HXD2B機(jī)車電壓互感器故障原因分析及對策措施

薛偉鋒 中國鐵路上海局集團(tuán)公司南京東機(jī)務(wù)段

2010年初，上海鐵路局南京東機(jī)務(wù)段開始配屬使用HXD2B型電力機(jī)車，一直在南京東至濟(jì)南西、南京東至蚌埠東、南京東至南翔貨運(yùn)交路，在京滬線的貨物運(yùn)輸中發(fā)揮了重要的作用；在客運(yùn)任務(wù)中也表現(xiàn)出強(qiáng)有力的優(yōu)勢。但車頂高壓互感器近兩年發(fā)生了多起炸裂故障。

1 故障情況

南京東機(jī)務(wù)段配屬HXD2B-0063機(jī)車，2010年5月配屬，運(yùn)行時間約為30個月，于2012年11月18日發(fā)生高壓電壓互感器絕緣擊穿故障。高壓電壓互感器型號為JDZXW2-25A2，生產(chǎn)廠家：大連北方互感器集團(tuán)有限公司。互感器安裝位于機(jī)車頂部，采用導(dǎo)電板與機(jī)車導(dǎo)電桿連接，故障現(xiàn)象：絕緣擊穿后，因為接地電流較大，一次端子處裂損，互感器本體處有貫穿形的裂紋，裂紋處有因電弧放電產(chǎn)生的碳化熏黑現(xiàn)象,故障照片如圖1。

圖1 HXD2B-0063機(jī)車電壓互感器炸裂

南京東機(jī)務(wù)段配屬HXD2B-021機(jī)車，2017年2月25日途中車頂突然響起兩聲異響，網(wǎng)壓為零，前、后弓進(jìn)行絕緣檢測不通過，無感應(yīng)網(wǎng)壓，請求救援?；囟蔚琼敊z查發(fā)現(xiàn)高壓電壓互感器炸裂，絕緣子表面炸裂，高壓電壓互感器周圍車頂表面有放電灼傷痕跡（如圖2）。機(jī)車運(yùn)用受電弓（Ⅰ端弓）兩條碳滑板均有過流拉弧痕跡，車頂其他部位無放電燒損等異?，F(xiàn)象，進(jìn)行6A系統(tǒng)絕緣檢測試驗，檢測電壓3.8kV。該高壓電壓互感器是大連北互產(chǎn)品，產(chǎn)品型號：JDZXW3-25，編號：9126520。

圖2 HXD2B-0021機(jī)車電壓互感器炸裂

2 高壓互感器技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)

2.1 技術(shù)參數(shù)

型號： JDZXW2-25A2

頻率： 50 Hz

額定絕緣水平： 40.5/85/185 kV

額定電壓比： 25 000/100 V

二次組合： 1級/1級

二次額定負(fù)荷及準(zhǔn)確級：30 VA 1級/30 VA 1級 (cosφ=0.8)

二次熱極限輸出電流(A)：1 A

額定電壓因數(shù)： 1.5 Un(30 s)

絕緣等級： E級

2.2 結(jié)構(gòu)及技術(shù)說明

JDZXW2-25A2型電壓互感器采用環(huán)氧樹脂與硅橡膠復(fù)合絕緣支柱式結(jié)構(gòu)。內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂澆注，外部護(hù)套和傘裙采用高溫硅橡膠材料，具有良好的憎水性，大大地提高了污閃電壓，能有效地防止污閃故障的發(fā)生；具有抗老化和耐漏電起痕性能，電蝕損性能達(dá)到GB6553-1986[等效采用IEC587(1984)]標(biāo)準(zhǔn)中最高級的1A6.0級，可以連續(xù)承受污閃電壓；具有耐機(jī)械沖擊能力強(qiáng)、重量輕、便于安裝、不易損壞、維護(hù)周期長的特點(diǎn)。高壓電壓互感器二次采用雙熔斷器出線，提高了高壓電壓互感器的自保護(hù)能力。

JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器主要由:器身澆注體、硅橡膠傘裙、安裝發(fā)蘭、出線裝置等部分組成,外形圖見圖3，結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖3 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器外形圖

圖4 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

2.3 工作原理

高壓電壓互感器是利用電磁感應(yīng)原理，把一次測的高電壓變換為標(biāo)準(zhǔn)測量電壓。高壓電壓互感器是一種專門用作變換電壓的特種變壓器。原理接線圖見圖5。

圖5 互感器原理接線圖

2.4 主電路圖

HXD2B機(jī)車采用的是JDZXW2-25A2型戶外全封閉式電壓互感器，采用戶外環(huán)氧樹脂與硅橡膠復(fù)合絕緣支柱式結(jié)構(gòu)，主要由線圈、鐵心、套管鋁法蘭安裝盤等組成。用于監(jiān)測電力機(jī)車行駛過程中接觸網(wǎng)電壓，并為電度表提供電壓信號，同時電壓信號經(jīng)過高壓懸掛線電壓測量隔離室變壓器（TF2-PP）、高壓懸掛線電壓互感器（TF3-PP）2級變壓后為牽引控制系統(tǒng)提供5 V同步信號，見高壓原理圖6。

圖6 互感器高壓原理圖

3 原因分析

（1）通過現(xiàn)場檢查情況初步分析認(rèn)為，一些新改造的電氣化線路，由于網(wǎng)壓過高或存在諧波畸變易造成跳主斷故障，或機(jī)車通過分相區(qū)時，大多會出現(xiàn)較大的原邊沖擊電流，通過供電段的相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)，接觸網(wǎng)含有大量的諧波成分，導(dǎo)致供電電壓畸變較嚴(yán)重，電壓波形在不同的區(qū)段呈現(xiàn)不同的諧波成分，多數(shù)區(qū)域供電電壓為30 kV，甚至還有其他過壓，有操作過電壓和自然環(huán)境下的雷擊過電壓，使的高壓電壓互感器繞組絕緣擊穿，產(chǎn)生電弧，進(jìn)而造成對地?fù)舸?，因此接觸網(wǎng)供電電壓是引起高壓電壓互感器故障的潛在因素。

（2）JDZXW2-25A2型干式高壓電壓互感器內(nèi)部繞組絕緣存在某種缺陷，如絕緣不良、線路老化等，雖在上車試驗前成品試驗時要進(jìn)行感應(yīng)耐壓等試驗，但因產(chǎn)品設(shè)計的層間、匝間電壓較低，試驗電壓未達(dá)到擊穿程度，這種缺陷可能檢驗不出來；如果機(jī)車高壓電壓互感器內(nèi)部一次繞組匝間絕緣性能不良，在接觸網(wǎng)高電壓沖擊下，匝間短路，電流迅速增大而過流，在密閉的空間內(nèi)迅速升溫致使炸裂。

（3）產(chǎn)品裝車運(yùn)用后，每次機(jī)車升弓時或過分相進(jìn)入有電區(qū)或網(wǎng)壓超過規(guī)定值時，對高壓電壓互感器的繞組都存在大電流沖擊，引發(fā)絕緣缺陷進(jìn)一步加劇，再加上熱量聚集、絕緣子絕緣等級下降等因素的積累作用，最終導(dǎo)致絕緣缺陷由量變轉(zhuǎn)化為質(zhì)變，造成絕緣崩潰擊穿，匝間短路引起工作電流劇增而炸開互感器頂部直徑較小的薄弱區(qū)域，嚴(yán)重故障直接炸裂互感器器身。

（4）互感器的密封問題，主要是生產(chǎn)廠家采用的密封技術(shù)不夠完善，或采用的密封材料抗老化能力不強(qiáng)，在溫度變化較大或運(yùn)行時間接近產(chǎn)品壽命時，發(fā)生密封不良后潮氣侵入，造成內(nèi)部絕緣損壞，加速老化引起內(nèi)部放電瞬間爆炸。由于高壓電壓互感器主體與安裝底盤之間，在檢修時不規(guī)范的作業(yè)或是外力作用下發(fā)生輕微的傾斜，密封性被破壞，空氣進(jìn)入，會導(dǎo)致高壓電壓互感器受力不均勻，因此高壓電壓互感器密封性不良和受力不均也是炸裂的主要原因。

（5）潮氣侵入引發(fā)的故障，由于一次繞組由數(shù)萬匝漆包線卷繞起來，且在漆包線的一層與一層之間，也會使用到大面積的絕緣薄膜進(jìn)行隔離；非常明顯的就是其匝數(shù)層數(shù)越多，那么隔離用絕緣薄膜也就會越多，從而導(dǎo)致氣隙含量增多，由于這些氣隙以及漆膜，絕緣薄膜都會在使用的過程中吸收水分，當(dāng)水分超標(biāo)氣溫突降時，其過量的水分就會導(dǎo)致高壓電壓互感器繞組表面結(jié)露，從而絕緣下降造成繞組閃絡(luò)，最終造成燃弧，氣壓急劇上升而使得高壓電壓互感器炸裂。

4 技術(shù)措施

（1）日常結(jié)合C1-C3修及出入庫加強(qiáng)高壓電壓互感器的檢查，外觀檢查硅橡膠套無污染，無破損放電及脫膠痕跡；出線端螺紋良好、無燒損痕跡、端子極性與標(biāo)識一致；檢查底部環(huán)氧澆注體無開裂及放電痕跡。一次、二次引線連接件牢固無氧化接觸不良現(xiàn)象，接線端子無氧化層連接可靠，檢查接地線是否可靠連接。

（2）與供電部門取得聯(lián)系，要求其將網(wǎng)壓控制在《技規(guī)》規(guī)定的額定25 kV～27.5 kV范圍內(nèi)

（3）結(jié)合機(jī)車C3修檢測互感器絕緣電阻和并進(jìn)行耐壓試驗。

①絕緣電阻測量:一次繞組對二次繞組及地≥1 000 MΩ，二次繞組對地≥100 MΩ。

②直流電阻測量:測量一次繞組及二次繞組的直流電阻值,與出廠值比較相差不超過10%。一、二次繞組的直流電阻值（75℃時）：一次 A N：21 200 Ω～25 912 Ω，二次 a n：0.324 Ω～0.396 Ω。

③二次工頻耐壓試驗:在二次繞組n端子與地之間施加3 kV電壓試驗，歷時1 min,通過為合格。

④一次工頻耐壓試驗:在一次繞組N端子與地之間施加電壓試驗，施加電壓值3 kV歷時1 min,通過為合格。

（4）加強(qiáng)互感器的技術(shù)管理工作，對每臺機(jī)車的互感器建立技術(shù)檔案，檢測報告、測試報告均要存入技術(shù)檔案，方便大部件壽命管理和故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和梳理分析。

（5）針對互感器內(nèi)部的早期裂紋可采用X射線探傷試驗的方法，采用X射線實時成像系統(tǒng)對下車的互感器進(jìn)行檢測，可以將內(nèi)部有明顯的直線型裂紋缺陷排查出來避免隱患互感器裝車試用。

5 結(jié)束語

互感器損壞或炸裂的原因有網(wǎng)線過電壓、硅橡膠套污染或破損、互感器自身內(nèi)部絕緣不良等原因，又因互感器內(nèi)部線圈老化速度的離散型及機(jī)車運(yùn)行環(huán)境變化的隨機(jī)性，都影響著互感器的可靠性，故需在今后的檢修工作和實踐中去研究、試驗、探討和總結(jié)。