和谐型机车高压电压互感器故障分析

刘民

【摘要】针对和谐型交流传动电力机车批量上线以来多次发生高压互感器炸裂的现象，通过对高压互感器运用环境的实地测量和故障机理分析"找到高压互感器故障的各种因素"并针对性提出解决办法。

【关键词】和谐型交流传动电力机车；高压互感器；故障；分析

武汉铁路局自和谐型交流传动电力机车上线运用以来，HXD1B、HXD3、HXD3C型等三种机车均不同程度地发生高压电压互感器炸裂、烧损故障，高压电压互感器属于机车重大配件之一，对机车配属单位及承修单位造成经济损失的同时，还形成机车火灾隐患。2015年6月16日HXD3型0781号机车在牵引列车时高压电压互感器发生严重烧损故障，构成了行车安全事故。

本文对和谐型交流传动电力机车高压电压互感器工作原理及故障情况进行分析，提出预防措施。

一、高压电压互感器简介及故障现场检查情况

和谐型电力机车高压电压互感器未高压电器部件，安装在高压隔离开关及主断路器之间，可以测量机车使用电网的电压，并可用作继电保护。目前装武汉局和谐型交流传动电力机车的都为干式，其主要构造为内部一次绕组和二次绕组、外部护套、接地片、一次端子和二次端子、接地端子等组成。

武汉局相关技术人员对HXD3型0781号机车干式高压电压互感器故障现场及解体情况进行检查，发现以下现象：

1.一次端子从器身脱落；

2.一次绕组外层绝缘烧损，外体有明显裂纹，裂纹一直延伸到铁芯；

3.解体电压互感器观察绕组内部，绕组各部绝缘外观检查良好，无短接过热迹象，检测内部绝缘良好，满足“一次侧对二次侧及地≥1000M?，二次侧对地≥100M?”的要求。

据上述故障现象可判断：造成高压互感器故障的直接现象是原边匝间击穿，深入分析原因可能为输出过载、电路过电压或互感器本身设计质量存在问题。

二、原因分析

高压电压互感器虽然是高压电器部件，但是其负载用于对机车的电压采集、计量能量，因此其功耗较小，并在次边设有过流保护装置。对高压电压互感器及相关联部件进行全面检查，首先通过对过流保护装置及二次侧熔断器的状态确认良好，判定高压互感器没有因输出过载而导致烧损情况的发生。

为探寻出故障的真正原因，承修单位武汉大功率机车检修段与配件供应商协商共同进行研究，并将故障情况提供给配件供应商。配件供应商积极回应承修单位，并组织对故障原因进行深入研究，通过进一步检查首先排除了高压电压互感器质量缺陷，并根据高压电压互感器使用环境，高压电器操作和受电弓弓头跳动容易引起高压电路过电压，提出过电压造成原边匝间击穿的设想，并对高压互感器进行了系统测量及分析。

1.过电压检测影响

测试高压电压互感器的电压、电流作为分析的基本参数：车内次边输出电压、车内原边绕组电流、车顶次边输出电压、车顶原边绕组电流。用示波器直接测量次边输出信号，演绎原边电压的变化情况；然后通过测量与原边绕组并联电阻的电压波形，按比例推演出原边电流。通过对以上参数的测量观察和分析评判，可以断定：过电压对高压电压互感器影响不大，导致绕组匝间击穿并炸裂、烧损故障的可能性较小。

排除过电压因素后，调查人员转向高压电压互感器外部使用环境因素：接触网。

2.铁磁谐振造成影响

电力机车过分相时真空断路器要进行分断、接通操作，与接触网分断后再接通会造成铁磁谐振现象。

由示意图可看出接触网与受电弓供电臂相连，在供电臂与电力机车高压电器之间形成耦合电容，高压电压互感器也在其中，可以构成一个谐振回路。电力机车在进入接触网电分相中性区时真空断路器首先要进行分闸操作，这时电力机车高压电器与接触网之间分断，而机车上的电缆和电容可看成一个LC回路，与接触网相连的供电臂以电容耦合的形式继续提供能量，LC回路中分别以电压和电流型式保持的能量，同时LC回路的电流在高压电压互感器铁芯非线性电阻特性影响下发生畸变，产生振荡电流，在外部电源频率和LC回路共同作用下形成形成某频率的铁磁谐振。

在机车在分相区测量观察过程中，多次发现低频谐振现象，从而证实是存在铁磁铁磁谐振影响的。如图2所示。

为搞清检测谐波对高压电压互感器原边电流的影响，进行了对应检测，检测数据如下表所示。

通过对检测结果的观察分析可以看出：

（1）过分相在中性区时会出现铁磁谐振现象。

（2）正常时接触网中性区电压峰值约为4～8kV，而发生铁磁谐振现象时可达26～43kV。

（3）高压电压互感器原边电流铁磁谐振主要为基波的1/3次谐波。

（4）正常时高压电压互感器原边电流在10～30mA之间，而发生低频高压的铁磁谐振时电流急剧增大，峰值可达264mA，为正常时的10～20倍，且持续时间较长，导致烧损、炸裂现象更加突出。

3.接触网谐波影响

和谐型交流传动电力机车运行时PWM四象限变流器在交流侧能产生丰富的谐波电流。通过观察机车运行中的测试波形，发现接触网电压高次谐波现象，当同一线路中运行的机车越多，现象越明显，如果超过临界点不能被接触网及时吸收，将造成频率约为6Hz的低频震荡。

受接触网网压低频振荡影响，高压电压互感器的原边电流超过设计技术参数时，烧损、炸裂的概率显著增大。

4.接触网供电不稳影响

在故障调研时检测接触网发现，个别区段电压有时达到30kV以上，在电力机车过分相可形成最大峰值50kV的瞬间过电压，使得高压电压互感器绕组绝缘击穿、产生电弧，进而造成对地击穿，因此接触网供电电压高是引起高压电压互感器故障的潜在因素。

三、解决办法

由检测分析可推断导致高压电压互感器故障的的主要因素有：谐波震荡、铁磁谐振以及接触网供电不稳。目前，铁路部门对谐波震荡、铁磁谐振还没有完善的解决办法，建议主要从提高高压电压互感器自身可靠性来解决：

1.改善高压电压互感器产品设计。根据过电压对高压电压互感器的影响，增强绝缘强度设计，并在互感器内部增设消谐电抗降低原边谐波电流。

2.加强检查保养，在机车入库检查时及时对氧化、接触不良等问题进行处理，在用高压电压互感器状态良好。

3.合理调整好各区段电力机车同时运行的对数，减小接触网谐波震荡影响。

4.供电部门加强接触网整修，确保电压满足《铁路技术管理规程》的要求，尽量稳定在25～27.5kV范围之间。

参考文献

[1]唐兴祚.高电压技术[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[2]周泽存.高电压技术[M].北京：水利电力出版社，1988.

[3]铁路技术管理规程.普速铁路部分/中国铁路总公司编.-北京：中国铁道出版社，2014.7.

[4]凌子恕.高压互感器技术手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[5]张曙光-HXD3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[6]任朝阳.P107HXD1B型机车JDZXW2-25A2型高压电压互感器炸裂原因分析[J].铁道机车车辆，2006（6）；107-109.