動(dòng)車組車頂避雷器絕緣材料的性能衰退研究

張啟哲， 歐 琦， 毛帥濤， 王勝輝， 劉 健， 律方成

(1. 華北電力大學(xué)，北京 102206; 2. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130011)

0 引 言

輸電系統(tǒng)中不可避免存在雷電過電壓和操作過電壓，過電壓傳輸過程中可能發(fā)生反射，產(chǎn)生兩倍于初始值的過電壓，可能導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣故障[1]。應(yīng)對過電壓的方法主要有兩種：1）提高電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，令其能夠承受預(yù)期的過電壓；2）采取措施降低預(yù)期的過電壓水平。安裝避雷器是限制過電壓的重要方法[2]。自20世紀(jì)70年代以來，氧化鋅電阻片以其優(yōu)異的非線性伏安特性得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)可以將避雷器分為帶間隙避雷器和無間隙避雷器[3]。根據(jù)避雷器的應(yīng)用場景，其設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)從變電站到HVDC、FACTS系統(tǒng)再到鐵路應(yīng)用的要求[4]。

在長期運(yùn)行過程中，避雷器可能會(huì)發(fā)生受潮、性能衰退或老化。缺陷避雷器在承受過電壓時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆炸，從而給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全隱患[5]。避雷器長期承受過電壓，可能會(huì)因過熱而發(fā)生熱擊穿。溫度、濕度和荷電率對氧化鋅避雷器的特性也具有重要影響。老化試驗(yàn)結(jié)果表明，在長期運(yùn)行條件下，避雷器的護(hù)套可能會(huì)出現(xiàn)衰退或開裂的現(xiàn)象[6]。

通過仿真計(jì)算，可以研究避雷器的絕緣配合和電場分布特性，并為避雷器設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)。利用ATP-EMTP、Matlab和Pspice等仿真軟件可以分析過電壓的產(chǎn)生及傳播特性[7-9]，為避雷器的合理配置提供依據(jù)。此外，有限元法也是避雷器仿真計(jì)算的重要方法[10-11]。

通過老化試驗(yàn)及缺陷避雷器的測試結(jié)果，研究人員提出了多種避雷器故障檢測及狀態(tài)評估方法[12]。雖然動(dòng)車組（EMU）配備了電壓電流監(jiān)測系統(tǒng)和過電壓保護(hù)裝置，但系統(tǒng)采樣率較低，無法對沖擊過電壓起到記錄及防護(hù)作用。相比動(dòng)車組柜式避雷器具有較高的長期服役可靠性[13]，動(dòng)車組車頂避雷器運(yùn)行環(huán)境較惡劣，在長期運(yùn)行過程中更容易發(fā)生老化。

目前的研究主要集中在輸電線路避雷器的故障分析和診斷上，對動(dòng)車組車頂避雷器的故障研究相對缺乏。本文對某型動(dòng)車組車頂避雷器開展研究，得到了缺陷避雷器的電氣性能特征。對避雷器中的絕緣材料進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）測試和X射線能譜分析（EDS），得到其衰退特征。采用有限元分析，模擬了避雷器存在缺陷時(shí)的電場分布，提出了車頂避雷器的故障原因。

1 服役避雷器電氣性能試驗(yàn)

1.1 避雷器介紹

某型動(dòng)車組車頂避雷器由金具、硅橡膠傘裙及護(hù)套、絕緣支撐筒和氧化鋅電阻片構(gòu)成。避雷器總高度為580 mm，高壓端法蘭和低壓端法蘭相距480 mm，避雷器護(hù)套外直徑80 mm。共有20片硅橡膠傘裙，大小傘裙間隔設(shè)置，大傘裙直徑130 mm，小傘裙直徑100 mm，相鄰大傘裙之間相距40 mm。避雷器額定電壓42 kV，標(biāo)稱放電電流10 kA，標(biāo)稱放電電流下的雷電沖擊殘壓＜105 kV，直流1 mA參考電壓＞58 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓34 kV，安裝于動(dòng)車組主斷路器兩側(cè)。高速鐵路接觸網(wǎng)額定電壓為27.5 kV。避雷器外觀如圖1所示。

圖1 避雷器外觀圖

根據(jù)運(yùn)營商統(tǒng)計(jì)，該型避雷器在最近4年發(fā)生了70起故障。故障類型包括電蝕、性能衰退、傘裙脫膠、外殼損傷和炸裂。各類故障占比如圖2所示。

圖2 近4年避雷器故障統(tǒng)計(jì)

在避雷器的各類故障中，炸裂故障達(dá)到17.14%，嚴(yán)重影響了動(dòng)車組的正常運(yùn)行。性能衰退故障占比達(dá)到62.86%，成為避雷器的主要故障類型。性能衰退避雷器的主要特征為參考電壓降低和阻性電流增大。在正常運(yùn)行電壓下，性能衰退避雷器阻性電流較大，可能產(chǎn)生明顯溫升。高溫環(huán)境加快了避雷器衰退過程，當(dāng)遭受過電壓沖擊時(shí)，避雷器更容易發(fā)生熱擊穿。本文針對性能衰退避雷器開展試驗(yàn)和仿真研究。

1.2 性能衰退避雷器特征

選取正常避雷器和性能衰退避雷器各1只，開展基本電氣性能測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 避雷器電氣性能測試結(jié)果

性能缺陷避雷器的各項(xiàng)電氣性能均已不滿足技術(shù)要求。為了研究避雷器出現(xiàn)性能衰退的原因，對兩只避雷器進(jìn)行拆解。每只避雷器閥片總數(shù)為12片，閥片直徑52 mm，厚度24 mm。閥片之間的接觸面噴有一層鋁電極，如圖3所示。

圖3 閥片鋁電極圖

相比于正常避雷器閥片，性能衰退避雷器閥片的鋁電極邊緣出現(xiàn)了明顯的氧化痕跡。閥片側(cè)面涂敷絕緣層。不同狀態(tài)避雷器閥片的側(cè)面絕緣層如圖4所示。

圖4 閥片側(cè)面絕緣層

正常避雷器閥片的側(cè)面絕緣層表面光滑，而性能衰退避雷器閥片的側(cè)面絕緣層表面變粗糙，且有電弧燒蝕痕跡。不同狀態(tài)避雷器的環(huán)氧筒如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)避雷器的絕緣支撐筒

避雷器絕緣支撐筒的材質(zhì)為玻璃纖維環(huán)氧樹脂。由于不同批次避雷器生產(chǎn)工藝有所差異，正常避雷器和性能衰退避雷器的玻璃纖維填料有所不同。性能衰退避雷器絕緣支撐筒內(nèi)壁有明顯的電樹枝放電痕跡，且環(huán)氧筒內(nèi)壁呈現(xiàn)黑色和白色兩種顏色。

為了研究避雷器性能衰退的原因，對氧化鋅閥片和環(huán)氧筒開展電氣性能測試。閥片鋁電極層印刷有電氣性能出廠測試結(jié)果。對性能衰退避雷器的各閥片開展直流參考電壓和標(biāo)稱放電電流下的殘壓測試，將測試結(jié)果與出廠值作對比，如表2所示。

表2 閥片的電氣性能測試結(jié)果

各閥片的直流參考電壓和殘壓與出廠值接近，變化率最大為2.5%。各閥片直流參考電壓總和為62.6 kV，大于技術(shù)要求的58 kV。殘壓和為104.7 kV，小于技術(shù)要求的105 kV?？梢?，氧化鋅閥片的電氣性能并沒有出現(xiàn)明顯的衰退。

使用絕緣電阻測試儀對閥片側(cè)面絕緣層和環(huán)氧筒內(nèi)壁開展絕緣電阻測試。UT502A型絕緣電阻測試儀額定電壓2 500 V，測量范圍0.00 MΩ ～20.0 GΩ。分別測量兩只避雷器各閥片側(cè)面絕緣層絕緣電阻最小值和環(huán)氧筒不同位置的絕緣電阻。測試電極之間相距5 mm。各閥片側(cè)面絕緣層的絕緣電阻如圖6所示。靠近避雷器高壓端的閥片編號為1，靠近接地端的閥片編號為12。

圖6 閥片絕緣電阻測試結(jié)果

正常避雷器各閥片側(cè)面絕緣層的絕緣電阻在419～514 MΩ之間。性能衰退避雷器靠近高壓端的3片閥片側(cè)面絕緣電阻明顯降低。對環(huán)氧筒的不同位置進(jìn)行絕緣電阻測試，絕緣電阻測試位置編號如圖5所示，測試結(jié)果見圖7。

圖7 環(huán)氧筒絕緣電阻測試結(jié)果

與正常避雷器相比，性能衰退避雷器的環(huán)氧筒內(nèi)壁電樹枝區(qū)域和白色區(qū)域的絕緣電阻明顯降低，絕緣性能受到嚴(yán)重破壞。性能衰退避雷器環(huán)氧筒黑色區(qū)域的絕緣性能良好。

通過閥片基本電氣性能測試可知，性能衰退避雷器的閥片電氣性能與正常避雷器閥片基本一致。性能衰退避雷器閥片的側(cè)面絕緣層絕緣電阻降低，尤其是靠近高壓端的閥片側(cè)面絕緣電阻降低明顯。性能衰退避雷器的環(huán)氧筒內(nèi)壁部分區(qū)域的絕緣電阻顯著降低。當(dāng)遭受過電壓沖擊時(shí)，由于內(nèi)部絕緣材料性能下降，性能衰退避雷器更容易發(fā)生內(nèi)部沿面閃絡(luò)。

2 避雷器絕緣材料性能測試

為了進(jìn)一步研究性能衰退避雷器中絕緣材料的微觀變化，對避雷器閥片側(cè)面絕緣層和環(huán)氧筒內(nèi)壁開展了SEM和EDS測試，得到了絕緣材料的微觀形貌特征和元素組成。測試樣品的信息如表3所示。各樣品照片如圖8所示。

表3 避雷器樣品信息

圖8 樣品照片

利用SEM觀察各試樣表面形貌，如圖9所示。

圖9 閥片側(cè)面絕緣層SEM圖像

正常避雷器閥片側(cè)面絕緣層表面條狀填料分布均勻。性能衰退避雷器閥片側(cè)面絕緣層表面形貌發(fā)生了變化，出現(xiàn)了顆粒狀團(tuán)聚物。采用EDS測試樣品表面的化學(xué)成分。EDS測試區(qū)域及編號如圖9所示。各區(qū)域的EDS能譜如圖10所示。

圖10 閥片側(cè)面絕緣EDS能譜

區(qū)域1和區(qū)域3的化學(xué)成分相似，主要元素為C和O。說明性能衰退避雷器閥片側(cè)面絕緣的基體沒有發(fā)生改變。對比圖10(b)和圖10(d)可知，性能衰退避雷器閥片側(cè)面絕緣材料的C含量明顯降低，O元素和Ba元素的含量顯著增加。將試樣分為環(huán)氧筒內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面，分別開展SEM測試。環(huán)氧筒內(nèi)側(cè)為靠近閥片的一側(cè)。環(huán)氧筒外側(cè)為靠近硅橡膠護(hù)套的一側(cè)。兩種避雷器試樣的SEM和EDS測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 環(huán)氧筒SEM圖像

避雷器環(huán)氧筒內(nèi)壁在正常狀態(tài)下呈現(xiàn)黑色，且表面覆蓋有環(huán)氧樹脂。白色區(qū)域的環(huán)氧筒內(nèi)壁清晰可見玻璃纖維布，表面沒有環(huán)氧樹脂覆蓋?？梢?，性能衰退環(huán)氧筒的內(nèi)表面可能發(fā)生結(jié)構(gòu)缺損。EDS測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 環(huán)氧筒EDS能譜

正常區(qū)域的環(huán)氧筒內(nèi)側(cè)表面主要成分為C和O，即環(huán)氧樹脂。正常區(qū)域環(huán)氧筒外側(cè)、性能衰退區(qū)域環(huán)氧筒內(nèi)側(cè)及外側(cè)主要元素均為O和Si，即玻璃纖維的主要成分。

根據(jù)避雷器絕緣材料微觀測試結(jié)果可知，避雷器的性能衰退是由絕緣材料的性能衰退造成的。首先，環(huán)氧筒內(nèi)壁的環(huán)氧樹脂沒有完全覆蓋表面，如圖11(c)所示，環(huán)氧樹脂存在一些孔洞缺陷。環(huán)氧樹脂的孔洞可能導(dǎo)致環(huán)氧筒玻璃纖維層之間形成氣隙。氣隙的存在導(dǎo)致環(huán)氧筒局部場強(qiáng)過大，在過電壓作用下可能發(fā)生局部放電。由于動(dòng)車組車頂避雷器經(jīng)常遭受沖擊過電壓，環(huán)氧筒內(nèi)壁的氣隙放電逐漸發(fā)展為電樹枝，如圖5所示。當(dāng)環(huán)氧筒的玻璃纖維層之間由環(huán)氧樹脂緊密連接時(shí)，環(huán)氧筒內(nèi)壁呈現(xiàn)黑色。當(dāng)放電導(dǎo)致玻璃纖維層之間的氣隙逐漸增大時(shí)，玻璃纖維層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象，呈現(xiàn)白色，如圖5所示。由于環(huán)氧筒內(nèi)壁存在局部放電，放電形成的臭氧可能與附近氧化鋅閥片側(cè)面絕緣層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。放電破壞了閥片側(cè)面絕緣的表面形貌，如圖9所示。同時(shí)，也造成了閥片側(cè)面絕緣材料中O元素含量的顯著升高，如圖10所示。閥片側(cè)面絕緣和環(huán)氧筒內(nèi)壁絕緣材料的劣化在宏觀上表現(xiàn)為絕緣電阻的降低。當(dāng)避雷器承受過電壓沖擊時(shí)，絕緣材料的性能衰退可能導(dǎo)致避雷器內(nèi)部發(fā)生沿面閃絡(luò)。閃絡(luò)造成部分避雷器閥片短路，剩余閥片承受工頻過電壓，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致避雷器熱擊穿。

3 車頂避雷器絕緣缺陷的仿真研究

3.1 車頂避雷器模型

本文研究的避雷器主要由閥片、緊固彈簧、金屬墊塊、環(huán)氧筒、硅橡膠外套和上下法蘭組成。閥片疊加成柱，通過彈簧壓緊，與法蘭連接形成電氣通路，環(huán)氧筒起支撐作用，提供足夠的抗彎應(yīng)力，硅橡膠外套用來提供密封，防止水汽進(jìn)入，同時(shí)提高外絕緣爬電距離，法蘭用于與高壓、低壓連接。按照相關(guān)尺寸所建立的三維仿真模型如圖13所示。

圖13 避雷器仿真模型

圖13中模型的幾何參數(shù)如表4所示。法蘭的材料設(shè)定為不銹鋼，金屬墊塊的材料設(shè)定為鋁，閥片的材料設(shè)定為氧化鋅，閥片上下表面的噴鋁層材料設(shè)定為鋁。環(huán)氧筒的材料為環(huán)氧樹脂，護(hù)套材料為硅橡膠。各材料參數(shù)如表5所示。

表4 避雷器仿真模型幾何參數(shù)

表5 材料參數(shù)設(shè)置

環(huán)氧筒內(nèi)壁上存在一些缺陷，導(dǎo)致玻璃纖維出現(xiàn)了幾毫米到幾厘米的小縫隙。此外，空氣的相對介電常數(shù)比環(huán)氧樹脂低，這可能導(dǎo)致局部電場畸變。當(dāng)避雷器內(nèi)部受潮、水蒸氣分子侵入環(huán)氧筒縫隙時(shí)，由于水的相對介電常數(shù)與環(huán)氧樹脂相對介電常數(shù)差異較大，局部場強(qiáng)的畸變將更加明顯。因此，本文通過仿真計(jì)算研究這兩種情況下的電場分布。

3.2 環(huán)氧筒內(nèi)壁裂紋對電場分布的影響

由于環(huán)氧筒內(nèi)壁存在一定的缺陷，導(dǎo)致玻璃纖維中出現(xiàn)細(xì)小裂紋，長度可達(dá)30 mm。為簡化仿真模型，假設(shè)裂紋的方向與環(huán)氧筒的軸向方向一致，仿真模型中裂紋為沿著環(huán)氧筒軸向的細(xì)長狀結(jié)構(gòu)，寬度為0.5 mm，深度為0.2 mm，長度分別設(shè)置為5 mm、10 mm、20 mm和30 mm。以裂紋長度為10 mm為例，建立的三維模型如圖14所示。

圖14 缺陷避雷器三維模型

當(dāng)裂紋長度為10 mm時(shí)，沿環(huán)氧筒內(nèi)壁的電場分布如圖15所示。計(jì)算不同裂紋長度下的電場分布，結(jié)果如表6所示。

圖15 環(huán)氧筒內(nèi)壁電場分布（干燥）

表6 不同裂紋長度下的電場分布

當(dāng)裂紋中的介質(zhì)為空氣時(shí)，末端電場強(qiáng)度較低，約為10.6 kV/cm。裂紋長度對電場的影響較小。

如果水分侵入避雷器，由于毛細(xì)管效應(yīng)，空氣間隙將被水填滿。水的相對介電常數(shù)為81，遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂的相對介電常數(shù)（4.0），所以將導(dǎo)致電場集中。以裂紋長度為10 mm為例，電場強(qiáng)度沿環(huán)氧筒內(nèi)壁的分布如圖16所示。

圖16 環(huán)氧筒內(nèi)壁電場分布（受潮）

計(jì)算不同裂紋長度下的電場分布，結(jié)果如表7所示。

表7 不同裂紋長度下的電場分布（受潮）

當(dāng)裂紋中的介質(zhì)為水時(shí)，裂紋末端最大場強(qiáng)達(dá)到25 kV/cm，這可能會(huì)導(dǎo)致局部放電。長期放電會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧筒內(nèi)表面及其附近的閥片側(cè)面絕緣層顏色變黃。隨著裂紋長度的增加，裂紋末端的最大場強(qiáng)略有增加。

4 結(jié)束語

通過對正常避雷器和性能衰退避雷器進(jìn)行解體研究，發(fā)現(xiàn)性能衰退避雷器的閥片鋁電極層發(fā)生了氧化。鋁電極層局部氧化對閥片的電氣性能沒有影響。性能衰退閥片靠近高壓端的側(cè)面絕緣層出現(xiàn)了局部燒蝕痕跡，絕緣電阻有所降低。在性能衰退避雷器的環(huán)氧筒內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了電樹枝放電痕跡。環(huán)氧筒內(nèi)壁白色區(qū)域和電樹枝區(qū)域的絕緣電阻顯著降低，黑色區(qū)域絕緣性能良好。

SEM和EDS測試結(jié)果表明，在避雷器的制造過程中，環(huán)氧筒內(nèi)壁的環(huán)氧樹脂可能無法完全覆蓋，導(dǎo)致內(nèi)壁表面存在一些孔洞缺陷?？锥纯赡軐?dǎo)致環(huán)氧筒玻璃纖維層之間形成氣隙。環(huán)氧筒內(nèi)壁的氣隙可能誘發(fā)局部放電，放電形成的臭氧與附近氧化鋅閥片側(cè)面絕緣層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅破壞了閥片側(cè)面絕緣層的表面形貌，也造成了閥片側(cè)面絕緣層中O元素含量顯著升高，絕緣性能減低，更容易發(fā)生沿面閃絡(luò)。

建立了避雷器三維仿真模型。研究了裂紋對電場強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，干燥條件下裂紋對電場強(qiáng)度的影響較小。當(dāng)避雷器受潮，裂紋端部電場顯著增強(qiáng)，裂紋長度對電場強(qiáng)度影響較小。

在避雷器制造過程中，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)避雷器防潮及密封性能。改進(jìn)環(huán)氧筒的制造工藝，減少環(huán)氧筒內(nèi)壁的微小氣隙和裂紋，能夠有效避免避雷器性能衰退。