金屬氧化物避雷器對牽引網諧波過電壓的響應分析

柳明宇

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金屬氧化物避雷器對牽引網諧波過電壓的響應分析

柳明宇

電氣化鐵路牽引網諧波過電壓可以達到很高數值。以實測的牽引母線電壓為數據源，仿真分析變電所避雷器和機車避雷器在該過電壓激勵下的電流響應和熱量累積效應，以采取相應措施有效避免避雷器故障，保障供電設備運行安全。

諧波過電壓；金屬氧化物避雷器；電流響應；熱量積累

0 引言

電力機車是非線性負荷，不同的機車類型以及機車在啟動、加速、牽引、制動等不同工況下運行時機車取流大小不斷變化，機車電流中的各次諧波含量也隨之變化。每臺電力機車可視為一個移動的、量值不斷變化的諧波電流源[1]，供電臂上多個諧波電流源同時向牽引網注入諧波電流，使牽引網中含有復雜的諧波，諧波的頻率和大小時刻變化，表現出明顯的隨機波動性和穩態奇次性[2]，從而引起牽引網諧波過電壓。某煤炭運輸重載鐵路線路開通運營后頻繁發生機車避雷器爆炸事故，造成牽引變電所饋線跳閘和行車中斷，嚴重影響正常的鐵路運輸秩序。有牽引負荷時，牽引變電所饋線出口處避雷器泄漏電流在線監測儀指針急劇擺動，擺動幅度超過監測儀30 mA的最大刻度，且在指針擺動的同時電氣設備伴隨著變化的諧波噪聲。因此，對避雷器在諧波過電壓作用下的響應進行分析，對預防類似事故具有重要意義。

1 避雷器的伏安特性

電氣化鐵路牽引供電系統普遍采用交流無間隙金屬氧化物避雷器（Metal-Oxide Surge Arrester，MOA）限制系統過電壓。MOA由非線性金屬氧化物電阻片串聯組成，且無放電間隙，具有理想的非線性伏安特性和快速響應速度[3，4]，在正常工頻電壓下呈現高電阻，僅有微小的泄漏電流通過。當承受的過電壓達到一定程度時，MOA呈現低電阻并且所表現出的電阻值隨著電壓非線性變化，電壓的微小變化將會引起電流幾個數量級的變化，從而迅速限制避雷器端子間的過電壓，防止與其并聯的設備承受過高的電壓而損壞。

MOA的伏安特性表達式為

式中，為MOA端電壓；為通過MOA的電流；ref為避雷器的參考保護電壓；ref為避雷器參考電流，取決于避雷器的標稱放電電流；為MOA的特性常數，由避雷器生產廠家在燒制非線性金屬氧化物電阻片時所采用的金屬氧化物材料配比以及電阻片的尺寸決定；為MOA的非線性系數。在不同的傳導區域MOA的值和值也不相同，通常近似將MOA的伏安特性分為3段擬合曲線，各傳導區域典型的伏安特性常數如表1所示。

表1 避雷器伏安特性常數

值和值決定了MOA伏安特性曲線的大致形狀，對于不同電壓等級和保護水平的避雷器，伏安特性的確切數學關系由避雷器的參考保護電壓ref和參考電流ref確定。當避雷器通過電流為參考電流時，端子間的最大電壓峰值即為參考保護電壓，標稱放電電流為5和10 kA的電氣化鐵路用避雷器操作沖擊電流值（峰值）均為500 A，即避雷器參考電流ref取操作沖擊電流500 A時，對應的操作沖擊殘壓即為參考保護電壓ref[5]。由于參考電流足夠大，雜散電容對避雷器參考電壓的影響可以忽略。

某重載鐵路線路牽引變電所和機車使用的金屬氧化物避雷器主要參數如表2所示。

表2 金屬氧化物避雷器主要參數

參考電流ref取500 A，牽引變電所避雷器和機車避雷器的參考保護電壓ref分別為98和86 kV，根據式（1）確定的電壓和電流函數關系，可以分別得出變電所避雷器和機車避雷器的伏安特性曲線如圖1和圖2所示。

圖1 變電所避雷器的伏安特性曲線

圖2 機車避雷器的伏安特性曲線

對比圖1和圖2可以發現，通過相同電流時，機車避雷器比變電所避雷器的端電壓低，能夠將過電壓幅值限制在更低的范圍內。

2 牽引網諧波過電壓

對該線路某牽引變電所27.5 kV母線電壓進行監測和采集，可以發現當供電臂內的機車處于某些工況時母線電壓含有大量諧波，電壓總諧波畸變率u最高可達56%，其中21次諧波含量最高，同時電壓急劇增大并振蕩波動，峰值遠超正常值，諧波引起的牽引網過電壓振蕩持續時間可達數分鐘。

圖3為實測到的某牽引變電所一側供電臂T線母線電壓出現諧波過電壓的完整過程，圖中電壓值為采樣間隔250 ms內的電壓最大峰值。

圖3 牽引變電所母線過電壓采樣數據

圖3中，前30 s內牽引母線電壓峰值保持在 40 kV以下的正常水平，之后電壓迅速升高并出現急劇振蕩波動，最大峰值達到80 kV，整個過電壓過程持續時間達上百秒。實測的牽引母線電壓數據反映了牽引母線電壓的實際情況，該過電壓為機車諧波電流引起的諧波過電壓和機車避雷器以及牽引變電所避雷器等因素共同作用的結果。

3 避雷器在諧波過電壓作用下的電流響應

為準確分析避雷器在諧波過電壓作用下通過的電流，在Simulink中構建避雷器模型，按表1和表2設置避雷器參數，將圖3所示的實測牽引母線過電壓數據導入到Simulink環境中作為仿真模型的數據源，分別施加在牽引變電所避雷器和機車避雷器上，分析避雷器在過電壓激勵下的電流響應。電流響應波形如圖4、圖5所示。

圖4 牽引變電所避雷器在過電壓作用下的電流

由圖4可以看出，前30 s內牽引母線電壓正常時，牽引變電所避雷器泄漏電流在微安級以下；在牽引母線諧波過電壓振蕩波動期間，避雷器通過脈沖尖峰電流，電流值可達數毫安或數十毫安；當牽引母線電壓峰值達80 kV時，避雷器通過高達 201 mA的尖峰電流，遠超避雷器泄漏電流在線監測儀的測量范圍，與在牽引變電所現場觀察到的避雷器泄漏電流在線監測儀指針急劇擺動情況一致。

圖5 機車避雷器在過電壓作用下的電流

由圖5可以看出，機車避雷器電流波形與變電所避雷器的電流波形相似，但數值遠大于變電所避雷器電流，在諧波過電壓振蕩波動期間避雷器電流值可達數安，而當電壓峰值達到80 kV時，機車避雷器通過的電流高達83 A。

由于采用實測的牽引變電所母線電壓數據作為仿真的數據源，該電壓實際已經受到變電所避雷器和機車避雷器的限制作用，因此在進行仿真時將牽引母線電壓作為電壓源對待，不再重復考慮避雷器在承受過電壓時對牽引母線電壓的影響。

4 避雷器的能量吸收能力

避雷器的金屬氧化物電阻片將避雷器在過電壓作用下通過的電能轉化為熱能，持續的功率損耗產生的熱量如果超過避雷器的散熱能力，會使電阻片溫度累積升高，最終導致避雷器熱崩潰。

避雷器的能量吸收能力可通過長持續時間沖擊電流耐受試驗來考核，GB11032規定避雷器長持續時間沖擊電流耐受試驗由18次放電動作組成，18次放電共分為6組，每組3次，2次動作間隔時間為50～60 s（2組放電的間隔時間應使試品冷卻至接近環境溫度）?？紤]到每組試驗中各次放電之間的冷卻間隔時間，按相當于避雷器在保持熱平衡狀態下連續進行了2次長持續時間沖擊電流試驗，近似計算避雷器的能量吸收能力。在2次長持續時間沖擊電流試驗中注入到避雷器中的能量為

= 2×rvs×li×（2）

式中，為避雷器的能量吸收能力，J；rvs為避雷器操作沖擊殘壓，kV；li為避雷器長持續時間沖擊電流，即方波沖擊電流，A；為沖擊電流視在持續時間，ms。標準規定長持續時間沖擊電流采用視在持續時間為2 ms的方波電流。

將表2中避雷器的相關參數代入式（2），計算牽引變電所避雷器和機車避雷器的能量吸收能力分別為156.8和172 kJ。

5 避雷器在過電壓作用下的熱量累積效應

注入到避雷器中的能量為避雷器端電壓和通過電流的乘積對時間的積分，該能量全部通過功率損耗轉化為熱量。避雷器由于功率損耗在一段時間內產生的熱量為

式中，為避雷器端子間電壓，V；為通過避雷器的電流，A；1和2分別為計算避雷器累積熱量的起始時刻和結束時刻，s。

假設在短時過電壓期間避雷器處于絕熱狀態，不考慮避雷器的熱耗散過程，仍以圖3所示的牽引母線電壓數據作為數據源，對牽引變電所避雷器和機車避雷器的熱量累積過程進行仿真分析。

圖6所示為牽引變電所避雷器在一個完整的過電壓周期內的熱量累積過程，在該過電壓期間共累積熱量7.7 kJ，不超過按式（2）計算的避雷器能量吸收能力，因此由過電壓功率損耗產生的能量能夠被避雷器完全吸收，牽引變電所避雷器在該諧波過電壓過程中處于熱穩定狀態。

圖6 牽引變電所避雷器的熱量積累過程

圖7所示為機車避雷器在一個過電壓周期內的熱量累積過程?？梢钥闯觯诙虝r過電壓作用下，機車避雷器累積的熱量高達3 900 kJ，遠超按式（2）計算的機車避雷器能量吸收能力。過電壓引起的避雷器大電流在非線性電阻片上的功率損耗持續產生的熱量超過機車避雷器外套和連接件的散熱能力，將會造成電阻片溫度累積升高，造成避雷器熱崩潰，最終導致避雷器爆炸損壞。

圖7 機車避雷器的熱量累積過程

6 結語

金屬氧化物避雷器主要用于限制雷電過電壓和操作過電壓等短時沖擊性過電壓，雷電沖擊電流和操作沖擊電流的視在持續時間僅為數十微秒，單一沖擊電流在避雷器上功率損耗產生的熱量是有限的，不足以破壞避雷器的熱穩定。而機車諧波電流會引起牽引網在長達數分鐘時間內產生頻繁的沖擊性過電壓，該諧波過電壓使機車避雷器在短時間內連續多次通過較大電流，增大了避雷器損耗從而影響避雷器的性能和壽命[6]，嚴重時持續的熱量累積效應會導致避雷器熱崩潰而損壞，使被保護的電氣設備受到過電壓的威脅，因此應采取措施消除或抑制牽引網諧波過電壓。

[1] 李群湛. 諧波影響分析與算法研究[J]. 鐵道學報，1991，10：59-68.

[2] 李群湛. 牽引變電所供電分析及綜合補償技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006：108-110.

[3] 何云虎. 氧化鋅避雷器在電力系統中的應用[J]. 電力自動化設備，2001，21（6）：51-54.

[4] 褚法玉，張柯. 電網諧波電壓對氧化鋅避雷器泄漏電流的影響[J]. 計算機仿真，2004，21（1）：99-101.

[5] GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[6] 周海濱，劉通，陳偉，等. 諧波電壓對氧化鋅避雷器阻性電流測量的影響[J]. 南方電網技術，2012，6（5）：72-74.

The harmonic over-voltage of traction network of electrified railway may reach a very high value. With the real tested voltage of traction bus bar as the data source, the current response and heat accumulation effect of the substation lightning arrestor and locomotive lightning arrestor under the voltage excitation so as to take relative measures to avoid the faults of lightning arrestors and guarantee the safety operation of power supply equipment.

Harmonic over-voltage; metal oxide lightning arrestor; current response; heat accumulation

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.003

U224.2+5

B

1007-936X(2018)05-0008-03

2018-03-19

柳明宇.中國通號（鄭州）電氣化局有限公司，高級工程師。