型电力机车避雷器故障原因分析及对策

0 引言

我国牵引供电系统采用25 kV单相50Hz交流供电方式，从三相电力系统受电，由牵引变压器经牵引网给电力机车供电，电力机车通过受电弓受流，再经过断路器、高压电缆、牵引变压器等一系列高压设备最终将电能传递给牵引电机，牵引电机将电能转化为机械能，驱使列车行驶。但长期以来，电力机车高压电气系统的过电压防护问题一直没有得到很好的解决，以电力机车为例，在电力机车运行过程中，除了恶劣环境造成的外部因素外，各种类型的过电压如大气过电压、谐振过电压、操作过电压等导致电力机车高压电气设备的击穿闪络现象已经成为制约电力机车正常运行的主要原因，避雷器作为电力机车的过电压保护元件，其重要性不言而喻。

从近几年机车避雷器的运用情况看，HXD1型电力机车车顶避雷器发生故障的频次有所下降，但运行中故障仍时有发生。运行中电力机车一旦发生避雷器烧损对地放电后，会引起牵引变电所跳闸，牵引网断电，电力机车无法运行，严重影响铁路系统的运输秩序。因此研究避雷器发生故障的原因，预防和减少避雷器故障对于铁路运输安全具有重要意义。

本文以我国电气化铁路用HXD1型电力机车为对象，首先从高压电气系统结构、过电压防护策略对该型机车进行简要分析，然后通过实测进一步阐述电力机车运行的高压电气环境，分析HXD1型电力机车运行数据，对HXD1型电力机车避雷器故障原因进行分析，并给出了预防和减少避雷器故障的建议。

1 HXD1型电力机车高压电气原理图及过电压防护策略

1.1 HXD1型电力机车高压电气原理图

HXD1型电力机车高压系统主要采用德国西门子的技术方案，在引进外国技术的基础上对其进行国产化改造再创新。图1为HXD1型电力机车高压系统电路结构图，机车车顶设备包括通信用的天线设备和高压户外电气设备，高压户外电气设备既要满足机车电气性能的要求，又要有足够的高压绝缘性能和抵抗风、沙、雨、雪、低温等恶劣自然环境的侵害及雷电过电压袭击的能力。

图1 HXD1型电力机车高压系统

1.2 HXD1型电力机车过电压防护策略

电力机车在运行中，有可能承受来自外部雷击的大气过电压，同时也有可能承受来自机车内部电器设备的操作( 如主断路器开闭等) 引起的电压冲击造成的操作过电压，为防止这些过电压损坏机车电气设备，电力机车在主断路器与高压穿墙套管之间装有氧化锌避雷器。

金属氧化锌避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由设备操作引起的内部过电压的一种电气设备。它实质上是一种放电器，并联在需要过电压保护的设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器立即放电，限制了过电压的幅值，从而保护了其他电气设备免遭过电压的危害。

HXD1型电力机车采用单避雷器保护策略。

2 HXD1型电力机车运行测试

2.1 故障概述

2016年8月17日—2016年9月17日，HXD1-1189、6113、1454电力机车在襄渝线、麻柳-巴山下行区间内，共发生5次避雷器爆炸故障。图2为麻柳-巴山区间的供电示意图。松麻供电臂下同时存在2台车牵引，网压存在从27 kV拉低至24 kV并且剧烈波动的现象，避雷器均在24 kV附近发生故障。

图2 麻柳-巴山区间段供电示意图

2.2 HXD1型电力机车运行测试

为了进一步分析HXD1型电力机车避雷器故障产生机理以制定合理的防护措施，在2016年9月22日—2016年9月27日，在安康机务段的配合下，对HXD1-1189型电力机车进行电力机车谐波特性测试，即在试验车辆HXD1-1189机车上测试并记录网压、网流，同步监视记录TCU数据。

在9.22、9.23、9.24、9.27有4 d时间段，共进行4次测试，试验车辆为HXD1-1189车。测试机车编组和载重基本一致，编组50辆左右，载重3 300 t左右，测试典型波形及数据如图3、图4所示。

图3(a) 毛坝关区间HXD1-1189机车B节网压、网流波形(网压最大处)

图3(b) 毛坝关区间HXD1-1189机车B节网压、网流频谱分布(网压最大处)

图4(a) 巴山区间HXD1-1189机车B节网压、网流波形 (网压最大处)

图4(b) 巴山区间HXD1-1189机车B节网压、网流频谱分布(网压最大处)表1 HXD1-1189机车上采集的典型网压、网流参数

区间网压峰值(kV)电压频谱分布电流频谱分布谐波频率范围(HZ)谐波峰值(V)谐波频率范围(HZ)谐波峰值(A)及占比毛坝关45．．．．70．66(0．57%)麻柳59．．．91．39(0．46%)巴山60．．．．71．47(0．71%)

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