0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，投入运营的动车组数量逐年增加，其安全稳定的运行对铁路系统稳定、持续、可靠的运行有着至关重要的作用。动车组车顶避雷器作为铁路系统中主要保护器，利用氧化锌电阻片良好的非线性伏安特性可在短时间内限制过电压。车顶避雷器的运行环境与电力系统避雷器有较大差别，列车在运行过程中，长期受到频繁的振动、风沙雨雪恶劣天气、过分相过电压和雷电过电压冲击等因素的影响，使避雷器在电热、振动、潮湿联合作用下加速老化，影响其整体的绝缘性能，最终导致避雷器崩溃损坏，严重影响铁路系统的安全性[1-2]。因此，掌握车顶避雷器的老化状况，对其实际运行维护有重要的参考价值。

近年来，避雷器的运行维护受到越来越广泛的关注。在避雷器老化方面，国内外学者展开过相关研究。王辉等研究了电力系统35 kV和110 kV整只避雷器在冲击电流作用下的老化特性[3-4]；SM Seyyed⁃barzegar等通过分析功率损耗和散热特性建立热量平衡模型来研究金属氧化物避雷器的热稳定性[5]。J.B Lee等研究了复合外套避雷器在紫外、温度、盐雾等联合因素下的老化特性[6]。但有关动车组车顶避雷器老化特性和可靠性分析的文章鲜有报道。

吸附法是一种使用范围广泛的方法，一般采用金属螯合剂作为吸附材料，金属螯合剂中含有氨基、羧基、羟基等官能团可与金属离子进行络合反应形成螯合物。用于中药材中的吸附材料主要有大孔树脂、γ‐巯丙基键合硅胶、壳聚糖、聚乙烯发泡棉等。

目前，车载避雷器的日常检修方法一般采用外观缺陷检查、雨季前检查和事故后检修，这种方法操作简单，但该方法只能检查出损坏严重的避雷器，对一些存在缺陷但尚能工作的避雷器缺少预防性维修的技术手段。因此，依据GB11032—2010并结合车顶避雷器实际的运行情况，设计了车顶避雷器在电热、振动和浸水联合条件下的加速老化试验[7]。在不同老化时间节点测量车顶避雷器绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下泄漏电流、工频参考电压和持续运行电压下阻性电流分量。分析不同寿命阶段的各特征参量与避雷器可靠度的关系，给出不同寿命阶段各特征参量与避雷器可靠度之间的拟合曲线，并结合线性增值击穿理论对避雷器失效模型作出微观解释。

1 理论基础

威布尔函数的功能性多，具有广泛的应用性，它由瑞典科学家Weibull教授提出的一个描述产品失效过程和寿命分布的数学模型。大量试验结果表明：因机电产品某一局部失效或故障所引起全局机能停止运行的元器件、设备、系统等的寿命均服从Weibull分布[8]。威布尔（Weibull）模型作为一类单调失效率模型能够较好地拟合产品的寿命和可靠性等随机现象，并得到了广泛应用[9]。威布尔分布模型已经广泛用于电气设备可靠性评估当中[10-13]。因此，本文采用两参数威布尔分布模型研究避雷器的可靠性。

两参数威布尔的分布密度函数为

当威布尔函数的形状参数和尺度参数确定后，该函数就是唯一确定的，笔者利用MATLAB求解威布尔分布函数的参数。

可靠性函数为

分析图2可知，在老化前期（600 h之前）避雷器可靠性下降速度非常缓慢；老化中期（600～900 h），避雷器失效速率加快；到了老化后期（900 h之后），避雷器可靠性迅速下降，避雷器的失效速率加快。避雷器的失效主要是由于内部氧化锌电阻片失效所引起，根据线性增值击穿理论[15]，在老化初期，氧化锌内部导热不良、性能较差的晶粒和晶界率先被破坏，由于这些晶粒和晶界的数量较少，破坏速率缓慢，故在老化初期，避雷器的可靠性下降速度缓慢；随着老化时间的增加，被破坏的晶粒和晶界所在的局部区域形成一个低阻区，导致电流集中于该区域，从而导致临近区域的晶粒和晶界连锁性的破坏，使氧化锌内部有效晶粒和晶界的数目不断减少，同时导致内部氧化锌电阻片荷电率增加，导致避雷器负担加重，加快电阻片的老化速度；在老化后期，由于内部晶粒和晶界一连串的破坏，最终将形成恶性循环，避雷器的失效速率快速下降，导致避雷器最热崩溃。

为了减小试验分散性对试验结果的影响，本文选取10只避雷器进行电热—振动—浸水联合多因子老化试验。根据2.2节技术指标，得到各试样的寿命时间，见表1。

式中：x≥0，a＞0，b＞0；a为模型的形状参数；b为模型的尺度参数。

失效分布函数（累计分布函数）为

参数威布尔分布函数的形状参数a=990.6，尺度参数b=7.758，尺度参数b表示试样寿命数据的分散性，其值越小，试样数据的分散性就越大[14]。得到各老化寿命节点避雷器的可靠度，见表2和图2。

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2 可靠性试验

2.1 试验样品及预处理

试验的避雷器来源于FN8006型动车组，其额定电压为42kV，高度为576mm，护套直径为130mm。

在测试老化特征参量之前，需用干布擦拭整只避雷器，抹去避雷器外套上经过浸水之后所残留的水分，再用无水乙醇擦拭绝缘子表面，除去绝缘子表面的污秽和灰尘，以免对试验结果造成误差。

2.2 试验流程

基于GB11032—2010并结合避雷器在实际的运行环境，设计了电热—振动—浸水联合老化试验。电热联合老化10 h，施加电压为40 kV，烘箱温度为80℃，振动频率为50 Hz，振动2 h，同时需要对避雷器密封性进行检验，需把避雷器完全浸入水中10 h，这样为一个老化周期，试验流程见图1。每个老化周期之后，对避雷器的绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下泄漏电流、工频参考电压、持续运行电压下阻性电流分量进行测量记录。

图1 试验流程图 Fig.1 The flow chart of test

根据GB11032—2010及制造厂给出的信息，避雷器绝缘电阻不应小于1000 MΩ；直流参考电压不应小于52 kV；0.75倍直流参考电压下泄漏电流不应大于50 uA；工频参考电压不得低于42 kV；持续运行电压（28 kV）下阻性电流分量不得超过初始值的2倍，若测量结果不满足上述条件中其中一条，则认为该避雷器劣化严重。

3 试验分析

3.1 老化特征参量分析

故障函数为

根据我国企业和环境管理政策的特点，可以从企业外部因素和企业内部因素两大类多方面分析重污染企业环境行为及其驱动因素问题。

根据表1数据，利用MATLAB求解出式（1）中两

易非挥了挥手，打断了他关于所有将来的承诺，她勉强笑了一下，说：“别老由着李倩倩的，对妈好一点儿。”向南使劲点了点头。

在教育部提出的地方高校向应用型大学转型的背景下，地方高校、211和985高校都要切实提高教学质量和教学水平，将科技成果应用到教学中。这就需要激励从事课题研究的课题组成员进行科技成果教学转化。而大多数高校根本没有对课题组的科技成果教学转化的激励机制。因此，课题组负责人及其他成员在从事课题研究的过程中更重视科研项目的理论价值，而对于将科研项目的成果应用到教学中并为教学水平和教学质量的提升带来实质作用考虑得较少，或者根本就没有考虑。因此，整个课题的研究内容与研究成果很少与教学相结合，学生对此更是知之甚少。

试验仪器设备如图1所示。微波加热预处理设备为自行设计的QW-6HO六边形微波炉，由微波炉和吸收净化尾气装置组成。

表1 联合老化下试样的寿命 Table 1 Lifetime of ten samples under combined aging

?

表2 不同老化节点的可靠度 Table 2 Reliability of different lifetime nodes

?

图2 老化时间与避雷器可靠度之间的关系 Fig.2 Relationship between aging time and reliability of surge arrester

2014年，OSCE正式纳入台湾医师考试第二试应考资格条件，测试站数为12站，其中标准化病人8站（内科3站、外科2站、妇产科1站、儿科1站和急诊科1站），技能操作4站，每站10分钟（2分钟读题，8分钟考试），前6站和后6站中间休息15分钟。整场考试共2小时15分钟。

在特征参量测量前对试样进行预处理，然后得到5个寿命节点的避雷器老化特征参量平均值，见表3。

3.2 老化特征参量与避雷器可靠性之间的关系

根据表2和表3所得避雷器各老化节点可靠度和各寿命节点的老化特征参量，发现避雷器各老化特征参量与可靠度间成线性关系，利用MATLAB软件和最小二乘法得到如式（3）所示的关系[16-17]，线性回归的分析结果见表4、图3-图7。

式中：R为避雷器可靠度；x为不同的老化特征参量；e服从N（0，σ2）正太分布，为随机影响因素；α1和α2为与可靠度相关的拟合常数。

表3 不同寿命节点的老化特征参量平均值 Table 3 Average values of aging characteristic parameters of different lifetime nodes

特征参量绝缘电阻/GΩ直流参考电压/kV泄漏电流/μA工频参考电压/kV阻性电流/μA老化时间/h 0 9.72 62.1 5.1 44.2 35.8 240 9.21 61.9 5.4 44.3 37.2 480 8.34 61.3 6.9 44.1 40.4 720 6.56 60.7 15.4 43.6 60.4 960 2.48 56.4 42.5 42.1 106.6

表4 不同老化特征参量与可靠度的关系 Table 4 The relationship between different aging characteristic parameters and reliability

特征参量绝缘电阻/GΩ直流参考电压/kV泄漏电流/μA工频参考电压/kV阻性电流/μA避雷器各特征参量与可靠度的线性拟合关系拟合方程R=0.077 05*x-0.314 69 R=0.099 64*x-5.152 15 R=-0.014 71*x+1.095 67 R=0.254 96*x-10.257 53 R=-0.007 73*x+1.307 58相关系数0.893 3 0.977 2 0.979 6 0.965 8 0.950 6

图3 绝缘电阻与避雷器可靠度的关系图 Fig.3 Relationship between insulation resistance and reliability of arrester

分析表4、图3-图7可知，随着避雷器老化程度的加深，绝缘性能不断降低，其绝缘电阻不断下降；同时导致避雷器绝缘筒的密封性能下降，致使避雷器受潮，导致0.75倍直流参考电压下的泄漏电流、阻性电流和全电流增加[18]。避雷器内部的氧化锌电阻片会不断劣化，致使电压分布不均匀，增大了避雷器发热产生的功率损耗，使避雷器氧化锌电阻片的非线性系数不断下降，导致直流参考电压和工频参考电压降低[19]。

当避雷器未失效时，避雷器的绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下泄漏电流、工频参考电压、持续运行电压下阻性电流分量与其可靠性之间存在着良好的线性关系，这些特征参量可作为评估避雷器老化的参数，对车顶避雷器的运行和维护具有实际的参考价值。但当避雷器失效或接近失效时，绝缘电阻、工频参考电压和直流参考电压急剧下降，0.75倍直流参考电压下泄漏电流、持续运行电压下泄漏阻性电流分量迅速上升，从图2避雷器可靠度曲线可以得出相同的结论，当老化至一定时间，其可靠度会迅速下降，避雷器的失效速率加快。

图4 直流参考电压与避雷器可靠度的关系图 Fig.4 Relationship between DC reference voltage and reliability of arrester

图5 泄漏电流与避雷器可靠度的关系图 Fig.5 Relationship between leakage current and reliability of arrester

图6 工频参考电压与避雷器可靠度的关系图 Fig.6 Relationship between full leakage current and reliability of arrester

图7 阻性电流与避雷器可靠度的关系图 Fig.7 Relationship between impedance leakage current and reliability of arrester

4 结论

笔者在实验室环境对动车组避雷器进行多因子老化试验，测试不同寿命阶段的老化特征参量，分析这些老化特征参量与避雷器可靠性之间的关系，得到以下结论：

1）车载避雷器的可靠性服从两参数威布尔分布，老化前期避雷器可靠性下降缓慢；老化中期避雷器可靠性下降速率加快；老化后期避雷器可靠性迅速下降，避雷器的失效速度急剧加快。

2）随着老化时间的增加，避雷器的绝缘电阻、工频参考电压和直流参考电压的下降，0.75倍直流参考电压下泄漏电流和持续运行电压下阻性电流分量的上升，避雷器的可靠性不断降低。

3）车载避雷器的绝缘电阻、直流参考电压、0.75倍直流参考电压下泄漏电流、工频参考电压、持续运行电压下阻性电流分量能灵敏反映避雷器可靠性水平，与其可靠性之间存在良好的线性关系，为动车组避雷器的运行和维护提供了较好的技术支持。

参考文献：

[1]LI S，HE J，LIN J，et al.Electrical-Thermal failure of Metal-Oxide arrester by successive impulses[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2016，31（6）:2538-2545.

[2]HAN M S，JANG D U，KIL G S.Test evaluation for life cycle investigation of Wayside lightning arrester in elec⁃tric railway[M].2005.

[3]王辉，何锦强，赵倡皓，等.35 kV金属氧化物避雷器雷电冲击老化性能的研究[J].电瓷避雷器，2014（4）：72-77．WANG Hui，HE Jinqiang，ZHAO Changhao，et al.Re⁃search of degradation performance of 35 kV MOA under lightning impulses[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）:72-77.

[4]林楚标，廖永力，李锐海，等.110 kV整只氧化锌避雷器雷电冲击老化特性研究[J].南方电网技术，2015（7）：40-45．LIN Chubiao，LIAO Yongli，LI Ruihai，et al.Research on degradation performance of 110 kv full-scale zno moa under lightning impulses[J].Southern Power System Tech⁃nology，2015（7）:40-45.

[5]SEYYEDBARZEGAR S M，MIRZAIE M.Thermal bal⁃ance diagram modelling of surge arrester for thermal stabil⁃ity analysis considering ZnO varistor degradation effect[J].IET Generation Transmission&Distribution，2016，10（7）:1570-1581.

[6]LEE J B，SONG I K，KIM J Y，et al.Aging characteris⁃tics of polymer lightning arrester by multi-stress accelerat⁃ed aging test[M].2004.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.交流无间隙金属氧化物避雷器：GB 11032—2010[S].北京：中国标准出版社，2010．

[8]赵东元，樊虎，任志久.可靠性工程与应用[M].北京：国防工业出版社，2009．

[9]龚森廉.电力变压器油纸绝缘寿命预测模型和可靠度评估方法研究[D].重庆：重庆大学，2012．

[10]徐岩，白静，戴志辉.一种基于威布尔分布的继电保护装置可靠性分析的新方法[J].华北电力大学学报，2012，39（4）：15-19．XU Yan，BAI Jing，DAI Zhihui.A new method for protec⁃tive relay reliability analysis based on Weibull distribution[J].Journal of North China Electric Power University，2012，39（4）:15-19.

[11]秦金磊，牛玉广，李整.电站设备可靠性问题的威布尔模型求解优化方法[J].中国电机工程学报，2012，32（z1）：35-40．QIN Jinlei，NIU Yuguang，LI Zheng.Optimization ap⁃proach of weibull model solution for power station equip⁃ment reliability[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（z1）:35-40.

[12]王有元，袁园，李剑，等.变压器油纸绝缘可靠性的威布尔混合评估模型[J].高电压技术，2010，36（4）：842-848.WANG Youyuan，YUAN Yuan，LI Jian，et al.Weibull mixed evaluation model for reliability of oil-paper insula⁃tion in transformer[J].High Voltage Engineering，2010，36（4）:842-848.

[13]潘乐真，张焰，俞国勤，等.状态检修决策中的电气设备故障率推算[J].电力自动化设备，2010，30（2）：91-94．PAN Lezhen，ZHANG Yan，YU Guoqin，et al.Prediction of electrical equipment failure rate for condition-based maintenance decision-making[J].Electric Power Automa⁃tion Equipment，2010，30（2）:91-94.

[14]杨丽君，廖瑞金，李剑，等.用逐步升压法和Weibull参数估计油纸绝缘寿命[J].高电压技术，2004，30（6）：4-6．YANG Lijun，LIAO Ruijin，LI Jian，et al.Estimating life⁃time of oil-paper insulation under electrical aging condi⁃tions using step-stress tests and weibull parameters[J].High Voltage Engineering，2004，30（6）:4-6.

[15]陈璞阳，李祥超，周中山，等.大电流冲击后ZnO压敏电阻交流老化特性的分析[J].电瓷避雷器，2014（4）：42-47.CHEN Puyang，LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，et al.Analysis on ZnO varistor’s AC aging behavior after the im⁃pact of large current[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）：42-47.

[16]李涛，贺勇军，刘志俭.Matlab工具箱应用指南-应用数学篇[M].北京：电子工业出版社，2000．

[17]蒋仁言.威布尔模型族特性，参数估计和应用[M].北京：科学出版社，1998．

[18]葛猛，韩学坤，陶安培.金属氧化物避雷器电阻片老化缺陷的诊断及原因分析[J].高压电器，2009，45（3）：145-147．GE Meng，HAN Xuekun，TAO Anpei.Diagnosising and analysising the aged flaw of MOA valve piece[J].High Voltage Apparatus，2009，45（3）:145-147.

[19]杨仲江，张枨，柴健，等.氧化锌压敏电阻老化过程中非线性系数变化的研究[J].电子元件与材料，2011，30（9）：27-30．YANG Zhongjiang，ZHANG Cheng，CHAI Jian，et al.Research on the varying of nonlinear coefficient during the degradation of ZnO varistor[J].Electronic Components&Materials，2011，30（9）:27-30.