不同運(yùn)行里程動(dòng)車(chē)組車(chē)載避雷器性能研究

梁 爽， 王曉明， 張啟哲， 王勝輝， 董興浩， 律方成

(1. 中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2. 華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引 言

我國(guó)高速鐵路網(wǎng)分布區(qū)域廣，線路較長(zhǎng)，長(zhǎng)隧道和高架橋占全線比例較大，接觸網(wǎng)架設(shè)高度高，對(duì)雷電先導(dǎo)的吸引作用很強(qiáng)。由于牽引供電系統(tǒng)電壓較低，一般不沿鐵路全線架設(shè)避雷線，因此高速鐵路接觸網(wǎng)遭受雷擊概率比普通鐵路高[1-3]。列車(chē)在升降受電弓、過(guò)分相、短路故障等工況中，牽引供電回路中的電感、電容等儲(chǔ)能元件在主斷路器打開(kāi)或者閉合時(shí)，存儲(chǔ)在電感中的能量以電能的形式轉(zhuǎn)移到電容中，形成操作過(guò)電壓，會(huì)對(duì)避雷器造成沖擊，影響避雷器的使用壽命[4-6]。此外，過(guò)分相過(guò)電壓也是造成避雷器故障的重要原因[7-9]。

車(chē)載避雷器作為鐵路系統(tǒng)的重要保護(hù)器，利用閥片良好的非線性伏安特性可以在短時(shí)間內(nèi)限制過(guò)電壓[10]。當(dāng)施加在避雷器兩端的電壓差超過(guò)其額定工作電壓時(shí)，非線性電阻值迅速降低，將電能導(dǎo)至大地，避免動(dòng)車(chē)組車(chē)載設(shè)備受損。目前采用的車(chē)載氧化鋅避雷器大多不帶間隙[11]，在工作電壓的作用下，會(huì)有持續(xù)的泄漏電流流過(guò)閥片，導(dǎo)致避雷器的溫度升高，再加上長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受到的過(guò)分相過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓沖擊、惡劣天氣環(huán)境和列車(chē)振動(dòng)等因素的聯(lián)合作用，可能造成避雷器受潮劣化，危害列車(chē)的安全平穩(wěn)運(yùn)行[12-14]。因此，為保證高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)的安全可靠運(yùn)行，需要及時(shí)掌握車(chē)載避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。研究車(chē)載避雷器性能衰退與運(yùn)行里程的關(guān)系，對(duì)動(dòng)車(chē)組列車(chē)的運(yùn)行維護(hù)具有參考價(jià)值。

目前對(duì)于氧化鋅避雷器的例行性能檢測(cè)手段，主要包括絕緣電阻測(cè)試、直流參考電壓測(cè)試、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流測(cè)試以及工頻參考電壓測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)目。

為了研究運(yùn)行里程對(duì)避雷器性能衰退的影響，本文選取了新品、240萬(wàn)公里（1公里=1 km）和480萬(wàn)公里三種運(yùn)行里程，共9只避雷器試品開(kāi)展了絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流和工頻參考電壓測(cè)試，獲得了避雷器的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，為避雷器老化狀態(tài)研究提供參考。

1 試驗(yàn)方法

本文研究的避雷器型號(hào)為PGLS-42R，由日本音羽電機(jī)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，安裝于CRH2系列動(dòng)車(chē)組，額定電壓42 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓33 kV。避雷器試品如圖1所示。

圖1 車(chē)載避雷器

1.1 絕緣電阻測(cè)試

使用UT502A型絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)避雷器進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。測(cè)試儀額定電壓2500 V，測(cè)量范圍0.00 MΩ～20.0 GΩ。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖2所示。

圖2 絕緣電阻測(cè)量

1.2 直流電壓試驗(yàn)

選用東文高壓電源公司的DW-P104-2ACF2型直流高壓電源，輸出電壓范圍0～100 kV，時(shí)漂精度0.1%/h，溫漂精度0.1/℃。對(duì)避雷器施加直流高壓，逐步升壓至流經(jīng)避雷器電流達(dá)到1 mA，記錄避雷器的直流參考電壓。由于直流電源產(chǎn)生的電壓波形具有高頻分量，可能對(duì)避雷器的直流電壓試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，通過(guò)電容器對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波，電容器額定容量為 0.2 μF，額定電壓100 kV。采用直流微安表測(cè)量避雷器在0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流。試驗(yàn)回路示意圖如圖3所示。

圖3 直流試驗(yàn)回路示意圖

1.3 工頻電壓試驗(yàn)

選用江都華宇高壓電氣有限公司的YDTW-10/110型工頻試驗(yàn)變壓器，高壓側(cè)額定電壓110 kV，額定容量 10 kVA，電容分壓器變比為 1000∶1。采用泛華儀器設(shè)備有限公司的AI-6103型氧化鋅避雷器帶電測(cè)試儀，測(cè)量避雷器的泄漏電流。對(duì)避雷器施加工頻電壓，當(dāng)阻性電流達(dá)到1 mA時(shí)，記錄避雷器高壓端電壓作為避雷器的工頻參考電壓。工頻試驗(yàn)回路如圖4所示。

圖4 工頻試驗(yàn)回路示意圖

2 不同運(yùn)行里程避雷器性能分析

2.1 絕緣電阻測(cè)試

9只避雷器的試品信息及絕緣電阻測(cè)試結(jié)果如表1所示，有480萬(wàn)公里和240萬(wàn)公里試品各4只，新品避雷器1只。各避雷器表面清潔，金具未見(jiàn)明顯銹蝕點(diǎn)，傘裙和護(hù)套表面狀態(tài)良好。所有避雷器試品的絕緣電阻均大于22 GΩ，絕緣性能良好。

表1 避雷器絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

2.2 加壓時(shí)間對(duì)避雷器直流參考電壓的影響

避雷器閥片的溫度會(huì)顯著影響其非線性特性[10]。避雷器在通過(guò)1 mA電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，導(dǎo)致閥片溫度持續(xù)升高。為研究加壓時(shí)間對(duì)直流參考電壓的影響，制定適合的直流測(cè)試加壓流程，對(duì)避雷器施加直流高壓，維持電流1 mA，持續(xù)90 min，然后切斷電源，等待避雷器溫度恢復(fù)，每隔5 min重新測(cè)試直流參考電壓，并記錄避雷器直流參考電壓和表面溫度的變化情況。避雷器表面溫度采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量，測(cè)溫儀與避雷器的距離為5 m。避雷器試品運(yùn)行里程480萬(wàn)公里，其直流參考電壓、傘套表面溫度隨加壓時(shí)間的變化情況如圖5所示。

圖5 直流參考電壓、溫度隨加壓時(shí)間變化

由圖5可見(jiàn)，在加壓階段，直流參考電壓隨加壓時(shí)間基本呈線性降低的趨勢(shì)，表面溫度隨加壓時(shí)間基本呈線性升高趨勢(shì)。加壓至90 min時(shí)，避雷器的表面溫度升高了13 ℃，直流參考電壓降低了3.2 kV。在斷電后，隨著避雷器表面溫度的逐漸降低，直流參考電壓也隨之恢復(fù)。

避雷器溫度是影響直流參考電壓的重要因素，而1 mA電流會(huì)導(dǎo)致避雷器出現(xiàn)明顯的溫度升高。因此有必要形成規(guī)范的直流試驗(yàn)加壓流程。制定的加壓流程為：以3 kV/s的升壓速率將電壓升至45 kV，然后以 1 kV/s的升壓速率升壓至 55 kV，以 0.2 kV/s的升壓速率升壓至電流達(dá)到1 mA，立即記錄直流參考電壓。按上述程序?qū)?只避雷器開(kāi)展直流參考電壓測(cè)試。

2.3 不同運(yùn)行里程避雷器直流參考電壓測(cè)試

分別在25 ℃和30 ℃的環(huán)境溫度條件下測(cè)試了避雷器的直流參考電壓，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境溫度下的直流參考電壓

由圖6可知，避雷器的直流參考電壓受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越高，直流參考電壓越低，說(shuō)明避雷器在小電流區(qū)具有明顯的負(fù)電阻溫度系數(shù)。避雷器的直流參考電壓存在個(gè)體差異，與生產(chǎn)批次緊密相關(guān)。同一批次的產(chǎn)品直流參考電壓相近。有6只避雷器試品標(biāo)注了直流參考電壓的出廠測(cè)試值，將出廠值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 出廠直流參考電壓對(duì)比

由表2可見(jiàn)，服役后的避雷器直流參考電壓相比出廠值略有下降。隨著運(yùn)行里程的增加，避雷器直流參考電壓會(huì)逐漸降低。運(yùn)行里程為480萬(wàn)公里的4只避雷器直流參考電壓實(shí)測(cè)值與出廠值的變化率明顯高于運(yùn)行里程為240萬(wàn)公里的2只避雷器。

2.4 0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流測(cè)試

在30℃的環(huán)境溫度下，對(duì)避雷器開(kāi)展0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 0.75倍直流參考電壓下泄漏電流

由圖7可見(jiàn)，9只避雷器的0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流最小值為14.5 μA，泄漏電流最大值為21.5 μA，均符合國(guó)標(biāo)中0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流不應(yīng)大于50 μA的要求。

2.5 工頻參考電壓測(cè)試

對(duì)避雷器施加工頻電壓，當(dāng)避雷器帶電測(cè)試儀測(cè)得的阻性電流達(dá)到1 mA時(shí)，記錄避雷器的工頻參考電壓，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 工頻參考電壓

由圖8可知，工頻參考電壓最低值為44.53 kV，最高值為47.01 kV。均符合國(guó)標(biāo)中，工頻參考電壓應(yīng)大于42 kV的要求。

由于工頻試驗(yàn)電源調(diào)壓步長(zhǎng)有限，實(shí)際流過(guò)避雷器的工頻參考電流在1 mA左右略有波動(dòng)。工頻參考電壓測(cè)試時(shí)流過(guò)各避雷器的阻性電流（工頻參考電流）如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，工頻參考電流實(shí)測(cè)值在0.992～1.016 mA之間波動(dòng)。在此電流區(qū)間，避雷器兩端電壓隨著電流變化而急劇變動(dòng)，為了消除工頻參考電流波動(dòng)對(duì)工頻參考電壓測(cè)試的影響，將電壓有效值與阻性電流有效值的比值定義為工頻等效電阻，避雷器的工頻等效電阻計(jì)算值如圖10所示。

圖9 工頻參考電流

圖10 工頻等效電阻

由圖10可見(jiàn)，工頻等效電阻受避雷器生產(chǎn)批次影響較大，與運(yùn)行里程沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)480萬(wàn)公里、240萬(wàn)公里和0公里三個(gè)運(yùn)行里程，共9只避雷器開(kāi)展了試驗(yàn)研究。測(cè)試了避雷器的絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流和工頻參考電壓。通過(guò)本文的研究，可以得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)避雷器通過(guò)1 mA電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，導(dǎo)致避雷器出現(xiàn)明顯的溫度升高。因此需要制定避雷器電氣試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)流程，以便于長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)避雷器的性能變化。

2）環(huán)境溫度會(huì)對(duì)避雷器的直流參考電壓測(cè)試產(chǎn)生顯著的影響。由于避雷器在小電流區(qū)具有負(fù)電阻溫度系數(shù)，環(huán)境溫度越高，測(cè)得的直流參考電壓越低。有必要開(kāi)展直流參考電壓測(cè)試的溫度校正研究，為避雷器的例行試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)提供參考。

3）動(dòng)車(chē)組柜式車(chē)載避雷器的絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流和工頻參考電壓與避雷器生產(chǎn)批次關(guān)系緊密，隨運(yùn)行里程的變化關(guān)系不明顯。運(yùn)行至480萬(wàn)公里的避雷器仍然具有良好的非線性特性，能夠可靠保護(hù)車(chē)載設(shè)備。直流參考電壓可能隨著運(yùn)行里程逐漸降低，其作為避雷器老化特征量的可行性有待進(jìn)一步研究。