CN115312280A

CN115312280A - 一种带并联间隙耐老化复合型避雷器

Info

Publication number: CN115312280A
Application number: CN202211099266.7A
Authority: CN
Inventors: 田付强; 程逸飞; 陈竞溢
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2022-11-08

Abstract

本发明公开了一种动车组用带并联间隙耐老化复合型避雷器，其在原动车组用无间隙氧化锌避雷器的基础上加上间隙单元和与之并联的限流电阻单元；限流电阻单元中电阻片可为线性电阻或氧化锌电阻片，限流电阻在谐波过电压下的阻值为1～2MΩ，以限制谐波过电压下流过无间隙氧化锌避雷器上的泄漏电流。间隙单元等效电容值为1～5pF，以确保避雷器在操作过电压下有较低的截波电压和残压。本文设计的复合型避雷器满足在操作过电压为80～90kV时间隙单元和阀片顺次动作，截波过电压小于10kV，残压小于100kV；在2050Hz及以下的谐波电压工况下，对于50kV及以下谐波过电压，流过避雷器的阻性泄漏电流可限制在1mA以内。

Description

一种带并联间隙耐老化复合型避雷器

技术领域

本发明属于高压电气过电压保护领域，更涉及一种适用于短时操作过电压和长时谐振过电压及工频过电压工况的带并联间隙耐老化复合型避雷器。

背景技术

避雷器是重要的过电压保护设备，广泛应用于电力系统中各高压电气设备的过电压保护，它的作用是防止雷电过电压和多种操作过电压对设备带来损害。车顶避雷器是将避雷器应用于电气化铁道的电力机车上，一般安装在电力机车顶部，用于机车的过电压保护。目前机车使用的避雷器多为无间隙氧化锌避雷器，其具有对陡波响应速度快、抗污秽能力强、防爆性能与密封性能良好等诸多优点。

然而在运行过程中，无间隙氧化锌避雷器炸裂事故频繁发生，长时接触网谐波过电压作用是避雷器发生故障的主要原因之一。谐振过电压幅值较高、持续时间较长，会造成避雷器泄漏电流增加，使得避雷器内部产生大量热量，超过其耐热极限而发生热崩溃故障。因此，在保证避雷器对雷电过电压的防护功能条件下，抑制谐振过电压下流过避雷器的泄漏电流是领域技术人员亟待解决的技术问题。

因此，针对现有无间隙避雷器存在的问题，在原无间隙氧化锌避雷器的基础上添加限流电阻和与之并联的间隙等值电容单元，以此减少避雷器在谐波过电压下流过本体的泄漏电流，从而降低避雷器在谐波过电压下的温升避免发生热崩溃故障，对于提升避雷器在动车组及电力机车运行中的可靠性和安全性，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于减少高次谐波过电压下流过避雷器本体的泄漏电流，从而抑制避雷器在谐波过电压下的温升，进而降低避雷器发生热崩溃故障的概率，因此提出在原无间隙氧化锌避雷器的基础上加上间隙电容和限流电阻的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动车组用带并联间隙耐老化复合型避雷器，包括主体无间隙氧化锌避雷器单元、限流电阻单元与间隙单元；所述主体无间隙氧化锌避雷器单元与限流电阻单元直接相连；所述间隙单元与限流电阻单元为并联关系。

此结构的复合型避雷器，在谐振过电压与工频过电压等暂时过电压下间隙单元不发生击穿，此时与间隙单元并联的限流电阻和避雷器本体承担系统的工作电压，限流电阻与避雷器本体电阻片共同作用限制流过避雷器本体的泄漏电流；当复合型避雷器承受操作过电压或雷电过电压时，间隙发生击穿，此时限流电阻单元被短路，只有避雷器本体单元对电力设备发生保护，从而起到降低残压的作用。

所述限流电阻单元的设计可采用线性电阻或氧化锌电阻片：当限流电阻采用氧化锌电阻片时，氧化锌电阻片数为原动车组用无间隙避雷器总电阻片数的10％～20％之间；当限流电阻采用线性电阻时，通过仿真分析发现线性电阻阻值越大，间隙击穿的截波电压会越大，为了保证间隙击穿的截波电压不超过避雷器在操作冲击电压下的残压，线性限流电阻阻值不应过大，但为保证限流电阻在暂时过电压下能够起到有效的限流作用，其阻值也不宜过小。根据仿真计算结果发现，优选地，线性电阻阻值在1～2MΩ之间为最佳。

所述间隙单元的设计，满足电压为80～90kV左右时间隙单元和阀片顺次发生动作。为保证间隙无击穿分散性，间隙之间应为均匀电场或稍不均匀电场，基于均匀电场下空气的击穿场强为30kV/cm，以及间隙击穿电压经验公式

设计当限流电阻采取氧化锌电阻片时，间隙距离为0.4cm～0.6cm；当限流电阻采取线性限流电阻时，间隙距离为0.65cm～0.8cm。对于所述间隙单元的等值电容，通过仿真分析计算发现，间隙等值电容值会影响操作过电压工况下避雷器的截波电压和残压幅值。截波过电压幅值随间隙电容的减小而增大，而当间隙等值电容值过大时，易导致间隙分压过小而使得间隙不易击穿，同时电容过大也会使冲击电流流过线性电阻和阀片时产生较高残压鉴于此，优选地避雷器间隙等值电容取值应在1～5pF，以此保证谐波过电压下等值容抗为3～15MΩ，并且复合型避雷器在操作过电压工况下产生的截波过电压小于10kV。

所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，工频电压45kV以下的分压比稳定为5％；1050Hz单次谐波作用下，带间隙避雷器的间隙分压比稳定在46％左右；2050Hz单次谐波作用下，间隙分压比稳定在60％左右。同时，对于1050Hz与2050Hz的高频谐波，当谐波电压在25kV～50kV，流过避雷器本体的阻性泄漏电流可限制在1mA以内。

所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，在1050Hz高次谐波与2050Hz高次谐波下，对于60kV及以下的谐波过电压，避雷器的稳态温升可限制在60℃以内。优选地，当限流电阻采用1～2MΩ线性电阻时，限制避雷器温升的效果可以达到最佳。

附图说明

图1是带并联间隙耐老化复合型避雷器的结构示意图；

图2、图3、图4分别为带并联间隙耐老化复合型避雷器在工频电压、1050Hz谐波电压、2050Hz谐波电压下的分压特性仿真结果图；

图5、图6分别为无间隙避雷器与带并联间隙耐老化复合型避雷器，在1050Hz下和2050Hz下泄漏电流的仿真结果图；

图7、图8分别为避雷器在1050Hz和2050Hz谐波电压下的稳态温升仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

说明书附图1所示为该发明带间隙避雷器结构原理图，由主体无间隙氧化锌避雷器单元、限流电阻单元和间隙单元组成，正常电压及谐波谐振过电压为主的暂时过电压下间隙不导通，由主体无间隙氧化锌避雷器单元和限流电阻单元承受电压。

具体实施方式1：所述主体无间隙氧化锌避雷器单元采用温州益坤生产的型号为YH10WTG7A-42/105动车组用无间隙氧化锌避雷器；所述限流电阻单元中的限流电阻采用线性电阻；考虑到线性电阻阻值过小不能有效限制谐波过电压下流过主体避雷器单元的泄漏电流，线性电阻阻值过大则会使间隙动作时产生大幅值的截波过电压，通过仿真计算选择1.5MΩ的线性电阻。为避免间隙单元等值电容过大导致间隙分压小不击穿，同时避免间隙单元等值电容过小导致截波电压幅值增大，通过仿真计算设计间隙等值电容为1pF。结合电容取值，以及均匀电场空间间隙击穿电压经验公式

间隙距离设计为0.7cm。为保证间隙极板不均匀系数接近1，间隙极板采用板对板结构，极板设计为面积为4π的圆面。通过仿真验证发现，对于1050Hz～2050Hz的高次谐波，在60kV以下的谐波过电压下流过主体避雷器单元的阻性泄漏电流可限制在1mA以内，如说明书附图5、6所示；在50kV以下的谐波过电压下，避雷器的稳态温升可限制在60℃以内，如说明书附图7、8所示。

具体实施方式2：所述主体无间隙氧化锌避雷器单元采用温州益坤生产的型号为YH10WTG7A-42/105动车组用无间隙氧化锌避雷器；所述限流电阻单元中的限流电阻采用氧化锌电阻片；考虑到氧化锌电阻片数过少不能有效限制谐波过电压下流过主体避雷器单元的泄漏电流，而氧化锌电阻片数过多会使间隙动作时产生大幅值的截波过电压，，通过仿真计算选择氧化锌限流电阻片数为2片。为避免间隙单元等值电容过大导致间隙分压小不击穿，同时避免间隙单元等值电容过小导致截波电压幅值增大，通过仿真计算设计间隙等值电容为1pF。结合电容取值，以及均匀电场空间间隙击穿电压经验公式，间隙距离设计为0.7cm。为保证间隙极板不均匀系数接近1，间隙极板采用板对板结构，极板设计为面积为4π的圆面。优选地，为了更大程度限制操作过电压及雷电过电压下间隙动作时的截波过电压，氧化锌限流电阻片数取2片，此时通过仿真验证发现，对于1050Hz～2050Hz的高次谐波，在60kV以下的谐波过电压下流过主体避雷器单元的阻性泄漏电流可限制在1mA以内，如说明书附图5、6所示；在50kV以下的谐波过电压下，避雷器的稳态温升可限制在60℃以内，如说明书附图7、8所示。

以上所述仅为本发明较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应属本发明涵盖范围。

Claims

1.一种带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，该避雷器在原动车组用无间隙氧化锌避雷器的基础上加上限流电阻单元和与之并联的间隙单元；其中限流电阻的作用是，当避雷器承受工频过电压与谐振过电压等暂时过电压时，间隙不发生击穿，此时限流电阻与避雷器本体共同承受系统的工作电压，由于电流流过限流电阻和避雷器本体电阻片，因此避雷器本体上的泄漏电流会得到有效抑制；间隙单元的作用是，当避雷器承受操作过电压与雷电过电压时间隙发生击穿，这会使限流电阻部分发生短路，此时只有避雷器本体单元对电力设备发生保护，可以起到降低残压的作用。

2.根据权利要求1所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，限流电阻单元可采用线性电阻或氧化锌电阻片；当限流电阻采用线性电阻时，电阻阻值在1～2MΩ之间；当限流电阻采用氧化锌电阻片时，氧化锌电阻片数在原动车组用无间隙避雷器总电阻片数的10％～20％之间。

3.根据权利要求1所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，通过仿真分析发现，避雷器在操作过电压工况下的截波过电压幅值会随着间隙单元等值电容值的减小而增大；而间隙等值电容过大会导致间隙分压小而使得间隙不易击穿，冲击电流流过线性电阻和阀片会产生较高残压，因此间隙等值电容值不宜过大或过小；优选地，避雷器间隙等值电容取值在1～5pF为最佳，以此满足操作过电压工况下产生的截波过电压小于10kV，谐波过电压下间隙容抗值在3～15MΩ。

4.根据权利要求3所述的避雷器间隙单元，其特征是，当限流电阻采取氧化锌电阻片时，间隙距离为0.4cm～0.6cm；当限流电阻采取线性限流电阻时，间隙距离为0.65cm～0.8cm；优选地，间隙极板面积设计为4π～9π，以保证间隙等值电容满足取值要求。

5.根据权利要求1所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，优化设计的带间隙避雷器在工频电压45kV以下的间隙分压比稳定为5％；1050Hz单次谐波作用下，带间隙避雷器的间隙的分压比稳定在46％左右；2050Hz单次谐波作用下，间隙的分压比稳定在60％左右。

6.根据权利要求1所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，对于1050Hz与2050Hz的高频谐波，当谐波电压在25kV～50kV,流过避雷器本体的阻性泄漏电流可限制在1mA以内；优选地，当限流电阻采用线性电阻时，可获得比氧化锌电阻片更好的泄漏电流抑制效果。

7.根据权利要求1所述的带并联间隙耐老化复合型避雷器，其特征是，对于操作过电压，复合型避雷器上在电压为80～90kV左右时间隙单元和阀片顺次动作；对于谐波过电压，1050Hz谐波作用下电压为50kV左右时间隙单元和阀片顺次动作，2050Hz谐波作用下电压为36kV左右时间隙单元和阀片顺次动作。