高海拔地區(qū)動車組高壓設(shè)備箱絕緣優(yōu)化試驗研究

張子信，戴曉宇，宋卓然，孟 增，王珊珊

（1．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，沈陽110000；2．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司管理培訓(xùn)中心，沈陽110000）

0 引言

動車組因其運行速度快、輸運能力強、安全舒適度高而成為人們中短途出差、旅行的首選交通工具。動車組是高速鐵路網(wǎng)的核心組件，其安全、可靠運行對我國高鐵技術(shù)在國際、國內(nèi)的品動車組因其速度快、可靠性高而成為人們出差、旅行的主要交通工具，高壓系統(tǒng)是動車組的重要組成部分，其可靠性對動車組正點運行至關(guān)重要[1-3]。

高壓設(shè)備箱是連接車頂電纜與牽引變壓器的中間部件，主要由電纜終端、真空斷路器（vacuum circuit breaker，VCB）和避雷器等組成。在25 kV電壓作用下箱體內(nèi)高壓端金具均未無電暈放電現(xiàn)象。動車組在升降弓、過分相等過程將產(chǎn)生過電壓[4-5]，當(dāng)過電壓幅值超過設(shè)備閃絡(luò)電壓耐受值時，空氣間隙或沿面閃絡(luò)故障將影響動車組在正點、可靠運行[6]。

隨著西部高速鐵路建設(shè)步伐的加快，線路及動車組設(shè)計過程中必須充分考慮高海拔、風(fēng)沙等特殊環(huán)境對高壓供電系統(tǒng)可靠性的影響。目前在網(wǎng)運行動車組行駛區(qū)間海拔高度小于2 000 m，國內(nèi)尚無動車組在高海拔氣候環(huán)境條件下穩(wěn)定、可靠運行的經(jīng)驗。

DL/T5222-2005規(guī)定[7]：對在海拔高度1 000～4 000 m處使用的設(shè)備，其外絕緣強度按照海拔每升高100 m，絕緣強度約下降1%進行修正。當(dāng)在海拔低于1 000 m的地點試驗時，其試驗電壓應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高海拔地區(qū)設(shè)備額定電壓耐受值乘以海拔高度修正系數(shù)K，修正系數(shù)K的計算如式（1）所示。

式中，H為設(shè)備安裝地點的海拔高度，m。

TB/T 1333.1－2002規(guī)定[8]，依據(jù)機車運行環(huán)境的不同，各電壓等級電氣器件耐受沖擊電壓的等級及不同額定電壓設(shè)備耐受沖擊電壓規(guī)定值如表1所示。

表1 額定沖擊耐受電壓的確定Table 1 Rated value of impulse tolerance voltage

現(xiàn)有動車組高壓設(shè)備箱絕緣系按照OV3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，高海拔地區(qū)動車組電氣設(shè)備絕緣等級應(yīng)按OV4標(biāo)準(zhǔn)進行考核。受設(shè)備箱安裝位置尺寸所限，需在不擴大現(xiàn)有箱體尺寸前提下，研究不同絕緣優(yōu)化策略下沖擊閃絡(luò)電壓耐受性能。在平原處考核高壓設(shè)備箱沖擊閃絡(luò)電壓耐受強度時，需對該試驗電壓數(shù)值進行修正。依據(jù)式（1），當(dāng)動車組在海拔高度為3 000 m處運行時，其絕緣強度校正因子如式（2）所示：

根據(jù)表1和式（2），海拔高度3 000 m處高壓設(shè)備箱沖擊電壓耐受幅值應(yīng)達到的的數(shù)值如式（3）所示，式（3）中，Uimp平原地區(qū)OV4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，K為海拔高度修正系數(shù)。

空氣間隙的擊穿實際上是強場電離的自由電子形成流注通道并貫穿所造成[9-12]。沖擊電壓作用下流注形成時，需滿足場強數(shù)值達到流注起始場強和在電極區(qū)域附近存在有效的自由電子等條件[13-14]。

不同幅值工頻電壓下紫外放電強度和沖擊閃絡(luò)試驗過程結(jié)果均表明，電纜終端端部對箱壁首先發(fā)生放電，該放電屬于空氣間隙擊穿。當(dāng)高低壓電極間無固體絕緣介質(zhì)存在時，電壓由空氣間隙承擔(dān)，當(dāng)在空氣間隙間置入固體絕緣介質(zhì)后，由于固體介質(zhì)的分壓作用[15-16]，空氣間隙所承擔(dān)的電壓將減小，減小幅值取決于固體介質(zhì)的安裝位置及結(jié)構(gòu)。

比較不同材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的絕緣護套優(yōu)化策略的優(yōu)化效果及施工工藝可行性，針對電纜終端，選擇用熱縮套管包覆接線端子，絕緣護套邊緣延伸到首個傘裙的絕緣護套優(yōu)化方式，采用類似的方法對斷路器端部進行了優(yōu)化，試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的高壓設(shè)備箱滿足高壓設(shè)備箱在海拔高度為3 000 m處沖擊電壓耐受值考核要求。

1 試品及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗接線原理如圖1所示。

圖1 試驗接線圖Fig.1 Schematic of experiment connection

沖擊電壓發(fā)生器單級電壓為150 kV，共三級，輸出電壓波形滿足GB/T16927.1-2011要求。分壓器分壓比為2 000：1，衰減探頭為1/10，示波器型號為TDS2024，試驗期間室內(nèi)環(huán)境溫度為11-17℃，相對濕度為44%～53%，試驗地海拔高度小于50 m。

1.2 試品

高壓設(shè)備箱主要由電纜終端、真空斷路器、避雷器及連接導(dǎo)桿組成，箱體尺寸為600 mm×600 mm×2 200 mm。本文研究對象為如圖2所示電纜終端端部及真空斷路器端部，電纜終端端部外殼直徑為146 mm，斷路器端部界面尺寸為180×180 mm。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)有高壓設(shè)備箱沖擊耐受特性

為驗證不同絕緣加強措施對沖擊耐受電壓性能的改善效果，首先斷開箱體內(nèi)避雷器，從電纜終端接線端處斷開斷路器，通過調(diào)整沖擊電壓發(fā)生器球隙間隙來改變施加到試品的電壓值?，F(xiàn)有高壓設(shè)備箱沖擊電壓耐受值約為155 kV。試驗波形如圖3所示。

圖2 試品結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of specimens

圖3 現(xiàn)有高壓設(shè)備箱沖擊耐受電壓Fig.3 Impulse withstand voltage of the existing high voltage equipment box

2.2 絕緣護套對沖擊閃絡(luò)電壓影響分析

制作兩種不同規(guī)格型號的絕緣護套，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中絕緣護套A為內(nèi)自制品，材質(zhì)為硅橡膠板，厚度為5 mm，圓環(huán)和板之間用RTV粘結(jié)，絕緣護套B為委托專業(yè)廠家加工產(chǎn)品，厚度為5 mm。按照如圖5所示不同方式將絕緣護套緊貼電纜終端金屬外殼進行固定，在固定過程中用單組份RTV填充孔隙。不同優(yōu)化策略下電纜終端空氣間隙沖擊閃絡(luò)耐受電壓值如表2所示。

圖4 絕緣護套Fig.4 Insulation sheath

由表2可知，單獨加裝絕緣護套A、護套B或在接線端子處加裝熱縮管時，沖擊閃絡(luò)電壓耐受值均小于等于200 kV。在加裝絕緣護套的同時，在接線端處加裝熱縮管，沖擊閃絡(luò)電壓數(shù)值有小幅提升。當(dāng)不加硅橡膠墊片時，沖擊閃絡(luò)電壓耐受值均在小于203 kV，按照OV4標(biāo)準(zhǔn)，該值僅滿足海拔高度為2 600 m處耐受值要求。

當(dāng)采取圖5（e）所示優(yōu)化策略后，沖擊閃絡(luò)電壓耐受值達到235 kV，該值可滿足海拔高度3 700 m處設(shè)備要求。當(dāng)在電纜終端處同時加裝接線端熱縮管、硅橡膠墊片和絕緣護套B時所時的空載沖擊電壓波形和擊穿電壓波形如圖6所示。

圖5 絕緣護套優(yōu)化策略Fig.5 Insulation sheath optimization strategy

表2 不同優(yōu)化策略對沖擊閃絡(luò)電壓耐受值Table 2 Impulse flashover withstand voltage under different insulation optimization strategy

2.3 絕緣護套和環(huán)氧板配合后沖擊閃絡(luò)電壓影響分析

按照表3所示不同的絕緣優(yōu)化組合策略，驗證不同組合條件下空氣間隙沖擊閃絡(luò)電壓耐受值變化趨勢。

圖6 沖擊耐受電壓235 kV時電壓波形Fig.6 Voltage waveform of impulse withstand value is 235 kV

表3 環(huán)氧樹脂板同護套配合策略下沖擊閃絡(luò)耐受值Table 3 Withstand value of impulse flashover voltage using the cooperation strategy of epoxy board and sheath

由表3可以看出，在高壓設(shè)備箱四周加裝環(huán)氧樹脂絕緣板時，電纜終端附近沖擊耐受電壓可以達到190 kV，當(dāng)在四周加裝2 mm厚環(huán)氧樹脂絕緣板的同時加裝絕緣護套B時，沖擊閃絡(luò)電壓可以達到210 kV。單從沖擊閃絡(luò)電壓耐受值看，可基本滿足海拔高度為3 000 m處的電氣設(shè)備耐受值要求，但通過觀察箱體四壁環(huán)氧樹脂板發(fā)現(xiàn)，多次閃絡(luò)試驗后，在箱體四壁環(huán)氧樹脂絕緣板發(fā)現(xiàn)了如圖7所示的擊穿痕跡，圖7中，數(shù)字為擊穿孔洞出現(xiàn)的次序。

2.4 絕緣護套對斷路器端部絕緣優(yōu)化效果

現(xiàn)有斷設(shè)備斷路器端部對箱壁沖擊閃絡(luò)電壓耐受值為169 kV，按照2.2節(jié)所述方法對電纜終端端部絕緣進行加強后對電纜斷路器端部進行優(yōu)化，同理在加裝絕緣護套前將接線端子用直徑為5cm、厚度為3 mm的硅橡膠護套進行包覆，優(yōu)化所采用的絕緣護套結(jié)構(gòu)及安裝如圖8所示。

在如圖8所示的優(yōu)化策略下，分別施加沖擊電壓的峰值為210 kV、231.3 kV的沖擊電壓，高壓設(shè)備箱電纜終端和斷路器端部均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象；當(dāng)沖擊電壓峰值達到235.2 kV，電纜終端附近氣隙發(fā)生了擊穿。多次閃絡(luò)試驗結(jié)果表明，該優(yōu)化措施下?lián)舸┎课痪挥陔娎|終端處，故該下斷路器加裝絕緣護套后其沖擊電壓耐受值大于等于235 kV。該措施下斷路器端部沖擊擊穿電壓較之不加任何措施下的電纜終端沖擊耐受值169.0 kV相比，提高了46.8%，可滿足海拔3 700 m處OV4標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 環(huán)氧樹脂板擊穿痕跡Fig.7 Breakdown track of epoxy resin

圖8 高壓設(shè)備箱優(yōu)化方案Fig.8 Optimization strategy of high voltage equipment box

3 結(jié)論

筆者為滿足高海拔地區(qū)高壓設(shè)備絕緣考核標(biāo)準(zhǔn)，筆者研究了不同絕緣優(yōu)化策略對提升雷電沖擊電壓耐受值的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：基于絕緣護套和熱縮套管配合的優(yōu)化策略可以有效提升高壓設(shè)備雷電沖擊電壓耐受值。在電纜終端處的絕緣加強措施由絕緣熱縮管、硅橡膠墊片和絕緣護套B三者配合可取得最優(yōu)效果。同緊貼高壓電極加裝絕緣護套相比，低壓電極表面加裝絕緣介質(zhì)后沖擊閃絡(luò)電壓耐受值提升幅度較小，優(yōu)化效果不如加裝在高壓端明顯。采用類似的方法對斷路器端部進行優(yōu)化，優(yōu)化后的閃絡(luò)電壓耐受值提高了約47%。筆者所述的優(yōu)化策略可以在高海拔地區(qū)電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化中推廣應(yīng)用。

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