胡淑慧，赵冬一，李 凡，李 敏

（1.南阳金冠电气有限公司，河南 南阳 473000；2.西安高压电器研究院有限责任公司，西安 710077）

CRH3型动车组用避雷器的工况分析及其关键技术的研究

胡淑慧1，赵冬一1，李 凡2，李 敏1

（1.南阳金冠电气有限公司，河南 南阳 473000；2.西安高压电器研究院有限责任公司，西安 710077）

避雷器是动车组在高速铁道运行时的关键过电压保护设备之一，其技术研究和产品开发是实现动车组零部件国产化的一个重要课题。在介绍动车组机车过电压和高速运行状况的基础上，分析了动车组避雷器的电气应力 （稳态和暂态）、机械应力。深入研究了CRH3型动车组避雷器的关键技术，设计了产品并通过型式试验，满足国产化的工程需要。

金属氧化物避雷器；动车组；CRH3

0 引言

2007年4月18日，我国成功实施了第6次铁路大面积提速调图，和谐号CRH（China Railway High-speed）动车组首次出现在中国铁路上，在既有线上实现了最高时速250 km的高速运营[1]，高铁线路时速350 km。CRH动车组是动力分散型机车，具有牵引功率小、轴重小、启动加速度性能好、可靠性高、车辆空间利用率高等特点，动力分散性动车组是世界高速动车组技术发展的方向。

CRH动车组用避雷器是其重要的过电压保护设备。CRH动车组运行速度快，受电弓-接触网电接触状态变化频繁，动车组车体接地点多，电压波折反射剧烈，车顶气流分布和积污规律更加复杂，使得CRH动车组用避雷器的运行工况具有显著的特点[2]。

截至目前为止，在线运行的CRH动车组避雷器仍然是国外公司 ABB、SIEMENS和日立等提供。2014年04月，中国铁路总公司运输局车辆部组织国内相关单位成立动车组零部件打破垄断工作项目组，大力提高动车组零部件国产化率。开发研制CRH动车组避雷器，实现其国产化具有重大意义。

CRH动车组的车型主要包括：CRH1型、CRH2型、CRH3型和CRH5型4大类。笔者以CRH3型动车组用避雷器的研制为课题，深入研究了其关键技术，设计了产品并通过型式试验，满足国产化的工程需要。

1 CRH3动车组牵引电气系统及避雷器工作状态分析

1.1 CRH3动车组牵引电气系统

CRH3动车组牵引系统采用交-直-交传动方式，由两个相对独立的基本动力单元组成，主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机组成。受电弓通过接触网接入25 kV的单相高压交流电网，输送给牵引变压器降压，降压后的交流电输入牵引变流器，转换为直流后再逆变成电压和频率均可控的三相交流电，输送给牵引电机牵引整个列车[3]。

图1为动车组TC02的高压电气系统图[3]。避雷器安装在每个受电弓的右后方（如图1中8所示）用于保护列车以及后段的电气系统，防止雷电过电压通过接触线进入列车；位于变压器原边前段的避雷器，用于防止主变压器中不能承受的开关产生的操作过电压。

图1 TC02车的高压电气系统图Fig.1 TC02 car of high-voltage electrical system diagram

CRH3型动车组避雷器安装位置如图2所示，采用复合外套外绝缘结构。

1.2 CRH3动车组避雷器工况分析

1.2.1 CRH3动车组避雷器稳态应力分析

高速铁道上营运的CRH3型动车组有两种编组模式：短编组（8车）和长编组（16车）。每列动车组都由两组互相对称的牵引单元组成（01车到04车为一组，05车到 08车为另一组），它们之间用车顶电缆连接起来。两列CRH3动车组可以重联形成一列长编组。

图2 TC02车的车顶电气设备及避雷器安装位置Fig.2 TC02car roof of the electrical equipment and lightning arrester installation location

CRH3型动车组避雷器在机车正常行驶的过程中要承受接触网电压。GB/T1402-2010《轨道交通 牵引供电系统电压》[4]中规定：牵引系统标称电压为25 kV（单相，50 Hz）。考虑到实际运行中电压的波动，接触网允许电压波动范围在故障或越区供电情况下瞬时 （时间不超过10 min）最小电压不低于17.5 kV，正常情况下最低电压为19 kV，最高电压为27.5 kV。在改变运行方式或牵引变电所高压侧电压波动的情况下，瞬时（时间不超过5 min）最大电压不高于29 kV[5]。如图表1、表2所示。

表1 对应持续时间电压的最大值Table 1 Corresponding to the maximum duration voltage

表2 标称电压及其允许的极限值Table 2 Nominal voltage and its limit value allowed

GB/T1402-2010的表1中注释：考虑到现场实际，推荐设备可以承受的最高非持续运行电压Umax2为30.5 kV。

中国铁道总公司于2014年修改颁发了《动车组避雷器暂行技术条件》TJ/CL311-2014[6]，规定了接触网电压，如表3所示。

表3 接触网电压Table 3 Contact net voltage kV

由于动车组机车上的采用了大功率、非线性元件IGBT组成的变流装置，再加上动车组的高速时变性，使得动车组的电流、电压波形畸变，谐波含量很大[7-10]。例如河南洛阳东牵引变电所谐波测试：最大电压综合畸变率为2.62%；95%概率大值为1.89%，如图3所示。

图3 洛阳东牵引变电所谐波测量图Fig.3 Luoyang east traction substation harmonic measurement chart

可以看出，CRH3型动车组避雷器在机车正常行驶的过程中要承受电压为含有谐波的最大值为31 kV的工频交流电压。因此，考虑到1.05倍的系数，我们可以选取避雷器的持续运行电压为：

1.2.2 CRH3动车组避雷器暂态应力分析

1.2.2.1 CRH3动车组避雷器操作过电压

动车组是牵引供电系统的主要负载，其过电压主要来源于两个方面：1）外部线路的过电压通过接触网传输到动车组上；2）动车组运行过程中的一些暂态过程引起的过电压。对于动车组而言，由于其速度高、车体振动幅度剧烈、弓网分离频繁，同时动车组牵引功率更大，因此内部过电压只要是：1）动车组分相过程产生的过电压；2）车体振动导致弓网分离产生的离线过电压[10-11]。如图4、图5所示[12]。

动车组再生制动或经过分相绝缘段时，车载真空断路器需要断开并且非常频繁 （在十万次左右）。车载真空断路器平均分闸速度1.5 m/s，分断时间在0.04 s左右，开断过程需要经历两个正弦周期，在正弦周期的上升和下降阶段都有可能发生截流，其中在电流上升阶段截流是真空断路器特有的现象，在开断电流仅约为200 A的小电流下，使得截流现象更加容易发生，会产生较高的操作过电压[13-16]。如果没有有效的限压措施，过电压幅值可能达到2.5倍，如果考虑熄弧重燃过程甚至更高。

图4 熄弧重燃时受电弓弓头过电压波形图Fig.4 Arc reigniting the pantograph head bow over voltage waveform figure

图5 弓网分离（超过300 ms）时弓头与电弧电压波形Fig.5 Bow net separation （more than 300 ms） bow the head and arc voltage waveform

因此需要采用动车组避雷器来限制操作过电压。CRH动车组上的高压电器设备的操作冲击绝缘耐受为135 kV。按照GB311.1-2012[18]的要求，操作保护水平配合系数选取为1.25，则动车组避雷器在0.5 kA/（30/60 μs）下的操作残压应不大于：

TJ/CL311-2014《动车组避雷器》技术规范要求：CRH380CL动车组避雷器≤89 kV。

1.2.2.2 CRH3动车组避雷器雷电过电压

高速铁道接触网线路长，遭受雷电袭击的概率大，特别是在雷电活动强烈的地区[19]。假设t=0时，雷电直击接触网机车所在处，由于机车上牵引变压器波阻抗比接触网的波阻抗大很多，认为雷电波分为二个方向沿接触网传播，去雷电波形为斜角波，根据下式可得雷击点的电压为[20]：

式中：Z接触网波阻抗；a雷电流陡度。

流过避雷器的的雷电冲击电流一般可以按照下式估算：

式中：Um为进入波雷电过电压，kV；Utl为避雷器的雷电冲击残压，kV；Z为线路波阻抗，Ω。取400 Ω。

一般情况下，最大雷电流幅值≤6 kA。

三星Galaxy S9此前已经开启One UI测试版升级计划，测试版提供了许多小巧但实用的功能，其中之一就是“Lift to wake”功能。顾名思义，这个功能类似于“抬腕唤醒”，启用后，只需将手机放在脸前即可检查锁屏上的通知和其他信息。有媒体指出，如果开启了“抬腕唤醒”功能，那么虹膜解锁速度会更快，因为虹膜传感器有时甚至在屏幕开启之前就开始扫描。

TJ/CL311-2014《动车组避雷器》技术规范要求CRH3系列避雷器为≤89 kV，CRH380CL动车组避雷器≤105 kV。

因此，CRH3动车组避雷器在标称雷电放电冲击电流10 kA下的残压不大于105 kV，满足雷电保护水平配合系数1.4的要求。

1.2.2.3 CRH3动车组避雷器能量耐受能力

避雷器在暂态过程中吸收的能量主要决定于操作过电压的幅值、波形、电力系统的阻抗和结构、避雷器的保护特性和短时间内的操作频率等。假设整条接触网在预期的操作冲击电压充电，然后在两倍线路的波传播时间内，对预期保护水平的避雷器放电，就可以推导出避雷器能量的简化计算：

式中：L为线路长度；c为光速；Zs为线路波阻抗；Ups为避雷器的操作冲击保护水平/残压；Urp为没有安装避雷器时的代表性最大操作过电压。

一般情况下，经计算可知CRH3动车组避雷器吸收能量为：105 kJ，考虑1.25倍的裕度系数，可以要求其能量吸收能力为：105×1.25=131 kJ。

中车集团唐山客车厂技术规范要求其长持续时间电流冲击耐受线路放电等级为3级。

1.2.3 CRH3动车组避雷器的外绝缘

CRH3系列动车组避雷器运行在时速高达300 km、甚至350 km的电力车上顶上。避雷器将受到动车组高速运行所带来的空气动力的影响。在高风速的影响下，复合外套避雷器的外绝缘材料可能产生很大的变形、扭曲，将会改变甚至缩短外绝缘距离。另外，在高风速下，避雷器外绝缘的积污问题也十分突出[21]。

国内、外学者采用风洞试验和流体力学研究了复合绝缘子在高风速下的外绝缘问题，取得了一定的研究成果[22-23]。我们需要深入研究复合外绝缘材料、伞形等，以满足在高风速、严酷恶劣天气状况下的外绝缘技术问题。

1.2.4 CRH3动车组避雷器的机械振动应力

列车运行中的振动是轨道不平顺、车辆自身结构的特点及缺陷、运营中的加减速、风力及空气动力等因素共同作用的必然结果。随着我国轨道交通装备的迅速发展，特别是高速动车的开行，振动问题日益突出[24]。与传统的避雷器不同，安装在动车组上的避雷器在正常运行的过程中，随着电力机车的高速运行的振动而剧烈振动。

TJ/CL311-2014《动车组避雷器》技术规范要求避雷器进行冲击和振动试验验证。IEC61373:2010[25]规定了冲击和振动试验的试验技术要求和程序。

2 CRH3动车组避雷器的关键技术研究

由上述研究分析可以看出，CRH3动车组避雷器的工况比较特殊，需要解决多项设计技术。国内、外对动车组避雷器技术开展了一定深度的研究，取得了一些研究成果[2，26]。笔者主要报道一下动作负载试验、风洞试验、冲击和振动试验等方面的的研究情况。

2.1 动作负载试验

牵引电力系统在遭受操作冲击时，CRH3动车组避雷器需要在吸收一定的能量后承受系统的暂态过电压序列。TJ/CL311-2014中6.6条采用GB11032-2010[27]中的8.11.5操作冲击动作负载试验进行考核验证。按照要求，我们制作了试验用比例单元，见图6所示。试验结果见表4[28]。

表4 动作负载试验结果Table 4 Load test results

试验后电阻片无击穿、闪络或破碎痕迹。

2.2 风洞试验

试验在西北工业大学翼型研究中心的NF-3风洞试验成套设备上进行。试验在NF-3风洞的二元试验段中进行。NF-3风洞为直流闭口式全钢结构风洞，洞体长80 m，二元试验段宽1.6 m、高3 m、长8 m。风速范围20 m/s～130 m/s，紊流度0.045%。风速控制采用美国霍尼韦尔公司的PPT0001DWW5VAB型压力传感器完成，风速控制精度为1‰。风洞试验条件满足GJB1179-91[29]的要求。如图7所示。

图6 动作负载试验比例单元Fig.6 Load test scale unit

图7 NF-3风洞试验成套设备及样机安装位置图Fig.7 NF-3 wind tunnel test equipment and prototype installation locations

CRH3动车组避雷器外套材料在满足相应电气、耐候性能的基础上，采用高硬度、高抗撕的高温硫化硅橡胶[30]。伞盘形状采用对称上下沿设计结构，可以满足在高风速下伞盘上下负压平衡，并保证较好的自清洁性。按照试验要求，对避雷器样机进行100 m/s、10 min风洞试验。试验中，复合外套避雷器均没发生明显变形，伞裙完好，未撕裂。如图8所示。

2.3 冲击和振动试验

CRH3动车组避雷器安装在机车顶部，属于1类A级试验等级。试样重量≤500 kg。按照GB21563-2008（idt IEC61373）[31]的规定，其中的振动试验选择采用模拟长寿命试验量级，频率范围5 Hz～150 Hz。模拟长寿命试验量级的目的是证实在增强的环境条件下，设备的机械结构的完好性，不必检查设备的功能。试验的ASD量级、加速度和持续时间如表5所示。

样机试验前后进行性能试验，包括密封试验、局部放电试验。符合要求[31]。

图8 CRH5动车组避雷器进行风洞试验Fig.8 CRH5 emu arrester wind tunnel experiment was carried out

3 产品设计及型式试验

笔者依据TJ/CL311-2014和中国北车长春客车厂和唐山客车厂的具体技术要求，设计了CRH3动车组避雷器。避雷器的结构及其主要技术参数如图9、表6所示。

图9 CRH3动车组避雷器外形图Fig.9 CRH3 emu arrester figure shape

表5 1类A级冲击和振动试验参数Table 5 Class 1 grade A shock and vibration test parameters

表6 CRH3动车组避雷器主要技术参数Table 6 CRH3 emu arrester main technical parameters

我们委托国家绝缘子避雷器质量监督检验中心、铁道部产品质量监督检验中心按照GB11032-2010、TJ/CL311-2014 进行了全部的型式试验[28，32]。

4 结语

CRH3型动车组避雷器具有显著的特殊的工作状况。避雷器承受持续运行电压为含有谐波的最大值为31 kV的工频交流电压，在暂态过程中吸收的能量为131 kJ。高硬度、高抗撕的高温硫化硅橡胶材料和合理的外绝缘设计可以使避雷器安全的运行在100 m/s高风速的严酷环境条件下。产品满足1类A级冲击和振动试验的要求。

按照国内已投入运营的CRH3动车组的工程技术规范要求，设计了复合外套金属氧化物避雷器，进行了全部的型式试验，试验项目满足标准和工程的要求。产品于2015年12月进行了装车试运行。

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Analysis of the Working Condition of Surge Arrester for CRH3 Type EMU and Research on Its Key Technologies

HU Shuhui1，ZHAO Dongyi1，LI Fan2，LI Min1
（1.Nanyang Jinguan Electric Co.，Ltd.，Nanyang 473000，China；2.Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710077，China）

Lightning arrester is the key overvoltage protection device of the EMU in high-speed railway operation，its technology research and product development is an important task to achieve the EMU localization.Based on the introduction of the overvoltage and high-speed operation condition of EMU locomotive，the electric stress （steady state and transient state） and the mechanical stress of the emu arrester are analyzed.The key technology of arrester used in CRH3 type EMU is studied，the product is designed and pass the type test，which meet the needs of the localization of the project.

metal oxide arrester；EMU；CRH3

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.022

2015-11-30

胡淑慧 （1974—），女，高级工程师，主要从事避雷器的研究工作。