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摘要：电氣化铁路机车运行条件严酷，在运行中震动大、污移严重、温度变化范围大、海拔高度落差大等特点。对复合外套无间隙避雷器（以下简称避雷器）的性能、结构、密封及避雷器所承受的抗弯负荷等提出了更高的要求，因此对避雷器进行系统分析，从而验证其各自的性能质量的可靠性。
关键词：无间隙氧化锌避雷器、结构、制造、运行、可靠性。
Abstract: The operation conditions of electrified locomotive for railway is very severe, featured with strong vibration, high pollution, big temperature variation, great difference in altitude etc. So it has much high requirements for polymer housed gapless surge arrester (hereafter called surge arrester) in performance, structure, sealing and the bending load withstood by surge arrester. Therefore a system analysis is needed for surge arrester in order to verify the reliability of all performances and quality.
Key words: Gapless ZnO Surge Arrester, Struture, Reliability
中图分类号：TU895文献标识码：A文章编号：2095-2104
1. 引言
机车用复合外套无间隙氧化锌避雷器（以下简称CMOA）的可靠性，涉及面很广，本文所谈的可靠性，主要是指CMOA在机车上必须有可靠的运行。随着我国电气化铁路的迅速发展，运行速度的提高，用于保护电力机车的主变或主断及其它电气设备免受大气过电压（雷电过电压）和操作过电压的侵害的作用，另一方面则要求CMOA自身必须可靠，也就是说，在在正常运行情况下，不致于因长期运行电压或过电压引起快速老化或爆炸。
目前，我国电力机车规模较大，所推广应用CMOA日益广泛。从我们了解的情况来看，现在在机车上应用的CMOA至少有2-3万台避雷器在运行。实际运行情况比较满意。然而，由于诸多的原因，已投运行的CMOA，也出现过不少的问题，从2001年至2012年止，从本人调查中有15起事故，相对而言总数来部事故率不算小，对于电车机车安全运行来说危害更大，有不少CMOA发生的事故并不是不可避免的，因而，提出了CMOA的可靠性问题。应当指出的是国外进口的CMOA在我国和谐机车（CRH系列车）上也发生了多起事故，在长春轨道客车股份有限公司生产的CRH系列车上有法国太克、德国的西门子多有发生事故，其中太克CMOA的电阻片容量不够大、西门子为直流参考电压偏低。
2. 避雷器的结构件组成
避雷器的组成主要由芯体（电阻片）、绝缘筒、硅橡胶外套（伞裙）、上、下电极、上法兰以及安装法兰等组成。芯体是避雷器实现过电压保护功能的核心部分。芯体是由电阻片、垫片、弹簧等组成，是利用热缩套受热收缩的性质，将电阻片等固定为一体组装而成。通过上、下电极与绝缘筒的内螺纹连接，将芯体装入绝缘筒中，在机械作用力下保证其可靠的连接和导通；然后将上法兰和安装法兰与绝缘筒的外螺纹连接，螺纹连接并有止退功防止脱扣，保证其在运行过程中有可靠的接触。将组装好的芯体在模具中模压成形伞套，将整个元件密封于硅橡胶的伞套（伞裙）中。伞套与绝缘筒之间有高强度的粘接剂，保证其可靠的密封性能。复合外套避雷器采用了灌封技术，内部无空腔，并设计有特殊的压力释放结构装置，因此压力释放时，也只是复合外套开裂，构不成人员和设备的危害，压力释放性能可靠。
3. 避雷器的可靠性分析
对于一个CMOA产品的好坏，可以从技术性能、经济指标和可靠性三方面来衡量。即要求好的CMOA产品不但性能好、成本低、还要经久耐用、充分可靠。CMOA的可靠性是指该产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。CMOA的可靠性差，它的技术再好也不能完成其规定功能的，对于一种由多个部件组成的CMOA，其中某个部件发生故障，可能会影响整个CMOA的功能。因此对CMOA在运行中的不可靠，大多数是在运行中本身发生故障，所以本文对产生不可靠的因素加以分析。
3．1 CMOA制造方面
3．1．1制造过程的质量控制
CMOA制造过程的质量控制主要应从以下方面加以控制
（1）电阻片的制造工艺
氧化锌电阻片在生产过程中存在电阻片制造工艺的差异性，由于非氧化锌添加物的作用及成型、烧结和表面处理工艺等因素，使电阻片周围产生难以消除的结构应力，因结构应力过大出现分层或开裂和沿电阻片侧面向电阻片体内一定范围内出现的微裂纹或隐性裂纹是造成电阻片制造过程中出现废品多的主要原因。一但出现此类缺陷，存在对产品的危害大，限制了产品性能的进一步提高。为了弥补此类缺陷，在电阻片的生产制造过程中，首先改善造粒的质量，包括造粒料颗粒的形状和流动性等。其次对电阻片成形模具质量的维护保养，主要为模具工作面有无划痕、压头边缘有无毛刺、模套有无鼓肚等现象，使模具工作年最佳状态。最后是确保在电阻片成形时调整控制加压压力、加压速度、排气次数、保压时间等，保证电阻片坯体成形密度。通过解决电阻片在成形中可能存在的缺陷，才能真正确保电阻片产品质量，因此应加强严格管理及质量控制制度的工作，这样不仅提高了质量和可靠性，同时还可大大降低了产品的成本。
制造氧化锌电阻片工艺的最后一环是性能测试及考查通流容量能力，通常考查的有2ms方波及冲击通流容量的抽查试验。氧化锌电阻片在制造过程中应采用2ms方波通流容量试验，对每个氧化锌电阻片进行筛选，并采用正反面各一次，这对电阻片制造质量控制起到了积极的作用。
（2）试验
作为机车避雷器产品，避雷器的电阻片及产品主要性能是通过例行试验和出厂试验。试验时必须要按照国家标准规定的试验方法和程序，保证试验数据的准确性和可靠性。标准所要求的试验项目应全部进行试验，并作出准确的判断。保证避雷器的可靠性和质量。
（3）产品的装配
避雷器芯体的装配过程是重要的一环，任何一个零部件的质量，任何一个工艺过程都将影响到其可靠性。如总装间环境不良或配件干燥处理不彻底造成附着潮气的电阻片和绝缘件及配件装入避雷器本体内，使潮气被封闭避雷器本体内部，造成不可靠的因素。因此必须严格控制避雷器芯体装配间的环境温度和湿度；并将所有的配件将彻底的干燥处理。
总之，避雷器制造过程的质量管理和控制应贯穿始终，确保避雷器的质量。
3．1．2避雷器的密封性能
氧化锌避雷器密封老化问题，主要是生产厂采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而后使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化而引起爆炸。
避雷器的密封性能好坏，是保证其在运行中起到一个关键性作用，本体叠装电阻片柱与环氧筒间的气隙，利用专用工艺装备，采取抽真空注胶方式灌满充实。这种密封结构很大程度消除了其本体受潮的隐患，避免了因避雷器而受潮而引起的约占50%事故率。而且还可以有效地增大的散热效果，提高其过电压耐受能力，并选用绝缘筒的外螺纹与法兰连接，在螺纹中用环氧树脂进行固化密封，设有防止退功能。并在机械作用力下确保各部件的导通。芯体通过高强度的粘接剂与外套（伞裙）紧密结合，确保避雷器内绝缘和密封。通过两道密封结构很大程度上消除了其受潮隐患，避免避雷器因受潮而引起的事故。在制造过程中密封试验检查是不可缺的手段，通常采用泡水法检查密封。在做出厂试验时，先做电气性能检查，然后做密封试验检查；将试品放置数日，再做电气性能检查，若有潮气进入，电气性能检查时即可发现。有效地保证也避雷器的密封可靠性。我们的避雷器按要求做100%的抗扭试验后（4次－40±5℃～60±5℃冷热循环96h)又放在0.1%盐水里进行42h水煮试验，其避雷器试前与试后比较，泄漏电流增大13μA，局放量增加不到1pC(均小于标准规定的数值)，因此充分证明避雷器的密封性能是可靠良好的。
3．1．3避雷器的机械强度
避雷器的机械强度由绝缘筒承担，因此绝缘筒选用环氧玻璃布绝缘筒，具有耐高的电场强度、耐老化、有足够的机械强度以及加工性，并与硅橡胶有良好粘接性能。材料电气性能、理化性能及机械性能满足标准要求，绝缘筒主要性能指标如下：弯曲负荷强度≥175MPa ；密度≥；吸水率≤0.2%。经过计算作用于避雷器上水平拉力、所承受风压力（包括机车运行速度按300公里/小时计）和避雷器根部的最大应力均小于绝缘筒机械抗弯强度。避雷器通过了机车电器的振动试验，抗弯负荷达到12.6KN，因此复合外套避雷器的机械强度高，抗振性能好，则避雷器在振动运行中，可保证可靠安全运行。
运行方面
近几年电气化铁路发展较快，避雷器在电力机车上广泛应用，但是无论是制造还是运行部门发展都不是很均衡的，尤其是运行部门方面更不平衡。对于运行机制部门来说，最关心的是可靠运行，要保证可靠运行，首先要求避雷器性能合格，其次是长期稳定性。所这些需要通过试验来了解。
4．1运行中的监测
当避雷器投入运行后，按机车二年要求进行预防性试验规定要求进行检测。经过十来年的观察摸索和试验，我们发现，避雷器投运后前一年的监测尤为重要。因为存在某些缺陷的避雷器，当投运后由于长期工作电压 的作用，问题很快就会暴露出来，从我们对运行后避雷器的性能试验来看，因密封不良造成泄漏的避雷器，经检测泄漏电流增大，阻隔性电流也相应的增大，这些数据与出厂值相对比变化较大。这样的避雷器若继续运行，肯定会发生故障，从避雷器发生故障统计看，除异常运行条件即于环境条件，操作方式等有关外，由于制造质量的80%以上在投运一年内相继发生故障。因此加强投运初期的监测，方可保证避雷器的可靠运行。应该指出的是铁路大部分运行部门，因试验条件等原因，避雷器投运后一两年均未作任何的预防性试验，这样是很不可靠的。
4．2有关的问题
在作预防性试验中，在检测直流参考电压和75%直流参考电压下的泄漏电流值的标准要求，根据GB11032-2010标准规定，避雷器应测量直流参考电压应符合规定值及75%直流参考电压下的泄漏电流不大于50μA。在实际的测试时，有的避雷器直流参考电压应符合规定值及75%直流参考电压下的泄漏电流在25-50之间50μA。如按标准来判断，产品为合格，可以继续运行。但是经运行后的避雷器测试的75%直流参考电压下的泄漏电流与制造厂出厂的数据对比相当大（制造厂出厂数据都是小于20μA以下），因此，应作不合格判断。否则继续运行时会发生避雷器爆炸事故。
采取措施
根据实际存在的问题和上述分析讨论，为保证避雷器的可靠的运行，降低事故率，提高电力机车运行的可靠性，我们提出以下措施：
5．1 加强对避雷器制造全过程的质量管理和控制。
5．2避雷器采取了灌封技术，内部无空腔，并采用了电绝缘性能优良的硅橡胶材料和整体模压成型工艺，加强密封性能的检查，确保密封性能的可靠性。
5．3产品采用了全密封固体绝缘结构，有效地增大避雷器散热效果，提高了过电压耐受能力、整体密封性能和抗振性能。
5．4产品的机械强度大，确保了高速机车和振动大、污秽严重、海拔高度等特点地区安全可靠运行。
5．5不失时机地进行运行中的避雷器监测并加强对投入运行后的避雷器作预防性试验，建议对避雷器按标准要求作全部电性能检测，以保证运行可靠。
6. 结论
我们就针对避雷器的可靠性问题进行了分析和采取的措施，結合制造和运行方面的实际情况进行了分析，并通过对机车避雷器运行二年后检测，我们共检测1000多台避雷器的情况，检测结果令人满意。各项性能指标均达到上述分析要求目的。因此，对加强制造过程的质量管理和控制、加强密封性能研究、并加强预防性试验和具体措施等是可行的，才能很好地保证避雷器的可靠性。才能提高和保证机车避雷器运行的可靠。
参考文献
张福林，500kV串联间隙复合外套避雷器结构部件性能可靠性分析；电瓷避雷器，2005（5）
周升，提高机车避雷器运行可靠性的对策，电力机车技术1998（1）
何计谋、陈舒娟等，复合外套避雷器在电力机车上的应用，2003年学术交流会论文集
作者：林长凌，（1963-），男，工程师，主要从事高电压技术及试验工作。
关键词：无间隙氧化锌避雷器、结构、制造、运行、可靠性。
Abstract: The operation conditions of electrified locomotive for railway is very severe, featured with strong vibration, high pollution, big temperature variation, great difference in altitude etc. So it has much high requirements for polymer housed gapless surge arrester (hereafter called surge arrester) in performance, structure, sealing and the bending load withstood by surge arrester. Therefore a system analysis is needed for surge arrester in order to verify the reliability of all performances and quality.
Key words: Gapless ZnO Surge Arrester, Struture, Reliability
中图分类号：TU895文献标识码：A文章编号：2095-2104
1. 引言
机车用复合外套无间隙氧化锌避雷器（以下简称CMOA）的可靠性，涉及面很广，本文所谈的可靠性，主要是指CMOA在机车上必须有可靠的运行。随着我国电气化铁路的迅速发展，运行速度的提高，用于保护电力机车的主变或主断及其它电气设备免受大气过电压（雷电过电压）和操作过电压的侵害的作用，另一方面则要求CMOA自身必须可靠，也就是说，在在正常运行情况下，不致于因长期运行电压或过电压引起快速老化或爆炸。
目前，我国电力机车规模较大，所推广应用CMOA日益广泛。从我们了解的情况来看，现在在机车上应用的CMOA至少有2-3万台避雷器在运行。实际运行情况比较满意。然而，由于诸多的原因，已投运行的CMOA，也出现过不少的问题，从2001年至2012年止，从本人调查中有15起事故，相对而言总数来部事故率不算小，对于电车机车安全运行来说危害更大，有不少CMOA发生的事故并不是不可避免的，因而，提出了CMOA的可靠性问题。应当指出的是国外进口的CMOA在我国和谐机车（CRH系列车）上也发生了多起事故，在长春轨道客车股份有限公司生产的CRH系列车上有法国太克、德国的西门子多有发生事故，其中太克CMOA的电阻片容量不够大、西门子为直流参考电压偏低。
2. 避雷器的结构件组成
避雷器的组成主要由芯体（电阻片）、绝缘筒、硅橡胶外套（伞裙）、上、下电极、上法兰以及安装法兰等组成。芯体是避雷器实现过电压保护功能的核心部分。芯体是由电阻片、垫片、弹簧等组成，是利用热缩套受热收缩的性质，将电阻片等固定为一体组装而成。通过上、下电极与绝缘筒的内螺纹连接，将芯体装入绝缘筒中，在机械作用力下保证其可靠的连接和导通；然后将上法兰和安装法兰与绝缘筒的外螺纹连接，螺纹连接并有止退功防止脱扣，保证其在运行过程中有可靠的接触。将组装好的芯体在模具中模压成形伞套，将整个元件密封于硅橡胶的伞套（伞裙）中。伞套与绝缘筒之间有高强度的粘接剂，保证其可靠的密封性能。复合外套避雷器采用了灌封技术，内部无空腔，并设计有特殊的压力释放结构装置，因此压力释放时，也只是复合外套开裂，构不成人员和设备的危害，压力释放性能可靠。
3. 避雷器的可靠性分析
对于一个CMOA产品的好坏，可以从技术性能、经济指标和可靠性三方面来衡量。即要求好的CMOA产品不但性能好、成本低、还要经久耐用、充分可靠。CMOA的可靠性是指该产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。CMOA的可靠性差，它的技术再好也不能完成其规定功能的，对于一种由多个部件组成的CMOA，其中某个部件发生故障，可能会影响整个CMOA的功能。因此对CMOA在运行中的不可靠，大多数是在运行中本身发生故障，所以本文对产生不可靠的因素加以分析。
3．1 CMOA制造方面
3．1．1制造过程的质量控制
CMOA制造过程的质量控制主要应从以下方面加以控制
（1）电阻片的制造工艺
氧化锌电阻片在生产过程中存在电阻片制造工艺的差异性，由于非氧化锌添加物的作用及成型、烧结和表面处理工艺等因素，使电阻片周围产生难以消除的结构应力，因结构应力过大出现分层或开裂和沿电阻片侧面向电阻片体内一定范围内出现的微裂纹或隐性裂纹是造成电阻片制造过程中出现废品多的主要原因。一但出现此类缺陷，存在对产品的危害大，限制了产品性能的进一步提高。为了弥补此类缺陷，在电阻片的生产制造过程中，首先改善造粒的质量，包括造粒料颗粒的形状和流动性等。其次对电阻片成形模具质量的维护保养，主要为模具工作面有无划痕、压头边缘有无毛刺、模套有无鼓肚等现象，使模具工作年最佳状态。最后是确保在电阻片成形时调整控制加压压力、加压速度、排气次数、保压时间等，保证电阻片坯体成形密度。通过解决电阻片在成形中可能存在的缺陷，才能真正确保电阻片产品质量，因此应加强严格管理及质量控制制度的工作，这样不仅提高了质量和可靠性，同时还可大大降低了产品的成本。
制造氧化锌电阻片工艺的最后一环是性能测试及考查通流容量能力，通常考查的有2ms方波及冲击通流容量的抽查试验。氧化锌电阻片在制造过程中应采用2ms方波通流容量试验，对每个氧化锌电阻片进行筛选，并采用正反面各一次，这对电阻片制造质量控制起到了积极的作用。
（2）试验
作为机车避雷器产品，避雷器的电阻片及产品主要性能是通过例行试验和出厂试验。试验时必须要按照国家标准规定的试验方法和程序，保证试验数据的准确性和可靠性。标准所要求的试验项目应全部进行试验，并作出准确的判断。保证避雷器的可靠性和质量。
（3）产品的装配
避雷器芯体的装配过程是重要的一环，任何一个零部件的质量，任何一个工艺过程都将影响到其可靠性。如总装间环境不良或配件干燥处理不彻底造成附着潮气的电阻片和绝缘件及配件装入避雷器本体内，使潮气被封闭避雷器本体内部，造成不可靠的因素。因此必须严格控制避雷器芯体装配间的环境温度和湿度；并将所有的配件将彻底的干燥处理。
总之，避雷器制造过程的质量管理和控制应贯穿始终，确保避雷器的质量。
3．1．2避雷器的密封性能
氧化锌避雷器密封老化问题，主要是生产厂采用的密封技术不完善，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大时或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而后使潮气浸入，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化而引起爆炸。
避雷器的密封性能好坏，是保证其在运行中起到一个关键性作用，本体叠装电阻片柱与环氧筒间的气隙，利用专用工艺装备，采取抽真空注胶方式灌满充实。这种密封结构很大程度消除了其本体受潮的隐患，避免了因避雷器而受潮而引起的约占50%事故率。而且还可以有效地增大的散热效果，提高其过电压耐受能力，并选用绝缘筒的外螺纹与法兰连接，在螺纹中用环氧树脂进行固化密封，设有防止退功能。并在机械作用力下确保各部件的导通。芯体通过高强度的粘接剂与外套（伞裙）紧密结合，确保避雷器内绝缘和密封。通过两道密封结构很大程度上消除了其受潮隐患，避免避雷器因受潮而引起的事故。在制造过程中密封试验检查是不可缺的手段，通常采用泡水法检查密封。在做出厂试验时，先做电气性能检查，然后做密封试验检查；将试品放置数日，再做电气性能检查，若有潮气进入，电气性能检查时即可发现。有效地保证也避雷器的密封可靠性。我们的避雷器按要求做100%的抗扭试验后（4次－40±5℃～60±5℃冷热循环96h)又放在0.1%盐水里进行42h水煮试验，其避雷器试前与试后比较，泄漏电流增大13μA，局放量增加不到1pC(均小于标准规定的数值)，因此充分证明避雷器的密封性能是可靠良好的。
3．1．3避雷器的机械强度
避雷器的机械强度由绝缘筒承担，因此绝缘筒选用环氧玻璃布绝缘筒，具有耐高的电场强度、耐老化、有足够的机械强度以及加工性，并与硅橡胶有良好粘接性能。材料电气性能、理化性能及机械性能满足标准要求，绝缘筒主要性能指标如下：弯曲负荷强度≥175MPa ；密度≥；吸水率≤0.2%。经过计算作用于避雷器上水平拉力、所承受风压力（包括机车运行速度按300公里/小时计）和避雷器根部的最大应力均小于绝缘筒机械抗弯强度。避雷器通过了机车电器的振动试验，抗弯负荷达到12.6KN，因此复合外套避雷器的机械强度高，抗振性能好，则避雷器在振动运行中，可保证可靠安全运行。
运行方面
近几年电气化铁路发展较快，避雷器在电力机车上广泛应用，但是无论是制造还是运行部门发展都不是很均衡的，尤其是运行部门方面更不平衡。对于运行机制部门来说，最关心的是可靠运行，要保证可靠运行，首先要求避雷器性能合格，其次是长期稳定性。所这些需要通过试验来了解。
4．1运行中的监测
当避雷器投入运行后，按机车二年要求进行预防性试验规定要求进行检测。经过十来年的观察摸索和试验，我们发现，避雷器投运后前一年的监测尤为重要。因为存在某些缺陷的避雷器，当投运后由于长期工作电压 的作用，问题很快就会暴露出来，从我们对运行后避雷器的性能试验来看，因密封不良造成泄漏的避雷器，经检测泄漏电流增大，阻隔性电流也相应的增大，这些数据与出厂值相对比变化较大。这样的避雷器若继续运行，肯定会发生故障，从避雷器发生故障统计看，除异常运行条件即于环境条件，操作方式等有关外，由于制造质量的80%以上在投运一年内相继发生故障。因此加强投运初期的监测，方可保证避雷器的可靠运行。应该指出的是铁路大部分运行部门，因试验条件等原因，避雷器投运后一两年均未作任何的预防性试验，这样是很不可靠的。
4．2有关的问题
在作预防性试验中，在检测直流参考电压和75%直流参考电压下的泄漏电流值的标准要求，根据GB11032-2010标准规定，避雷器应测量直流参考电压应符合规定值及75%直流参考电压下的泄漏电流不大于50μA。在实际的测试时，有的避雷器直流参考电压应符合规定值及75%直流参考电压下的泄漏电流在25-50之间50μA。如按标准来判断，产品为合格，可以继续运行。但是经运行后的避雷器测试的75%直流参考电压下的泄漏电流与制造厂出厂的数据对比相当大（制造厂出厂数据都是小于20μA以下），因此，应作不合格判断。否则继续运行时会发生避雷器爆炸事故。
采取措施
根据实际存在的问题和上述分析讨论，为保证避雷器的可靠的运行，降低事故率，提高电力机车运行的可靠性，我们提出以下措施：
5．1 加强对避雷器制造全过程的质量管理和控制。
5．2避雷器采取了灌封技术，内部无空腔，并采用了电绝缘性能优良的硅橡胶材料和整体模压成型工艺，加强密封性能的检查，确保密封性能的可靠性。
5．3产品采用了全密封固体绝缘结构，有效地增大避雷器散热效果，提高了过电压耐受能力、整体密封性能和抗振性能。
5．4产品的机械强度大，确保了高速机车和振动大、污秽严重、海拔高度等特点地区安全可靠运行。
5．5不失时机地进行运行中的避雷器监测并加强对投入运行后的避雷器作预防性试验，建议对避雷器按标准要求作全部电性能检测，以保证运行可靠。
6. 结论
我们就针对避雷器的可靠性问题进行了分析和采取的措施，結合制造和运行方面的实际情况进行了分析，并通过对机车避雷器运行二年后检测，我们共检测1000多台避雷器的情况，检测结果令人满意。各项性能指标均达到上述分析要求目的。因此，对加强制造过程的质量管理和控制、加强密封性能研究、并加强预防性试验和具体措施等是可行的，才能很好地保证避雷器的可靠性。才能提高和保证机车避雷器运行的可靠。
参考文献
张福林，500kV串联间隙复合外套避雷器结构部件性能可靠性分析；电瓷避雷器，2005（5）
周升，提高机车避雷器运行可靠性的对策，电力机车技术1998（1）
何计谋、陈舒娟等，复合外套避雷器在电力机车上的应用，2003年学术交流会论文集
作者：林长凌，（1963-），男，工程师，主要从事高电压技术及试验工作。