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项目年度编号
2300170555
中图分类号
U223.6
成果公布年份
2023
成果简介
铁路是国民经济大动脉，牵引供电系统是电气化铁路能量供给核心，过电压是威胁其安全运行的首要因素。以压敏电阻为核心器件的避雷器是过电压抑制关键装备，直接决定系统过电压防护水平。随着车速提升，列车功率剧增(至11.6 MW)、过电压冲击的频次显著提高(约36万次/车·年)，导致避雷器失效炸裂、供电系统故障频发。2011年京沪高铁开通初期，过电压引起的故障占电气类总故障72%，同年7月，雷击过电压引发“7.23”甬温线特大事故。过电压已成为制约铁路向更高速发展的关键问题，亟需开展其抑制技术研究。
牵引供电系统过电压抑制面临三大难题：①列车群高速运行时系统电路拓扑与负荷动态变化，过电压形成机制与耦合路径不清，避雷器失效机理不明；②大容量、高频次过电压冲击对避雷器综合性能提出了严苛要求，其核心器件压敏电阻电压梯度、残压、通流等关键参数相互制约，协同提升困难；③车载空间狭小、线路环境多变、系统过电压分布复杂，传统避雷器体积庞大、耐候性差、配置手段单一，过电压防护技术及装备难以适用。
团队以理论研究-技术突破-装备研制为主线，围绕核心器件/关键装备/系统防护三个层面开展攻关，取得以下创新：
1.构建了车-网-所牵引供电系统拓扑时变耦合模型，掌握了过电压幅频特性及传播分布规律，揭示了高频次过电压冲击导致的晶界离子单向迁移是避雷器加速劣化的根本原因，探明了压敏电阻烧结孔道缺陷对避雷器通流性能的制约机制，明确了过电压有效抑制对避雷器性能的需求。
2.提出了压敏电阻微宏观协同跨尺度设计方法，建立了高性能压敏电阻设计研制体系，发明了“钉扎效应”的电压梯度提高技术和多元共生固溶的残压抑制技术，创新了侧面微气孔填充的通流容量提升工艺和晶界离子置换的冲击老化延缓技术，攻克了压敏电阻性能协同提升难题。
3.研制了涵盖和谐号/复兴号等全速度等级紧凑型车载避雷器，适用于冰雪/高海拔等复杂环境的接触网避雷器，及各梯次等级的牵引变电所避雷器，开发了过电压抑制谱系化装备，提出了车-网-所多地协同的避雷器群差异化配置技术与系统防护体系，实现了牵引供电系统过电压的深度抑制。
项目团队入选“轨道交通牵引供电安全保障技术”国家重点领域创新团队；主导编写IEEE、CIGRE等国际标准3项、国家标准4项、行业标准4项；授权发明专利75项(国际发明专利12项)；出版专著/教材3部，发表SCI/EI检索论文111篇(总被引2433次)；项目成果获世界知识产权组织“最佳发明奖”及瑞士、印度国际发明展金奖等8项奖励。以雷清泉院士为组长的专家组一致评价：项目成果整体达到国际领先水平。
成果通过国际铁路行业标准IRIS、中铁检验认证中心CRCC等权威认证，并规模化生产，装配到复兴号动车组(100%)、和谐系列电力机车(超80%)，应用于京沪高铁、印尼雅万高铁等国内外重要高速铁路工程，并推广至“白鹤滩”、巴西“美丽山”等国内外交直流输变电工程。近三年新增销售额19.87亿元，经济和社会效益显著。
完成人
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