柜式車載避雷器長期服役可靠性試驗研究

張海軍，賈步超，董興浩，張啟哲，王勝輝，律方成

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

0 引 言

截至2020年底，中國高速鐵路的總里程已超過3.79萬公里，是全球高速鐵路運營里程最長的國家。高速列車車載避雷器作為鐵路系統(tǒng)中主要保護元件，其閥片具有良好的非線性特性[1-2]，在遭受操作過電壓和雷電過電壓時，能夠快速動作防止被保護設(shè)備損壞，因而被廣泛應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)當中，是動車組長期安全可靠運行的有力保障[3-5]。

但近年來我國高鐵車載避雷器發(fā)生了多起事故，如2020年3月19日11沈北所D9-D25道、D30-37道接觸網(wǎng)跳閘，庫內(nèi)對D36道1列位 CRH5A-5003動車組檢查發(fā)現(xiàn)，500303車主斷旁的避雷器炸裂。車載氧化鋅避雷器大多不帶間隙[6-7]，氧化鋅壓敏電阻長期承受工頻電壓，運行期間總有電流流過閥片，另外列車運行過程中避雷器長期受到頻繁的振動、雨雪惡劣天氣和過分相過電壓和雷電過電壓沖擊等因素作用[7-8]，造成加速閥片老化，對列車避雷器的安全運行帶來較大影響[9]。另一方面，避雷器的密封性能不可靠會造成內(nèi)部閥片受潮，潮氣的侵入使泄漏電流增大，其工頻電壓耐受能力相應(yīng)下降，在不高的過電壓甚至正常工頻電壓下就會發(fā)生擊穿[10-11]，嚴重情況下會導(dǎo)致避雷器發(fā)生炸裂。為此，國內(nèi)外學(xué)者對車載避雷器可靠性進行了多方面的研究。文獻[12]針對服役年限較長的避雷器，對其泄漏電流波形進行了去噪處理，研究表明可以從泄漏電流的幅值和波形判斷區(qū)別老化避雷器與正常避雷器；文獻[13]研究了交流MOV在各區(qū)段不同溫度下的伏安特性變化及能量溫升特性，研究發(fā)現(xiàn)交流MOV在小電流區(qū)段呈現(xiàn)明顯的負電壓溫度系數(shù)，且電流值越小，負溫度系數(shù)絕對值越大；Neto[14]等人基于熱成像，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析熱剖面來區(qū)分不同服役年限的避雷器，并對避雷器故障進行了分類；Lathti[15]等通過研究發(fā)現(xiàn)避雷器的直流參考電壓與泄漏電流能靈敏反映避雷器的受潮情況，但局部放電參數(shù)和阻性電流的三次諧波對避雷器密封受潮情況反應(yīng)不靈敏；Karawita[16]等通過研究發(fā)現(xiàn)阻性電流基波可作為避雷器老化的診斷指標，且該電流指標與避雷器內(nèi)部溫度的差異無關(guān)，為評估避雷器可靠性提供了有效手段。

基于上述研究現(xiàn)狀可知，目前國內(nèi)外學(xué)者對柜式車載避雷器的可靠性試驗研究相對較少。為研究得到避雷器性能與高鐵運行里程的關(guān)系，以保證高速動車組列車安全運行，本文選取了國內(nèi)某知名動車組生產(chǎn)廠家現(xiàn)場運行了不同年限的9只柜式車載避雷器為研究對象，因本文主要研究避雷器長期服役可靠性，故選取次輪五級修（480萬公里）4只，首輪五級修（240萬公里）4只以及新品避雷器1只開展了電氣性能測試和密封性能測試，對避雷器進行解體檢查，并對閥片開展電氣性能測試。通過相關(guān)研究，可為車載避雷器的長期服役可靠性評估和維修周期提供一定的試驗依據(jù)。

1 避雷器電氣性能測試

試驗用9只避雷器銘牌信息如表1所示。

表1 試品避雷器

測試避雷器型號為PGLS-42R，高487 mm，中間傘裙部分直徑為78 mm，底座寬度為350 mm。安裝于CRH380A型動車組，其額定電壓為42 kV，持續(xù)運行電壓為33 kV。測試時環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境相對濕度為30%。

1.1 直流參考電壓測試

直流參考電壓是反映避雷器老化程度的重要指標，本試驗采用的直流高壓電源型號為DW-P104-2ACF2，輸出電壓范圍 0～100 kV，時漂誤差±0.1%/h，溫漂誤差±0.1/℃。對避雷器施加直流高壓，逐步升壓至流經(jīng)避雷器電流達到1 mA，記錄避雷器的直流參考電壓。直流參考電壓試驗回路如圖1所示。

圖1 直流參考電壓試驗回路示意圖

不同運行里程下的車載避雷器直流參考電壓如圖2所示。

圖2 避雷器直流參考電壓

由圖2可以看出，所有避雷器直流參考電壓均大于60 kV，符合標準不小于58 kV的要求，這表明避雷器性能依然良好。

1.2 0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流測試

避雷器0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流是反映避雷器老化程度的另一項重要指標。在避雷器直流參考電壓測試完成后，采用微安表測量避雷器在0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流值，試驗回路見圖1。不同運行里程下的車載避雷器0.7倍直流參考電壓下泄漏電流如圖3所示。

圖3 避雷器0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流

由圖3看出，所有避雷器試品在0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流均遠小于50 μA，這表明避雷器性能依然良好。

2 避雷器密封性能試驗

2.1 避雷器密封性能測試

本文采用了浸泡加熱法來進行避雷器密封性能試驗，試驗裝置整體為圓柱體狀，底部直徑60 cm，高60 cm。試驗時浸泡時間大于60 min，水溫高于試驗環(huán)境溫度（45±5） ℃。浸泡結(jié)束后取出避雷器待完全冷卻至室溫，進行電氣性能試驗。密封性能測試如圖4所示。

圖4 密封性能試驗圖

密封性能試驗時環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境相對濕度為30%。按照JB/T 7618—2011《避雷器密封試驗標準》中對密封性能標準要求進行測試，相關(guān)規(guī)程要求具體如圖5所示。

圖5 密封試驗標準要求

按照上述方法對9只避雷器進行密封性能試驗，試驗發(fā)現(xiàn)密封試驗起始階段（避雷器剛放入容器中）不時會有連續(xù)小氣泡從底座螺母處以及高壓端冒出，偶爾會有較大氣泡從高壓端傘裙處冒出，冒泡現(xiàn)象持續(xù)時間大約為2 min，當密封試驗進行到2 min以后，無氣泡冒出現(xiàn)象，密封試驗現(xiàn)象如圖6所示。在完成避雷器密封性能試驗后，選取運行至480萬公里、240萬公里及新品避雷器各一只進行解體檢查，解體典型圖如圖7所示。

圖6 避雷器密封性能試驗圖

圖7 避雷器解體典型圖

對圖6所示現(xiàn)象，其原因本文解釋如下：在密封試驗的起始階段，因螺母處存在大量空氣，會導(dǎo)致有小氣泡以及小氣泡融合形成的較大氣泡冒出，當空氣隨著氣泡排出后，便沒有再發(fā)現(xiàn)氣泡冒出的現(xiàn)象。結(jié)合解體后的照片（圖7）可以看出，解體后的避雷器內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，各部件以及閥片均完好，由此可以得出，并不是因為避雷器氣密性降低而產(chǎn)生的氣泡。

在經(jīng)過60 min的“水煮”試驗后，將避雷器放在室內(nèi)靜置一段時間，待其完全冷卻至室溫后，對其電氣性能進行測試。

2.2 密封試驗后的直流參考電壓測試

待密封試驗結(jié)束后，將避雷器完全冷卻至室溫，本文對避雷器的直流參考電壓進行了測試，測試時環(huán)境溫度為22 ℃，環(huán)境相對濕度為29%。并與密封試驗前的直流參考電壓數(shù)據(jù)進行了比對，分析不同運行里程下避雷器的直流參考電壓在密封性能試驗前后的性能變化規(guī)律。密封試驗前后的直流參考電壓的變化曲線如圖8所示。

圖8 密封試驗前后的直流參考電壓

分析圖8可知，密封試驗后避雷器的直流參考電壓相比密封試驗前均有所下降，這是因為兩次測試時環(huán)境溫度的不同以及測量產(chǎn)生的誤差。而且直流參考電壓下降的整體趨勢較為一致，并沒有出現(xiàn)明顯的電壓突變情況，這說明避雷器電氣性能穩(wěn)定，9只避雷器的密封性能良好，依然可以繼續(xù)穩(wěn)定可靠地運行。

作為衡量密封試驗后性能是否合格的指標之一，本文對直流1 mA參考電壓在密封試驗前后變化率進行了計算分析。直流參考電壓在密封試驗前后的變化率如表2所示。

表2 直流參考電壓在密封試驗前后變化率

分析表2可知，直流參考電壓試驗前后變化率最大為0.59%，最小為0.37%，所有避雷器的直流參考電壓在密封試驗前后變化率均遠小于密封試驗標準要求的5%，這進一步說明了這些避雷器密封性能良好，并沒有出現(xiàn)密封性能劣化的情況。

2.3 密封試驗后的0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流測試

0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流是反映避雷器老化程度的另一項重要指標。測試時環(huán)境溫度為22 ℃，環(huán)境相對濕度為29%。避雷器密封試驗前后的0.75倍直流參考電壓下泄漏電流變化曲線如圖9所示。

圖9 避雷器密封試驗前后0.75倍直流參考電壓下泄漏電流

由圖9可見，0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流試驗前后的細微的變化也是因為兩次測試時環(huán)境溫度的不同以及測量產(chǎn)生的誤差。

作為衡量密封試驗后性能是否合格的指標之一，本文對0.75倍直流參考電壓下泄漏電流在密封試驗前后變化量進行了處理，具體如表3所示。分析可知，0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流在密封試驗前后變化量最高為 3.9 μA，最低為 1.7 μA，所有泄漏電流變化量均遠遠小于密封試驗標準要求的20 μA，說明避雷器依然具有良好的密封性能。

表3 泄漏電流在密封試驗前后變化量

3 閥片性能測試

氧化鋅閥片的性能變化是避雷器性能變化的最直接體現(xiàn)，本文在避雷器解體結(jié)束后，對氧化鋅閥片進行了直流參考電壓和0.75倍該電壓下的泄漏電流測試，測試接線見圖10。

圖10 閥片直流參考電壓及0.75倍該電壓下的泄漏電流測試接線

閥片測試時環(huán)境溫度為22 ℃，環(huán)境相對濕度為31%。運行至480萬公里、240萬公里及新品避雷器的直流參考電壓如圖11所示。

圖11 閥片直流參考電壓

由圖11可以看出，新品避雷器閥片的直流參考電壓明顯要比運行至480萬公里以及240萬公里避雷器閥片的直流參考電壓高；運行至240萬公里的避雷器閥片的直流參考電壓整體上要比運行至480萬公里的避雷器閥片的直流參考電壓高，這說明隨著運行里程的增加，閥片的直流參考電壓會下降，閥片性能也在衰減，但從整體上來說，運行至480萬公里避雷器閥片的直流參考電壓與新品避雷器相比只降低了3%左右，閥片未發(fā)生劣化，性能穩(wěn)定，依舊可以穩(wěn)定服役。

運行至480萬公里、240萬公里及新品避雷器的0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流如圖12所示。

圖12 閥片0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流

由圖12可以看出，與閥片直流參考電壓類似，隨著運行里程的增加，閥片0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流會逐漸升高，但從整體上來看，運行至480萬公里避雷器閥片的0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流與新品避雷器相比只升高10 μA左右，與標準要求0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流小于等于50 μA相比，仍有很大裕度，閥片性能穩(wěn)定，可以穩(wěn)定服役。

綜上可知，運行至480萬公里及240萬公里避雷器的直流參考電壓以及0.75倍該電壓下的泄漏電流滿足標準要求，性能依然良好，仍然能夠可靠服役，但在工程實際檢修中，仍然需要制定合理的避雷器檢修周期，評估閥片性能狀態(tài)，對保證高速動車組列車安全穩(wěn)定地運行具有重要意義。

4 結(jié)束語

本文選取了運行里程為480萬公里、240萬公里和新品避雷器共9只，進行了長期服役可靠性試驗研究，得到以下結(jié)論：

1）在避雷器電氣性能測試中，直流參考電壓均大于58 kV，0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流均小于50 μA，符合標準要求，避雷器的性能良好。

2）密封試驗前后電氣參數(shù)變化率很小，直流參考電壓在密封試驗前后變化率遠小于標準中要求的5%；0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流在密封試驗前后變化量小于標準中要求的20 μA，避雷器密封性能依然良好。

3）避雷器的直流參考電壓及0.75倍該電壓下的泄漏電流均能很好地反映避雷器的性能狀態(tài)，在可靠性試驗研究中可把這兩項作為避雷器老化劣化的判斷標準。

4）隨著運行里程的增加，閥片的直流參考電壓會逐漸降低，0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流會逐漸升高。運行至480萬公里避雷器閥片直流參考電壓與新品避雷器相比降低了3%左右，運行至480萬公里避雷器閥片的0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流與新品避雷器相比升高了10 μA左右，閥片未發(fā)生劣化，性能穩(wěn)定，可以繼續(xù)可靠服役。