動車組避雷器過電壓波形及發(fā)熱特性仿真

摘 要： 近年來CRH5 型動車組車頂避雷器因過電壓導(dǎo)致多起炸裂事故。為研究動車組車頂過電壓特征和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，搭建車頂過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集并統(tǒng)計(jì)分析過分相過電壓、高次諧波過電壓、升降弓過電壓和持續(xù)陡波沖擊過電壓4 種典型過電壓的波形和統(tǒng)計(jì)特征。統(tǒng)計(jì)分析表明：在采集到的1 274 組過電壓波形中，過分相過電壓出現(xiàn)1 135 次，最大幅值94.5 kV；高次諧波過電壓出現(xiàn)71 次，最大幅值52.8 kV；升降弓過電壓出現(xiàn)25 次，最大幅值67.1 kV；持續(xù)陡波沖擊過電壓出現(xiàn)43 次，最大幅值為88.9 kV。建立車頂避雷器電熱耦合模型，分析典型過電壓作用下避雷器內(nèi)部溫度分布特性，仿真結(jié)果表明：基于實(shí)測波形數(shù)據(jù)，避雷器在過分相過電壓作用下溫度達(dá)到30.57 ℃，在高次諧波過電壓和降弓過電壓溫升較小，持續(xù)陡波沖擊過電壓作用下溫度呈梯度上升，最終達(dá)到35.7 ℃，在模擬230 kV陡波沖擊過電壓作用下，最高溫度達(dá)到835 ℃，其溫升超過閥片的熱容量，可形成炸裂事故。

關(guān)鍵詞： 動車組; 避雷器; 過電壓; 在線監(jiān)測; 仿真分析; 溫度分布

中圖分類號： TB9; U266 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0056–09

0 引 言

車頂避雷器是動車組重要的過電壓保護(hù)設(shè)備，其運(yùn)行環(huán)境惡劣[1-4]，自2017-2021 年，我國CRH5型動車組在運(yùn)行過程中發(fā)生了12 起車頂避雷器炸裂故障，嚴(yán)重威脅動車組安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。以2020年12 月24 日發(fā)生的故障為例，某動車組在入庫靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，車頂避雷器突然出現(xiàn)異常放電現(xiàn)象，登頂檢查發(fā)現(xiàn)該避雷器泄放口已炸裂，內(nèi)部部分氧化鋅塊散落在車頂，如圖1（a） 所示。

與其并聯(lián)運(yùn)行的電壓互感器沿面也發(fā)生了閃絡(luò)，如圖1（b） 所示。分析其故障原因是避雷器在動車組運(yùn)行中遭受了過電壓的侵襲，大電流流過閥片，短時(shí)間內(nèi)釋放了大量能量，從而引發(fā)炸裂，由于過電壓幅值較高，與之并聯(lián)的電壓互感器也發(fā)生了沿面閃絡(luò)。

針對車頂過電壓的形成原因和特點(diǎn)以及避雷器的發(fā)熱特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6-7]通過分析諧波過電壓波形，發(fā)現(xiàn)其振蕩持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾分鐘。文獻(xiàn)[8] 指出動車組在通過分相區(qū)時(shí)，受電弓容易出現(xiàn)電弧現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓突然升高，形成梯形脈沖。由于氧化鋅避雷器沒有間隙，在過電壓作用下，泄漏電流會流過閥片，造成閥片的功率損耗和發(fā)熱。文獻(xiàn)[9] 認(rèn)為過分相過電壓會引起數(shù)千安的大電流沖擊，可能使避雷器短時(shí)間內(nèi)吸收能量超過自身熱通量從而導(dǎo)致熱崩潰。列車正常運(yùn)行過程中，會經(jīng)常產(chǎn)生操作過電壓，為分析過電壓與避雷器溫升之間的關(guān)系，研究人員對過電壓的形成機(jī)制開展了仿真研究[10-12]。研究手段包括EMTP和Simulink 仿真。文獻(xiàn)[13] 通過仿真獲得了避雷器受潮區(qū)域會出現(xiàn)局部過熱，泄漏電流隨著受潮程度增加而增加。文獻(xiàn)[14] 通過仿真獲得了缺陷避雷器的表面溫升分布規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了故障類型判別。

基于上述研究現(xiàn)狀可知，目前還缺乏對動車組運(yùn)行過程中過電壓的長期實(shí)測及統(tǒng)計(jì)分析。基于此，本文搭建了一套車頂過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集了我國多條高鐵線路上動車組運(yùn)行中遭受的過電壓波形，并對不同類型的過電壓幅值及持續(xù)時(shí)間等特征參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在此基礎(chǔ)上，建立了車頂避雷器電熱耦合場仿真模型，分析了基于實(shí)測典型過電壓作用下避雷器的內(nèi)部溫度的分布特性，相關(guān)研究可為動車組避雷器故障分析、過電壓防治、車頂高壓設(shè)備絕緣配合等提供依據(jù)。