朱月亭， 范 娟

(文華學院 機械與電氣工程學部，武漢 430074)

0 引 言

隨著我國城市經濟快速發(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，我國已經有42個城市開通了地鐵線路，累計233條線路，總里程為7 765 km，各城市的地鐵線路條數及里程見圖1。其中上海、北京和廣州線路里程最長，分別達到772、727和531 km，這幾個地區(qū)同樣也是雷電活動劇烈的地區(qū)，雷擊導致地鐵信號設備故障時有發(fā)生,是引發(fā)地鐵不同類型運營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行，發(fā)車班次間隔延長。2011年4月22日，北京地鐵十號線巴溝至知春路區(qū)段因地面信號設備遭雷擊，使得瞬態(tài)雷電浪涌通過信號傳輸通道竄入導致信號系統(tǒng)故障，列車正常運行受到影響，運輸能力降低。而深圳地鐵在2011年至2014年間，地鐵接觸網遭受4次雷擊，造成多個供電分區(qū)跳閘、絕緣子擊穿、線索燒傷及開關控制箱內部元器件損壞等嚴重后果[10]。因此，研究及開發(fā)保護地鐵牽引電機及電氣設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[21-25]地鐵用的直流復合外套無間隙金屬氧化物避雷器裝置[26-29]。結合地鐵避雷器標準[30]，設計了避雷器的關鍵結構參數，開展殘壓試驗、方波沖擊電流耐受試驗、動作負載試驗、外套的絕緣耐受試驗及機械負荷試驗、濕氣侵入試驗和密封試驗等一系列試驗項目對研制的避雷器樣品進行電氣和機械性能檢驗，完成了樣機結構和關鍵技術參數的設計定型，并通過了型式試驗的考核，為下一步實現(xiàn)工程應用打下基礎。

1 結構及關鍵參數

避雷器主要由內部氧化鋅電阻片、環(huán)氧管、外部硅橡膠復合外套及脫離器組成，依據NB/T 42049—2015標準，提出了避雷器的電氣和機械結構，并初步選擇了內部氧化鋅電阻片規(guī)格為φ74×14.5 mm，技術參數和機械結構設計的合理性需要進一步通過試驗來進行驗證，標準規(guī)定的型式試驗項目見表1。

表1 避雷器型式試驗項目Table 1 Type test items of arrester

根據直流牽引供電系統(tǒng)的過電壓水平和絕緣配合設計計算了地鐵避雷器的關鍵技術參數，主要包括：額定電壓、標稱放電電流、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。避雷器的關鍵技術參數詳見表2。

表2 地鐵避雷器關鍵技術參數Table 2 Key technical parameters of metro arrester

避雷器的外絕緣采用均等傘結構進行設計，由5個傘裙結構和兩端的護套組成，單個傘的高度為32 mm，傘的直徑為150 mm，護套部分直徑為94 mm，兩端的護套長度均為30 mm，其中傘裙結構見圖2。

圖2 避雷器傘形結構示意圖Fig.2 Sketch map of arrester umbrella structure

2 電氣性能試驗檢驗

2.1 殘壓試驗

試驗樣品為3只避雷器，編號分別為1、2和3，試驗要求為測量避雷器在標稱放電電流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，三者均應符合表2的規(guī)定。由表3避雷器殘壓測試結果可知，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，滿足相關技術要求。

表3 避雷器殘壓試驗數據表Table 3 Residual voltage test data sheet of arrester

2.2 方波沖擊電流耐受試驗

試驗樣品為3只避雷器，編號分別為1、2和3，是經受殘壓測試后的避雷器。試驗要求為測量避雷器在耐受方波沖擊電流前后標稱放電電流In下雷電沖擊電流殘壓的變化率不應大于5%，同時試驗后的試品不應發(fā)生擊穿、閃絡或損壞現(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次放電動作組成(見圖3)，分為6組，每組3次，2次動作間隔時間為50～60 s，2組之間的間隔時間較長，應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試結果可知，3只避雷器在經受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%，同時在試驗過程中及試驗后試品均未發(fā)生擊穿、閃絡、破碎或者出現(xiàn)明顯損壞的痕跡，滿足相關技術要求。

表4 避雷器方波沖擊電流耐受試驗數據表Table 4 Square wave impulse current withstand test data sheet ofarrester

2.3 動作負載試驗

2.3.1 加速老化試驗

試驗樣品為3只電阻片，編號分別為A1、A2和A3。試驗要求為對電阻片施加一直流電壓，幅值為避雷器持續(xù)運行電壓Uc，持續(xù)時間為1 000 h，同時在試驗過程中電阻片的表面溫度應控制在115±4℃的范圍內，然后分別在第0、1、2、125、225、325、425、525、625、701、801、901和1 001 h，共計13個時刻測試電阻片的功率損耗，其中1h時刻的功率損耗記為P1，測試終了即1 001h時刻的功率損耗記為P2，測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。3只電阻片的功耗隨時間的變化曲線見圖4，以A3電阻片的測試過程為例進行說明，在0-800 h時間內電阻片的功耗整體呈下降趨勢，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Kct=P2/P1=0.521/0.577 =0.9<1，滿足相關技術要求。

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

2.3.2 大電流沖擊動作負載試驗

試驗樣品為3只避雷器，編號分別為4、5和6。試驗要求為對避雷器依次進行預備性試驗、4/10 μs大電流沖擊耐受試驗及直流電壓試驗考核，試驗前后殘壓變化率應≤5%，且試驗過程中避雷器不應出現(xiàn)擊穿和閃絡現(xiàn)象。其中預備性試驗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要求為首先施加1次100 kA大電流沖擊，隨后將避雷器預熱至60 ℃，再施加第2次100 kA大電流沖擊；直流電壓試驗要求為在避雷器經受2次大電流沖擊后100 ms時間內，對避雷器施加幅值為2.4 kV、持續(xù)時間為5 min的直流電壓，隨后將直流電壓幅值降至2 kV，分別測量避雷器在2 kV電壓作用下第1、15和30 min時的功耗值，最后測量避雷器的殘壓。測試結果分別見圖5和表5，從圖5中可以看出，避雷器在第1、15和30 min時的功耗呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢；從表5中可以看出試驗前后避雷器的殘壓變化很小(最大僅為-0.2%)，同時試驗后電阻片無擊穿、閃絡或損壞，滿足相關技術要求。

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 避雷器動作負載耐受試驗數據表Table 5 Action load test data sheet of arrester

2.4 外套的絕緣耐受試驗

試驗樣品為3只避雷器外套，編號分別為W1、W2和W3。試驗要求為避雷器外套在耐受正/負各15次雷電沖擊電壓和正極性直流電壓(濕)的過程中均不應發(fā)生擊穿和閃絡，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。對避雷器外套實際施加的15次正/負極性雷電沖擊電壓值見表6，幅值分在61.5-62.2 kV范圍內(>60 kV)，施加的直流電壓值為40.2 kV(>40 kV)，在整個試驗過程中試品均未出現(xiàn)擊穿和閃絡現(xiàn)象，其中避雷器外套雷電沖擊電壓試驗數據見表6。

表6 避雷器外套雷電沖擊電壓試驗數據表Table 6 Lightning impulse voltage test data sheet of arrester jacket

3 機械性能試驗檢驗

3.1 機械負荷試驗

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

其中彎曲負荷幅值為F=2.5(F1+F2/2)，方向為垂直于避雷器的軸線方向，F(xiàn)1為避雷器頂端承受導線的水平拉力，取為147 N，F(xiàn)2為作用在避雷器上的風壓力，按式(1)進行計算，得到F2=26 N，F(xiàn)=400 N，考慮一定的裕度，可按600 N對避雷器施加彎曲負荷。

(1)

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

試驗過程中對避雷器頂端施加600 N彎曲負荷，耐受時間為81～85 s，測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%)，同時施加的力與偏移曲線兩者在試驗過程中均未發(fā)生突變。

隨后對避雷器繼續(xù)進行密封試驗(熱水浸泡)和浸水試驗(NaCl的含量為1 kg/m3的沸水)，其中密封試驗要求為浸泡用熱水溫度為78 ℃(環(huán)境溫度為30 ℃)、時間為15 min，試驗過程中觀察避雷器有無連續(xù)性氣泡產生；浸水試驗要求為沸水中煮42 h，取出后在空氣中放置6 h；最后再開展相應的電氣性能測試，試驗結果見表7，可以看出試驗前后避雷器的直流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%)，均滿足相關技術要求。

表7 機械負荷試驗前后避雷器關鍵電氣性能數據表Table 7 Key electrical performance data sheet of arrester before and after mechanical load test

3.2 濕氣侵入試驗

試驗樣品為1只避雷器，編號為10。試驗要求為避雷器依次經過終端扭矩預處理試驗、熱機預處理試驗和浸水試驗，最后進行關鍵電氣性能測試，其中終端扭矩預處理試驗要求在避雷器頂端施加60 Nm扭矩，耐受時間為30 s；熱機預處理試驗要求在避雷器頂端施加300 N(額定彎曲負荷600 N的50%)彎曲負荷，并經受兩次冷熱循環(huán)，每個階段施加力的時間均為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；最后再開展相應的電氣性能測試，試驗結果見表8，可以看出試驗前后避雷器的直流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%，均滿足相關技術要求。

表8 濕氣侵入試驗前后避雷器關鍵電氣性能數據表Table 8 Key electrical performance data sheet of arrester before and after moisture intrusion test

3.3 密封試驗

試驗樣品為3只避雷器，編號分別為11、12和13。試驗要求為避雷器在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，然后測試直流1 mA參考電壓、漏電流和局放值，同時與水煮之前避雷器的性能參數進行對比，詳見表9。結果表明水煮對避雷器U1mA的最大影響程度為-0.4%(≤5%)，仍在2.7 kV(≥2.6 kV)以上；對漏電流的最大影響程度為2 μA(≤20 μA)，仍在5 μA(≤50 μA)以下；對局放的最大影響程度為0.4 pC(≤10 pC)，仍在5 pC(≤10 pC)以下，均滿足相關技術要求，能夠保證在避雷器運行壽命期間，不會因密封不良而影響避雷器的運行性能。

表9 密封試驗前后避雷器關鍵電氣性能數據表Table 9 Key electrical performance data sheet of arrester before and after sealing test

4 結論

1)地鐵避雷器由氧化鋅電阻片、環(huán)氧管、外部硅橡膠復合外套及脫離器組成，內部封裝單片φ74×14.5 mm氧化鋅電阻片，復合外套由5個傘裙結構和兩端的護套組成，單傘的高度為32 mm，直徑為150 mm，護套部分直徑為94 mm，并提出了避雷器關鍵技術參數；

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，電阻片老化系數為0.9，100 kA大電流沖擊動作負載前后避雷器的殘壓變化率為-0.2%，避雷器復合外套的正負極性雷電沖擊電壓>61.5 kV，直流濕耐受電壓>40.2 kV，電氣性能參數均滿足相關技術要求；

3)機械負荷試驗前后避雷器的直流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，機械性能參數均滿足相關技術要求。