動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電性能測(cè)試研究

楊喆，車(chē)軍，王保民

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動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電性能測(cè)試研究

楊喆1，車(chē)軍1，王保民1,2

(1. 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081)

通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電形成原因的歸類(lèi)總結(jié)，分析其產(chǎn)生的機(jī)理，建立相對(duì)應(yīng)的電纜局部放電模型和干擾模型。搭建測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的主要組成部分進(jìn)行闡述，對(duì)不同狀態(tài)的動(dòng)車(chē)組高壓電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：在測(cè)試過(guò)程中消除外界干擾是非常重要的，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中干擾信息，提出相應(yīng)的抗干擾措施，為后期開(kāi)展局部放電的測(cè)試具有一定的指導(dǎo)作用，為高壓電纜的早期故障預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

局部放電；高壓電纜；試驗(yàn)測(cè)試；動(dòng)車(chē)組；外部干擾

動(dòng)車(chē)組高壓電纜將25 kV高壓電引入動(dòng)車(chē)組的主變壓器一次側(cè)繞組，作為動(dòng)車(chē)組電能的輸送線(xiàn)路，它的性能是否良好直接關(guān)系到動(dòng)車(chē)組的正常運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組高壓電纜的局部放電性能是產(chǎn)生絕緣缺陷重要表征，亦是促使絕緣老化的主要原因之一，通過(guò)監(jiān)測(cè)高壓電纜的局部放電性能能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)早期缺陷，進(jìn)而及時(shí)的采取措施[1?2]。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究人員以及IEEE、CIGRE等相關(guān)機(jī)構(gòu)組織普遍認(rèn)為局部放電試驗(yàn)是對(duì)電纜絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)的一種有效手段[3]，并且已有大量文獻(xiàn)通過(guò)局部放電測(cè)試對(duì)中高壓電纜絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、診斷和定位進(jìn)行了研究[4?10]。動(dòng)車(chē)組高壓電纜在新造和大修時(shí)都需要進(jìn)行局部放電測(cè)試，用以保障動(dòng)車(chē)組供電線(xiàn)路的安全可靠[11?12]。本文對(duì)動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間的高壓電纜進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。

1 局部放電的原因分析

動(dòng)車(chē)組高壓電纜產(chǎn)生局部放電的原因大體上可以歸納為以下幾種情況：

1) 電纜線(xiàn)芯帶有毛刺

動(dòng)車(chē)組高壓電纜線(xiàn)芯在生產(chǎn)加工或者電纜總成的過(guò)程中，由于受到生產(chǎn)條件的一些限制，可能導(dǎo)致在電纜線(xiàn)芯表面形成毛刺。若出廠(chǎng)前未被檢測(cè)出來(lái)，裝車(chē)運(yùn)行一段時(shí)間后，電纜就可能產(chǎn)生局部放電。

2) 絕緣受潮

動(dòng)車(chē)組高壓電纜外部有ERP化合物制成的絕緣層和紅色無(wú)鹵交聯(lián)EVA材料制成的護(hù)套所保護(hù)，但在高壓電纜與電纜終端的接口處，由于列車(chē)在運(yùn)行中，經(jīng)常受到雨、雪、風(fēng)、砂、陽(yáng)光的侵蝕，容易導(dǎo)致絕緣受潮。

3) 絕緣局部受損傷

動(dòng)車(chē)組高壓電纜在運(yùn)輸、安裝以及運(yùn)用過(guò)程中都有可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣外層的損傷，當(dāng)日常檢修不及時(shí)或不徹底時(shí)，導(dǎo)致電纜可能長(zhǎng)期帶“病”工作。而且動(dòng)車(chē)組高壓電纜在動(dòng)車(chē)運(yùn)用過(guò)程中，部分高壓電纜暴露在外，動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)，容易受到鋒銳雜物的碰撞，造成電纜絕緣層受損，以上因素都可能導(dǎo)致電纜的局部放電。

4) 電纜絕緣內(nèi)部有氣隙

動(dòng)車(chē)組高壓電纜在出廠(chǎng)前都會(huì)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，當(dāng)電纜絕緣層內(nèi)部的氣隙比較大時(shí)，可能會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但是當(dāng)電纜絕緣層的內(nèi)部氣隙小時(shí)，可能會(huì)被漏掉。通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的使用，局部放電會(huì)不斷加強(qiáng)，最終會(huì)形成故障。另外，隨著我國(guó)的快速發(fā)展，電纜廠(chǎng)家規(guī)模的不斷擴(kuò)大和新廠(chǎng)家的應(yīng)運(yùn)而生，相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備不到位，形成一種潛在的危險(xiǎn)[13]。

2 局部放電機(jī)理分析

2.1 局部放電表征參數(shù)

動(dòng)車(chē)組高壓電纜發(fā)生局部放電的過(guò)程比較復(fù)雜，它的物理狀態(tài)通常需要采用多種相關(guān)表征參數(shù)進(jìn)行描繪，同時(shí)局部放電對(duì)高壓電纜的絕緣層破壞機(jī)理也是比較復(fù)雜的，也得通過(guò)多種參數(shù)來(lái)評(píng)定它對(duì)電纜絕緣的危害程度。被廣泛用來(lái)表征局部放電的參數(shù)主要有視在放電電荷a，放電重復(fù)率，放電能量，放電平均電流和放電功率。本文所采用的表征參數(shù)為視在放電電荷a，具體分析如下。

在高壓電纜試樣的兩端注入一定的電荷量，如果此電荷量引起的端電壓變化量與局部放電引起的變化量一致，那么此電荷量就是視在放電電荷，視在放電量單位為pC。當(dāng)局部放電試驗(yàn)中參數(shù)設(shè)置的不同，外界因素影響和誤差干擾時(shí)，測(cè)得的視在放電電荷可能有所差異。一般在控制各種影響因素不發(fā)生變化的情況下，所測(cè)得的最大穩(wěn)定視在放電電荷可以作為電纜的局部放電量。

當(dāng)電纜絕緣內(nèi)部氣隙發(fā)生局部放電時(shí)，它的電荷交換和累積過(guò)程實(shí)際測(cè)量起來(lái)比較困難，但可以通過(guò)局部放電引起電纜絕緣體兩端的電荷變化來(lái)等效，等效過(guò)程通過(guò)等效電路來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。假設(shè)電纜絕緣體內(nèi)部有一氣泡缺陷，如圖1所示。氣泡的等效電阻c和電容c，氣泡與絕緣體串聯(lián)部分介質(zhì)的等效電阻b和電容b，以及其他部分的等效電阻a和電容a組成的等效回路如圖2所示。

圖1 電纜絕緣內(nèi)部氣隙

圖2　電纜絕緣內(nèi)部氣隙等效電路圖

由于電纜絕緣體中內(nèi)部氣泡的放電時(shí)間比較短暫，通常只有10?8~10?7s，放電脈沖的頻率非常高，因此等效電阻在分析等效電路中的響應(yīng)時(shí)可以忽略不計(jì)，認(rèn)為等效電路僅由等效電容構(gòu)成，簡(jiǎn)化等效模型。從電纜絕緣內(nèi)部氣隙等效電路圖中可分析出視在放電電荷a與實(shí)際放電電荷c兩者間的差異。當(dāng)電纜絕緣體中的氣泡發(fā)生放電時(shí)，設(shè)氣泡上變化的電壓Δu，則氣泡兩端的實(shí)際放電電荷為：

一次放電過(guò)程僅為10?8~10?7s，比電源回路的時(shí)間常數(shù)小很多，所以電源來(lái)不及補(bǔ)充電荷，因此電容a和b上的電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，a兩端電壓改變量用Δu表示，b兩端電壓改變量用Δu表示，可以得出氣泡上變化的電壓為：

高壓電纜試品兩端瞬變的電荷即視在放電電荷可以表示為：

通過(guò)上述分析可以得出a和c的關(guān)系為：

2.2 局部放電圖譜分析

將表征動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電的各種參數(shù)通過(guò)圖形顯示的方式展示出來(lái)，例如將局部放電量，放電發(fā)生的次數(shù)，相位和時(shí)間等參數(shù)按照對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制為圖形，從而能夠清晰直觀(guān)的反映放電現(xiàn)象。

局部放電圖譜分析主要有以下幾類(lèi)：局部放電量與相位圖譜(?)，放電發(fā)生次數(shù)與相位圖譜(?)，點(diǎn)陣圖譜，局部放電量與時(shí)間圖譜(?)，基圓圖譜等二維圖譜，以及局部放電量、相位與時(shí)間(??)的三維圖譜[14]。

將試驗(yàn)電壓一個(gè)工頻周期內(nèi)等分成若干個(gè)區(qū)間，再求出不同周期內(nèi)同一相位處放電量的平均值，然后繪制出局部放電量與相位、時(shí)間的直方圖，就可以得到動(dòng)車(chē)組高壓電纜的局部放電圖譜。采用型號(hào)為JF-1205局部放電檢測(cè)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其中局部放電量與相位圖譜(?)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，基圓圖譜測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 Q?Φ圖譜

圖4 基圓圖譜

由?圖譜和基圓圖譜可以得出，高壓電纜局部放電是一個(gè)電荷逐漸積累，然后釋放的過(guò)程；在正弦交流電壓作用下，局部放電形所成的脈沖幅值和其產(chǎn)生的位置都不是固定的；電纜的局部放電現(xiàn)象大多發(fā)生在一個(gè)正弦周期的第一和第三象限，即發(fā)生在電壓值由最低上升到最高階段。通過(guò)對(duì)電纜試品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得出其放電量、放電次數(shù)和放電能量等服從正態(tài)分布。

2.3 干擾信號(hào)圖譜分析

在動(dòng)車(chē)組高壓電纜實(shí)際測(cè)試環(huán)境中干擾信號(hào)較多，局部放電測(cè)試設(shè)備測(cè)得的局部放電信號(hào)大多情況下是和其它干擾信號(hào)混合在一起的，通過(guò)對(duì)圖形進(jìn)行對(duì)比分析并處理采集到的信號(hào)，可以減弱干擾信號(hào)對(duì)電纜局部放電信號(hào)的影響，從中提取出真正需要的局部放電信號(hào)，從而達(dá)到期望的測(cè)試 效果[15?18]。

影響局部放電檢測(cè)結(jié)果的外界因素有很多，根據(jù)其特征可大體歸納為2類(lèi)：第一類(lèi)是持續(xù)的連續(xù)型干擾信號(hào)，例如不同頻段的空間無(wú)線(xiàn)電、測(cè)試電源中的高次諧波以及外界的電磁輻射等；第二類(lèi)是脈沖型干擾信號(hào)，例如可控硅觸發(fā)脈沖、大型設(shè)備的啟停、繼電器動(dòng)作、高壓開(kāi)關(guān)通斷等。對(duì)于連續(xù)波形干擾，基于其連續(xù)性波形特征，可從局部放電脈沖信號(hào)中分離出或者采取對(duì)應(yīng)的濾波手段予以消除。脈沖型干擾信號(hào)的高頻特性與局部放電脈沖特征重合度很高，因此除專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員外，普通操作人員很難辨別出二者之間的差別，極其不利于發(fā)現(xiàn)高壓電纜中存在的絕緣隱患。而局部放電圖譜分析可以將各種脈沖信號(hào)的幅值，相位，時(shí)間等特征展現(xiàn)在圖形上，操作人員可根據(jù)這些特征從摻雜著各種形式的干擾信號(hào)的脈沖中分辨出高壓電纜實(shí)際的局部放電脈沖信號(hào)，從而了解電纜真實(shí)的絕緣狀況。

從大量的試驗(yàn)測(cè)試中可總結(jié)出以下幾類(lèi)干擾信號(hào)：

1) 固定相位的脈沖干擾，如圖5所示。

圖5 固定相位的干擾波形

由圖5可以得出，此類(lèi)干擾信號(hào)發(fā)生在一個(gè)工頻正弦周期內(nèi)，集中出現(xiàn)在大致相同位置，并且幅值基本上是一致的。因此，由于它的固定性，這種性質(zhì)的干擾，在?頻譜分析圖譜中呈現(xiàn)出單個(gè)的峰值，在?圖譜中展現(xiàn)出整齊的排列，所以固定相位干擾波形不難從局部放電信號(hào)中濾除。

2) 與正弦電壓相位及時(shí)間相關(guān)規(guī)律的干擾脈沖，如圖6所示。

圖6 與相位、時(shí)間相關(guān)的干擾波形

此類(lèi)脈沖干擾信號(hào)與相位、時(shí)間之間有一定的規(guī)律，所以，這種脈沖會(huì)出現(xiàn)在一些固定的相位范圍內(nèi)，把這些特征呈現(xiàn)在??三維圖譜上后，會(huì)形成一些規(guī)則圖形，如橢圓形、S形、斜線(xiàn)型等，這種特征有助于采取分離技術(shù)將此類(lèi)干擾從局部放電信號(hào)中濾除。

3) 隨機(jī)出現(xiàn)的干擾波形，如圖7所示。

圖7 隨機(jī)干擾波形

隨機(jī)出現(xiàn)的干擾脈沖波形，無(wú)法從相位、幅值、時(shí)間、頻次上得出一定的規(guī)律性。因此，隨機(jī)干擾波形在??三維圖譜上的相位極其混亂，在某些情況下也會(huì)摻雜到局部放電脈沖中。但是，通過(guò)對(duì)??三維圖譜的統(tǒng)計(jì)顯示，它與局部放電脈沖信號(hào)的性質(zhì)并不可能完全一致，而局部放電測(cè)量的是較穩(wěn)定出現(xiàn)的局部放電脈沖信號(hào)，因此這種干擾信號(hào)可以通過(guò)觀(guān)察圖譜加以區(qū)分[19]。

4) 各種類(lèi)型干擾的混合，如圖8所示。

在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中，測(cè)試所得到的局部放電信號(hào)經(jīng)常摻雜著各種各樣的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)雖然與局部放電信號(hào)相互疊加，但是在?，?和??等統(tǒng)計(jì)圖譜中能夠分析出局部放電信號(hào)和外界干擾信號(hào)的特征規(guī)律。因此，通過(guò)對(duì)局部放電圖譜進(jìn)行詳細(xì)分析，并在檢測(cè)時(shí)采取有效抗干擾措施，就能避免因外界干擾引起的測(cè)量誤差，從而達(dá)到良好的檢測(cè)效果。

圖8 各種類(lèi)型的混合波形

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 測(cè)試引用規(guī)范

測(cè)試依據(jù)現(xiàn)行鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1484.3-2010《30 kV乙柄橡皮絕緣單相電力電纜》規(guī)定，對(duì)于動(dòng)車(chē)組使用的25 kV高壓電纜，在1.5倍額定電壓下，即37.5 kV的工頻試驗(yàn)電壓下，電纜的局部放電量不能超過(guò)10 pC。

3.2 測(cè)試方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電線(xiàn)電纜電性能試驗(yàn)方法GB/T30 48.12-2007《局部放電試驗(yàn)》的要求，將試驗(yàn)電壓施加在導(dǎo)電線(xiàn)芯及金屬屏蔽之間，在進(jìn)行局部放電試驗(yàn)過(guò)程中，使電壓平穩(wěn)升至75%試驗(yàn)電壓的時(shí)間不能超過(guò)60 s，之后緩慢升至試驗(yàn)電壓，記錄試驗(yàn)電壓和局部放電量等相關(guān)參數(shù)。

3.3 測(cè)試回路

由于工業(yè)用電不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，對(duì)測(cè)試裝置的電源系統(tǒng)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)可以提供0~80 kV可調(diào)的電壓輸出，主要由隔離變壓器、電壓調(diào)壓器、無(wú)局放高壓升壓變壓器和耦合電容器組成，局部放電測(cè)試儀顯示不同電壓下的局部放電量。其中隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電路隔離及電源地與屏蔽地的隔離，實(shí)現(xiàn)隔離衰減來(lái)自供電電源包括供電系統(tǒng)中地線(xiàn)的干擾；調(diào)壓器根據(jù)要求具有電壓從零起調(diào)，損耗低，波形畸變小，調(diào)節(jié)電壓平穩(wěn)，火花小，噪音低等特點(diǎn)，尤其調(diào)壓器電刷為平面接觸，接觸良好，電刷移動(dòng)升降電壓時(shí)，火花小，噪音低；無(wú)局放高壓試驗(yàn)變壓器采用環(huán)氧筒式結(jié)構(gòu)，具有局部放電量小、系統(tǒng)損耗低、輸出電壓波形失真小、設(shè)備重量輕等特點(diǎn)；耦合電容器與檢測(cè)阻抗單元串聯(lián)，用來(lái)傳遞電纜局部放電脈沖電流信號(hào)，配合實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的獲取；局部放電測(cè)試儀技術(shù)采用嵌入式ARM系統(tǒng)作為中央處理單元，控制12位分辨率的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電量的高精度測(cè)量。

高壓電纜的測(cè)試回路包括無(wú)局放電源W、單通道數(shù)字式局放儀D，耦合電容器Ck，校準(zhǔn)電容器Ccal，濾波器Z，輸入單元ZA，高壓電壓表V以及被測(cè)試電纜CX，測(cè)試回路示意圖如圖9所示。

圖9 測(cè)試回路示意圖

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)

在動(dòng)車(chē)庫(kù)內(nèi)分別對(duì)不同動(dòng)車(chē)組的5條高壓電纜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試對(duì)象如下：

1) 250 km統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組3號(hào)車(chē)特高壓貫穿電纜。

2) 250 km統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組(5級(jí)修)3~4車(chē)之間特高壓過(guò)橋連接電纜。

3) 250 km統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組(4級(jí)修)3~4車(chē)之間特高壓過(guò)橋連接電纜。

4) 200 km統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組(5級(jí)修)13~14車(chē)之間特高壓過(guò)橋連接電纜。

5) 廣深港動(dòng)車(chē)組高壓試驗(yàn)用特高壓連接電纜。

在此給出250 km統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組3號(hào)車(chē)特高壓貫穿電纜測(cè)試部分測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。表1中電壓“0”出現(xiàn)的局放量數(shù)值是背景干擾信號(hào)。

表1　局部放電測(cè)試數(shù)據(jù)

3.5 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由表1可以得出，被測(cè)試電纜的局放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因是背景干擾信號(hào)大，在電壓為“0”時(shí)其局放量已經(jīng)是11.8?pC。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析得出造成背景干擾大的因素主要有以下2點(diǎn)原因：

1) 測(cè)試點(diǎn)距接地極太遠(yuǎn)，接地引線(xiàn)近200 m；

2) 測(cè)試時(shí)間在下午4點(diǎn)，此時(shí)鄰近的廠(chǎng)房?jī)?nèi)有較多的施工作業(yè)，并且有100 m平行于接地線(xiàn)的作業(yè)動(dòng)車(chē)組。

3.5.1 電纜試驗(yàn)過(guò)程的背景干擾

背景干擾是試驗(yàn)人員用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)對(duì)試驗(yàn)電纜注入標(biāo)準(zhǔn)電量，行業(yè)中稱(chēng)之“定標(biāo)”。當(dāng)試驗(yàn)人員定標(biāo)結(jié)束，關(guān)閉定標(biāo)開(kāi)關(guān)后，這時(shí)放電量表的讀數(shù)和圖示儀中橢圓上顯示的雜波，圖10和圖11是試驗(yàn)的背景干擾：圖10中放電量表顯示103.0定標(biāo)電量，圖示儀中橢圓上顯示2根豎線(xiàn)是103.0定標(biāo)電量，其余雜波是背景干擾；圖11中試驗(yàn)人員關(guān)閉定標(biāo)，圖示儀中橢圓上顯示的是干擾圖形，背景干擾電量為15.7?pC，干擾信號(hào)主要來(lái)自地線(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)的接地線(xiàn)比較長(zhǎng)(約200 m)，另外由于空間沒(méi)有屏蔽，也有空間電波干擾。這些干擾可以通過(guò)規(guī)范的接地極得到改善(＜5 pC)。

3.5.2 測(cè)試局放量小于背景干擾量的原因

測(cè)試數(shù)據(jù)中有些局放量小于背景干擾值，其原因之一是由于被試件有時(shí)帶有微小毛刺，在很低電壓下會(huì)放電，但電壓升高后微小毛刺會(huì)燒掉，局放量會(huì)減少；其二是背景干擾是不穩(wěn)定的，隨著時(shí)間的不同會(huì)產(chǎn)生變化。在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中，需要對(duì)比分析局部放電圖譜，采取相應(yīng)的抗干擾措施，盡量避免因外界干擾引起的測(cè)量誤差。

圖10 背景干擾情況1

圖11 背景干擾情況2

4 測(cè)試中的外界干擾

動(dòng)車(chē)組電纜局部放電測(cè)試電源系統(tǒng)需要考慮工作時(shí)的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)車(chē)組25 kV高壓電纜在局部放電試驗(yàn)時(shí)設(shè)備自身的噪聲值小于等于15 pC，試驗(yàn)值小于等于15 pC。對(duì)動(dòng)車(chē)組25 kV電纜的局部放電量的要求本身就很?chē)?yán)格，15 pC的局部放電量相當(dāng)于150 mV的脈沖放電量。這樣對(duì)局部放電測(cè)試設(shè)備自身的抗干擾能力提出了相當(dāng)高的要求，通過(guò)減小自身產(chǎn)生的干擾和阻斷外界干擾的2種方式，為此在設(shè)計(jì)局部放電測(cè)試系統(tǒng)中就要考慮到系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。應(yīng)從局部放電測(cè)試系統(tǒng)干擾的來(lái)源和抗干擾2方面綜合考慮系統(tǒng)抵抗外界和自身不良影響的措施。

4.1 外來(lái)干擾

4.1.1 與施加電源電壓無(wú)關(guān)的干擾

這種類(lèi)型的干擾與加至被試電纜上的電壓無(wú)關(guān)，它不隨施加電壓的變化而變化。電磁干擾和靜電干擾是測(cè)試環(huán)境中常見(jiàn)的兩大干擾源，這2種干擾源廣泛的存在各個(gè)空間。在工廠(chǎng)測(cè)試環(huán)境中，可能會(huì)存在變壓器，無(wú)線(xiàn)發(fā)射器，高壓輸送線(xiàn)路等，這些都會(huì)產(chǎn)生電磁信號(hào)[20?21]。這些高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)電磁耦合等方式進(jìn)入測(cè)試電路，這些干擾信號(hào)還不易與電纜的放電信號(hào)區(qū)分，測(cè)試誤差大大增大。測(cè)試的高壓電纜也會(huì)收集周?chē)碾姶鸥蓴_，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。測(cè)試環(huán)境周?chē)姎庠O(shè)備的放電也會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)和磁場(chǎng)，由于分布阻抗耦合到金屬外表里的模擬線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)等內(nèi)部走線(xiàn)，引起測(cè)試設(shè)備控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤反應(yīng)，從而導(dǎo)致測(cè)試誤差。

4.1.2 與電源電壓有關(guān)的干擾

這類(lèi)干擾一般隨電源電壓的增加而變大。在測(cè)試場(chǎng)地或工廠(chǎng)提供的電源中的干擾和電源設(shè)備接地而受到其他接地設(shè)備的影響都會(huì)干擾局部放電的測(cè)試精度。在局部放電測(cè)試系統(tǒng)中，使用的是測(cè)試場(chǎng)地電網(wǎng)50 Hz的380 V交流電。在試驗(yàn)場(chǎng)地提供的電源中，會(huì)受到電網(wǎng)中其他設(shè)備接通和斷開(kāi)的影響。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)提供的電源中，會(huì)存在過(guò)電壓、欠電壓、浪涌，這些都會(huì)引起高壓生成電路的波動(dòng)。電源中的高次諧波也會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)中的邏輯元件造成干擾。地線(xiàn)干擾的原因主要是導(dǎo)線(xiàn)電阻會(huì)使系統(tǒng)中2個(gè)接地點(diǎn)產(chǎn)生電壓差，這種電壓差較大時(shí)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)[22?23]。

4.2 消除外來(lái)干擾的方法

4.2.1 消除與電源電壓無(wú)關(guān)的干擾方法

在試驗(yàn)環(huán)境中，應(yīng)單獨(dú)為電纜局部放電測(cè)試設(shè)備提供380 V工頻交流電源。為此應(yīng)從試驗(yàn)廠(chǎng)區(qū)變電站單獨(dú)引出局部放電測(cè)試設(shè)備的電源，而且整個(gè)線(xiàn)路不能接其他設(shè)備，以防影響。從變電站到設(shè)備的電纜，應(yīng)采用2芯帶屏蔽的銅電纜，同時(shí)1芯的銅電纜作為接地線(xiàn)。

當(dāng)380 V工頻交流電接入設(shè)備后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)雙屏蔽隔離變壓器。隔離變壓器能夠抵抗電網(wǎng)中奇數(shù)次諧波干擾，變壓器的屏蔽層能夠有效的隔絕自身和外界的電磁干擾。隔離變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離也能有效過(guò)濾共模干擾。

然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)Π形濾波電路，主要由電容和電阻組成。Π形電路能夠有效的抵抗電源中的干擾，包括電磁場(chǎng)對(duì)電源線(xiàn)耦合產(chǎn)生的共模干擾和電網(wǎng)上其他設(shè)備產(chǎn)生的差模干擾。同時(shí)由于接觸調(diào)壓器在調(diào)壓過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生電火花，形電路也能有效的消除其干擾。

在經(jīng)過(guò)變壓器升壓后，最高可產(chǎn)生50 kV的高壓電。使變壓器輸出的50 Hz的50 kV高壓交流電再經(jīng)過(guò)一個(gè)高壓濾波裝置。高壓濾波裝置由電感和電容組成，能夠消除變壓器可能產(chǎn)生的局部放電的干擾。

4.2.2 消除與電源有關(guān)的干擾措施

接地方面：接地時(shí)將直徑為3.3~4.0 mm的紫銅棒埋入地下15 m，接地電阻小于1[24]。同時(shí)由于地面是不良導(dǎo)體，干擾也可能通過(guò)地面進(jìn)入設(shè)備。在天氣干燥的情況下，大地傳輸干擾的影響小于天氣潮濕的情況，因?yàn)楦稍飼r(shí)導(dǎo)電能力較弱。在地表1 m以下的地方給接地棒套上絕緣防護(hù)管，防止受地表干擾的影響；空間屏蔽方面為了防止測(cè)試環(huán)境周?chē)O(shè)備的電磁干擾，局部放電測(cè)試應(yīng)在開(kāi)闊的場(chǎng)地試驗(yàn)，周?chē)苊獯嬖谄渌蠊β试O(shè)備。在有條件的地方，應(yīng)建立專(zhuān)門(mén)的屏蔽室。屏蔽室由2~3 mm的鋼板組成，并且應(yīng)有良好的接地[25?26]。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)局部放電機(jī)理的分析，得出局部放電試驗(yàn)可以更容易的發(fā)現(xiàn)高壓電纜組裝后的絕緣缺陷。對(duì)于即將上線(xiàn)運(yùn)行或已投入運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組而言，進(jìn)行高壓電纜局部放電檢測(cè)，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，能夠及時(shí)了解高壓電纜的薄弱環(huán)節(jié)，掌握其局部放電量的情況以及絕緣老化程度，及時(shí)采取相應(yīng)處理措施，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組高壓供電的安全、可靠。

2) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，掌握了在進(jìn)行動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境要求，試驗(yàn)設(shè)備的組成以及測(cè)試方法，為動(dòng)車(chē)組高壓電纜局部放電試驗(yàn)的深入研究提供了技術(shù)儲(chǔ)備，為動(dòng)車(chē)組的正常運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)保障。

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(編輯 蔣學(xué)東)

The experimental study on partial discharge performance of high voltage cables for EMUs

YANG Zhe1, CHE Jun1, WANG Baomin1, 2

(1. School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Graduate Department, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The paper classified and summarized the causes of partial discharge of high voltage cable in EMU. Simultaneously, its mechanism was also analyzed, and the corresponding partial discharge model and interference model of cable were established. It set up a test system and elaborated the main components, conducted field tests on EMU high-voltage cables of different states, and got corresponding test data. Finally, the paper analyzed the results, which showed that it is very important to eliminate outside interference during the test. Through the analysis of field test during interference information process, the corresponding anti-interference measures have been proposed, which have a certain guiding role in the later partial discharge test, so as to provide data support for early failure prediction of high-voltage cables.

partial discharge; high-voltage cables; experiment test; electric multiple units; external interference

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.004

U266.2

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1137 ? 09

2018?07?03

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1610RJZA053)；蘭州交通大學(xué)校青年基金資助項(xiàng)目(2015024)

車(chē)軍(1962?)，男，甘肅天水人，高級(jí)工程師，從事檢測(cè)設(shè)備研究；E?mail：chejun163@163.com