高速动车组车顶避雷器是列车关键的过电压保护装置,在防止系统遭受雷电过电压侵害的同时,更重要的是防止运行过程中出现的如过分相过电压、弓网离线过电压等操作过电压及高频谐振过电压等多种类型的过电压。高频谐振过电压由于电压幅值大、过电压持续时间长,更容易使得车顶避雷器出现故障甚至爆炸事故。近年来,由于铁路线路中运行列车种类增多,高频谐振过电压引发的避雷器炸裂事故频发,而针对该过电压环境的避雷器运行状态和故障机理研究尚不完善,动车组车顶避雷器优化方案尚不系统。针对高频过电压下避雷器故障问题,本文建立了用于铁路系统27.5k V氧化锌避雷器在高频过电压下的有限元计算模型和高频高压试验系统,探究了氧化锌避雷器和其内部阀片在谐振过电压下的泄漏电流特性及热过程,并根据试验数据建立适用于高频过电压条件的避雷器等效电路模型,从改善内部阀片性能角度提出车顶避雷器的优化方法。首先,通过避雷器及其内部阀片的高频高压试验,获得在工频及高频电压下各电气参数的变化规律;结合避雷器泄漏电流特性,得到避雷器等效电阻、电容参数随电压频率的变化规律,以此建立避雷器等效电路模型。其次,借助多物理场仿真软件建立了车顶避雷器的电热仿真模型,探明了高频过电压下氧化锌避雷器的发热机理,获得电压激励、阀片参数及老化程度与避雷器电位分布和内外温度分布的关系,探究避雷器产生电热老化的影响因素。最后,结合双肖特基势垒理论和热平衡理论分析无间隙氧化锌避雷器在高次谐波电压下的电老化和热损坏机理,结合试验结果提出通过提高氧化锌阀片电位梯度、通流容量和降低残压比三种方法进行优化,以提升避雷器整体性能。