動(dòng)車組車頂避雷器內(nèi)部缺陷的解體試驗(yàn)研究

律方成， 張啟哲， 王勝輝， 董興浩， 劉 健， 王華倩

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(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；3.國網(wǎng)北京昌平供電公司， 北京 102200)

0 引 言

避雷器能夠有效限制過電壓幅值，保護(hù)后端電氣設(shè)備的安全。避雷器在運(yùn)行過程中，可能經(jīng)受過電壓沖擊、高鹽霧環(huán)境和表面積污受潮等復(fù)雜環(huán)境。避雷器常見故障包括電阻片炸裂、絕緣筒爆裂和外部污穢閃絡(luò)。由避雷器質(zhì)量問題或老化嚴(yán)重導(dǎo)致的電阻片破碎占避雷器故障總數(shù)的比例較大[1]。機(jī)車避雷器主要由硅橡膠復(fù)合外套、芯體、接線端子和法蘭構(gòu)成[2]。電阻片是金屬氧化物避雷器的核心部件[3]，具有優(yōu)異的能量耐受性能[4]。電阻片的特性直接決定了避雷器的電氣性能。ZnO電阻片的電特性由其微觀結(jié)構(gòu)決定[5]，任何一種不均勻性都會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻特性的降低[6]。電阻片的成分組成和制造工藝因素會(huì)影響其性能[7]以及微觀結(jié)構(gòu)[8]。因此，避雷器性能劣化與電阻片的微觀特征變化密不可分。

目前，國內(nèi)外研究人員在避雷器故障機(jī)理、老化特性和故障檢測等領(lǐng)域開展了大量研究。日本學(xué)者Eda提出，ZnO壓敏電阻在2 ms方波作用下的失效機(jī)理有針孔失效模式和炸裂模式兩種[9]。陳小川通過對方波炸裂壓敏電阻開展顯微形貌研究，指出了炸裂失效模式的不足之處，提出針孔內(nèi)電弧燃燒產(chǎn)生的ZnO蒸氣沖擊波是導(dǎo)致閥片炸裂的原因[10]。詹仲強(qiáng)基于Penalized軟閾值的小波包對變電站的MOA在線數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,從統(tǒng)計(jì)角度得到濾波后的故障信號特征,采用支持向量機(jī)對信號進(jìn)行分類,能夠在MOA完全失效前診斷出故障出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)[11]。王少偉基于泄漏電流對避雷器進(jìn)行了故障診斷與分析，指出泄漏電流為避雷器的故障判斷提供了有力的支撐，可有效診斷避雷器內(nèi)部故障[12]。楊智鵬針對110 kV MOA電阻片開展人工加速老化試驗(yàn)，提出高溫和受潮均會(huì)導(dǎo)致電阻片的絕緣電阻下降，并通過仿真計(jì)算研究了劣化閥片存在時(shí)整支避雷器的電壓分布和發(fā)熱情況[13]。林楚標(biāo)等人對110 kV整支氧化鋅避雷器開展了雷電沖擊老化特性研究，得到了直流參考電壓和殘壓隨沖擊次數(shù)的變化情況。并對老化后的避雷器進(jìn)行解體檢查，觀察了閥片沿面閃絡(luò)痕跡，通過微觀測試研究解釋了避雷器在沖擊電流下發(fā)生老化的原因[14]。王彤等人分析總結(jié)了MOA常見故障類型和特點(diǎn)，分析了泄漏電流測試和絕緣電阻測試的優(yōu)越性[15]。文獻(xiàn)[2]對炸裂的機(jī)車避雷器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)在避雷器內(nèi)部金屬配件及電阻片有受潮痕跡。

避雷器故障原因主要包括內(nèi)部缺陷和外部過電壓兩個(gè)方面。內(nèi)部缺陷主要有閥片受潮和劣化。閥片受潮或進(jìn)水的原因可能包括：密封不良、裝配環(huán)境不合格以及在外力作用下發(fā)生破損。當(dāng)避雷器內(nèi)部受潮或劣化時(shí)，其全電流和阻性電流可能發(fā)生變化，因此可通過泄漏電流測試檢測缺陷避雷器[16，17]。文獻(xiàn)[18]從電氣特性和介電特性兩個(gè)角度在離線狀態(tài)下研究了受潮、老化狀態(tài)與非線性伏安特性曲線、FDS曲線的關(guān)聯(lián)性。除了避雷器內(nèi)部缺陷，外部過電壓也是造成避雷器故障的重要原因。當(dāng)過電壓幅值和持續(xù)時(shí)間足夠大時(shí)，完好的避雷器也可能發(fā)生擊穿[19]。通過設(shè)置并聯(lián)間隙，可以提高避雷器承受過電壓的能力[20]。高速鐵路接觸網(wǎng)用帶間隙避雷器已研制成功[21]。

盡管帶間隙避雷器能夠承受更大能量的過電壓沖擊，現(xiàn)役的動(dòng)車組車頂避雷器不帶間隙。且動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)的過電壓相比電力系統(tǒng)更加頻繁，動(dòng)車組車頂避雷器可能經(jīng)常動(dòng)作，炸裂故障時(shí)有發(fā)生。由于動(dòng)車組電壓監(jiān)測裝置只能記錄一定周期內(nèi)的電壓有效值，無法得到避雷器發(fā)生故障時(shí)刻的電壓、電流波形數(shù)據(jù)，只能通過對故障避雷器進(jìn)行解體試驗(yàn)從而分析炸裂原因。

本文針對某型動(dòng)車組用車頂避雷器，選取正常、缺陷和炸裂三只避雷器試品開展試驗(yàn)研究，得到不同狀態(tài)下的避雷器特征，并對避雷器炸裂原因做出分析。

1 試品及研究方法

1.1 試品信息

本文研究所用試品為某典型生產(chǎn)廠商制造的動(dòng)車組用車頂避雷器。避雷器性能參數(shù)如下：

(1)額定電壓：42 kV；

(2)標(biāo)稱放電電流：10 kA；

(3)標(biāo)稱放電電流下的雷電沖擊殘壓：<105 kV;

(4)直流1 mA參考電壓：>58 kV；

(5)持續(xù)運(yùn)行電壓：34 kV；

(6)通流容量：500 A。

“正?！北芾灼髟嚻窞槿挛捶鄣男略毂芾灼??！叭毕荨北芾灼髟嚻窞槔袡z修中檢測出的不合格避雷器?！罢选北芾灼髟嚻窞樵诜圻^程中發(fā)生炸裂故障的避雷器。其中，正常避雷器和缺陷避雷器的出廠性能參數(shù)如表1所示。

表1 避雷器出廠性能參數(shù)Tab.1 Factory performance parameters of roof arrester

其中，U1 mA為直流參考電壓，I0.75U1mA為0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流，Ur為標(biāo)稱放電電流下的雷電沖擊殘壓，IX和IR分別為持續(xù)運(yùn)行電壓(34 kV)下全電流和阻性電流。

炸裂避雷器的出廠測試數(shù)據(jù)未知，故障發(fā)生時(shí)天氣晴，列車并未進(jìn)行升降受電弓、分合斷路器等操作，未記錄到過電壓波形。炸裂避雷器試品壓力泄放口照片如圖1所示。

圖1 炸裂避雷器泄放口Fig. 1 Exploded arrester

1.2 研究方法

由于炸裂避雷器已經(jīng)擊穿，無法進(jìn)行整只避雷器電氣性能測試。首先對正常和缺陷兩只避雷器試品開展整體性能測試。測試項(xiàng)目包括直流1 mA參考電壓、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下的全電流和阻性電流測試。然后，對三只避雷器進(jìn)行解體，對避雷器閥片開展電氣性能測試和微觀特性測試。研究路線如圖2所示。

圖2 研究路線圖Fig. 2 Research roadmap

2 整只避雷器電氣性能測試

直流參考電壓和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流的測試回路示意圖如圖3所示。

選用東文高壓電源公司的DW-P104-2ACF2型直流高壓電源，輸出電壓范圍0～100 kV，時(shí)漂精度0.1 %/h，溫漂精度0.1 /℃。對避雷器施加直流高壓，逐步升壓至流經(jīng)避雷器電流達(dá)到1 mA，記錄避雷器的直流參考電壓。將電壓降至0.75倍直流參考電壓，記錄對應(yīng)的泄漏電流。持續(xù)運(yùn)行電壓下的泄漏電流測試回路如圖4所示。

圖3 直流電壓測試回路Fig. 3 DC Voltage test circuit

圖4 持續(xù)運(yùn)行電壓下泄漏電流測試回路Fig. 4 Leakage current test circuit under continuous operation voltage

選用江都華宇高壓電氣有限公司的YDTW-10/110型工頻試驗(yàn)變壓器，高壓側(cè)額定電壓110 kV，額定容量10 kVA，電容分壓器變比為1 000∶1。采用泛華儀器設(shè)備有限公司的AI-6103型氧化鋅避雷器帶電測試儀，測量避雷器的泄漏電流。對避雷器施加34 kV持續(xù)運(yùn)行電壓，記錄避雷器的全電流和阻性電流。

正常和缺陷避雷器的直流電壓測試和持續(xù)運(yùn)行電壓測試結(jié)果如表2所示。

表2 避雷器整體電氣性能測試Tab.2 Overall electrical performance of roof arrester

由表2可知，與出廠測試值相比，缺陷避雷器試品出現(xiàn)了直流參考電壓下降、0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流升高和持續(xù)運(yùn)行電壓下的阻性電流升高現(xiàn)象。其直流參考電壓已經(jīng)接近58 kV(國標(biāo)規(guī)定下限值)，變化率為6.4 %，而0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流遠(yuǎn)高于50 μA(國標(biāo)規(guī)定的上限值)，變化率達(dá)到1 993.3 %。缺陷避雷器的阻性電流變化率達(dá)到144.8 %，遠(yuǎn)高于正常避雷器的阻性電流變化率14.2 %。正常避雷器的測試值和出廠值相近。

3 避雷器解體檢查

對三只避雷器試品進(jìn)行解體，觀察各避雷器閥片的特征。正常避雷器的閥片典型外觀如圖5所示。

圖5 正常避雷器閥片典型外觀Fig. 5 Typical appearance of normal arrester varistor

正常避雷器各閥片表面狀態(tài)均平整、潔凈，未見異常。缺陷避雷器的閥片典型外觀如圖6所示。

圖6 缺陷避雷器閥片典型外觀Fig. 6 Typical appearance of defective arrester varistor

缺陷避雷器靠近高壓端的閥片與正常避雷器閥片外觀存在差異。在鋁電極層的邊緣部分，出現(xiàn)了疑似化學(xué)腐蝕痕跡。閥片的側(cè)面絕緣層粗糙度增大，且絕緣層的顏色不均勻度增大。炸裂避雷器的閥片外觀如圖7所示。

由圖7(a)可知，避雷器靠近高壓端的閥片首先發(fā)生側(cè)面絕緣層閃絡(luò)。當(dāng)側(cè)面閃絡(luò)的閥片數(shù)量達(dá)到4個(gè)之后，剩余閥片承受了避雷器兩端的全部電壓，超過閥片的熱極限，導(dǎo)致閥片發(fā)生熱崩潰。由圖7(b)可見，閥片鋁電極層邊緣出現(xiàn)了疑似化學(xué)腐蝕痕跡，與缺陷避雷器的鋁電極層外觀相似。由圖7(c)可見，閥片側(cè)面絕緣層的形貌與缺陷閥片絕緣層相似，絕緣層出現(xiàn)了顏色不一致現(xiàn)象。

圖7 炸裂避雷器閥片典型外觀Fig. 7 Typical appearance of exploded arrester varistor

綜上可知，鋁電極層邊緣的疑似腐蝕痕跡和側(cè)面絕緣層的形貌變化可能是導(dǎo)致避雷器發(fā)生故障的內(nèi)在原因。

4 避雷器閥片測試

為了進(jìn)一步研究缺陷避雷器閥片和炸裂避雷器閥片發(fā)生的變化。對閥片開展電氣性能測試和微觀特性測試。由于炸裂避雷器閥片已全部擊穿，無法進(jìn)行電氣性能測試，僅對缺陷避雷器閥片開展電氣性能測試。

4.1 閥片電氣性能測試

使用V-I測試裝置，對缺陷避雷器閥片開展直流參考電壓和標(biāo)稱放電電流下的雷電沖擊殘壓測試。每個(gè)避雷器閥片表面印有出廠測試數(shù)據(jù)，各閥片出廠值和測試值如表3所示。由表3可知，缺陷避雷器各閥片的電氣性能測試結(jié)果和出廠測試結(jié)果區(qū)別不大。各閥片的直流參考電壓和為62.1 kV，與避雷器整只測試得到的58.3 kV存在較大差異。造成這種差異的原因可能是，當(dāng)避雷器未解體時(shí)，內(nèi)部存在水氣，水氣無法排出，導(dǎo)致閥片處于潮濕狀態(tài)，從而表現(xiàn)為整只避雷器直流參考電壓測試值較低。而解體之后，避雷器閥片在通風(fēng)干燥的環(huán)境下，由潮濕狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍餇顟B(tài)，從而表現(xiàn)為閥片電氣性能測試結(jié)果與出廠值接近。由上述研究可知，避雷器解體后的常規(guī)閥片電氣性能測試不能真實(shí)反映閥片的缺陷，而整只避雷器的電氣性能測試更容易檢測出內(nèi)部缺陷。同時(shí)，如果避雷器檢修周期過長，可能出現(xiàn)受潮避雷器恢復(fù)干燥的情況，導(dǎo)致內(nèi)部缺陷無法被及時(shí)檢出，避雷器“帶病”運(yùn)行。當(dāng)缺陷避雷器再次受潮，動(dòng)車組電氣設(shè)備安全將遭受嚴(yán)重威脅。

表3 閥片電氣性能測試Tab.3 Electrical performance test of varistors

由于缺陷避雷器各閥片的直流參考電壓和標(biāo)稱放電電流下的雷電沖擊殘壓測試結(jié)果與出廠值相比變化不明顯，為研究避雷器閥片缺陷與電氣性能的關(guān)系，對缺陷閥片開展方波沖擊電流試驗(yàn)和大電流沖擊耐受試驗(yàn)。選取兩片缺陷避雷器閥片，進(jìn)行方波沖擊電流試驗(yàn)，編號為1、2。采用2 ms方波考驗(yàn)閥片的能量承受能力。2 ms方波電流幅值為500 A(即避雷器通流容量)，沖擊次數(shù)為20次。閥片未發(fā)生破損即通過方波沖擊電流試驗(yàn)。選取兩片缺陷避雷器閥片，進(jìn)行大電流沖擊耐受試驗(yàn)，編號為3、4。對每只閥片施加兩次幅值為100 kA的4/10 μs沖擊電流，兩次電流沖擊之間閥片應(yīng)充分冷卻。若閥片經(jīng)過兩次大電流沖擊，均未發(fā)生擊穿，則通過測試。缺陷閥片電流耐受試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 缺陷閥片電流耐受試驗(yàn)Tab.4 Current withstand test of defective varistor

由表4可知，兩只缺陷閥片均通過了2 ms方波測試，說明缺陷閥片在經(jīng)受持續(xù)大電流沖擊時(shí)，能夠達(dá)到避雷器的通流容量要求。3號閥片在第一次大電流沖擊試驗(yàn)中發(fā)生了沿面擊穿，4號閥片在第二次大電流沖擊試驗(yàn)中發(fā)生了沿面擊穿，均未通過大電流耐受試驗(yàn)。綜上可知，避雷器的閥片缺陷主要體現(xiàn)在側(cè)面絕緣性能的衰退。當(dāng)避雷器遭受大電流沖擊時(shí)，缺陷閥片更易發(fā)生側(cè)面絕緣層沿面擊穿。大電流沖擊試驗(yàn)中閥片沿面擊穿痕跡如圖8所示。

圖8 大電流沖擊下閥片沿面擊穿Fig. 8 Surface breakdown of varistor under high current impact

4.2 閥片微觀特性測試

正常、缺陷和炸裂三種狀態(tài)的避雷器閥片外觀存在顯著差異。為了研究閥片宏觀特征和微觀特征之間的關(guān)系，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對不同狀態(tài)的閥片鋁電極層和側(cè)面絕緣層開展微觀形貌測試。采用EDS能譜分析儀對不同狀態(tài)閥片的鋁電極層和側(cè)面絕緣層開展化學(xué)元素分析。不同狀態(tài)閥片試樣的SEM測試結(jié)果如圖9所示，放大倍數(shù)均為2 K。

圖9 避雷器閥片SEM測試Fig. 9 SEM test of arrester varistors

由圖9可知，正常、缺陷和炸裂三種狀態(tài)的避雷器閥片鋁電極層的微觀形貌存在較大差異。正常閥片的鋁電極層表面形貌較平整。缺陷閥片的鋁電極層表面形成了多片膜狀結(jié)構(gòu)。大片薄膜的尺寸可以達(dá)到10 μm。薄膜之間存在寬度為1 μm的溝壑。炸裂閥片的鋁電極層薄膜尺寸相比缺陷閥片有明顯增大，薄膜間的溝壑寬度和長度均有所增大。正常閥片的側(cè)面絕緣層形貌平整，條狀填料均勻分布。缺陷和炸裂避雷器閥片的側(cè)面絕緣層已不可見條狀填料，且形貌凹凸不平。鋁電極層形成薄膜和側(cè)面絕緣層粗糙化可能是造成避雷器閥片性能衰退的原因。各閥片的EDS能譜分析結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，正常避雷器閥片的鋁電極層主要元素為Al，而缺陷避雷器閥片和炸裂避雷器閥片的鋁電極層出現(xiàn)了大量的O元素。正常避雷器閥片的側(cè)面絕緣層主要元素為C，而缺陷避雷器閥片和炸裂避雷器閥片的側(cè)面絕緣層中O元素含量明顯升高。炸裂避雷器側(cè)面絕緣層發(fā)生了擊穿，從而在絕緣層上檢測出閥片內(nèi)部的Zn元素。

綜合SEM測試和EDS測試的結(jié)果可以推斷，造成避雷器內(nèi)部缺陷的主要原因是受潮。O元素以水氣的形式進(jìn)入避雷器內(nèi)部，在閥片的鋁電極層和側(cè)面絕緣層引發(fā)了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋁電極層的邊緣出現(xiàn)氧化薄膜，側(cè)面絕緣層的絕緣效果降低。氧化薄膜的存在導(dǎo)致閥片鋁電極層邊緣的電場發(fā)生畸變，容易引發(fā)局部放電。同時(shí)，由于側(cè)面絕緣層的劣化，放電可能沿絕緣層發(fā)展，導(dǎo)致閥片沿面閃絡(luò)。在外部過電壓和內(nèi)部絕緣缺陷的共同作用下，避雷器可能發(fā)生熱崩潰。

圖10 避雷器閥片EDS測試Fig. 10 EDS test of arrester varistors

5 結(jié) 論

通過對正常、缺陷和炸裂三只避雷器試品開展試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)避雷器存在內(nèi)部缺陷時(shí)，可能出現(xiàn)直流參考電壓降低、0.75倍直流參考電壓下泄漏電流增大和持續(xù)運(yùn)行電壓下阻性電流增大的現(xiàn)象。通過避雷器常規(guī)電氣性能測試能夠檢出缺陷避雷器。

(2)缺陷避雷器閥片恢復(fù)干燥后，其電氣性能與出廠值接近。避雷器在內(nèi)部受潮狀態(tài)下可以通過電氣性能測試檢出，一旦恢復(fù)干燥，電氣性能將恢復(fù)正常，缺陷仍然存在。缺陷閥片側(cè)面絕緣性能衰退，在大電流沖擊下更易發(fā)生沿面擊穿。因此，建議增加車頂避雷器的檢修頻率，以及時(shí)檢出缺陷避雷器。

(3)缺陷和炸裂避雷器閥片的鋁電極層和側(cè)面絕緣層均發(fā)生了微觀形貌的變化，且檢測出較高含量的O元素。說明避雷器內(nèi)部受潮，導(dǎo)致閥片絕緣性能的劣化。建議提高動(dòng)車組車頂避雷器密封性能的技術(shù)要求。