接触网绝缘子旁并联安装带间隙避雷器技术性能研究

接触网绝缘子旁并联安装带间隙避雷器技术性能研究

0接触网反雷器研发的背景中国的高速铁路线路相对集中于经济发达地区的东南沿海和南部地区，那里有强烈的闪电。从运行安全、走廊配置和地质地理的角度来看，大多数高速铁路采用桥接架法。在某些线路（如北京、天津和天津高铁）的桥段长度中，桥梁长度的比例大于线路总长度的80%。桥接收系统的接触网高度大于允许乘坐的传输线路的高度。因此，额外预防是不可避免的。在绝缘体系的配置上，接触网的绝缘体程度与系统的35kv隔离带相当，抗雷能力低，维护当地主要节点的预防措施仅适用于几个重要节点。上述因素导致高速铁路接触网的雷击故障率较高,运行结果也印证了这一估计。以京沪高速铁路为例,雷击故障远远多于普速铁路。高速铁路运行速度快,发车间隔短,接触网雷击故障很容易造成列车停运,严重影响线路的正常运营。简单按照现有规范标准进行防雷设计已经无法满足高速铁路高运行可靠性的要求。文献在深入研究高速铁路接触网雷电防护问题后,提出可以采用避雷器作为防护措施,从而大幅提高接触网的耐雷电性能。在电力系统中,架空线路采用避雷器作为防雷保护措施时通常使用带外串联间隙复合外套避雷器,并有成熟的运行经验。文献针对城市轨道交通接触网研制了带外串联间隙复合外套避雷器并取得较好的应用效果。带串联间隙复合外套避雷器的优点十分明显:相比无间隙避雷器,系统正常运行时工作电压绝大部分加在串联间隙上,使避雷器本体电阻片几乎不存在老化损坏的问题,可以免维护;另外,避雷器本体损坏后系统发生永久短路故障的概率降低,在采取必要保护措施后可以带电更换故障避雷器;相比瓷外套,复合外套重量轻,耐污秽、耐电蚀能力强。高速铁路接触网用避雷器宜选用带串联间隙复合外套型式。接触网近乎覆盖在列车的正上方,遭受的振动干扰明显强于电力系统架空线路,为了避免接触网上的设备和零部件损坏对高速行驶的列车设备和车内人员造成伤害,对设备和零部件的安全可靠性要求极高。因此,在避雷器产品的设计上,除满足传统线路避雷器在电气性能和机械性能方面的要求外,还要重点解决高强度振动应力载荷下产品整体强度和长期安装稳定性,以及产品本身防爆性能等问题。针对接触网的结构特点和运行环境,本文研制了适合接触网使用的高性能避雷器。设计带间隙避雷器结构型式,分析选择避雷器本体关键电气参数,通过放电电压试验确定串联间隙距离,研究确定避雷器短路试验和振动试验研究方法,通过雷电冲击放电伏秒特性试验、短路试验和振动试验对样品进行性能检验,最终将定型产品挂网运行。1结构设计1.1配合的避雷器结构型式在结构设计上,避雷器应能满足使用环境的要求如下:1)接触网供电线路由3种绝缘子支撑导线构成,包括棒形悬式绝缘子悬挂正馈线(F线)、横/斜腕臂绝缘子支撑接触线(T线)、支柱绝缘子支撑加强T线(JQ线)。3种绝缘子结构型式、空间布局和安装受力各不相同,与之配合的避雷器结构型式需要特别设计,以适合接触网的结构形态。2)接触网受到包括列车高速行驶产生的地基基础振动、受电弓托举接触线产生的振动、导线风荷载振动等多种振动影响,相比电力架空线路要严重,避雷器在长期运行中应能保持安装稳固,不允许松动或者脱落,这需要特别设计避雷器固定部件的结构型式,使其具有足够的牢固性和稳定性。3)电力系统低电压等级避雷器故障损坏影响较小,因此GB11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》标准中对额定电压(Ur)在42kV以下的避雷器并不要求采取压力释放措施。对接触网用避雷器,电阻片因劣化、大电流击穿或热崩溃引发短路故障时,若某些部件(如电阻片、金属垫块、电极等)损坏脱落,很可能对高速驶过的列车和人员造成致命伤害,因此,避雷器应进行压力释放设计,限制爆裂后硬质物体的脱落。1.2避雷器本体结构及安装稳定性本文根据接触网运行特点和运行安全要求,设计的带外串联间隙避雷器结构型式如图1所示,主要由避雷器本体、安装金具和串联空气间隙三部分组成。在系统正常运行时,空气间隙隔离工频电压,避雷器本体几乎不承担电压;在雷电过电压作用下,空气间隙被击穿,避雷器本体在高电压下呈现低阻抗,将雷电流泄放入地,钳制绝缘子两端的电压为避雷器本体残压;雷电冲击过后,工频电压加在避雷器本体上,本体在低电压下回到高阻抗状态,通过的工频续流被抑制到很小值,空气间隙绝缘强度迅速得到恢复,遮断续流,系统又回到正常运行状态。避雷器本体结构上,对应F线棒形悬式绝缘子和T线腕臂绝缘子,遵循上网部件少、安全隐患少、降低现场实施难度及尽可能维持绝缘子原有受力状态的原则,设计成分体式、额定电压相等的两部分,通过安装抱箍分别紧固到绝缘子两端的法兰上,如图1(a)和1(b)所示。相比单体结构,安装抱箍承担的自重作用力降低一半,且对称布置,利于保持长期安装稳定;串联间隙由设置在本体另一端的一对棒极构成;相比传统线路避雷器独立悬挂安装方式而言,这种避雷器与绝缘子为一刚性组合体,串联垂直朝上,F线棒形悬式绝缘子用避雷器本体水平朝向田野侧,即使避雷器本体损坏,还能起到保护间隙[12,13,14,15,16,17]的疏导电弧作用,防止绝缘子损坏。该结构型式避雷器已获得国家发明专利授权。对JQ线支柱绝缘子,避雷器本体更适合采用单体结构,可以直接紧固到悬臂梁上方,安装稳定性较容易解决,如图1(c)所示;串联间隙由安装在支柱绝缘子高压端法兰上的羊角电极与设置在避雷器本体高压端的半球电极构成,组装完毕后串联间隙同样比较稳定。1.3t线缘子和jq线缘为防止避雷器本体或者电极的安装紧固部件松动,经过反复研究,设计出一种U型安装抱箍,结构示意图见如图2所示,其中图2(a)为F线和T线绝缘子用避雷器本体安装示意,图2(b)为JQ线绝缘子用避雷器羊角电极安装示意。安装抱箍结构上主要包括U型螺栓和抱块两部分,紧固螺母后,U型螺栓将抱块紧紧挤压在绝缘子端部法兰表面,实现可靠附着,抱块贴在法兰表面后同时卡住法兰边缘,限制抱块轴向受力移动,使抱箍主要受径向力影响,大大增加了抱箍的稳定性,进一步加强附着力可双U型螺栓并联使用。设计的U型抱箍结构简单,组装方便,易于现场操作。1.4均衡电子鼻表面形态结构的设计低电压等级复合外套避雷器4/10μs大电流冲击耐受试验研究结果表明,避雷器传统生产工艺为环氧树脂或不饱和树脂固化电阻片形成芯体、外侧模压硅橡胶复合伞群,这种结构容易降低电阻片侧面釉层绝缘性能,使整只避雷器耐受冲击大电流的能力明显低于单个电阻片的耐受能力。因此,本文设计的避雷器本体将电阻片压装在绝缘外套内部再将外套密封,外套内层为环氧绝缘筒、外层为硅橡胶伞群,电阻片与绝缘筒间的空隙填充硅橡胶。研究可知,在绝缘筒外壁上设置一定数量的长方形凹槽(如图3所示),使绝缘筒局部强度变差,可以起到加速能量释放、减少外套破损面积的作用。凹槽尺寸和数量应适当,且不完全穿透绝缘筒,不会降低避雷器本体的密封性能(包括气密性和水密性)。2关键参数2.1线路避雷器仿真计算避雷器额定电压的选择,应满足避雷器雷击动作后串联间隙能够有效遮断工频续流这一条件。考虑最严苛的可能运行工况,假设避雷器雷击动作后加在避雷器本体上的工频电压为系统最高工频过电压,若此时流过避雷器本体的工频电流不大于1mA,则串联间隙一定可以遮断续流。标准GB/T1402—2010《轨道交通牵引供电系统电压》中规定,中国电气化铁路牵引供电系统的系统最高运行电压为29kV。事实上,由于中国电气化铁路牵引变电所不具备自动调压装置,在电力系统电压变化、电容并补装置等的影响下,有些线路的牵引变电所空载电压可能超出标准允许的最大值。根据文献,最高工频过电压可达到31.5kV,出现的频度,每个变电所每年为0.22~1.64d,平均每次持续时间约2min。对于低电压等级避雷器,Ur取值一般为直流1mA参考电压(拐点电压)除以,若选择U≥31.5kV,则流过避雷器本体的续流不大于1mA,满足使用要求。考虑接触网用带间隙避雷器在中国并没有实际运行经验,本文设计时预留一定的裕度,选取Ur为36kV。对于分体式结构,每个避雷器本体的Ur为18kV。GB11032—2010和TB/T1844—1987《25kV交流电气化铁道用无间隙金属氧化物避雷器技术条件》规定的电气化铁道用避雷器标称放电电流等级为5和10kA两种,这2个标准均针对无间隙避雷器而言,用于接触网防雷保护的带间隙避雷器目前尚无标准可依。借鉴电力系统配电网线路避雷器参数及实际运行效果,依然选取标称放电电流等级为5kA,但考虑高速铁路雷击事故以直击雷作用为主,仿真计算显示在高幅值雷击电流下流过避雷器本体的冲击电流幅值可达几十甚至上百kA,通过选择大直径电阻片来提高耐受冲击大电流能力不低于100kA。根据上述要求以及GB11032—2010的相关规定,本文选择的避雷器本体主要参数列于表1中。标称放电电流下避雷器本体的残压远低于被保护绝缘子的放电电压(见表2),绝缘配合裕度足够。2.2根据保护绝缘子的50%放电电压确定问题为了实现可靠保护,带间隙避雷器在雷电过电压下应先于与之并联的绝缘子(被保护绝缘子)放电动作,并且每次放电路径均应发生在串联间隙上。通过放电电压试验来初步选定串联间隙距离。冲击放电试验统计结果表明:自恢复绝缘的破坏性放电电压近似服从正态分布,根据正态分布的经验法则(又称68-95-99.7法则),约99.7%数值分布在距离平均值(U50)正负3个标准偏差(uf073)范围内。当选择避雷器与被保护绝缘子的50%雷电冲击放电电压满足以下关系:则避雷器总是能先于被保护绝缘子动作。GB/T16927.1—1997《高电压试验技术第一部分:一般试验要求》中推荐对雷电过电压uf073取0.03,代入式(1),串联间隙最大值可以按照避雷器与被保护绝缘子的50%雷电冲击放电电压比值在83%附近的原则选取。另外,带间隙避雷器只用于限制接触网雷电过电压,在系统工频过电压和操作过电压下不应放电动作,以免增加避雷器本体负荷降低使用寿命。按此要求,根据GB/T1402—2010,串联间隙的工频过电压耐受强度应达到31.5kV,根据文献,串联间隙的操作过电压耐受强度应达到72.5kV。对避雷器及被保护绝缘子试品进行了50%雷电冲击放电电压试验、50%操作冲击放电电压试验和工频耐受电压试验研究,初步选择的避雷器串联间隙距离和对应的50%雷电冲击放电电压值如表2所示。3试验表明3.1带串联间隙避雷器放电试验雷电全波冲击放电伏秒特性试验用于检验避雷器与被保护绝缘子在不同雷电波下的配合效果,验证结构设计和串联间隙参数选择的合理性。试验在电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心(北京)进行,试验接线示意图如图4所示。每次试验都拍摄放电路径,根据记录数据绘制伏秒特性配合曲线。试验结果表明,在表2选择的串联间隙距离下,所有雷电冲击放电路径均发生在串联间隙上,对应伏秒特性曲线上的每个放电点,避雷器的放电电压都比被保护绝缘子的放电电压低15%以上,如图5所示;考虑现场安装误差范围,调节串联间隙距离重复上述试验,结果仍满足要求。试验证明,设计的带串联间隙避雷器结构合理,间距距离选择合适,动作准确可靠。典型的雷电冲击放电路径如图6所示。3.2严格试验条件确定工频短路电流试验用于检验避雷器出现短路故障后压力释放能力。为保障避雷器发生故障时不会对其它设备造成破坏,避雷器本体应能通过该项试验检验。试验条件依据高速铁路牵引供电系统短路电流和继电保护整定时间确定。以典型的牵引变电所从电力系统接引两回220kV电源供电、牵引变压器采用两台220/2uf0b427.5kV单相变压器、两组牵引变压器固定备用、安装容量2(63(10)63)MVA为例,仿真计算短路电流沿线分布结果如图7所示。从图7中可以看出,短路电流变化总体趋势是牵引所出口处幅值最大,T线—回流线间短路时故障电流接近14kA,T线—F线间短路时故障电流接近9kA;随着短路点离牵引变电所电气距离的增加,短路电流逐渐降低,T线—回流线间短路时故障电流接近7kA,T线—F线间短路时故障电流接近4kA;在线路中间分区所出口处短路电流出现局部抬升。当变压器安装容量降低时,短路电流随之减小。牵引变电所短路故障保护整定时间为0.1s后跳闸,当牵引变电所保护拒动,由上一级变电站保护动作时,跳闸动作延迟时间增加至0.4s,但后一种情况发生的概率极低。可见,当避雷器安装位置不同时,流过的短路故障电流差别较大,由于大电流和小电流下试验结果不具有替代性,参照GB11032—2010和TB/T1844—1987短路电流系列,确定的试验技术条件如下:1)大电流短路试验:16kA,0.2s;2)小电流短路试验:800A,1s。试验布置接线示意图如图8所示。试验前,对IEC60099-4-2001《避雷器第4部分:交流系统用无间隙金属氧化物避雷器》规定的试品3种预故障方法进行了试验比较研究,方法具体规定和特点如表3所示。结果显示,对于本文设计的避雷器本体,内部熔丝法下试品爆裂程度最为剧烈,但此方法模拟的故障概率极小;外部熔丝法下爆裂程度次之,模拟的故障发生概率较低;过电压法下爆裂程度最弱,此方法模拟的故障为避雷器短路故障的通常形式。综合考虑,大电流短路试验前选择过电压法对试品进行预故障处理,小电流短路试验前选择外部熔丝法对试品进行预故障处理。大电流短路试验在国家电器产品质量监督检验中心(苏州)进行,试验时先对试品施加1.14Ur的工频电压,不到10s,电阻片崩溃短路,紧接着试验电流源向短路通道注入大电流随之起弧燃烧,试验结果如图9所示。小电流短路试验在电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心进行,试验时试验电流源直接向熔丝短路通道注入小电流随之起弧燃烧,其中一只试品的试验结果如图10所示。大电流短路试验后,避雷器本体基本保持整体状态,外套沿压力释放槽撕裂出长缝隙或者局部爆裂开,有绝缘材料碎块脱落,累计爆裂面积不超过全部面积的1/3,个别电阻片碎裂但没有碎块脱落;小电流短路试验后,避雷器本体保持完整状态,外套在预埋熔丝部位沿压力释放槽撕开一条长裂缝,没有碎块脱落。试验后均未发生持续性明火。可见,本文设计的避雷器本体发生短路故障,除自身损坏外,对外界不产生破坏性。另一方面,按照接触网截面结构尺寸计算,以安装位置离钢轨最近的腕臂绝缘子用避雷器为例,绝缘子端部法兰离钢轨的最短距离尚有约1.4m,即使避雷器损坏有碎块自由落体式下坠,也不易落到列车上。3.3多振源复杂振动系统振动试验用于检验组装后的避雷器在模拟长时间外力载荷作用下产生的累积疲劳效应的程度,验证产品整体强度及安装稳定性。为保障挂网避雷器不会发生脱落,应能通过该项试验检验。在受力振动方面,接触网可以看做是一个由多个振源相互叠加耦合的复杂振动系统,包括列车高速行驶产生的环境振动、接触网-受电弓系统振动和接触网风荷载振动等。为解决环境振动污染、弓网动态受流、导线风偏舞动等问题,国内外针对假定独立的子振动系统做了大量的研究[21,22,23,24,25,26],但对多振源复杂振动系统的研究则较少。避雷器安装位置受多种振动影响,准确提取振动特性尚不具备条件。现阶段,借鉴已有的规范标准来制定避雷器振动试验条件更具现实意义。中国铁路系统对夹固或接续接触线及承力索的零部件有振动试验检验要求,按照标准TB/T2073—2003《电气化铁道接触网零部件技术条件》和TB/T2074—2010《电气化铁道接触网零部试验方法》规定执行,规定的试验条件来自德国标准化学会和法国国营铁路公司有关标准,经过中国高速铁路系统近几年的运行实践检验,严格执行标准的零部件故障率较低,显示其具有较好的适应性。接触网防雷用避雷器中,以T线腕臂绝缘子用避雷器受到的振动干扰最为强烈,腕臂绝缘子通过铰链固定到支柱,刚性体对从承力索和接触线传播过来的振动波有一定的阻尼,振动幅值相比夹固承力索的零部件要小,参考上述标准规定,最终确定避雷器振动试验条件为:频率3~5Hz,振幅150~25mm,正弦波,沿绝缘子轴向和径向方向受力,各2uf0b4106次,试验后紧固件紧固力矩允许偏差不超过10%。试验委托铁道部产品质量监督检验中心接触网零部件检验站进行,试验布置如图11所示。试验前,U型抱箍4个M12普通紧固螺母(编号1#、2#、3#、4#)紧固力矩统一设定为44N·m,各自带弹垫、备母防松。试验后,避雷器各部件未出现破损、变形和松动,测量U型抱箍紧固螺母力矩的结果如表4所示,与