電力機車互感器安全運行隱患的預(yù)防及排除

婁志松 上海鐵路局上海機車檢修段

電力機車互感器安全運行隱患的預(yù)防及排除

婁志松 上海鐵路局上海機車檢修段

從電力機車電壓互感器故障分析入手，解析絕緣故障是機車電壓互感器故障的核心關(guān)鍵因素，然后論證通過檢測手段準(zhǔn)確判斷電壓互感器的狀況的八項檢測方法，提出預(yù)防和排除電力機車電壓互感器安全運行的隱患。

電力機車；電壓互感器；八項檢測；互感器故障預(yù)防

1 機車高壓電壓互感器常見故障及特征

和諧型電力機車主要采用干式電壓互感器，機車在運行過程中通過接觸網(wǎng)上獲取25 kV、50 Hz的單相工頻交流電，經(jīng)受電弓、主斷路器以及高壓電纜總成等被送到牽引變壓器中。電力機車內(nèi)高壓電壓互感器并聯(lián)在車頂25 kV的高壓母線之上，將25 kV降壓至低壓，從而達(dá)到對機車控制、保護(hù)目的。高壓互感器的常見故障，在電氣方面主要表現(xiàn)在一次及二次側(cè)繞組開路，接地和絕緣值偏低，和運行途中的炸裂；機械物理方面表現(xiàn)為絕緣層的破損和機械強度的減弱。根據(jù)對機車電壓互感器運行故障的分析，比較典型危害程度最高的故障是運行途中燒損炸裂，如果高壓電壓互感器出現(xiàn)此問題，不僅會導(dǎo)致機車故障，處理不當(dāng)還將會造成接觸網(wǎng)斷線，中斷行車，影響鐵路運輸?shù)陌踩\行，后果十分嚴(yán)重。如何在檢修過程中通過檢測試驗，發(fā)現(xiàn)早期癥狀，杜絕帶隱患的部件裝車使用，是十分重要也非常必要的工作。

2 高壓互感器結(jié)構(gòu)原理及故障解析

2.1 高壓互感器結(jié)構(gòu)原理

高壓電壓互感器產(chǎn)品內(nèi)部采用戶外環(huán)氧樹脂真空澆注而成，產(chǎn)品外部護(hù)套和傘裙采用高溫硅橡膠材料，詳見圖1。

圖1 高壓互感器示意圖

2.2 故障解剖分析

為了查找故障點的根源，解剖了一些故障電壓互感器，該電壓互感器高壓線圈分為3段，如圖2所示，高壓線圈采用3段分布的結(jié)構(gòu)，每一段只處在額定電壓的一部分電壓下，可以分段絕緣，其絕緣可按每段的匝數(shù)進(jìn)行分布，以節(jié)省絕緣材料，降低絕緣的等級。故障電壓互感器燒損情況及部位如圖2所示，通過解剖，發(fā)現(xiàn)電壓互感器高壓線圈C段絕緣層燒毀的居多。

圖2 高壓電壓互感器高壓線圈分布示意及故障示意圖

2.3 故障的理論分析

機車高壓電壓互感器，通入高壓線圈的有2類電壓：其一為穩(wěn)態(tài)電壓，主要指來自接觸網(wǎng)的工頻交流額定電壓；其二為暫態(tài)電壓，主要是包括接觸網(wǎng)線路的操作過電壓，系統(tǒng)中電磁能量振蕩和積聚而產(chǎn)生的過電壓，一般為額定電壓的3.0～4.5倍。輸電線路被直接遭雷擊或雷云放電時電磁場的劇烈變化所引起的過電壓，一般為額定電壓的8～l2倍。暫態(tài)電壓坡度陡，持續(xù)時間短，對高壓線圈的絕緣危害極大。

在工頻激勵電壓的作用下，高壓線圈的等值電路只包括集中電感與電阻，電壓穩(wěn)態(tài)分布由電阻與電感決定。當(dāng)幅值為u的暫態(tài)過電壓侵入高壓線圈時，線圈的電感能量和電容能量發(fā)生交換而形成振蕩過程，使線圈匝間、層間電位差和線圈各層對地電位比工頻電壓作用下增大許多倍，所以暫態(tài)電壓下電壓互感器高壓線圈的等值電路必須考慮匝間、層間電容和對地電容。

當(dāng)暫態(tài)電壓侵入高壓線圈時，沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間縱向電容和對地電容的比例。因為起始電壓沿線圈各點的分布很不均勻，使得流過每個匝間電容的電流不相等，靠近輸電線端的匝間電容流過的電流最大，越往后則越小。電力機車電壓互感器高壓線圈C段是靠近A端子處前20%的區(qū)段，越靠近高壓互感器A端子的部位（電壓引入端），匝間的電位梯度就越大。高壓線圈的首端（C段）甚至?xí)惺芨哂谄骄?～20倍的電壓梯度，使得C段最高瞬間匝間與層間電壓遠(yuǎn)高于施加電壓，反復(fù)施加的過電壓會加速C段線圈的絕緣老化。

3 樣品互感器的實驗檢測及結(jié)果分析

通過以上分析可知，電壓互感器的故障主要來源于繞組的絕緣降低及絕緣層的絕緣受損。在匯總了相關(guān)絕緣性能檢測的各類標(biāo)準(zhǔn)和要求，從絕緣性能的不同的方面對電壓互感器的絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測，作出全方面的準(zhǔn)確判斷。

同時隨機抽選了兩臺電壓互感器作為試品按此檢測方法逐項檢測，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)更直觀地說明如何通過檢測判斷電壓互感器的絕緣性能。試品參數(shù)見圖3。

圖3 試品參數(shù)

3.1 絕緣電阻檢測

絕緣電阻檢測使用電動搖表分別測量一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的對地絕緣電阻。

檢測目的：了解互感器繞組線圈對地絕緣的整體或局部受損情況。

實測結(jié)果：一次～二次、地保證值≥1000MΩ，實測1#試品72.7 GΩ、2#試品72.9 GΩ；二次～一次、地保證值≥100 MΩ，實測1#試品94.0GΩ、2#試品88.6 GΩ。

檢測結(jié)論：良好。

3.2 繞組直流電阻檢測

繞組直流電阻檢測通過分別測量一次繞組和二次繞組的直流電阻。

檢測目的：能有效發(fā)現(xiàn)互感器線圈選材、焊接質(zhì)量、引線與套管連接部位松動、電壓分接是否良好，并聯(lián)支路連接是否正確，有無層間短路、缺股或內(nèi)部斷線等制造缺陷。

實測結(jié)果：A～N(75℃)應(yīng)為21 200 Ω～25 912 Ω，實測1#試品：24 869 Ω2#試品：22 968 Ω；a～n(75℃)應(yīng)為0.324 Ω～0.396 Ω實測1#試品：0.3363 Ω；2#試品：0.3407 Ω。

檢測結(jié)論：良好。

3.3 感應(yīng)耐壓檢測

感應(yīng)耐壓試驗采用從二次加壓而使一次得到高壓的試驗方法來檢查互感器絕緣。

檢測目的：檢定互感器匝間、層間、段間的絕緣是否存在短路等缺陷。

實測結(jié)果：二次施加電壓0.255 kV，一次感應(yīng)電壓75× 85%=63.75 kV，試驗頻率100 Hz，持續(xù)時間60 s，試驗過程不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象；實測1#、2#試品試驗過程無閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象；

檢測結(jié)論：良好。

3.4 勵磁特性檢測

檢測目的：檢定二次繞組是否存在匝間絕緣問題，以及互感器鐵芯性能，判斷是否存在鐵磁諧振現(xiàn)象。

實測結(jié)果：二次測加100 V電壓時，空載電流應(yīng)為0.05 A～0.3 A，實測1#試品為0.233 A、2#試品為0.258 A，空載損耗應(yīng)為4 W～15 W，實測1#試品為7 W、2#試品為6.6 W；二次測加150 V電壓時，空載電流應(yīng)為0.07 A～0.5 A，實測1#試品為0.385 A、2#試品為0.425 A，空載損耗應(yīng)為6 W～30 W，實測1#試品為15.6 W、2#試品為15 W；

檢測結(jié)論：良好。

3.5 頻率響應(yīng)特性檢測

檢測互感器各個繞組的幅頻響應(yīng)特性，檢測結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較。

檢測目的：通過特性曲線的對比了解互感器繞組變形情況。

實測結(jié)果：見圖4。

圖4 實測頻響曲線對比圖

檢測結(jié)論：2#測品與1#測品對比偏差過大，有異常隱患。

3.6 介質(zhì)損耗特性檢測

介質(zhì)損耗是絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗，絕緣能力的下降直接反映為介質(zhì)損耗因數(shù)的增大。

檢測目的：判斷互感器絕緣層是否受潮。

實測結(jié)果：1#試品H-L E部位1.207%、L-H E部位0.854%、H-L部位1.574%；2#試品H-L E部位1.477%、L-H E部位0.947%、H-L部位1.856%；

檢測結(jié)論：良好。

3.7 局部放電特性檢測

絕緣層內(nèi)部電場分布不均勻性或存在缺陷和雜質(zhì)（氣泡），使局部電場集中。

檢測目的：可以發(fā)現(xiàn)絕緣層潛在絕緣薄弱部位。

實測結(jié)果：額定電壓試驗，二次0.1 kV，一次25 kV，頻率100 Hz，要求≤10 pC，實測1#試品為14 pC、2#試品為7 pC；倍電壓試驗，二次0.173 kV，一次43.4 kV，頻率100 Hz，要求≤50 pC，實測1#試品為24 pC、2#試品為3 300 pC；。

檢測結(jié)論：1#試品數(shù)據(jù)有超標(biāo)現(xiàn)象，可考慮干擾影響。2#試品局放不合格。

3.8 工頻耐壓特性檢測

工頻交流耐壓試驗是考驗互感器絕緣承受各種過電壓能力的方法。

檢測目的：考核繞組對地和繞組之間的主絕緣強度。

實測結(jié)果：在一次繞組、二次繞組分別加壓到3 kV，試驗頻率100 Hz，持續(xù)時間60 s，試驗過程不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象。實測1#、2#試品試驗過程無閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象；

檢測結(jié)論：通過。

4 提高機車高壓電壓互感器運行可靠性的建議或措施

電壓互感器的絕緣性能是由多方面絕緣特性綜合組成的，單其中幾項合格并不能代表其整體合格，如2#試品電壓互感器，其大部分檢測都合格，但頻率響應(yīng)曲線的大幅偏差及局放的大幅超標(biāo)證明其在繞組形變及固態(tài)絕緣層的絕緣性能上有較大缺陷，此試品就存在較大的風(fēng)險。因此如要對電壓互感器絕緣性能作出準(zhǔn)確判斷應(yīng)綜合此八項檢測結(jié)果判斷。

利用計算機數(shù)據(jù)系統(tǒng)對每個進(jìn)行檢修的電壓互感器建立檢測數(shù)據(jù)檔案，錄入每次的檢測結(jié)果，經(jīng)過對多次檢測數(shù)據(jù)的匯總可建立每個電壓互感器絕緣性能變化的離散模型，在檢修中可依據(jù)趨勢模型進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷，當(dāng)趨勢突變時可立即更換處理。

提高檢修過程中的防護(hù)，在運輸和起吊作業(yè)中應(yīng)按工藝要求進(jìn)行作業(yè)，防止作業(yè)過程中的機械損傷導(dǎo)致的絕緣破壞。

[1]鄭殿春，竇玉雷，等．分段層式干式變壓器繞組的暫態(tài)電壓分布特性[J]．變壓器，2O10(6)．

[2]翟啟斌．HXD1B型電力機車故障分析與對策[J]．機車電傳動，2010(3)：68～71．

[3]宋小衛(wèi)．35kV電壓互感器高壓側(cè)熔斷器異常熔斷原因研究[D]重慶：重慶大學(xué)，2007．

[4]凌子?。邏夯ジ衅骷夹g(shù)手冊[M]．北京：中國電力出版社，2005：25-35．

[5]劉鐵英．分段層式干式變壓器線圈波過程及傳輸特性研究[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009．

責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2017-02-21