和諧型機(jī)車高壓電壓互感器故障分析

劉民

【摘要】針對(duì)和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車批量上線以來(lái)多次發(fā)生高壓互感器炸裂的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)高壓互感器運(yùn)用環(huán)境的實(shí)地測(cè)量和故障機(jī)理分析"找到高壓互感器故障的各種因素"并針對(duì)性提出解決辦法。

【關(guān)鍵詞】和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車；高壓互感器；故障；分析

武漢鐵路局自和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車上線運(yùn)用以來(lái)，HXD1B、HXD3、HXD3C型等三種機(jī)車均不同程度地發(fā)生高壓電壓互感器炸裂、燒損故障，高壓電壓互感器屬于機(jī)車重大配件之一，對(duì)機(jī)車配屬單位及承修單位造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還形成機(jī)車火災(zāi)隱患。2015年6月16日HXD3型0781號(hào)機(jī)車在牽引列車時(shí)高壓電壓互感器發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p故障，構(gòu)成了行車安全事故。

本文對(duì)和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車高壓電壓互感器工作原理及故障情況進(jìn)行分析，提出預(yù)防措施。

一、高壓電壓互感器簡(jiǎn)介及故障現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

和諧型電力機(jī)車高壓電壓互感器未高壓電器部件，安裝在高壓隔離開(kāi)關(guān)及主斷路器之間，可以測(cè)量機(jī)車使用電網(wǎng)的電壓，并可用作繼電保護(hù)。目前裝武漢局和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車的都為干式，其主要構(gòu)造為內(nèi)部一次繞組和二次繞組、外部護(hù)套、接地片、一次端子和二次端子、接地端子等組成。

武漢局相關(guān)技術(shù)人員對(duì)HXD3型0781號(hào)機(jī)車干式高壓電壓互感器故障現(xiàn)場(chǎng)及解體情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1.一次端子從器身脫落；

2.一次繞組外層絕緣燒損，外體有明顯裂紋，裂紋一直延伸到鐵芯；

3.解體電壓互感器觀察繞組內(nèi)部，繞組各部絕緣外觀檢查良好，無(wú)短接過(guò)熱跡象，檢測(cè)內(nèi)部絕緣良好，滿足“一次側(cè)對(duì)二次側(cè)及地≥1000M?，二次側(cè)對(duì)地≥100M?”的要求。

據(jù)上述故障現(xiàn)象可判斷：造成高壓互感器故障的直接現(xiàn)象是原邊匝間擊穿，深入分析原因可能為輸出過(guò)載、電路過(guò)電壓或互感器本身設(shè)計(jì)質(zhì)量存在問(wèn)題。

二、原因分析

高壓電壓互感器雖然是高壓電器部件，但是其負(fù)載用于對(duì)機(jī)車的電壓采集、計(jì)量能量，因此其功耗較小，并在次邊設(shè)有過(guò)流保護(hù)裝置。對(duì)高壓電壓互感器及相關(guān)聯(lián)部件進(jìn)行全面檢查，首先通過(guò)對(duì)過(guò)流保護(hù)裝置及二次側(cè)熔斷器的狀態(tài)確認(rèn)良好，判定高壓互感器沒(méi)有因輸出過(guò)載而導(dǎo)致燒損情況的發(fā)生。

為探尋出故障的真正原因，承修單位武漢大功率機(jī)車檢修段與配件供應(yīng)商協(xié)商共同進(jìn)行研究，并將故障情況提供給配件供應(yīng)商。配件供應(yīng)商積極回應(yīng)承修單位，并組織對(duì)故障原因進(jìn)行深入研究，通過(guò)進(jìn)一步檢查首先排除了高壓電壓互感器質(zhì)量缺陷，并根據(jù)高壓電壓互感器使用環(huán)境，高壓電器操作和受電弓弓頭跳動(dòng)容易引起高壓電路過(guò)電壓，提出過(guò)電壓造成原邊匝間擊穿的設(shè)想，并對(duì)高壓互感器進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量及分析。

1.過(guò)電壓檢測(cè)影響

測(cè)試高壓電壓互感器的電壓、電流作為分析的基本參數(shù)：車內(nèi)次邊輸出電壓、車內(nèi)原邊繞組電流、車頂次邊輸出電壓、車頂原邊繞組電流。用示波器直接測(cè)量次邊輸出信號(hào)，演繹原邊電壓的變化情況；然后通過(guò)測(cè)量與原邊繞組并聯(lián)電阻的電壓波形，按比例推演出原邊電流。通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的測(cè)量觀察和分析評(píng)判，可以斷定：過(guò)電壓對(duì)高壓電壓互感器影響不大，導(dǎo)致繞組匝間擊穿并炸裂、燒損故障的可能性較小。

排除過(guò)電壓因素后，調(diào)查人員轉(zhuǎn)向高壓電壓互感器外部使用環(huán)境因素：接觸網(wǎng)。

2.鐵磁諧振造成影響

電力機(jī)車過(guò)分相時(shí)真空斷路器要進(jìn)行分?jǐn)?、接通操作，與接觸網(wǎng)分?jǐn)嗪笤俳油〞?huì)造成鐵磁諧振現(xiàn)象。

由示意圖可看出接觸網(wǎng)與受電弓供電臂相連，在供電臂與電力機(jī)車高壓電器之間形成耦合電容，高壓電壓互感器也在其中，可以構(gòu)成一個(gè)諧振回路。電力機(jī)車在進(jìn)入接觸網(wǎng)電分相中性區(qū)時(shí)真空斷路器首先要進(jìn)行分閘操作，這時(shí)電力機(jī)車高壓電器與接觸網(wǎng)之間分?jǐn)?，而機(jī)車上的電纜和電容可看成一個(gè)LC回路，與接觸網(wǎng)相連的供電臂以電容耦合的形式繼續(xù)提供能量，LC回路中分別以電壓和電流型式保持的能量，同時(shí)LC回路的電流在高壓電壓互感器鐵芯非線性電阻特性影響下發(fā)生畸變，產(chǎn)生振蕩電流，在外部電源頻率和LC回路共同作用下形成形成某頻率的鐵磁諧振。

在機(jī)車在分相區(qū)測(cè)量觀察過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)低頻諧振現(xiàn)象，從而證實(shí)是存在鐵磁鐵磁諧振影響的。如圖2所示。

為搞清檢測(cè)諧波對(duì)高壓電壓互感器原邊電流的影響，進(jìn)行了對(duì)應(yīng)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示。

通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的觀察分析可以看出：

（1）過(guò)分相在中性區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振現(xiàn)象。

（2）正常時(shí)接觸網(wǎng)中性區(qū)電壓峰值約為4～8kV，而發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象時(shí)可達(dá)26～43kV。

（3）高壓電壓互感器原邊電流鐵磁諧振主要為基波的1/3次諧波。

（4）正常時(shí)高壓電壓互感器原邊電流在10～30mA之間，而發(fā)生低頻高壓的鐵磁諧振時(shí)電流急劇增大，峰值可達(dá)264mA，為正常時(shí)的10～20倍，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致燒損、炸裂現(xiàn)象更加突出。

3.接觸網(wǎng)諧波影響

和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)PWM四象限變流器在交流側(cè)能產(chǎn)生豐富的諧波電流。通過(guò)觀察機(jī)車運(yùn)行中的測(cè)試波形，發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓高次諧波現(xiàn)象，當(dāng)同一線路中運(yùn)行的機(jī)車越多，現(xiàn)象越明顯，如果超過(guò)臨界點(diǎn)不能被接觸網(wǎng)及時(shí)吸收，將造成頻率約為6Hz的低頻震蕩。

受接觸網(wǎng)網(wǎng)壓低頻振蕩影響，高壓電壓互感器的原邊電流超過(guò)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)時(shí)，燒損、炸裂的概率顯著增大。

4.接觸網(wǎng)供電不穩(wěn)影響

在故障調(diào)研時(shí)檢測(cè)接觸網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，個(gè)別區(qū)段電壓有時(shí)達(dá)到30kV以上，在電力機(jī)車過(guò)分相可形成最大峰值50kV的瞬間過(guò)電壓，使得高壓電壓互感器繞組絕緣擊穿、產(chǎn)生電弧，進(jìn)而造成對(duì)地?fù)舸虼私佑|網(wǎng)供電電壓高是引起高壓電壓互感器故障的潛在因素。

三、解決辦法

由檢測(cè)分析可推斷導(dǎo)致高壓電壓互感器故障的的主要因素有：諧波震蕩、鐵磁諧振以及接觸網(wǎng)供電不穩(wěn)。目前，鐵路部門對(duì)諧波震蕩、鐵磁諧振還沒(méi)有完善的解決辦法，建議主要從提高高壓電壓互感器自身可靠性來(lái)解決：

1.改善高壓電壓互感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。根據(jù)過(guò)電壓對(duì)高壓電壓互感器的影響，增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并在互感器內(nèi)部增設(shè)消諧電抗降低原邊諧波電流。

2.加強(qiáng)檢查保養(yǎng)，在機(jī)車入庫(kù)檢查時(shí)及時(shí)對(duì)氧化、接觸不良等問(wèn)題進(jìn)行處理，在用高壓電壓互感器狀態(tài)良好。

3.合理調(diào)整好各區(qū)段電力機(jī)車同時(shí)運(yùn)行的對(duì)數(shù)，減小接觸網(wǎng)諧波震蕩影響。

4.供電部門加強(qiáng)接觸網(wǎng)整修，確保電壓滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的要求，盡量穩(wěn)定在25～27.5kV范圍之間。

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