柳明宇

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金屬氧化物避雷器對牽引網(wǎng)諧波過電壓的響應(yīng)分析

柳明宇

電氣化鐵路牽引網(wǎng)諧波過電壓可以達(dá)到很高數(shù)值。以實測的牽引母線電壓為數(shù)據(jù)源，仿真分析變電所避雷器和機(jī)車避雷器在該過電壓激勵下的電流響應(yīng)和熱量累積效應(yīng)，以采取相應(yīng)措施有效避免避雷器故障，保障供電設(shè)備運行安全。

諧波過電壓；金屬氧化物避雷器；電流響應(yīng)；熱量積累

0 引言

電力機(jī)車是非線性負(fù)荷，不同的機(jī)車類型以及機(jī)車在啟動、加速、牽引、制動等不同工況下運行時機(jī)車取流大小不斷變化，機(jī)車電流中的各次諧波含量也隨之變化。每臺電力機(jī)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(wǎng)注入諧波電流，使?fàn)恳W(wǎng)中含有復(fù)雜的諧波，諧波的頻率和大小時刻變化，表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)波動性和穩(wěn)態(tài)奇次性[2]，從而引起牽引網(wǎng)諧波過電壓。某煤炭運輸重載鐵路線路開通運營后頻繁發(fā)生機(jī)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(yán)重影響正常的鐵路運輸秩序。有牽引負(fù)荷時，牽引變電所饋線出口處避雷器泄漏電流在線監(jiān)測儀指針急劇擺動，擺動幅度超過監(jiān)測儀30 mA的最大刻度，且在指針擺動的同時電氣設(shè)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(yīng)進(jìn)行分析，對預(yù)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(tǒng)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(tǒng)過電壓。MOA由非線性金屬氧化物電阻片串聯(lián)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(yīng)速度[3，4]，在正常工頻電壓下呈現(xiàn)高電阻，僅有微小的泄漏電流通過。當(dāng)承受的過電壓達(dá)到一定程度時，MOA呈現(xiàn)低電阻并且所表現(xiàn)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(shù)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(lián)的設(shè)備承受過高的電壓而損壞。

MOA的伏安特性表達(dá)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(hù)電壓；ref為避雷器參考電流，取決于避雷器的標(biāo)稱放電電流；為MOA的特性常數(shù)，由避雷器生產(chǎn)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(shù)。在不同的傳導(dǎo)區(qū)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(dǎo)區(qū)域典型的伏安特性常數(shù)如表1所示。

表1 避雷器伏安特性常數(shù)

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(hù)水平的避雷器，伏安特性的確切數(shù)學(xué)關(guān)系由避雷器的參考保護(hù)電壓ref和參考電流ref確定。當(dāng)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(hù)電壓，標(biāo)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(yīng)的操作沖擊殘壓即為參考保護(hù)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(jī)車使用的金屬氧化物避雷器主要參數(shù)如表2所示。

表2 金屬氧化物避雷器主要參數(shù)

參考電流ref取500 A，牽引變電所避雷器和機(jī)車避雷器的參考保護(hù)電壓ref分別為98和86 kV，根據(jù)式（1）確定的電壓和電流函數(shù)關(guān)系，可以分別得出變電所避雷器和機(jī)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(jī)車避雷器的伏安特性曲線

對比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，通過相同電流時，機(jī)車避雷器比變電所避雷器的端電壓低，能夠?qū)⑦^電壓幅值限制在更低的范圍內(nèi)。

2 牽引網(wǎng)諧波過電壓

對該線路某牽引變電所27.5 kV母線電壓進(jìn)行監(jiān)測和采集，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)供電臂內(nèi)的機(jī)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(dá)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(yuǎn)超正常值，諧波引起的牽引網(wǎng)過電壓振蕩持續(xù)時間可達(dá)數(shù)分鐘。

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

圖3 牽引變電所母線過電壓采樣數(shù)據(jù)

圖3中，前30 s內(nèi)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(xiàn)急劇振蕩波動，最大峰值達(dá)到80 kV，整個過電壓過程持續(xù)時間達(dá)上百秒。實測的牽引母線電壓數(shù)據(jù)反映了牽引母線電壓的實際情況，該過電壓為機(jī)車諧波電流引起的諧波過電壓和機(jī)車避雷器以及牽引變電所避雷器等因素共同作用的結(jié)果。

3 避雷器在諧波過電壓作用下的電流響應(yīng)

為準(zhǔn)確分析避雷器在諧波過電壓作用下通過的電流，在Simulink中構(gòu)建避雷器模型，按表1和表2設(shè)置避雷器參數(shù)，將圖3所示的實測牽引母線過電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Simulink環(huán)境中作為仿真模型的數(shù)據(jù)源，分別施加在牽引變電所避雷器和機(jī)車避雷器上，分析避雷器在過電壓激勵下的電流響應(yīng)。電流響應(yīng)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(nèi)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(dá)數(shù)毫安或數(shù)十毫安；當(dāng)牽引母線電壓峰值達(dá)80 kV時，避雷器通過高達(dá) 201 mA的尖峰電流，遠(yuǎn)超避雷器泄漏電流在線監(jiān)測儀的測量范圍，與在牽引變電所現(xiàn)場觀察到的避雷器泄漏電流在線監(jiān)測儀指針急劇擺動情況一致。

圖5 機(jī)車避雷器在過電壓作用下的電流

由圖5可以看出，機(jī)車避雷器電流波形與變電所避雷器的電流波形相似，但數(shù)值遠(yuǎn)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(dá)數(shù)安，而當(dāng)電壓峰值達(dá)到80 kV時，機(jī)車避雷器通過的電流高達(dá)83 A。

由于采用實測的牽引變電所母線電壓數(shù)據(jù)作為仿真的數(shù)據(jù)源，該電壓實際已經(jīng)受到變電所避雷器和機(jī)車避雷器的限制作用，因此在進(jìn)行仿真時將牽引母線電壓作為電壓源對待，不再重復(fù)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(zhuǎn)化為熱能，持續(xù)的功率損耗產(chǎn)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(dǎo)致避雷器熱崩潰。

避雷器的能量吸收能力可通過長持續(xù)時間沖擊電流耐受試驗來考核，GB11032規(guī)定避雷器長持續(xù)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(yīng)使試品冷卻至接近環(huán)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(dāng)于避雷器在保持熱平衡狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行了2次長持續(xù)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(xù)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(xù)時間沖擊電流，即方波沖擊電流，A；為沖擊電流視在持續(xù)時間，ms。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長持續(xù)時間沖擊電流采用視在持續(xù)時間為2 ms的方波電流。

將表2中避雷器的相關(guān)參數(shù)代入式（2），計算牽引變電所避雷器和機(jī)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(yīng)

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(zhuǎn)化為熱量。避雷器由于功率損耗在一段時間內(nèi)產(chǎn)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(jié)束時刻，s。

假設(shè)在短時過電壓期間避雷器處于絕熱狀態(tài)，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(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，對牽引變電所避雷器和機(jī)車避雷器的熱量累積過程進(jìn)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(nèi)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(chǎn)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(wěn)定狀態(tài)。

圖6 牽引變電所避雷器的熱量積累過程

圖7所示為機(jī)車避雷器在一個過電壓周期內(nèi)的熱量累積過程?？梢钥闯?，在短時過電壓作用下，機(jī)車避雷器累積的熱量高達(dá)3 900 kJ，遠(yuǎn)超按式（2）計算的機(jī)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(xù)產(chǎn)生的熱量超過機(jī)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(dǎo)致避雷器爆炸損壞。

圖7 機(jī)車避雷器的熱量累積過程

6 結(jié)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(xù)時間僅為數(shù)十微秒，單一沖擊電流在避雷器上功率損耗產(chǎn)生的熱量是有限的，不足以破壞避雷器的熱穩(wěn)定。而機(jī)車諧波電流會引起牽引網(wǎng)在長達(dá)數(shù)分鐘時間內(nèi)產(chǎn)生頻繁的沖擊性過電壓，該諧波過電壓使機(jī)車避雷器在短時間內(nèi)連續(xù)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(yán)重時持續(xù)的熱量累積效應(yīng)會導(dǎo)致避雷器熱崩潰而損壞，使被保護(hù)的電氣設(shè)備受到過電壓的威脅，因此應(yīng)采取措施消除或抑制牽引網(wǎng)諧波過電壓。

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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。