暂态过电压防护-铁路论文.doc

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和设备造成损坏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UPSIEEE标准1100-1992中9.11.3指出：雷电和其它产生瞬态电压的现象，对大部分UPS设备和敏感的电气负载设备是有害的。因此，建议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。雷电是最为常见的自然现象，当对于各种设备来说，防雷器能够在最短的时间（纳秒级）内因雷击产生的大量脉冲能量泄放到大地将连入等电位系统中，起到保护作用。—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+U0，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此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内极大的压强而这时将会对配电系统造成严重影响 图3 图4 有的制造商把防雷器使用环氧化物封死，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。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 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-