不同运行里程动车组车载避雷器性能研究

梁 爽， 王晓明， 张启哲， 王胜辉， 董兴浩， 律方成

(1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111; 2. 华北电力大学，北京 102206)

0 引 言

我国高速铁路网分布区域广，线路较长，长隧道和高架桥占全线比例较大，接触网架设高度高，对雷电先导的吸引作用很强。由于牵引供电系统电压较低，一般不沿铁路全线架设避雷线，因此高速铁路接触网遭受雷击概率比普通铁路高[1-3]。列车在升降受电弓、过分相、短路故障等工况中，牵引供电回路中的电感、电容等储能元件在主断路器打开或者闭合时，存储在电感中的能量以电能的形式转移到电容中，形成操作过电压，会对避雷器造成冲击，影响避雷器的使用寿命[4-6]。此外，过分相过电压也是造成避雷器故障的重要原因[7-9]。

车载避雷器作为铁路系统的重要保护器，利用阀片良好的非线性伏安特性可以在短时间内限制过电压[10]。当施加在避雷器两端的电压差超过其额定工作电压时，非线性电阻值迅速降低，将电能导至大地，避免动车组车载设备受损。目前采用的车载氧化锌避雷器大多不带间隙[11]，在工作电压的作用下，会有持续的泄漏电流流过阀片，导致避雷器的温度升高，再加上长期运行过程中受到的过分相过电压和雷电过电压冲击、恶劣天气环境和列车振动等因素的联合作用，可能造成避雷器受潮劣化，危害列车的安全平稳运行[12-14]。因此，为保证高速动车组列车的安全可靠运行，需要及时掌握车载避雷器的运行状态。研究车载避雷器性能衰退与运行里程的关系，对动车组列车的运行维护具有参考价值。

目前对于氧化锌避雷器的例行性能检测手段，主要包括绝缘电阻测试、直流参考电压测试、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测试以及工频参考电压测试等试验项目。

为了研究运行里程对避雷器性能衰退的影响，本文选取了新品、240万公里（1公里=1 km）和480万公里三种运行里程，共9只避雷器试品开展了绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流和工频参考电压测试，获得了避雷器的各项性能数据，为避雷器老化状态研究提供参考。

1 试验方法

本文研究的避雷器型号为PGLS-42R，由日本音羽电机工业株式会社生产，安装于CRH2系列动车组，额定电压42 kV，持续运行电压33 kV。避雷器试品如图1所示。

图1 车载避雷器

1.1 绝缘电阻测试

使用UT502A型绝缘电阻测试仪对避雷器进行绝缘电阻测试。测试仪额定电压2500 V，测量范围0.00 MΩ～20.0 GΩ。测量现场布置图如图2所示。

图2 绝缘电阻测量

1.2 直流电压试验

选用东文高压电源公司的DW-P104-2ACF2型直流高压电源，输出电压范围0～100 kV，时漂精度0.1%/h，温漂精度0.1/℃。对避雷器施加直流高压，逐步升压至流经避雷器电流达到1 mA，记录避雷器的直流参考电压。由于直流电源产生的电压波形具有高频分量，可能对避雷器的直流电压试验产生干扰，通过电容器对直流电压进行滤波，电容器额定容量为 0.2 µF，额定电压100 kV。采用直流微安表测量避雷器在0.75倍直流参考电压下的泄漏电流。试验回路示意图如图3所示。

图3 直流试验回路示意图

1.3 工频电压试验

选用江都华宇高压电气有限公司的YDTW-10/110型工频试验变压器，高压侧额定电压110 kV，额定容量 10 kVA，电容分压器变比为 1000∶1。采用泛华仪器设备有限公司的AI-6103型氧化锌避雷器带电测试仪，测量避雷器的泄漏电流。对避雷器施加工频电压，当阻性电流达到1 mA时，记录避雷器高压端电压作为避雷器的工频参考电压。工频试验回路如图4所示。

图4 工频试验回路示意图

2 不同运行里程避雷器性能分析

2.1 绝缘电阻测试

9只避雷器的试品信息及绝缘电阻测试结果如表1所示，有480万公里和240万公里试品各4只，新品避雷器1只。各避雷器表面清洁，金具未见明显锈蚀点，伞裙和护套表面状态良好。所有避雷器试品的绝缘电阻均大于22 GΩ，绝缘性能良好。

表1 避雷器绝缘电阻测试结果

2.2 加压时间对避雷器直流参考电压的影响

避雷器阀片的温度会显著影响其非线性特性[10]。避雷器在通过1 mA电流时，会产生较大的热量，导致阀片温度持续升高。为研究加压时间对直流参考电压的影响，制定适合的直流测试加压流程，对避雷器施加直流高压，维持电流1 mA，持续90 min，然后切断电源，等待避雷器温度恢复，每隔5 min重新测试直流参考电压，并记录避雷器直流参考电压和表面温度的变化情况。避雷器表面温度采用红外测温仪测量，测温仪与避雷器的距离为5 m。避雷器试品运行里程480万公里，其直流参考电压、伞套表面温度随加压时间的变化情况如图5所示。

图5 直流参考电压、温度随加压时间变化

由图5可见，在加压阶段，直流参考电压随加压时间基本呈线性降低的趋势，表面温度随加压时间基本呈线性升高趋势。加压至90 min时，避雷器的表面温度升高了13 ℃，直流参考电压降低了3.2 kV。在断电后，随着避雷器表面温度的逐渐降低，直流参考电压也随之恢复。

避雷器温度是影响直流参考电压的重要因素，而1 mA电流会导致避雷器出现明显的温度升高。因此有必要形成规范的直流试验加压流程。制定的加压流程为：以3 kV/s的升压速率将电压升至45 kV，然后以 1 kV/s的升压速率升压至 55 kV，以 0.2 kV/s的升压速率升压至电流达到1 mA，立即记录直流参考电压。按上述程序对9只避雷器开展直流参考电压测试。

2.3 不同运行里程避雷器直流参考电压测试

分别在25 ℃和30 ℃的环境温度条件下测试了避雷器的直流参考电压，测试结果如图6所示。

图6 不同环境温度下的直流参考电压

由图6可知，避雷器的直流参考电压受环境温度影响较大，环境温度越高，直流参考电压越低，说明避雷器在小电流区具有明显的负电阻温度系数。避雷器的直流参考电压存在个体差异，与生产批次紧密相关。同一批次的产品直流参考电压相近。有6只避雷器试品标注了直流参考电压的出厂测试值，将出厂值与实测值进行对比，对比结果如表2所示。

表2 出厂直流参考电压对比

由表2可见，服役后的避雷器直流参考电压相比出厂值略有下降。随着运行里程的增加，避雷器直流参考电压会逐渐降低。运行里程为480万公里的4只避雷器直流参考电压实测值与出厂值的变化率明显高于运行里程为240万公里的2只避雷器。

2.4 0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测试

在30℃的环境温度下，对避雷器开展0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测试，测试结果见图7。

图7 0.75倍直流参考电压下泄漏电流

由图7可见，9只避雷器的0.75倍直流参考电压下的泄漏电流最小值为14.5 µA，泄漏电流最大值为21.5 µA，均符合国标中0.75倍直流参考电压下的泄漏电流不应大于50 µA的要求。

2.5 工频参考电压测试

对避雷器施加工频电压，当避雷器带电测试仪测得的阻性电流达到1 mA时，记录避雷器的工频参考电压，测试结果如图8所示。

图8 工频参考电压

由图8可知，工频参考电压最低值为44.53 kV，最高值为47.01 kV。均符合国标中，工频参考电压应大于42 kV的要求。

由于工频试验电源调压步长有限，实际流过避雷器的工频参考电流在1 mA左右略有波动。工频参考电压测试时流过各避雷器的阻性电流（工频参考电流）如图9所示。

由图9可见，工频参考电流实测值在0.992～1.016 mA之间波动。在此电流区间，避雷器两端电压随着电流变化而急剧变动，为了消除工频参考电流波动对工频参考电压测试的影响，将电压有效值与阻性电流有效值的比值定义为工频等效电阻，避雷器的工频等效电阻计算值如图10所示。

图9 工频参考电流

图10 工频等效电阻

由图10可见，工频等效电阻受避雷器生产批次影响较大，与运行里程没有明显的关联关系。

3 结束语

本文对480万公里、240万公里和0公里三个运行里程，共9只避雷器开展了试验研究。测试了避雷器的绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流和工频参考电压。通过本文的研究，可以得出如下结论：

1）当避雷器通过1 mA电流时，会产生较大的热量，导致避雷器出现明显的温度升高。因此需要制定避雷器电气试验的标准流程，以便于长期跟踪检测避雷器的性能变化。

2）环境温度会对避雷器的直流参考电压测试产生显著的影响。由于避雷器在小电流区具有负电阻温度系数，环境温度越高，测得的直流参考电压越低。有必要开展直流参考电压测试的温度校正研究，为避雷器的例行试验和出厂试验提供参考。

3）动车组柜式车载避雷器的绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下的泄漏电流和工频参考电压与避雷器生产批次关系紧密，随运行里程的变化关系不明显。运行至480万公里的避雷器仍然具有良好的非线性特性，能够可靠保护车载设备。直流参考电压可能随着运行里程逐渐降低，其作为避雷器老化特征量的可行性有待进一步研究。