mm氧化锌电阻片，复合外套由5个伞裙结构和两端的护套组成，单伞的高度为32 mm，直径为150 mm，护套部分直径为94 mm，并提出了避雷器关键技术参数；

2)避雷器在10 kA下雷电冲击残压和陡波冲击残压分别为4.62 kV和5.05 kV，1 kA下操作冲击残压为3.94 kV，方波冲击耐受电流为1 200 A，电阻片老化系数为0.9，100 kA大电流冲击动作负载前后避雷器的残压变化率为-0.2%，避雷器复合外套的正负极性雷电冲击电压>61.5 kV，直流湿耐受电压>40.2 kV，电气性能参数均满足相关技术要求；

3)机械负荷试验前后避雷器的直流1 mA参考电压变化率为0.4%、漏电流变化量为2 μA、局放变化量为0.7 pC和残压变化率为0.4%，湿气侵入试验前后避雷器的直流1 mA参考电压变化率为0.7%、漏电流变化量为2 μA、局放变化量为0.7 pC和残压变化率为0.4%，密封试验前后避雷器的直流1 mA参考电压变化率为-0.4%、漏电流变化量为2 μA和局放变化量为0.4 pC，机械性能参数均满足相关技术要求。