金属氧化物避雷器对牵引网谐波过电压的响应分析

柳明宇



金属氧化物避雷器对牵引网谐波过电压的响应分析

柳明宇

电气化铁路牵引网谐波过电压可以达到很高数值。以实测的牵引母线电压为数据源，仿真分析变电所避雷器和机车避雷器在该过电压激励下的电流响应和热量累积效应，以采取相应措施有效避免避雷器故障，保障供电设备运行安全。

谐波过电压；金属氧化物避雷器；电流响应；热量积累

0 引言

电力机车是非线性负荷，不同的机车类型以及机车在启动、加速、牵引、制动等不同工况下运行时机车取流大小不断变化，机车电流中的各次谐波含量也随之变化。每台电力机车可视为一个移动的、量值不断变化的谐波电流源[1]，供电臂上多个谐波电流源同时向牵引网注入谐波电流，使牵引网中含有复杂的谐波，谐波的频率和大小时刻变化，表现出明显的随机波动性和稳态奇次性[2]，从而引起牵引网谐波过电压。某煤炭运输重载铁路线路开通运营后频繁发生机车避雷器爆炸事故，造成牵引变电所馈线跳闸和行车中断，严重影响正常的铁路运输秩序。有牵引负荷时，牵引变电所馈线出口处避雷器泄漏电流在线监测仪指针急剧摆动，摆动幅度超过监测仪30 mA的最大刻度，且在指针摆动的同时电气设备伴随着变化的谐波噪声。因此，对避雷器在谐波过电压作用下的响应进行分析，对预防类似事故具有重要意义。

1 避雷器的伏安特性

电气化铁路牵引供电系统普遍采用交流无间隙金属氧化物避雷器（Metal-Oxide Surge Arrester，MOA）限制系统过电压。MOA由非线性金属氧化物电阻片串联组成，且无放电间隙，具有理想的非线性伏安特性和快速响应速度[3，4]，在正常工频电压下呈现高电阻，仅有微小的泄漏电流通过。当承受的过电压达到一定程度时，MOA呈现低电阻并且所表现出的电阻值随着电压非线性变化，电压的微小变化将会引起电流几个数量级的变化，从而迅速限制避雷器端子间的过电压，防止与其并联的设备承受过高的电压而损坏。

MOA的伏安特性表达式为

式中，为MOA端电压；为通过MOA的电流；ref为避雷器的参考保护电压；ref为避雷器参考电流，取决于避雷器的标称放电电流；为MOA的特性常数，由避雷器生产厂家在烧制非线性金属氧化物电阻片时所采用的金属氧化物材料配比以及电阻片的尺寸决定；为MOA的非线性系数。在不同的传导区域MOA的值和值也不相同，通常近似将MOA的伏安特性分为3段拟合曲线，各传导区域典型的伏安特性常数如表1所示。

表1 避雷器伏安特性常数

值和值决定了MOA伏安特性曲线的大致形状，对于不同电压等级和保护水平的避雷器，伏安特性的确切数学关系由避雷器的参考保护电压ref和参考电流ref确定。当避雷器通过电流为参考电流时，端子间的最大电压峰值即为参考保护电压，标称放电电流为5和10 kA的电气化铁路用避雷器操作冲击电流值（峰值）均为500 A，即避雷器参考电流ref取操作冲击电流500 A时，对应的操作冲击残压即为参考保护电压ref[5]。由于参考电流足够大，杂散电容对避雷器参考电压的影响可以忽略。

某重载铁路线路牵引变电所和机车使用的金属氧化物避雷器主要参数如表2所示。

表2 金属氧化物避雷器主要参数

参考电流ref取500 A，牵引变电所避雷器和机车避雷器的参考保护电压ref分别为98和86 kV，根据式（1）确定的电压和电流函数关系，可以分别得出变电所避雷器和机车避雷器的伏安特性曲线如图1和图2所示。

图1 变电所避雷器的伏安特性曲线

图2 机车避雷器的伏安特性曲线

对比图1和图2可以发现，通过相同电流时，机车避雷器比变电所避雷器的端电压低，能够将过电压幅值限制在更低的范围内。

2 牵引网谐波过电压

对该线路某牵引变电所27.5 kV母线电压进行监测和采集，可以发现当供电臂内的机车处于某些工况时母线电压含有大量谐波，电压总谐波畸变率u最高可达56%，其中21次谐波含量最高，同时电压急剧增大并振荡波动，峰值远超正常值，谐波引起的牵引网过电压振荡持续时间可达数分钟。

图3为实测到的某牵引变电所一侧供电臂T线母线电压出现谐波过电压的完整过程，图中电压值为采样间隔250 ms内的电压最大峰值。

图3 牵引变电所母线过电压采样数据

图3中，前30 s内牵引母线电压峰值保持在 40 kV以下的正常水平，之后电压迅速升高并出现急剧振荡波动，最大峰值达到80 kV，整个过电压过程持续时间达上百秒。实测的牵引母线电压数据反映了牵引母线电压的实际情况，该过电压为机车谐波电流引起的谐波过电压和机车避雷器以及牵引变电所避雷器等因素共同作用的结果。

3 避雷器在谐波过电压作用下的电流响应

为准确分析避雷器在谐波过电压作用下通过的电流，在Simulink中构建避雷器模型，按表1和表2设置避雷器参数，将图3所示的实测牵引母线过电压数据导入到Simulink环境中作为仿真模型的数据源，分别施加在牵引变电所避雷器和机车避雷器上，分析避雷器在过电压激励下的电流响应。电流响应波形如图4、图5所示。

图4 牵引变电所避雷器在过电压作用下的电流

由图4可以看出，前30 s内牵引母线电压正常时，牵引变电所避雷器泄漏电流在微安级以下；在牵引母线谐波过电压振荡波动期间，避雷器通过脉冲尖峰电流，电流值可达数毫安或数十毫安；当牵引母线电压峰值达80 kV时，避雷器通过高达 201 mA的尖峰电流，远超避雷器泄漏电流在线监测仪的测量范围，与在牵引变电所现场观察到的避雷器泄漏电流在线监测仪指针急剧摆动情况一致。

图5 机车避雷器在过电压作用下的电流

由图5可以看出，机车避雷器电流波形与变电所避雷器的电流波形相似，但数值远大于变电所避雷器电流，在谐波过电压振荡波动期间避雷器电流值可达数安，而当电压峰值达到80 kV时，机车避雷器通过的电流高达83 A。

由于采用实测的牵引变电所母线电压数据作为仿真的数据源，该电压实际已经受到变电所避雷器和机车避雷器的限制作用，因此在进行仿真时将牵引母线电压作为电压源对待，不再重复考虑避雷器在承受过电压时对牵引母线电压的影响。

4 避雷器的能量吸收能力

避雷器的金属氧化物电阻片将避雷器在过电压作用下通过的电能转化为热能，持续的功率损耗产生的热量如果超过避雷器的散热能力，会使电阻片温度累积升高，最终导致避雷器热崩溃。

避雷器的能量吸收能力可通过长持续时间冲击电流耐受试验来考核，GB11032规定避雷器长持续时间冲击电流耐受试验由18次放电动作组成，18次放电共分为6组，每组3次，2次动作间隔时间为50～60 s（2组放电的间隔时间应使试品冷却至接近环境温度）。考虑到每组试验中各次放电之间的冷却间隔时间，按相当于避雷器在保持热平衡状态下连续进行了2次长持续时间冲击电流试验，近似计算避雷器的能量吸收能力。在2次长持续时间冲击电流试验中注入到避雷器中的能量为

= 2×rvs×li×（2）

式中，为避雷器的能量吸收能力，J；rvs为避雷器操作冲击残压，kV；li为避雷器长持续时间冲击电流，即方波冲击电流，A；为冲击电流视在持续时间，ms。标准规定长持续时间冲击电流采用视在持续时间为2 ms的方波电流。

将表2中避雷器的相关参数代入式（2），计算牵引变电所避雷器和机车避雷器的能量吸收能力分别为156.8和172 kJ。

5 避雷器在过电压作用下的热量累积效应

注入到避雷器中的能量为避雷器端电压和通过电流的乘积对时间的积分，该能量全部通过功率损耗转化为热量。避雷器由于功率损耗在一段时间内产生的热量为

式中，为避雷器端子间电压，V；为通过避雷器的电流，A；1和2分别为计算避雷器累积热量的起始时刻和结束时刻，s。

假设在短时过电压期间避雷器处于绝热状态，不考虑避雷器的热耗散过程，仍以图3所示的牵引母线电压数据作为数据源，对牵引变电所避雷器和机车避雷器的热量累积过程进行仿真分析。

图6所示为牵引变电所避雷器在一个完整的过电压周期内的热量累积过程，在该过电压期间共累积热量7.7 kJ，不超过按式（2）计算的避雷器能量吸收能力，因此由过电压功率损耗产生的能量能够被避雷器完全吸收，牵引变电所避雷器在该谐波过电压过程中处于热稳定状态。

图6 牵引变电所避雷器的热量积累过程

图7所示为机车避雷器在一个过电压周期内的热量累积过程。可以看出，在短时过电压作用下，机车避雷器累积的热量高达3 900 kJ，远超按式（2）计算的机车避雷器能量吸收能力。过电压引起的避雷器大电流在非线性电阻片上的功率损耗持续产生的热量超过机车避雷器外套和连接件的散热能力，将会造成电阻片温度累积升高，造成避雷器热崩溃，最终导致避雷器爆炸损坏。

图7 机车避雷器的热量累积过程

6 结语

金属氧化物避雷器主要用于限制雷电过电压和操作过电压等短时冲击性过电压，雷电冲击电流和操作冲击电流的视在持续时间仅为数十微秒，单一冲击电流在避雷器上功率损耗产生的热量是有限的，不足以破坏避雷器的热稳定。而机车谐波电流会引起牵引网在长达数分钟时间内产生频繁的冲击性过电压，该谐波过电压使机车避雷器在短时间内连续多次通过较大电流，增大了避雷器损耗从而影响避雷器的性能和寿命[6]，严重时持续的热量累积效应会导致避雷器热崩溃而损坏，使被保护的电气设备受到过电压的威胁，因此应采取措施消除或抑制牵引网谐波过电压。

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[6] 周海滨，刘通，陈伟，等. 谐波电压对氧化锌避雷器阻性电流测量的影响[J]. 南方电网技术，2012，6（5）：72-74.

The harmonic over-voltage of traction network of electrified railway may reach a very high value. With the real tested voltage of traction bus bar as the data source, the current response and heat accumulation effect of the substation lightning arrestor and locomotive lightning arrestor under the voltage excitation so as to take relative measures to avoid the faults of lightning arrestors and guarantee the safety operation of power supply equipment.

Harmonic over-voltage; metal oxide lightning arrestor; current response; heat accumulation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.003

U224.2+5

B

1007-936X(2018)05-0008-03

2018-03-19

柳明宇.中国通号（郑州）电气化局有限公司，高级工程师。