高次谐波下动车组车顶避雷器故障机制探讨

高次谐波下动车组车顶避雷器故障机制探讨

苏允飞

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063000

摘要：避雷器为机车高压电气回路的保护设备，随着动车组的出现与发展，高次谐波下的动车组车顶上普遍安装避雷器作为保护措施。本文探究在高次谐波之下，动车组车顶避雷器故障出现的原因以及应对措施，通过研究得到优化车顶避雷器保护能力的策略，实现动车组安全保护水平的提升。

关键词：高次谐波；动车组；避雷器；故障机制

动车组的出现为我国铁路交通运输事业发展发挥了积极作用，动车组车顶高压电气设备是动车组的核心组成部分，对动车组运行安全有着决定性影响。做好动车组车顶高压电气设备保护工作，可大大实现动车组运行的可靠性和安全性，若避雷器保护作用失效，必然会降低动车组的安全性和可靠性，严重时会造成不可估量的经济损失，甚至对铁路行业的健康发展产生负面社会效应。

1.动车组车顶避雷器的作用原理

1.1车顶避雷器的主电路原理

动车组车顶避雷器分别位于真空断路器和受电弓附近，主要作用是对动车组操作过电压和雷击过电压作抑制处理，确保动车组高压电气设备运行安全可靠,避免对车内乘客造成安全隐患以及对所有电气设备产生危害。

1.2车顶避雷器工作原理

金属氧化物避雷装置在设计和制造时，通常会把特性优异的金属氧化锌电阻片放置在避雷器内。当动车组电力系统中产生过电压时，避雷器将呈现出低电阻现象，过电压被有效吸收，保证了高压电气设备上的过电压被限制在所允许的范围内，进而确保电气设备不受过电压损坏。当动车组电力系统处于正常工作电压时，避雷器将会呈现出高电阻现象，只有微安级的泄漏电流在避雷装置内流过，此时体现避雷器的绝缘作用。

2.基于试验的高次谐波下动车组车顶避雷器故障机制探究

高频谐振过电压的主要特性表现为电压幅值大、持续时间长，此工况下的车顶避雷器更容易发生故障或者爆炸。近年来，氧化锌避雷器在铁道系统变电所及列车防雷系统中得到广泛应用，但因铁路网络中的列车类型多样化，高频谐振过电压引起的避雷器损坏问题时有发生。为探究氧化锌避雷器在高次谐波下发生故障的原因，通过试验探究高频谐波下的避雷器特性。

在升高工频电压幅值的工况下，检测流过被试样件的泄漏流量以及相关电气参数的变化，分析工频电压下氧化锌阀片伏安特性的变化与尺寸大小之间的规律。当电压频率恒定时，氧化锌阀片总泄漏电流值与施加在试件两端电压的大小近似成正比例关系，即随着电压幅值逐渐增加，阀片的阻抗特性和内阻值基本不变。在21、41、61次谐波电压工况下，分别升高电压幅值，检测被试样件的泄露电流大小及电压相位角等相关参数的变化情况。被试样件两端电压从0V开始增加，每隔500V记录一次数据，根据数据结果分析高频电压幅值对阀片运行状态的影响。分析发现被试样件两端的电压幅值固定而电压频率不断提升时，泄漏电流值增加，即避雷器氧化锌阀片试件的阻抗特性降低、内阻值减小。交流电压幅值大小保持相同，逐步提升电压频率，检测被试样件的泄露电流大小及电压相位角等相关参数的变化情况。在动车组运行的铁路系统中，奇次谐波居多，所以将电压频率从350Hz增加，每隔100Hz记录一次数据，根据数据结果分析电压频率对被试样件工作状态的影响。当氧化锌阀片试件电压幅值大小相同而梯度不同时，高梯度阀片被试样件上流过的总泄露电流和阻性泄漏电流减少，阀片有功功率降低；当氧化锌阀片被试样件电压幅值大小相同而尺寸由71mm变成52mm时，较小尺寸阀片被试样件上流过的总泄露电流和阻性泄漏电流减少，阀片有功功率降低。

利用上述避雷器试验数据进行特性分析，能够掌握被试样件电气参数在各种电压幅度和频率范围下的变化趋势，进而了解避雷器故障产生模式，并根据故障模式有选择性的优化避雷器设备。

3. 高次谐波下动车组车顶避雷器优化选型方法

氧化锌阀片是氧化锌避雷器中的核心组成部件，其以优异的非线性特性使得避雷器在供电系统中可以吸收各种类型过电压能量，进而保护了动车组高压电气设备的安全可靠运行。

3.1高氧化锌阀片的电位梯度

氧化锌阀片的发展历程是随着避雷装置使用工况日益演变而发展的，由于避雷装置所承受电压等级的提高、供电质量的恶劣以及安装空间的逐渐减少，其逐步向高性能、轻量化、小型化的走向发展，因此对氧化锌阀片提出了更高的性能要求，如高能量、经济性、高梯度、低残压方向发展等等。常规氧化锌阀片电位梯度较低，致使避雷器重量和体积较大，给安装和运输带来诸多不便。因此增加氧化锌阀片的电位梯度，可降低整只避雷装置重量，减小避雷器尺寸，氧化锌阀片柱上的轴向电位分布得到改善。

3.2提高氧化锌阀片的通流容量

在满足最小能量吸收要求及绝缘配合的情况下，提升氧化锌阀片的通流容量，可减少避雷装置的尺寸大小，使在避雷装置上流有各种类型的过流时不致引起破坏。在雷电过电压、操作过电压等多种类型过电压存在时，避雷器自身会吸收一定程度的能量。避雷器氧化锌阀片微观结构上的晶界层电阻率远高于相应氧化锌颗粒的电阻率，所以施加于避雷器上的交流压力大部分降落在其晶界层上。当氧化锌阀片受到能量冲击，承受大电流后，由有功功率损耗所引起的热能最先在晶界层形成，并以热传导的方式从避雷器氧化锌颗粒中向外释放。因此，氧化锌颗粒体积与其电能存储容量之间呈正比，而整体氧化锌阀片的电能承受强度也越高。增加氧化锌阀片的通流容量，必须从宏观和微观二角度入手，宏观上降低生产中气泡形成，减少电极边缘毛刺，避免电流集中和尖端放电现象发生；微观上提高阀片结构的均匀度，通过调整生产原料的成分和配比，降低原料微粒尺寸的分散度，均匀微观结构中电流分布，改善氧化锌阀片的能量耐受强度和热稳定性。

3.3降低氧化锌阀片的残压比

避雷器氧化锌阀片的残压比越低，其伏安特性越趋于平缓，冲击系数减小，在提高过电压保护能力的同时减少了生产成本。目前，降低避雷器残压主要有两种方法：一是改善阀片微观组织的均匀度；二是采用改善制造原料成分，来改善晶粒及其晶界系数。通过在制造原料中加入镓离子等，来进一步改善势垒高度，同时，采用改善晶界与颗粒交界较厚部分体积之比的方法来改善氧化锌阀片的伏安特性。由于氧化锌阀片总残压中，九成以上是由高电阻率的晶界击穿电压所引起的，因此可以采用降低晶界击穿电压的方法，来降低氧化锌阀片的残压值。

3.4定期清洁与维护

当动车组每次机车入库以后，都必须要对避雷器表面位置和周围进行彻底的擦洗，确保没有油污、灰尘等各种杂质。经常性的清洗可很好的避免避雷器及周围出现大量的油污和杂质堆积，提高清洁度。特别是在冬天的时候，大气中的空气流动不畅，且北方地区雾霾较多，更要及时对车辆的避雷器设备开展亲你关系，在必要的情况下，要更换全新的避雷器设备，避免避雷器设备出现故障而导致机车运行安全性受到影响。

擦拭干净避雷器设备以后要检查其外观，确保避雷器设备没有出现任何的伤痕、裂缝等缺陷，使得避雷器设备能够完好无损。对伞群的缺陷作出观察，倘若伞群的缺陷面积已经超过了30mm2，那么要在第一时间内完成更换。当伞群开裂后的深度值超过2mm，长度值超过15mm的时候，也应该要及时更换。若出现烧损、电蚀等现象时要及时更换。若出现避雷器保护套被飞石击破、开裂和破损等问题时也应该及时更换。

结语

动车组避雷器是保障高压电气设备运行安全的关键因素之一，在对避雷器设备进行管理期间，要采取多种手段发现避雷器设备存在的问题，并综合专业知识和实践经验深挖设备出现问题的原因，寻求最优的处置措施，不断优化提高避雷器性能。本文基于试验对动车组避雷器高次谐波下的特性进行分析，并提出了优化选型方法，从电位梯度、通流容量、残压比到定期清洁与维护方面进行了分析，旨在保证动车组高压电气设备的运行稳定性与安全性。

参考文献

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