暂态过电压防护-铁路论文

暂态过电压下防雷器的火灾安全

摘要：介绍了氧化锌防雷器在暂态过电压情况下的安全问题，探讨了供电系统产生暂态过电压的原因，提出了防雷保护器在暂态过电压的安全防护方法和建设性意见。

关键词：暂态过电压；浪涌过电压；浪涌电流；瞬时过电压；

上海铁路设计院余家华

根据资料报道，地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击放电。严重时，这类干扰和损坏可能导致整个系统工作瘫痪，由此带来的间接损失和连带损失，常常十分巨大，严重威胁铁路安全运行，防雷保护在高速铁路变电站、RTU控制、道机、信号等已成为列车安全运行的不可缺少的组成部分。避雷针（避雷带或避雷网）虽然能够保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故，但它却无法防止雷电产生的巨大磁场和通过电源线的传导雷电浪涌对设备造成的损坏，必须配合浪涌保护器与接地技术、等电位技术才能构成完整的防雷系统。

在铁路大量使用的UPS和EPS中，有些带有低能的电涌抑制器。这种内置的低能电涌抑制器只能用来保护和UPS或EPS 相连的负载免受数量有限的弱电涌的袭击，不能作为专门的解决电涌问题的方案。IEEE标准1100-1992中9.11.3章节指出：雷电和其它产生瞬态电压的现象，对大部分UPS和EPS设备和敏感的电气负载设备是有害的。因此，建议在UPS和EPS的输入系统和辅助的旁路系统（包括人工保养的旁路系统）加装有效的电涌防护装置。

雷电是最为常见的一种自然现象，当风雨交加、电闪雷鸣的时候，对于各种控制设备来说，浪涌保护器（以下简称防雷器）能够在最短的时间（纳秒级）内把因雷击产生的大量脉冲能量泄放到大地，将设备连入等电位系统中，起到保护作用。防雷保护器的大量使用也带来了新的安全问题—火灾事故：1996年发生在江西铁路某地防雷器火灾事故，造成100多万元的设备损坏，近年来2004年3月某防雷公司产品在内蒙通讯电源设备发生火灾；2004年4月某防雷公司产品在内蒙风力发电设备发生火灾；这些问题已经对铁路的安全运行产生了影响，笔者根据多年的防雷设计和事故跟踪，以及实验室模拟的现场环境试验认为：必须保障防雷器本身具有不起火的特征，才能减少或根除这种事故隐患，保障铁路安全运行完全。

防雷保护器由电压限制性和电压开关型组合3+1或3+N安装模式，电压限制性防雷器主要由氧化锌压敏电阻构成，他具有响应时间快、成本低廉、通流能力强的优点。电压开关型主要由间隙放电器构成，他具有通流能力强、不易劣化的优点。，下面分析两种类型的防雷保护器在实际使用中出现火灾事故的原因及防范手段。

一、氧化锌压敏电阻防雷器

压敏电阻是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件，压敏电阻器的钳位伏安特性，是由它的内部微观结构所产生的。陶瓷体是由许多粒径为几微米到几十微米的ZnO晶粒构成的集合体，多个晶粒的交汇处有在高温烧成中形成的多种绝缘化合物。这种结构可用下图的模型来表示：

MOV 的这种结构具有以下特性：

1、ZnO 晶粒尺寸越大，每个单元的热容量就越大，承受功率和能量的能力就越大。

2、MOV 内部晶粒的“匀质化”程度越高，晶粒的几何尺寸，形状、化学成分和物理特性的一致性越好，“健全的”单元数就越多，电流在电阻体内的分布就越均匀,承受电流、功率和能量的能力就越大。在发生暂态过电压时，呈现出安全的模式。图1是这种方片在暂态10A 电流下呈现的安全状态。图2是这种方片晶粒的“匀质化”程度不好，晶粒的几何尺寸，形状、化学成分和物理特性的一致性差，在暂态10A 电流下呈现的不安全状态。

图1 图2

电源系统发生暂态过电压是随机的，电压高低具有不确定性。铁磁谐振暂态过电压是铁路电力系统常见的现象之一，机车的高速运动，引起线路参数发生变化，在一定条件下谐振便发生。已经记录到的27.5kV 系统谐振时间长达几分钟。另外更加危险的是电源系统高压侧单相接地短路故障，在变压器低压侧地线与相线之间将产生一个应力电压（IEC60364-4-442），该应力电压作用在地线与中性线之间为1200V ，作用在地线与相线之间为1200V+U 0，该应力电压称为暂态过电压（TOV ）故障（见图3）。暂态过电压幅值高，流入电阻体的电流在薄弱点处产生极高的温升而熔化，形成1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点。熔穿的短路点向外喷出高温的火焰，此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内形成极大的压强而燃爆，这时将会对配电系统造成严重影响，1996年江西某站的防雷器火灾事故，造成100多万元的设备损坏是非常典型的案例。我们对国内外多种品牌防雷器，进行了实验室模拟高压侧单相接地短路故障（简称TOV 故障，试验电压1200V+U 0=1420V ，短路电流300A ，时间0.2秒，）试验，证明了理论推断的正确，试验结果见图4。

图3 图4

有的制造商把防雷器使用环氧化物封死，殊不知暂态过电压发生时，炸裂产生的炙热气体没有空间释放，内部的多个故障元件只有同密封的环氧化物一起炸裂才能完成释放，这种崩溃性的释放所造成的后果

不堪设想。还有的产品内部采用填充弹性胶体隔离：用弹性胶体填充内部约80%的空间，计划能在保护器遭受恶性冲击的时候，可靠地消除故障元件砸裂时的冲击力，消除砸裂时产生的火弧，能够让炙热气体低烈度释放并迅速降温，事实上并非如此--在暂态过电压试验台上基本上都是模块盒爆炸，火光四溅，非常危险！

我国35kV以下供电系统发生单相接地短路故障可以持续运行2小时，防雷器必须具有在这种情况下的安全性能才能保证不发生火灾事故。要达到这样的安全要求，①防雷器必须具备防爆能力。在氧化锌模块周围形成一个防爆腔，将主要部件与外部部件隔离，将瞬时扩大的压力与高热限制在一个较小的局部范围，作为疏导缓冲区或者限压控制区。②具有压力释放通道，使迅速膨胀的高温气体向周围释放或被吸收，不对周围产生灾害性的影响。③快速脱扣机构，使用高品质的氧化锌压敏电阻，在安全脱口上具有最重要意义！具备这样性能的防雷器我国已能够制造，在实验室模拟高压侧单相接地短路故障试验看到：具有不爆炸、不起火、安全脱扣的性能防雷器，已能够满足铁路安全第一的防雷需要，见图5。

图5

二、间隙放电型防雷器

间隙型防雷器具有通流能量大、无漏电流的优点，常见的结构类型有羊角间隙和气体放电管，在GB18802.1-2002/IEC61643-1：1998一级加载试验中，以动作电压作为保护限制电压，放电开始后的电弧电压为后续限制电压，弧电压只有20～30V，电源电压在正负半周高于电弧电压时，迅速流过放电器（称为续流），推动电弧增大。典型电压动作曲线见图6。电弧放电开始后，弧隙间充满了电子和正离子，高温高导电率的游离气体形成自由电弧，弧柱部分温度最高(电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上)，在交流电半个周波结束时，负半周电压迅速上升，弧隙内的高温气体在快速上升电压的作用下，迅速重燃导致电弧持续燃烧，发生重燃过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。如果每次重燃的能量级别能比上一次低，那么重燃电弧就有熄灭的可能。否则重燃电弧将持续下去。变压器的功率大，短路电流具有很强的破坏力，一旦发生这样的问题，轻则造成防雷器损坏，重则造成变压器损坏，这是电气间隙防雷器不能在L-PE线保护的原因，2009年7月、8月、9月，我国内蒙某风力发电站使用的国外著名品牌防雷器发生多起工频续流火灾事故，就是典型的案例，也是防雷界亟待解决的问题。