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铁路牵引供电系统中避雷器的常见缺陷及监测

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：张浩

[导读] 摘要：装设避雷器是电气化铁路牵引供电系统中最主要的防雷手段，它可以保护高低压设备在外部过电压时不受到雷击伤害，从而避免造成牵引所、接触网设备故障，保证铁路不间断供电，确保电力机车、动车组正点运行。

        （中国铁路上海局集团有限公司调度所上海 200040）
        摘要：装设避雷器是电气化铁路牵引供电系统中最主要的防雷手段，它可以保护高低压设备在外部过电压时不受到雷击伤害，从而避免造成牵引所、接触网设备故障，保证铁路不间断供电，确保电力机车、动车组正点运行。本文从高速铁路常用的避雷器结构、原理、故障机理及故障案例等多个方面进行分析，归纳出常见的几种防治缺陷的办法。
        关键词：避雷器；缺陷；监测；牵引变电
        一、电气化铁路中避雷器的结构
        避雷器的发展主要在于结构形式的变化和新型材料的应用，常见的避雷器类型有保护间隙、管型、阀型和金属氧化物避雷器等。金属氧化物避雷器是最近几十年发展出来的，其线性电阻阀片主要成分是ZnO，所以也称为金属氧化锌避雷器。由于ZnO阀片优异的非线性，金属氧化物避雷器可以不串联间隙，称为“无间隙金属氧化物避雷器”，27.5kV电气化铁道采用无间隙氧化锌避雷器，用于电气化铁道牵引变电站、接触网等输变电设备。
        二、避雷器保护设备的原理
        避雷器保护设备的原理概括起来说既是在过电压作用下避雷器先放电，将过电压的能量释放掉，在此过程中将被保护设备上的电压稳定在一个较低的残压上（相对原过电压幅值来说），保证被保护设备的绝缘在此电压下不会发生放电或击穿，即避雷器的伏秒特性应高于被保护设备的伏秒特性，从而保证系统的稳定运行。氧化锌电阻片的优异伏安特性，使系统在出现过电压时，氧化锌电阻片呈出低阻，过电压被限制在允许值以下，并且吸收一定的过电压能量，从而对电力设备提供可靠的保护。而在避雷器额定电压和系统正常运行电压下，氧化锌电阻片呈高阻使避雷器仅流过很小的泄漏电流，起到与系统绝缘的作用。从某种意义上来说，如果系统不遭受过电压影响，避雷器也就失去了存在的必要。
        三、避雷器的故障机理及缺陷案例
        1、阀片老化及劣化
        （1）从宏观上看阀片长时间带电运行后，电阻损耗会使阀片发热，阀片的负温度特性又使等效电阻下降，正反馈引起电流及损耗进一步增大，热稳定性能发生变化，避雷器的工频参考电压和额定电压等参数会降低，从而在持续运行电压及各种过电压作用下发生击穿而崩溃。其微观原因是阀片内部微观不均性结构导致电流分布的不均性从而影响通流能力，同时电流产生的热量会在阀片内部形成热应力。对阀片造成损伤。
        （2）阀片的涂敷材料配方或工艺等问题，使阀片边缘在高电压或大电流冲击下引起闪络，造成避雷器损坏。
        案例1：陇海线夹河寨牵引所检修人员在110kV变电所巡视发现避雷器泄露电流表指数三项有同时缓慢下降趋势该避雷器为国内某厂初期产品，运行11年。
        检修人员对其进行带电测试，发现全电流和阻性电流下降百分之三十左右。随后对其进行停电试验，停电直流1mA参考电压试验，发现三相6节避雷器有明显下降并且低于标准145kV，绝缘电阻正常。判断该避雷器绝缘未受潮，可能存在阀片老化现象，对其进行进一步检查，拆解后发现避雷器阀片的叠装方式不合理，为凑高度采用了在电阻片柱下端用金属导管补偿的方式，长期运行后，电阻片老化导致性能下降。
        2、避雷器密封不良
        气密性的破坏会使潮气进入内部导致避雷器泄露电流增大甚至引起避雷器爆炸。当然避雷器受潮也有可能是在生产厂家生产过程中某些部件干燥不够所致。不同状态氧化锌阀片动态伏安特性曲线也不尽相同。见下图

                           （a）                          （b）                             （c）
        不同状态氧化锌阀片动态伏安特性曲线：（a）正常的阀片（b）老化的阀片（c）受潮的阀片
        案例2：2015年*月*日，京沪线三界牵引所值班员巡视发现主变压器220kV侧避雷器泄露电流指示AB相均为0.6mA，C相为0.8mA，有明显差异，该避雷器2012年7月生产，为此，技术人员对设备历史数据进行比对分析并进一步开展检测针对工作，试验人员对其进行带电测试，发现C相避雷器阻性电流与AB相比较有明显增大，经解体发现避雷器瓷套内有积水，避雷器上端密封孔及电阻片支撑紧固件已有明显锈痕，发现抽气孔孔深远大于压紧螺钉的长度，现场检查螺钉差为7mm。从解体情况可看出，避雷器损坏主要原因是避雷器上端密封孔密封不良、避雷器内部在运行中进水受潮引起。所幸值班人员发现及时，未造成严重后果。
        3、选型错误或质量问题避雷器在过电压下发生故障
        这类故障往往在发生前不易发现，可能是额定电压选的低了，或者通流容量不足等原因引起，因为避雷器自身是符合制造要求的，所以通过系统运行电压下的带电测试及停电试验是检测不出的，只有在避雷器动作情况下才能暴露，后果基本上是导致避雷器热崩溃。
        所以避雷器阀片老化、劣化以及受潮的缺陷一般可以通过在线监测、带电测试和停电试验发现。而过电压导致的避雷器故障则无法通过试验手段检测出。
        案例3：2018年7月，红外检测发现220kV某变电站1号主变高压侧避雷器下节温度局部异常，其温度为：A相35.6℃，B相37.7℃，C相33.8℃，A相温度和C相温度差1.8，B相和C相差3.9。该避雷器为2009年产品，复合绝缘外套，随即对其进行带电试验，发现B相全电流、阻性电流检测略有增大，A、C相未见异常。经过停电试验，解体检查发现，其上部柱状铝块外表面有锈蚀，上数第1~3片金属氧化物电阻片有沉积锈迹；电阻片外径70mm，为空心电阻片，电阻片间夹垫铅片完好；电阻片内径及外径表面绝缘漆膜釉质存在过热变色，根据电阻片上锈蚀痕迹分析，造成避雷器电阻片过热劣化的原因为避雷器在组装时干燥工艺质量失控。随后又发现同批次避雷器存在同样缺陷，故可认定为家族性缺陷。
        四、监测避雷器是否有缺陷的方式
        1、运用红外测温技术对避雷器进行非接触式热故障检测。这种检测具有安全性强、检测准确，操作便捷等特点。当热像异常或相间温差超过规定时，应用其他试验手段确定缺陷性质进行处理。
        2、监测泄漏电流表数据。当泄漏电流表指示偏大或偏小时应引起相关人员的警觉，若值班人员发现指示异常时，应及时向技术部门汇报，技术部门应组织人员对其进行分析，具备条件时对其进行全面检查，试验，及早消除缺陷，杜绝其发展为故障。
        3、仪表不停摆动。目前遇到的仪表摆动主要是泄露电流表自身原因，发现类似现象后应及时更换仪表，排除仪表问题。若更换后仍出现类似情况，因引起重视，对其重点排查。
        4、在线监测技术的应用。避雷器的在线检测技术是近几年运用大数据到生产中的新技术，可对设备的参数进行实时监测，对数据变化趋势进行分析判断，及时发现设备缺陷。运行人员在巡视时要注意观察监测数值与表计数字是否相同，并及时记录。
        五、结束语及牵引系统避雷器未来发展方向展望
        综上所述，对于当前铁路牵引供电设备避雷器的性能及监测方式的探讨有利于供电设备管理单位日常设备维护和应急处置，具有较高的现实应用价值。随着科技的进步，对于牵引设备避雷器新材料的应用和监测避雷器是否有缺陷的方式方法越来越多，例如目前开发出的一种无源声表面波温度传感器，其发射和接受信号为特高频，所以受现场干扰较少，且可监测到避雷器表面严重污秽时泄露电流导致的过热。相信不久的将来，会有越来越多的新技术、新设备早日投入运行，为铁路牵引供电设备的发展提供技术支持。
        参考文献：
        [1]国网河南省电力公司周口供电公司组编变电站设备红外线热像检测.中国电力出版社，2014
        [2]周龙、文远芳 MOA在线检测与诊断技术的方法分析.电瓷避雷器，2006
        [3]关根志、贺景亮等氧化锌避雷器泄露电流在线监测的试验研究.高压电器，2010