基于频域介电响应法的车载避雷器老化状态研究

摘要

氧化锌避雷器具有良好的非线性性能，在遭受操作过电压和雷电过电压时能够快速动作防止设备被干扰，已被广泛应用于电力系统和铁路系统当中。由于高速列车运行工况复杂，车载避雷器长期受到恶劣天气、频繁振动、雷击和升降弓等因素影响，最终导致其受潮老化和伏安性能下降。因此，准确及时地评估车载避雷器老化状态对铁路系统的安全运营具有重要意义。 首先，测量了车载避雷器的直流参考电压（1mA）、泄漏电流和全电流等传统特征参量，分析了传统方法的局限性。然后测量了不同运营里程车载避雷器的介电频谱，发现随着运营里程的增加，复介电常数实部ε′和虚部ε′′在低频区域（10-3~100Hz）增加明显，而在中高频区域（100~103Hz）变化并不明显，且该两个参数的数量级较大。 其次，为进一步研究车载避雷器内部的驰豫过程，分析车载避雷器的组成结构，其主要由氧化锌压敏电阻、环氧云母套筒和硅橡胶护套构成，研究该三种材料的介电频谱发现，氧化锌压敏电阻是引起车载避雷器巨介电常数的主要原因。因此，本文研究了冲击次数对氧化锌压敏电阻驰豫过程的影响，采用带直流电导的多驰豫Harvriliak-Negami (H-N)模型拟合分析其介电频谱。通过双驰豫H-N模型拟合常温下的介电谱发现，其中存在α驰豫过程和β驰豫过程，其对应的活化能约为0.68eV和0.34eV，对应着非本征晶间相（ZnO-Bi2O3-ZnO）缺陷驰豫和本征氧空位缺陷驰豫，α驰豫强度Δεα随冲击次数的增加而小幅增强。而β驰豫过程不受冲击老化的影响；在拟合高温下(393K)的介电频谱时新发现 γ 驰豫过程，其活化能约为 0.73eV，对应着非本征晶界面（ZnO-ZnO）缺陷驰豫，随着老化程度的加深，驰豫强度Δεγ、形状参数γα增大，驰豫时间 τγ和活化能减小；直流电导 σDC随着冲击次数的增加而变大，其对应的活化能约为0.72eV，随着冲击次数的增加而减小。 最后，通过引入带直流电导的双驰豫 Havriliak-Negami(H-N)模型分析车载避雷器介电频谱，研究发现，在所测频率范围内，车载避雷器存在α驰豫过程和β驰豫过程，分别对应着非本征晶间相（ZnO-Bi2O3-ZnO）缺陷驰豫和非本征晶界面（ZnO-ZnO）缺陷驰豫；随着老化时间的增加，α驰豫过程的驰豫时间τα逐渐减小，β驰豫过程的驰豫强度Δεβ不断增加，形状参数αβ呈增大趋势，而ββ呈减小趋势；氧化锌避雷器直流电导活化能和 β 驰豫活化能随老化时间增加而减小。通过对比分析氧化锌压敏电阻和车载避雷器介电频谱和驰豫过程解释了车载避雷器的老化机理，同时提出一种基于频域介电响应法的车载避雷器老化状态的评估思路。

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