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牵引供电系统过电压现象会影响电力机车高压电气设备的正常运行,严重时还可能烧损避雷器等高压电气设备,本文以HXD21000、HXD1D型电力机车为例,对电力机车在运行过程中可能遇到的雷电过电压、操作过电压、谐振过电压的产生机理进行理论分析；通过对HXD21000型电力机车升弓电磁暂态测试及谐波特性测试,对电力机车过电压数据进行采集,结合现场测试结果介绍电力机车的过电压环境。介绍了HXD21000、HXD1D型电力机车高压电气系统的组成及设备的布置,对电力机车避雷器、放电间隙及高压互感器进行测试,介绍电力机车避雷器及高压电缆在PSCAD/EMTDC中的建模方法,采用指数函数模拟避雷器的伏安特性,电缆采用依频模型精确建模。对避雷器高频特性进行测试,观测电力机车避雷器在50Hz-2kHz司不同频率交流电压下的幅频、相频、泄露电流变化等特性,建立避雷器在高频谐波下的等效电路模型：通过实测数据观察和等效电路仿真得到随作用电压频率的增高,避雷器有功损耗增高的结论：依据对避雷器热特性的研究,指出避雷器在运行过程中的谐波电压极限值。对避雷器高频特性研究表明,在避雷器的设计过程中,需要考虑避雷器对高频谐波电压的耐受性能,以避免电力机车避雷器在运行过程中发生热损坏的现象。对电力机车高压系统的绝缘配合进行研究,分析指出两级避雷器可以更有效的对电力机车进行保护；放电间隙容易引起电力机车或牵引变电所故障,现阶段放电间隙已不适合在电力机车上进行过电压保护。最后,对HXD21000型电力机车的过电压防护方案进行优化：采用两级避雷器并拆除放电间隙,在实际运行中验证了该优化方案的可行性：根据HXD21000型电力机车过电压防护方案优化经验,对HXD1D型电力机车过电压防护方案进行了设计。