电力机车避雷器的检测及门限值的确定

曲素荣，张中央

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　451460)

电力机车雷击过电压的保护早期采用放电间隙，其冲击放电电压大约为90 kV。因其熄弧能力较差，有时不能自行熄灭，会引起变电站断路器跳闸。从SS4型机车开始，我国电力机车陆续采用金属氧化物避雷器。目前国内电力机车主型避雷器均为无间隙金属氧化物避雷器，彻底克服放电间隙的缺点，不但能有效地抑制雷击过电压，而且也能良好地抑制对绝缘构成威胁的操作过电压。现场运用检修情况是无维护、不检修，仅在规定修程做性能测试。直流机车大中修修程，交流机车C4及以上修程测试避雷器的标准是：对避雷器施加直流电压，当流过避雷器的电流达1 mA时，其端电压U1mA不小于58 kV或对避雷器施加工频交流电压，当阻性电流达1 mA时，其电压峰值不小于56 kV；对避雷器施加0.75U1mA直流电压，漏电流不小于50 μA。但是，由于测试标准没有上限，造成部分避雷器已经开路性失效而测试可以通过的现象。目前生产厂家和检修规程给出的门限参数都是只有下限没有上限，对于避雷器是否能够起过压保护作用参考意义不大。因此，探索出避雷器门限值检测方法对避雷器发挥作用和保障行车安全具有重要意义。

1　避雷器的原理及特性

目前金属氧化物避雷器阀片的主要成分是氧化锌(ZnO)，从宏观的伏安特性来分析，由图1氧化锌阀片性能可看出，阀片具有很理想的伏安特性，其非线性系数α=0.025。在最大持续工作电压30 kV下，持续电流≤200 μA,实际上相当于一绝缘体,这样小的电流不会使ZnO阀片烧坏；当作用在ZnO阀片上的电压超过某一值(此值称为动作电压)时，将发生“导通”，“导通”后ZnO阀片上的残压为一“定值”，与流过阀片的电流值基本无关。当作用的电压降到动作电压以下时，ZnO阀片“导通”终止，又相当一绝缘体。机车避雷器保护的重点以主变压器为主，吸收能量主要为主断路器操作产生的截流后的过电压和大气过电压，此时，只要产生的过电压幅值超过避雷器放电电压，避雷器就放电，过电压被限制在主变压器和被保护电气设备的绝缘强度之下，从而保护了电气设备的绝缘，避雷器在正常运行电压下呈现高阻抗，不影响整个系统的正常运行。

图1　避雷器氧化锌阀片的伏安特性

避雷器的主要技术参数：

(1)使用环境温度：-40℃～45℃；

(2)额定电压，42 kV；最大持续运行电压，30 kV；持续运行电流 ≤200 μA；

(3)标称放电电流：10 kA；

(4)直流参考电压(1 mA下)≥58kV；工频交流参考电压(1 mA下)≥56kV(峰值)或42 kV(有效值)；

(5)漏电流：0.75倍直流参考电压下漏电流≤50 μA；或0.75倍工频交流参考电压下漏电流≤50 μA；

(6)残压(10 kA,8/20 μs)≤105 kV。

2　避雷器的测试及测试设备

现场测试避雷器，主要测试1 mA时的直流参考电压(或工频交流参考电压)及漏电流，一般采用直流测试，测试的标准依据生产厂家提供的说明书及机车段修规程。其他指标现场应用不要求测试，直流机车段修规程规定中修时对避雷器进行测试，交流机车段修规程规定C4及以上修程时对避雷器进行测试。

由伏安特性可以看出，测试避雷器主要是测试其伏安特性是否在要求范围内。为此，我们引进了测试设备并在测试实践中对设备进行了改进，其工作原理见图2。图2中：T1为自耦调压器，输入电压为工频AC220 V；T2为升压变压器，容量3 kVA，输入AC220 V，15 A，输出AC60 kV，30 mA；R为非线性电阻(测试对象)；A为电流表；V为电压表；D为整流管；C为储能电容；K为转换开关。通过电流表直接反映测试电流，通过电压表间接反映测试电压。通过转换开关K的转换可以分别进行交流耐压和直流耐压试验。

图2　避雷器门限值测试原理简图

3　避雷器门限值的测试结果

对随机抽取的20台6K型机车(进口)和20台国产SS型机车的避雷器进行测试，测试结果见表1。测试中避雷器的漏电流全部符合要求，但测试得到的直流参考电压却值得研究。

表1　避雷器测试数据统计/kV

型号序号1314151617181920平均值最大值最小值6K58．558．658．658．758．858．959．259．958．259．956．5SS77．678．579．180．381．583．684．885．172．185．160．0

进口6K型机车在1 mA电流时的直流参考电压在56～59 kV范围内，其算术平均值为58.2 kV，其直流参考电压的一致性、规律性较好。国产SS4、SS3B等型号机车避雷器测试结果表现出交大的离散性，在1 mA电流时的直流参考电压从最低值60 kV到69 kV、76 kV、87 kV、80 kV不等，最高可达85 kV，其算术平均值为72.1 kV，远远高于58 kV的标准值。

可以看出，虽然在技术指标上满足避雷器基本参数的要求，却因为不知道避雷器门限值上限的具体值，出现很多机车的避雷器在该发挥保护作用时没有起作用，造成机车车顶非正常放电闪络，损坏被保护设备，形同虚设。

通过实际跟踪观察机车运用，发现一些机车避雷器测试时直流参考电压特别高，实际上这些避雷器在运行中已经处于开路失效状态，但还在使用。因此，这种只有下限没有上限的门限值是有缺陷的，需要确定测量上限。通过半年多的实践，并考虑到目前制造工艺水平的限制，对国产电力机车，我们选定10 kV的变化范围，规定1m A下直流参考电压的门限值在58 kV≤U≤68 kV范围，超出该范围的进行避雷器淘汰更换。对于6K型机车，外方没有明确的规定，我们根据实际测试结果和运行验证，规定1 mA下直流参考电压的门限值在55 kV≤U≤65 kV范围，超出该范围的进行避雷器淘汰更换。

最终84台6K型机车避雷器仅有1台因内部潮湿击穿损坏淘汰更换，150台SS4及SS3B重联机车有约10%左右的避雷器超过我们设定的上限，部分进行了淘汰更换。

4　结论

避雷器的测试及门限确定，对大量使用避雷器的电力机车具有非常重要的现实意义。本研究的测试方法简单、方便、实用，适合机车现场检修作业。

按照铁路机车用氧化物避雷器的技术条件和标准，在测试时要求1 mA直流参考电压不小于58 kV(1 mA工频参考电压峰值不小于56 kV)，该项检测存在着门限值没有测量上限的问题。通过测试装置进行避雷器门限值的测试，可以解决因为避雷器门限值太高，虽然符合标准，但实际起不到吸收过电压作用而引起放电危害的问题。依据门限值参考范围，及早更换符合门限上限要求的避雷器，保证了机车的正常技术状态。

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