柜式车载避雷器长期服役可靠性试验研究

张海军，贾步超，董兴浩，张启哲，王胜辉，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

截至2020年底，中国高速铁路的总里程已超过3.79万公里，是全球高速铁路运营里程最长的国家。高速列车车载避雷器作为铁路系统中主要保护元件，其阀片具有良好的非线性特性[1-2]，在遭受操作过电压和雷电过电压时，能够快速动作防止被保护设备损坏，因而被广泛应用于铁路系统当中，是动车组长期安全可靠运行的有力保障[3-5]。

但近年来我国高铁车载避雷器发生了多起事故，如2020年3月19日11沈北所D9-D25道、D30-37道接触网跳闸，库内对D36道1列位 CRH5A-5003动车组检查发现，500303车主断旁的避雷器炸裂。车载氧化锌避雷器大多不带间隙[6-7]，氧化锌压敏电阻长期承受工频电压，运行期间总有电流流过阀片，另外列车运行过程中避雷器长期受到频繁的振动、雨雪恶劣天气和过分相过电压和雷电过电压冲击等因素作用[7-8]，造成加速阀片老化，对列车避雷器的安全运行带来较大影响[9]。另一方面，避雷器的密封性能不可靠会造成内部阀片受潮，潮气的侵入使泄漏电流增大，其工频电压耐受能力相应下降，在不高的过电压甚至正常工频电压下就会发生击穿[10-11]，严重情况下会导致避雷器发生炸裂。为此，国内外学者对车载避雷器可靠性进行了多方面的研究。文献[12]针对服役年限较长的避雷器，对其泄漏电流波形进行了去噪处理，研究表明可以从泄漏电流的幅值和波形判断区别老化避雷器与正常避雷器；文献[13]研究了交流MOV在各区段不同温度下的伏安特性变化及能量温升特性，研究发现交流MOV在小电流区段呈现明显的负电压温度系数，且电流值越小，负温度系数绝对值越大；Neto[14]等人基于热成像，通过人工神经网络分析热剖面来区分不同服役年限的避雷器，并对避雷器故障进行了分类；Lathti[15]等通过研究发现避雷器的直流参考电压与泄漏电流能灵敏反映避雷器的受潮情况，但局部放电参数和阻性电流的三次谐波对避雷器密封受潮情况反应不灵敏；Karawita[16]等通过研究发现阻性电流基波可作为避雷器老化的诊断指标，且该电流指标与避雷器内部温度的差异无关，为评估避雷器可靠性提供了有效手段。

基于上述研究现状可知，目前国内外学者对柜式车载避雷器的可靠性试验研究相对较少。为研究得到避雷器性能与高铁运行里程的关系，以保证高速动车组列车安全运行，本文选取了国内某知名动车组生产厂家现场运行了不同年限的9只柜式车载避雷器为研究对象，因本文主要研究避雷器长期服役可靠性，故选取次轮五级修（480万公里）4只，首轮五级修（240万公里）4只以及新品避雷器1只开展了电气性能测试和密封性能测试，对避雷器进行解体检查，并对阀片开展电气性能测试。通过相关研究，可为车载避雷器的长期服役可靠性评估和维修周期提供一定的试验依据。

1 避雷器电气性能测试

试验用9只避雷器铭牌信息如表1所示。

表1 试品避雷器

测试避雷器型号为PGLS-42R，高487 mm，中间伞裙部分直径为78 mm，底座宽度为350 mm。安装于CRH380A型动车组，其额定电压为42 kV，持续运行电压为33 kV。测试时环境温度为20 ℃，环境相对湿度为30%。

1.1 直流参考电压测试

直流参考电压是反映避雷器老化程度的重要指标，本试验采用的直流高压电源型号为DW-P104-2ACF2，输出电压范围 0～100 kV，时漂误差±0.1%/h，温漂误差±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。直流参考电压试验回路如图1所示。

图1 直流参考电压试验回路示意图

不同运行里程下的车载避雷器直流参考电压如图2所示。

图2 避雷器直流参考电压

由图2可以看出，所有避雷器直流参考电压均大于60 kV，符合标准不小于58 kV的要求，这表明避雷器性能依然良好。

1.2 0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测试

避雷器0.75倍直流参考电压下的泄漏电流是反映避雷器老化程度的另一项重要指标。在避雷器直流参考电压测试完成后，采用微安表测量避雷器在0.75倍直流参考电压下的泄漏电流值，试验回路见图1。不同运行里程下的车载避雷器0.7倍直流参考电压下泄漏电流如图3所示。

图3 避雷器0.75倍直流参考电压下的泄漏电流

由图3看出，所有避雷器试品在0.75倍直流参考电压下的泄漏电流均远小于50 µA，这表明避雷器性能依然良好。

2 避雷器密封性能试验

2.1 避雷器密封性能测试

本文采用了浸泡加热法来进行避雷器密封性能试验，试验装置整体为圆柱体状，底部直径60 cm，高60 cm。试验时浸泡时间大于60 min，水温高于试验环境温度（45±5） ℃。浸泡结束后取出避雷器待完全冷却至室温，进行电气性能试验。密封性能测试如图4所示。

图4 密封性能试验图

密封性能试验时环境温度为20 ℃，环境相对湿度为30%。按照JB/T 7618—2011《避雷器密封试验标准》中对密封性能标准要求进行测试，相关规程要求具体如图5所示。

图5 密封试验标准要求

按照上述方法对9只避雷器进行密封性能试验，试验发现密封试验起始阶段（避雷器刚放入容器中）不时会有连续小气泡从底座螺母处以及高压端冒出，偶尔会有较大气泡从高压端伞裙处冒出，冒泡现象持续时间大约为2 min，当密封试验进行到2 min以后，无气泡冒出现象，密封试验现象如图6所示。在完成避雷器密封性能试验后，选取运行至480万公里、240万公里及新品避雷器各一只进行解体检查，解体典型图如图7所示。

图6 避雷器密封性能试验图

图7 避雷器解体典型图

对图6所示现象，其原因本文解释如下：在密封试验的起始阶段，因螺母处存在大量空气，会导致有小气泡以及小气泡融合形成的较大气泡冒出，当空气随着气泡排出后，便没有再发现气泡冒出的现象。结合解体后的照片（图7）可以看出，解体后的避雷器内部没有发现锈蚀现象，各部件以及阀片均完好，由此可以得出，并不是因为避雷器气密性降低而产生的气泡。

在经过60 min的“水煮”试验后，将避雷器放在室内静置一段时间，待其完全冷却至室温后，对其电气性能进行测试。

2.2 密封试验后的直流参考电压测试

待密封试验结束后，将避雷器完全冷却至室温，本文对避雷器的直流参考电压进行了测试，测试时环境温度为22 ℃，环境相对湿度为29%。并与密封试验前的直流参考电压数据进行了比对，分析不同运行里程下避雷器的直流参考电压在密封性能试验前后的性能变化规律。密封试验前后的直流参考电压的变化曲线如图8所示。

图8 密封试验前后的直流参考电压

分析图8可知，密封试验后避雷器的直流参考电压相比密封试验前均有所下降，这是因为两次测试时环境温度的不同以及测量产生的误差。而且直流参考电压下降的整体趋势较为一致，并没有出现明显的电压突变情况，这说明避雷器电气性能稳定，9只避雷器的密封性能良好，依然可以继续稳定可靠地运行。

作为衡量密封试验后性能是否合格的指标之一，本文对直流1 mA参考电压在密封试验前后变化率进行了计算分析。直流参考电压在密封试验前后的变化率如表2所示。

表2 直流参考电压在密封试验前后变化率

分析表2可知，直流参考电压试验前后变化率最大为0.59%，最小为0.37%，所有避雷器的直流参考电压在密封试验前后变化率均远小于密封试验标准要求的5%，这进一步说明了这些避雷器密封性能良好，并没有出现密封性能劣化的情况。

2.3 密封试验后的0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测试

0.75倍直流参考电压下的泄漏电流是反映避雷器老化程度的另一项重要指标。测试时环境温度为22 ℃，环境相对湿度为29%。避雷器密封试验前后的0.75倍直流参考电压下泄漏电流变化曲线如图9所示。

图9 避雷器密封试验前后0.75倍直流参考电压下泄漏电流

由图9可见，0.75倍直流参考电压下的泄漏电流试验前后的细微的变化也是因为两次测试时环境温度的不同以及测量产生的误差。

作为衡量密封试验后性能是否合格的指标之一，本文对0.75倍直流参考电压下泄漏电流在密封试验前后变化量进行了处理，具体如表3所示。分析可知，0.75倍直流参考电压下的泄漏电流在密封试验前后变化量最高为 3.9 µA，最低为 1.7 µA，所有泄漏电流变化量均远远小于密封试验标准要求的20 µA，说明避雷器依然具有良好的密封性能。

表3 泄漏电流在密封试验前后变化量

3 阀片性能测试

氧化锌阀片的性能变化是避雷器性能变化的最直接体现，本文在避雷器解体结束后，对氧化锌阀片进行了直流参考电压和0.75倍该电压下的泄漏电流测试，测试接线见图10。

图10 阀片直流参考电压及0.75倍该电压下的泄漏电流测试接线

阀片测试时环境温度为22 ℃，环境相对湿度为31%。运行至480万公里、240万公里及新品避雷器的直流参考电压如图11所示。

图11 阀片直流参考电压

由图11可以看出，新品避雷器阀片的直流参考电压明显要比运行至480万公里以及240万公里避雷器阀片的直流参考电压高；运行至240万公里的避雷器阀片的直流参考电压整体上要比运行至480万公里的避雷器阀片的直流参考电压高，这说明随着运行里程的增加，阀片的直流参考电压会下降，阀片性能也在衰减，但从整体上来说，运行至480万公里避雷器阀片的直流参考电压与新品避雷器相比只降低了3%左右，阀片未发生劣化，性能稳定，依旧可以稳定服役。

运行至480万公里、240万公里及新品避雷器的0.75倍直流参考电压下的泄漏电流如图12所示。

图12 阀片0.75倍直流参考电压下的泄漏电流

由图12可以看出，与阀片直流参考电压类似，随着运行里程的增加，阀片0.75倍直流参考电压下的泄漏电流会逐渐升高，但从整体上来看，运行至480万公里避雷器阀片的0.75倍直流参考电压下的泄漏电流与新品避雷器相比只升高10 µA左右，与标准要求0.75倍直流参考电压下的泄漏电流小于等于50 µA相比，仍有很大裕度，阀片性能稳定，可以稳定服役。

综上可知，运行至480万公里及240万公里避雷器的直流参考电压以及0.75倍该电压下的泄漏电流满足标准要求，性能依然良好，仍然能够可靠服役，但在工程实际检修中，仍然需要制定合理的避雷器检修周期，评估阀片性能状态，对保证高速动车组列车安全稳定地运行具有重要意义。

4 结束语

本文选取了运行里程为480万公里、240万公里和新品避雷器共9只，进行了长期服役可靠性试验研究，得到以下结论：

1）在避雷器电气性能测试中，直流参考电压均大于58 kV，0.75倍直流参考电压下的泄漏电流均小于50 µA，符合标准要求，避雷器的性能良好。

2）密封试验前后电气参数变化率很小，直流参考电压在密封试验前后变化率远小于标准中要求的5%；0.75倍直流参考电压下的泄漏电流在密封试验前后变化量小于标准中要求的20 µA，避雷器密封性能依然良好。

3）避雷器的直流参考电压及0.75倍该电压下的泄漏电流均能很好地反映避雷器的性能状态，在可靠性试验研究中可把这两项作为避雷器老化劣化的判断标准。

4）随着运行里程的增加，阀片的直流参考电压会逐渐降低，0.75倍直流参考电压下的泄漏电流会逐渐升高。运行至480万公里避雷器阀片直流参考电压与新品避雷器相比降低了3%左右，运行至480万公里避雷器阀片的0.75倍直流参考电压下的泄漏电流与新品避雷器相比升高了10 µA左右，阀片未发生劣化，性能稳定，可以继续可靠服役。