地鐵用無間隙金屬氧化物避雷器研制

朱月亭， 范 娟

(文華學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)部，武漢 430074)

0 引 言

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地鐵、輕軌等城市軌道交通成為解決交通擁堵最有效的手段之一[1-2]。截止2020年底，我國(guó)已經(jīng)有42個(gè)城市開通了地鐵線路，累計(jì)233條線路，總里程為7 765 km，各城市的地鐵線路條數(shù)及里程見圖1。其中上海、北京和廣州線路里程最長(zhǎng)，分別達(dá)到772、727和531 km，這幾個(gè)地區(qū)同樣也是雷電活動(dòng)劇烈的地區(qū)，雷擊導(dǎo)致地鐵信號(hào)設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生,是引發(fā)地鐵不同類型運(yùn)營(yíng)事故的重要原因之一[3-9]。2019年4月9日，上海地鐵浦江線匯臻路站站外區(qū)間設(shè)備遭到雷擊，造成該站道岔故障，并伴有異響、煙霧及火花現(xiàn)象，致使浦江線全線列車限速運(yùn)行，發(fā)車班次間隔延長(zhǎng)。2011年4月22日，北京地鐵十號(hào)線巴溝至知春路區(qū)段因地面信號(hào)設(shè)備遭雷擊，使得瞬態(tài)雷電浪涌通過信號(hào)傳輸通道竄入導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)故障，列車正常運(yùn)行受到影響，運(yùn)輸能力降低。而深圳地鐵在2011年至2014年間，地鐵接觸網(wǎng)遭受4次雷擊，造成多個(gè)供電分區(qū)跳閘、絕緣子擊穿、線索燒傷及開關(guān)控制箱內(nèi)部元器件損壞等嚴(yán)重后果[10]。因此，研究及開發(fā)保護(hù)地鐵牽引電機(jī)及電氣設(shè)備免受過電壓的侵害用的避雷器意義重大[11-20]。

圖1 各城市的地鐵線路條數(shù)及里程Fig.1 Number and mileage of metro lines in each city

本研究研制了適合1.5 kV電壓等級(jí)[21-25]地鐵用的直流復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器裝置[26-29]。結(jié)合地鐵避雷器標(biāo)準(zhǔn)[30]，設(shè)計(jì)了避雷器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展殘壓試驗(yàn)、方波沖擊電流耐受試驗(yàn)、動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)、外套的絕緣耐受試驗(yàn)及機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)、濕氣侵入試驗(yàn)和密封試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)研制的避雷器樣品進(jìn)行電氣和機(jī)械性能檢驗(yàn)，完成了樣機(jī)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)定型，并通過了型式試驗(yàn)的考核，為下一步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

避雷器主要由內(nèi)部氧化鋅電阻片、環(huán)氧管、外部硅橡膠復(fù)合外套及脫離器組成，依據(jù)NB/T 42049—2015標(biāo)準(zhǔn)，提出了避雷器的電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)，并初步選擇了內(nèi)部氧化鋅電阻片規(guī)格為φ74×14.5 mm，技術(shù)參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 避雷器型式試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Type test items of arrester

根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)的過電壓水平和絕緣配合設(shè)計(jì)計(jì)算了地鐵避雷器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，主要包括：額定電壓、標(biāo)稱放電電流、直流參考電壓、殘壓、方波耐受、外絕緣的雷電沖擊和直流濕耐受水平等。避雷器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)詳見表2。

表2 地鐵避雷器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Table 2 Key technical parameters of metro arrester

避雷器的外絕緣采用均等傘結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由5個(gè)傘裙結(jié)構(gòu)和兩端的護(hù)套組成，單個(gè)傘的高度為32 mm，傘的直徑為150 mm，護(hù)套部分直徑為94 mm，兩端的護(hù)套長(zhǎng)度均為30 mm，其中傘裙結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 避雷器傘形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of arrester umbrella structure

2 電氣性能試驗(yàn)檢驗(yàn)

2.1 殘壓試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器，編號(hào)分別為1、2和3，試驗(yàn)要求為測(cè)量避雷器在標(biāo)稱放電電流In下的雷電沖擊電流殘壓和陡波沖擊電流殘壓值值，以及在峰值為1 kA下的操作沖擊電流殘壓值，三者均應(yīng)符合表2的規(guī)定。由表3避雷器殘壓測(cè)試結(jié)果可知，3只避雷器的雷電沖擊殘壓、陡波沖擊殘壓和操作沖擊殘壓均分別≤4.8 kV、≤5.4 kV和≤4.0 kV，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表3 避雷器殘壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 3 Residual voltage test data sheet of arrester

2.2 方波沖擊電流耐受試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器，編號(hào)分別為1、2和3，是經(jīng)受殘壓測(cè)試后的避雷器。試驗(yàn)要求為測(cè)量避雷器在耐受方波沖擊電流前后標(biāo)稱放電電流In下雷電沖擊電流殘壓的變化率不應(yīng)大于5%，同時(shí)試驗(yàn)后的試品不應(yīng)發(fā)生擊穿、閃絡(luò)或損壞現(xiàn)象。其中施加的方波沖擊電流要求波形為2 000 μs、峰值為1 200 A，共由18次放電動(dòng)作組成(見圖3)，分為6組，每組3次，2次動(dòng)作間隔時(shí)間為50～60 s，2組之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)使試品能夠冷卻到接近環(huán)境溫度。

圖3 施加的方波沖擊電流值Fig.3 Data of square wave impulse current value

由表4避雷器方波沖擊電流耐受測(cè)試結(jié)果可知，3只避雷器在經(jīng)受18次方波電流沖擊后，雷電沖擊殘壓值均稍有增大，但仍<4.8 kV，殘壓變化率最大為0.4%，同時(shí)在試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后試品均未發(fā)生擊穿、閃絡(luò)、破碎或者出現(xiàn)明顯損壞的痕跡，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表4 避雷器方波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 4 Square wave impulse current withstand test data sheet ofarrester

2.3 動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)

2.3.1 加速老化試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只電阻片，編號(hào)分別為A1、A2和A3。試驗(yàn)要求為對(duì)電阻片施加一直流電壓，幅值為避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓Uc，持續(xù)時(shí)間為1 000 h，同時(shí)在試驗(yàn)過程中電阻片的表面溫度應(yīng)控制在115±4℃的范圍內(nèi)，然后分別在第0、1、2、125、225、325、425、525、625、701、801、901和1 001 h，共計(jì)13個(gè)時(shí)刻測(cè)試電阻片的功率損耗，其中1h時(shí)刻的功率損耗記為P1，測(cè)試終了即1 001h時(shí)刻的功率損耗記為P2，測(cè)試過程中的最小功率損耗記為P3，如果P2≤P1且P2≤1.1P3，則說明電阻片通過加速老化試驗(yàn)。3只電阻片的功耗隨時(shí)間的變化曲線見圖4，以A3電阻片的測(cè)試過程為例進(jìn)行說明，在0-800 h時(shí)間內(nèi)電阻片的功耗整體呈下降趨勢(shì)，隨后略有增加，其中P1=0.577 W≥P2，P2=0.521 W≤1.1P3=1.1×0.493=0.542 3 W，老化系數(shù)Kct=P2/P1=0.521/0.577 =0.9<1，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

圖4 電阻片功耗曲線圖Fig.4 Power consumption curve of resistors

2.3.2 大電流沖擊動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器，編號(hào)分別為4、5和6。試驗(yàn)要求為對(duì)避雷器依次進(jìn)行預(yù)備性試驗(yàn)、4/10 μs大電流沖擊耐受試驗(yàn)及直流電壓試驗(yàn)考核，試驗(yàn)前后殘壓變化率應(yīng)≤5%，且試驗(yàn)過程中避雷器不應(yīng)出現(xiàn)擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。其中預(yù)備性試驗(yàn)要求為在避雷器施加直流電壓2.4 kV的條件下，以幅值為10 kA、波形為8/20 μs的電流沖擊20次；4/10 μs大電流沖擊耐受試驗(yàn)要求為首先施加1次100 kA大電流沖擊，隨后將避雷器預(yù)熱至60 ℃，再施加第2次100 kA大電流沖擊；直流電壓試驗(yàn)要求為在避雷器經(jīng)受2次大電流沖擊后100 ms時(shí)間內(nèi)，對(duì)避雷器施加幅值為2.4 kV、持續(xù)時(shí)間為5 min的直流電壓，隨后將直流電壓幅值降至2 kV，分別測(cè)量避雷器在2 kV電壓作用下第1、15和30 min時(shí)的功耗值，最后測(cè)量避雷器的殘壓。測(cè)試結(jié)果分別見圖5和表5，從圖5中可以看出，避雷器在第1、15和30 min時(shí)的功耗呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢(shì)；從表5中可以看出試驗(yàn)前后避雷器的殘壓變化很小(最大僅為-0.2%)，同時(shí)試驗(yàn)后電阻片無擊穿、閃絡(luò)或損壞，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

圖5 2 kV下避雷器的功耗曲線圖Fig.5 Power consumption curve of arrester under 2 kV

表5 避雷器動(dòng)作負(fù)載耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 5 Action load test data sheet of arrester

2.4 外套的絕緣耐受試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器外套，編號(hào)分別為W1、W2和W3。試驗(yàn)要求為避雷器外套在耐受正/負(fù)各15次雷電沖擊電壓和正極性直流電壓(濕)的過程中均不應(yīng)發(fā)生擊穿和閃絡(luò)，其中雷電沖擊電壓波形為1.2/50 μs、幅值為60 kV，正極性直流電壓幅值為40 kV，濕環(huán)境條件為水溫23.5 ℃，雨水電導(dǎo)率102.3 μS/cm，降雨量水平分量1.29 mm/min、垂直分量1.39 mm/min。對(duì)避雷器外套實(shí)際施加的15次正/負(fù)極性雷電沖擊電壓值見表6，幅值分在61.5-62.2 kV范圍內(nèi)(>60 kV)，施加的直流電壓值為40.2 kV(>40 kV)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中試品均未出現(xiàn)擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象，其中避雷器外套雷電沖擊電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 避雷器外套雷電沖擊電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 6 Lightning impulse voltage test data sheet of arrester jacket

3 機(jī)械性能試驗(yàn)檢驗(yàn)

3.1 機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器，編號(hào)分別為7、8和9。試驗(yàn)要求為避雷器在彎曲負(fù)荷作用下耐受60 s不損壞，殘余偏移量與避雷器高度的比值應(yīng)≤5%，同時(shí)通過密封試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)，最后測(cè)量避雷器的直流1 mA參考電壓、漏電流、局放和殘壓數(shù)值，變化率(量)均應(yīng)分別≤5%、≤20 μA、≤10 pC和≤5%。

其中彎曲負(fù)荷幅值為F=2.5(F1+F2/2)，方向?yàn)榇怪庇诒芾灼鞯妮S線方向，F(xiàn)1為避雷器頂端承受導(dǎo)線的水平拉力，取為147 N，F(xiàn)2為作用在避雷器上的風(fēng)壓力，按式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到F2=26 N，F(xiàn)=400 N，考慮一定的裕度，可按600 N對(duì)避雷器施加彎曲負(fù)荷。

(1)

式中：F2為作用于避雷器上的最大風(fēng)壓力，N；ν0為最大風(fēng)速，m/s；α為空氣動(dòng)力系數(shù)，它依風(fēng)速大小而定。當(dāng)ν0≤35 m/s時(shí)，α=0.8；S為避雷器的迎風(fēng)面積(應(yīng)考慮表面覆冰厚度20 mm)，m2。

試驗(yàn)過程中對(duì)避雷器頂端施加600 N彎曲負(fù)荷，耐受時(shí)間為81～85 s，測(cè)量得到最大偏移量為5 mm，殘余偏移量為2 mm，殘余偏移量/避雷器高度為0.9%(≤5%)，同時(shí)施加的力與偏移曲線兩者在試驗(yàn)過程中均未發(fā)生突變。

隨后對(duì)避雷器繼續(xù)進(jìn)行密封試驗(yàn)(熱水浸泡)和浸水試驗(yàn)(NaCl的含量為1 kg/m3的沸水)，其中密封試驗(yàn)要求為浸泡用熱水溫度為78 ℃(環(huán)境溫度為30 ℃)、時(shí)間為15 min，試驗(yàn)過程中觀察避雷器有無連續(xù)性氣泡產(chǎn)生；浸水試驗(yàn)要求為沸水中煮42 h，取出后在空氣中放置6 h；最后再開展相應(yīng)的電氣性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表7，可以看出試驗(yàn)前后避雷器的直流1 mA參考電壓最小值為2.73 kV(≥2.6 kV)，變化率最大值為0.4%(≤5%)；漏電流最大值為5 μA(≤50 μA)，變化量最大值為2μA(≤20 μA)；局放最大值為4.5 pC(≤10pC)，變化量最大值為0.7 pC(≤10 pC)；殘壓最大值為4.63 kV(≤4.8 kV)，變化率最大值為0.4%(≤5%)，均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表7 機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)前后避雷器關(guān)鍵電氣性能數(shù)據(jù)表Table 7 Key electrical performance data sheet of arrester before and after mechanical load test

3.2 濕氣侵入試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為1只避雷器，編號(hào)為10。試驗(yàn)要求為避雷器依次經(jīng)過終端扭矩預(yù)處理試驗(yàn)、熱機(jī)預(yù)處理試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)，最后進(jìn)行關(guān)鍵電氣性能測(cè)試，其中終端扭矩預(yù)處理試驗(yàn)要求在避雷器頂端施加60 Nm扭矩，耐受時(shí)間為30 s；熱機(jī)預(yù)處理試驗(yàn)要求在避雷器頂端施加300 N(額定彎曲負(fù)荷600 N的50%)彎曲負(fù)荷，并經(jīng)受兩次冷熱循環(huán)，每個(gè)階段施加力的時(shí)間均為16 h，熱1階段(60 ℃)加力角度0°，冷2階段(-25 ℃%)加力角度180°，熱3階段(45 ℃%)加力角度270°，冷4階段(-40 ℃%)加力角度90°；隨后將避雷器浸入沸水(NaCl的含量為1kg/m3)中煮42h，取出后在空氣中放置6 h；最后再開展相應(yīng)的電氣性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表8，可以看出試驗(yàn)前后避雷器的直流1 mA參考電壓分別為2.75和2.73 kV，變化率為0.7%；漏電流分別為2和4 μA，變化量為2 μA；局放分別為3.7和4.4 pC，變化量為0.7 pC；殘壓分別為4.63和4.61 kV，變化率為0.4%，均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表8 濕氣侵入試驗(yàn)前后避雷器關(guān)鍵電氣性能數(shù)據(jù)表Table 8 Key electrical performance data sheet of arrester before and after moisture intrusion test

3.3 密封試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為3只避雷器，編號(hào)分別為11、12和13。試驗(yàn)要求為避雷器在NaCl含量為1 kg/m3的沸水中煮42 h，取出后在空氣中放置6 h，然后測(cè)試直流1 mA參考電壓、漏電流和局放值，同時(shí)與水煮之前避雷器的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，詳見表9。結(jié)果表明水煮對(duì)避雷器U1mA的最大影響程度為-0.4%(≤5%)，仍在2.7 kV(≥2.6 kV)以上；對(duì)漏電流的最大影響程度為2 μA(≤20 μA)，仍在5 μA(≤50 μA)以下；對(duì)局放的最大影響程度為0.4 pC(≤10 pC)，仍在5 pC(≤10 pC)以下，均滿足相關(guān)技術(shù)要求，能夠保證在避雷器運(yùn)行壽命期間，不會(huì)因密封不良而影響避雷器的運(yùn)行性能。

表9 密封試驗(yàn)前后避雷器關(guān)鍵電氣性能數(shù)據(jù)表Table 9 Key electrical performance data sheet of arrester before and after sealing test

4 結(jié)論

1)地鐵避雷器由氧化鋅電阻片、環(huán)氧管、外部硅橡膠復(fù)合外套及脫離器組成，內(nèi)部封裝單片φ74×14.5 mm氧化鋅電阻片，復(fù)合外套由5個(gè)傘裙結(jié)構(gòu)和兩端的護(hù)套組成，單傘的高度為32 mm，直徑為150 mm，護(hù)套部分直徑為94 mm，并提出了避雷器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；

2)避雷器在10 kA下雷電沖擊殘壓和陡波沖擊殘壓分別為4.62 kV和5.05 kV，1 kA下操作沖擊殘壓為3.94 kV，方波沖擊耐受電流為1 200 A，電阻片老化系數(shù)為0.9，100 kA大電流沖擊動(dòng)作負(fù)載前后避雷器的殘壓變化率為-0.2%，避雷器復(fù)合外套的正負(fù)極性雷電沖擊電壓>61.5 kV，直流濕耐受電壓>40.2 kV，電氣性能參數(shù)均滿足相關(guān)技術(shù)要求；

3)機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)前后避雷器的直流1 mA參考電壓變化率為0.4%、漏電流變化量為2 μA、局放變化量為0.7 pC和殘壓變化率為0.4%，濕氣侵入試驗(yàn)前后避雷器的直流1 mA參考電壓變化率為0.7%、漏電流變化量為2 μA、局放變化量為0.7 pC和殘壓變化率為0.4%，密封試驗(yàn)前后避雷器的直流1 mA參考電壓變化率為-0.4%、漏電流變化量為2 μA和局放變化量為0.4 pC，機(jī)械性能參數(shù)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。