動車組避雷器可靠性與老化特征參量的相關(guān)性

陳子宣，李春茂，黃科宇，高 波

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，投入運營的動車組數(shù)量逐年增加，其安全穩(wěn)定的運行對鐵路系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)、可靠的運行有著至關(guān)重要的作用。動車組車頂避雷器作為鐵路系統(tǒng)中主要保護(hù)器，利用氧化鋅電阻片良好的非線性伏安特性可在短時間內(nèi)限制過電壓。車頂避雷器的運行環(huán)境與電力系統(tǒng)避雷器有較大差別，列車在運行過程中，長期受到頻繁的振動、風(fēng)沙雨雪惡劣天氣、過分相過電壓和雷電過電壓沖擊等因素的影響，使避雷器在電熱、振動、潮濕聯(lián)合作用下加速老化，影響其整體的絕緣性能，最終導(dǎo)致避雷器崩潰損壞，嚴(yán)重影響鐵路系統(tǒng)的安全性[1-2]。因此，掌握車頂避雷器的老化狀況，對其實際運行維護(hù)有重要的參考價值。

近年來，避雷器的運行維護(hù)受到越來越廣泛的關(guān)注。在避雷器老化方面，國內(nèi)外學(xué)者展開過相關(guān)研究。王輝等研究了電力系統(tǒng)35 kV和110 kV整只避雷器在沖擊電流作用下的老化特性[3-4]；SM Seyyed?barzegar等通過分析功率損耗和散熱特性建立熱量平衡模型來研究金屬氧化物避雷器的熱穩(wěn)定性[5]。J.B Lee等研究了復(fù)合外套避雷器在紫外、溫度、鹽霧等聯(lián)合因素下的老化特性[6]。但有關(guān)動車組車頂避雷器老化特性和可靠性分析的文章鮮有報道。

目前，車載避雷器的日常檢修方法一般采用外觀缺陷檢查、雨季前檢查和事故后檢修，這種方法操作簡單，但該方法只能檢查出損壞嚴(yán)重的避雷器，對一些存在缺陷但尚能工作的避雷器缺少預(yù)防性維修的技術(shù)手段。因此，依據(jù)GB11032—2010并結(jié)合車頂避雷器實際的運行情況，設(shè)計了車頂避雷器在電熱、振動和浸水聯(lián)合條件下的加速老化試驗[7]。在不同老化時間節(jié)點測量車頂避雷器絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下泄漏電流、工頻參考電壓和持續(xù)運行電壓下阻性電流分量。分析不同壽命階段的各特征參量與避雷器可靠度的關(guān)系，給出不同壽命階段各特征參量與避雷器可靠度之間的擬合曲線，并結(jié)合線性增值擊穿理論對避雷器失效模型作出微觀解釋。

1 理論基礎(chǔ)

威布爾函數(shù)的功能性多，具有廣泛的應(yīng)用性，它由瑞典科學(xué)家Weibull教授提出的一個描述產(chǎn)品失效過程和壽命分布的數(shù)學(xué)模型。大量試驗結(jié)果表明：因機(jī)電產(chǎn)品某一局部失效或故障所引起全局機(jī)能停止運行的元器件、設(shè)備、系統(tǒng)等的壽命均服從Weibull分布[8]。威布爾（Weibull）模型作為一類單調(diào)失效率模型能夠較好地擬合產(chǎn)品的壽命和可靠性等隨機(jī)現(xiàn)象，并得到了廣泛應(yīng)用[9]。威布爾分布模型已經(jīng)廣泛用于電氣設(shè)備可靠性評估當(dāng)中[10-13]。因此，本文采用兩參數(shù)威布爾分布模型研究避雷器的可靠性。

兩參數(shù)威布爾的分布密度函數(shù)為

失效分布函數(shù)（累計分布函數(shù)）為

可靠性函數(shù)為

故障函數(shù)為

式中：x≥0，a＞0，b＞0；a為模型的形狀參數(shù)；b為模型的尺度參數(shù)。

當(dāng)威布爾函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)確定后，該函數(shù)就是唯一確定的，筆者利用MATLAB求解威布爾分布函數(shù)的參數(shù)。

2 可靠性試驗

2.1 試驗樣品及預(yù)處理

試驗的避雷器來源于FN8006型動車組，其額定電壓為42kV，高度為576mm，護(hù)套直徑為130mm。

在測試?yán)匣卣鲄⒘恐?，需用干布擦拭整只避雷器，抹去避雷器外套上?jīng)過浸水之后所殘留的水分，再用無水乙醇擦拭絕緣子表面，除去絕緣子表面的污穢和灰塵，以免對試驗結(jié)果造成誤差。

2.2 試驗流程

基于GB11032—2010并結(jié)合避雷器在實際的運行環(huán)境，設(shè)計了電熱—振動—浸水聯(lián)合老化試驗。電熱聯(lián)合老化10 h，施加電壓為40 kV，烘箱溫度為80℃，振動頻率為50 Hz，振動2 h，同時需要對避雷器密封性進(jìn)行檢驗，需把避雷器完全浸入水中10 h，這樣為一個老化周期，試驗流程見圖1。每個老化周期之后，對避雷器的絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下泄漏電流、工頻參考電壓、持續(xù)運行電壓下阻性電流分量進(jìn)行測量記錄。

圖1 試驗流程圖Fig.1 The flow chart of test

根據(jù)GB11032—2010及制造廠給出的信息，避雷器絕緣電阻不應(yīng)小于1000 MΩ；直流參考電壓不應(yīng)小于52 kV；0.75倍直流參考電壓下泄漏電流不應(yīng)大于50 uA；工頻參考電壓不得低于42 kV；持續(xù)運行電壓（28 kV）下阻性電流分量不得超過初始值的2倍，若測量結(jié)果不滿足上述條件中其中一條，則認(rèn)為該避雷器劣化嚴(yán)重。

3 試驗分析

3.1 老化特征參量分析

為了減小試驗分散性對試驗結(jié)果的影響，本文選取10只避雷器進(jìn)行電熱—振動—浸水聯(lián)合多因子老化試驗。根據(jù)2.2節(jié)技術(shù)指標(biāo)，得到各試樣的壽命時間，見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用MATLAB求解出式（1）中兩

參數(shù)威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)a=990.6，尺度參數(shù)b=7.758，尺度參數(shù)b表示試樣壽命數(shù)據(jù)的分散性，其值越小，試樣數(shù)據(jù)的分散性就越大[14]。得到各老化壽命節(jié)點避雷器的可靠度，見表2和圖2。

表1 聯(lián)合老化下試樣的壽命Table 1 Lifetime of ten samples under combined aging

表2 不同老化節(jié)點的可靠度Table 2 Reliability of different lifetime nodes

圖2 老化時間與避雷器可靠度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between aging time and reliability of surge arrester

分析圖2可知，在老化前期（600 h之前）避雷器可靠性下降速度非常緩慢；老化中期（600～900 h），避雷器失效速率加快；到了老化后期（900 h之后），避雷器可靠性迅速下降，避雷器的失效速率加快。避雷器的失效主要是由于內(nèi)部氧化鋅電阻片失效所引起，根據(jù)線性增值擊穿理論[15]，在老化初期，氧化鋅內(nèi)部導(dǎo)熱不良、性能較差的晶粒和晶界率先被破壞，由于這些晶粒和晶界的數(shù)量較少，破壞速率緩慢，故在老化初期，避雷器的可靠性下降速度緩慢；隨著老化時間的增加，被破壞的晶粒和晶界所在的局部區(qū)域形成一個低阻區(qū)，導(dǎo)致電流集中于該區(qū)域，從而導(dǎo)致臨近區(qū)域的晶粒和晶界連鎖性的破壞，使氧化鋅內(nèi)部有效晶粒和晶界的數(shù)目不斷減少，同時導(dǎo)致內(nèi)部氧化鋅電阻片荷電率增加，導(dǎo)致避雷器負(fù)擔(dān)加重，加快電阻片的老化速度；在老化后期，由于內(nèi)部晶粒和晶界一連串的破壞，最終將形成惡性循環(huán)，避雷器的失效速率快速下降，導(dǎo)致避雷器最熱崩潰。

在特征參量測量前對試樣進(jìn)行預(yù)處理，然后得到5個壽命節(jié)點的避雷器老化特征參量平均值，見表3。

3.2 老化特征參量與避雷器可靠性之間的關(guān)系

根據(jù)表2和表3所得避雷器各老化節(jié)點可靠度和各壽命節(jié)點的老化特征參量，發(fā)現(xiàn)避雷器各老化特征參量與可靠度間成線性關(guān)系，利用MATLAB軟件和最小二乘法得到如式（3）所示的關(guān)系[16-17]，線性回歸的分析結(jié)果見表4、圖3-圖7。

式中：R為避雷器可靠度；x為不同的老化特征參量；e服從N（0，σ2）正太分布，為隨機(jī)影響因素；α1和α2為與可靠度相關(guān)的擬合常數(shù)。

表3 不同壽命節(jié)點的老化特征參量平均值Table 3 Average values of aging characteristic parameters of different lifetime nodes

表4 不同老化特征參量與可靠度的關(guān)系Table 4 The relationship between different aging characteristic parameters and reliability

圖3 絕緣電阻與避雷器可靠度的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between insulation resistance and reliability of arrester

分析表4、圖3-圖7可知，隨著避雷器老化程度的加深，絕緣性能不斷降低，其絕緣電阻不斷下降；同時導(dǎo)致避雷器絕緣筒的密封性能下降，致使避雷器受潮，導(dǎo)致0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流、阻性電流和全電流增加[18]。避雷器內(nèi)部的氧化鋅電阻片會不斷劣化，致使電壓分布不均勻，增大了避雷器發(fā)熱產(chǎn)生的功率損耗，使避雷器氧化鋅電阻片的非線性系數(shù)不斷下降，導(dǎo)致直流參考電壓和工頻參考電壓降低[19]。

當(dāng)避雷器未失效時，避雷器的絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下泄漏電流、工頻參考電壓、持續(xù)運行電壓下阻性電流分量與其可靠性之間存在著良好的線性關(guān)系，這些特征參量可作為評估避雷器老化的參數(shù)，對車頂避雷器的運行和維護(hù)具有實際的參考價值。但當(dāng)避雷器失效或接近失效時，絕緣電阻、工頻參考電壓和直流參考電壓急劇下降，0.75倍直流參考電壓下泄漏電流、持續(xù)運行電壓下泄漏阻性電流分量迅速上升，從圖2避雷器可靠度曲線可以得出相同的結(jié)論，當(dāng)老化至一定時間，其可靠度會迅速下降，避雷器的失效速率加快。

圖4 直流參考電壓與避雷器可靠度的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between DC reference voltage and reliability of arrester

圖5 泄漏電流與避雷器可靠度的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between leakage current and reliability of arrester

圖6 工頻參考電壓與避雷器可靠度的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between full leakage current and reliability of arrester

圖7 阻性電流與避雷器可靠度的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between impedance leakage current and reliability of arrester

4 結(jié)論

筆者在實驗室環(huán)境對動車組避雷器進(jìn)行多因子老化試驗，測試不同壽命階段的老化特征參量，分析這些老化特征參量與避雷器可靠性之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1）車載避雷器的可靠性服從兩參數(shù)威布爾分布，老化前期避雷器可靠性下降緩慢；老化中期避雷器可靠性下降速率加快；老化后期避雷器可靠性迅速下降，避雷器的失效速度急劇加快。

2）隨著老化時間的增加，避雷器的絕緣電阻、工頻參考電壓和直流參考電壓的下降，0.75倍直流參考電壓下泄漏電流和持續(xù)運行電壓下阻性電流分量的上升，避雷器的可靠性不斷降低。

3）車載避雷器的絕緣電阻、直流參考電壓、0.75倍直流參考電壓下泄漏電流、工頻參考電壓、持續(xù)運行電壓下阻性電流分量能靈敏反映避雷器可靠性水平，與其可靠性之間存在良好的線性關(guān)系，為動車組避雷器的運行和維護(hù)提供了較好的技術(shù)支持。

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