動車組電壓互感器電氣擊穿研究

王傳芳，楊建明，姜贊

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)

1 引言

電壓互感器是高鐵動車組的一個重要電氣測量部件，是將接觸網(wǎng)電壓AC25kV按線性比例轉(zhuǎn)換為低電壓輸出，并提供給動車組的控制單元及計量單元，主要實現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓測量、功率計量和保護(hù)功能。

近年來連續(xù)發(fā)生了多起電壓互感器電氣擊穿事故，給高鐵動車組的安全運行帶來了隱患，并造成了重大損失。因此需研究分析電壓互感器的電氣擊穿機(jī)理，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以提高產(chǎn)品運行的可靠性和穩(wěn)定性。

2 電壓互感器的故障特征

2019年，在某高鐵運行站臺發(fā)生了一起電壓互感器電氣擊穿，造成停車事故。其基本參數(shù)如下:

一次額定電壓:25kV；

二次額定電壓:100V；

準(zhǔn)確級及額定輸出:0.5級/20VA；

額定頻率:50Hz；

電壓互感器電氣擊穿如圖1所示。

圖1 電壓互感器擊穿圖

對電壓互感器進(jìn)行分解，一次線圈基本完整，內(nèi)部未見過流損傷，二次繞組完好，鐵芯未見受熱，從以上故障現(xiàn)象可以看出故障發(fā)生點在一次繞組外層處，而內(nèi)部一次繞組導(dǎo)線及層間絕緣沒有損壞，二次繞組沒有損傷。電壓互感器的故障是高電壓通過一次繞組外側(cè)對地電氣擊穿，引起電壓互感器炸裂。

3 電壓互感器的運用環(huán)境

對京滬高鐵線路無錫至蘇州區(qū)間進(jìn)行了接觸網(wǎng)電壓測試，測試設(shè)備主要采用德國IMC數(shù)據(jù)采集裝置，在高達(dá)100次諧波下綜合測試精度在2%以內(nèi)，可實現(xiàn)高速連續(xù)采集，符合國家電能質(zhì)量測試儀標(biāo)準(zhǔn)。對測試結(jié)果如下:

圖2 京滬線路區(qū)間電壓波形曲線

聚金分區(qū)所上海方向電壓在8:06:59至08:07:12之間存在過電壓情況，T線電壓有效值峰值達(dá)到33.3kV。網(wǎng)壓波形曲線峰值超過70kV，27次諧波分量超過16kV，接觸網(wǎng)有大量的諧波過電壓。

4 電壓互感器的故障特征及原因分析

從以上故障現(xiàn)象可以看出故障發(fā)生點集中在一次繞組連接處和一次繞組外層處，而內(nèi)部一次繞組導(dǎo)線及層間絕緣沒有損壞，說明產(chǎn)品內(nèi)部線圈不存在質(zhì)量缺陷。而一次繞組外層絕緣被破壞的可能原因是存在高電壓作用于匝間及外層層間，造成絕緣損傷，累積到一定程度，高電壓引發(fā)擊穿，造成產(chǎn)品開裂及燒毀。

接觸網(wǎng)在某特定條件下容易產(chǎn)生諧波過電壓，頻率為高次(27次、29次或更高次諧波含量比較高)，這種諧波在接觸網(wǎng)上持續(xù)振蕩往往會造成電壓互感器過電壓或過電流。諧波過電壓特性可以由公式(1)計算:

式中，B為鐵心磁通密度，e為產(chǎn)品匝間電勢；f為運行時的額定頻率；Ac為鐵心截面積。

高頻諧波電壓的存在會使互感器匝間承受的電壓增大，對電壓互感器高壓繞組產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。過電壓最先在電壓互感器高壓端入線端形成，與接地鐵芯之間形成高壓場強(qiáng)，容易引發(fā)鐵芯與高壓線圈間絕緣介質(zhì)的局部放電。

電壓互感器在長期的諧波過電壓作用下，絕緣加速老化，在場強(qiáng)較高處，絕緣最先劣化，容易出現(xiàn)局部放電。當(dāng)絕緣劣化到一定程度，會形成放電通道，造成高壓繞組對地放電，產(chǎn)生電弧，最終形成熱破壞，引起互感器炸裂發(fā)生。

5 諧波抑制措施及運用效果

為了減少系統(tǒng)的諧波污染，降低諧波畸變率，抑制系統(tǒng)諧波過電壓，在接觸網(wǎng)側(cè)加裝諧波抑制裝置，圖3列出了不同無源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，(a)、(b)、(c)、(d)分別為一階、二階、三階、C型無源濾波器。

圖3 不同無源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

比較這幾種濾波器，一階和二階高通濾波器在諧振和高頻具有較好的濾波效果，但一階濾波器電阻支路要承載濾波器全部工作電流，有較大有功功率損耗，發(fā)熱量較大，三階濾波器濾波性能不如二階濾波器，而且增加了更多的大容量高壓器件，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，目前在電氣化鐵路還沒有大量應(yīng)用的經(jīng)驗，單調(diào)諧濾波器和三階濾波器都會引入新的諧振頻率；C型濾波器的濾波性能介于二階和三階高通濾波器之間，其基波損耗也較小，缺點是對基波頻率失諧和元件參數(shù)漂移比較敏感。因此，從濾波器濾波性能、基波損耗和穩(wěn)定性綜合來看，二階高通濾波器性能相對較好。

圖4 加裝諧波抑制裝置前后電壓波形圖

圖4為在京滬線某變電站加裝了諧波抑制裝置后，動車組經(jīng)過時刻接觸網(wǎng)電壓波形對比，驗證了二階高通濾波器方案抑制諧波的可行性，為動車組電壓互感器的安全運行提供了可靠保障。