电力机车互感器安全运行隐患的预防及排除

娄志松 上海铁路局上海机车检修段

电力机车互感器安全运行隐患的预防及排除

娄志松 上海铁路局上海机车检修段

从电力机车电压互感器故障分析入手，解析绝缘故障是机车电压互感器故障的核心关键因素，然后论证通过检测手段准确判断电压互感器的状况的八项检测方法，提出预防和排除电力机车电压互感器安全运行的隐患。

电力机车；电压互感器；八项检测；互感器故障预防

1 机车高压电压互感器常见故障及特征

和谐型电力机车主要采用干式电压互感器，机车在运行过程中通过接触网上获取25 kV、50 Hz的单相工频交流电，经受电弓、主断路器以及高压电缆总成等被送到牵引变压器中。电力机车内高压电压互感器并联在车顶25 kV的高压母线之上，将25 kV降压至低压，从而达到对机车控制、保护目的。高压互感器的常见故障，在电气方面主要表现在一次及二次侧绕组开路，接地和绝缘值偏低，和运行途中的炸裂；机械物理方面表现为绝缘层的破损和机械强度的减弱。根据对机车电压互感器运行故障的分析，比较典型危害程度最高的故障是运行途中烧损炸裂，如果高压电压互感器出现此问题，不仅会导致机车故障，处理不当还将会造成接触网断线，中断行车，影响铁路运输的安全运行，后果十分严重。如何在检修过程中通过检测试验，发现早期症状，杜绝带隐患的部件装车使用，是十分重要也非常必要的工作。

2 高压互感器结构原理及故障解析

2.1 高压互感器结构原理

高压电压互感器产品内部采用户外环氧树脂真空浇注而成，产品外部护套和伞裙采用高温硅橡胶材料，详见图1。

图1 高压互感器示意图

2.2 故障解剖分析

为了查找故障点的根源，解剖了一些故障电压互感器，该电压互感器高压线圈分为3段，如图2所示，高压线圈采用3段分布的结构，每一段只处在额定电压的一部分电压下，可以分段绝缘，其绝缘可按每段的匝数进行分布，以节省绝缘材料，降低绝缘的等级。故障电压互感器烧损情况及部位如图2所示，通过解剖，发现电压互感器高压线圈C段绝缘层烧毁的居多。

图2 高压电压互感器高压线圈分布示意及故障示意图

2.3 故障的理论分析

机车高压电压互感器，通入高压线圈的有2类电压：其一为稳态电压，主要指来自接触网的工频交流额定电压；其二为暂态电压，主要是包括接触网线路的操作过电压，系统中电磁能量振荡和积聚而产生的过电压，一般为额定电压的3.0～4.5倍。输电线路被直接遭雷击或雷云放电时电磁场的剧烈变化所引起的过电压，一般为额定电压的8～l2倍。暂态电压坡度陡，持续时间短，对高压线圈的绝缘危害极大。

在工频激励电压的作用下，高压线圈的等值电路只包括集中电感与电阻，电压稳态分布由电阻与电感决定。当幅值为u的暂态过电压侵入高压线圈时，线圈的电感能量和电容能量发生交换而形成振荡过程，使线圈匝间、层间电位差和线圈各层对地电位比工频电压作用下增大许多倍，所以暂态电压下电压互感器高压线圈的等值电路必须考虑匝间、层间电容和对地电容。

当暂态电压侵入高压线圈时，沿绕组高度上的电压分布取决于匝间纵向电容和对地电容的比例。因为起始电压沿线圈各点的分布很不均匀，使得流过每个匝间电容的电流不相等，靠近输电线端的匝间电容流过的电流最大，越往后则越小。电力机车电压互感器高压线圈C段是靠近A端子处前20%的区段，越靠近高压互感器A端子的部位（电压引入端），匝间的电位梯度就越大。高压线圈的首端（C段）甚至会承受高于平均值5～20倍的电压梯度，使得C段最高瞬间匝间与层间电压远高于施加电压，反复施加的过电压会加速C段线圈的绝缘老化。

3 样品互感器的实验检测及结果分析

通过以上分析可知，电压互感器的故障主要来源于绕组的绝缘降低及绝缘层的绝缘受损。在汇总了相关绝缘性能检测的各类标准和要求，从绝缘性能的不同的方面对电压互感器的绝缘状态进行检测，作出全方面的准确判断。

同时随机抽选了两台电压互感器作为试品按此检测方法逐项检测，结合实验数据更直观地说明如何通过检测判断电压互感器的绝缘性能。试品参数见图3。

图3 试品参数

3.1 绝缘电阻检测

绝缘电阻检测使用电动摇表分别测量一次侧线圈和二次侧线圈的对地绝缘电阻。

检测目的：了解互感器绕组线圈对地绝缘的整体或局部受损情况。

实测结果：一次～二次、地保证值≥1000MΩ，实测1#试品72.7 GΩ、2#试品72.9 GΩ；二次～一次、地保证值≥100 MΩ，实测1#试品94.0GΩ、2#试品88.6 GΩ。

检测结论：良好。

3.2 绕组直流电阻检测

绕组直流电阻检测通过分别测量一次绕组和二次绕组的直流电阻。

检测目的：能有效发现互感器线圈选材、焊接质量、引线与套管连接部位松动、电压分接是否良好，并联支路连接是否正确，有无层间短路、缺股或内部断线等制造缺陷。

实测结果：A～N(75℃)应为21 200 Ω～25 912 Ω，实测1#试品：24 869 Ω2#试品：22 968 Ω；a～n(75℃)应为0.324 Ω～0.396 Ω实测1#试品：0.3363 Ω；2#试品：0.3407 Ω。

检测结论：良好。

3.3 感应耐压检测

感应耐压试验采用从二次加压而使一次得到高压的试验方法来检查互感器绝缘。

检测目的：检定互感器匝间、层间、段间的绝缘是否存在短路等缺陷。

实测结果：二次施加电压0.255 kV，一次感应电压75× 85%=63.75 kV，试验频率100 Hz，持续时间60 s，试验过程不应发生闪络、击穿现象；实测1#、2#试品试验过程无闪络、击穿现象；

检测结论：良好。

3.4 励磁特性检测

检测目的：检定二次绕组是否存在匝间绝缘问题，以及互感器铁芯性能，判断是否存在铁磁谐振现象。

实测结果：二次测加100 V电压时，空载电流应为0.05 A～0.3 A，实测1#试品为0.233 A、2#试品为0.258 A，空载损耗应为4 W～15 W，实测1#试品为7 W、2#试品为6.6 W；二次测加150 V电压时，空载电流应为0.07 A～0.5 A，实测1#试品为0.385 A、2#试品为0.425 A，空载损耗应为6 W～30 W，实测1#试品为15.6 W、2#试品为15 W；

检测结论：良好。

3.5 频率响应特性检测

检测互感器各个绕组的幅频响应特性，检测结果进行纵向或横向比较。

检测目的：通过特性曲线的对比了解互感器绕组变形情况。

实测结果：见图4。

图4 实测频响曲线对比图

检测结论：2#测品与1#测品对比偏差过大，有异常隐患。

3.6 介质损耗特性检测

介质损耗是绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，绝缘能力的下降直接反映为介质损耗因数的增大。

检测目的：判断互感器绝缘层是否受潮。

实测结果：1#试品H-L E部位1.207%、L-H E部位0.854%、H-L部位1.574%；2#试品H-L E部位1.477%、L-H E部位0.947%、H-L部位1.856%；

检测结论：良好。

3.7 局部放电特性检测

绝缘层内部电场分布不均匀性或存在缺陷和杂质（气泡），使局部电场集中。

检测目的：可以发现绝缘层潜在绝缘薄弱部位。

实测结果：额定电压试验，二次0.1 kV，一次25 kV，频率100 Hz，要求≤10 pC，实测1#试品为14 pC、2#试品为7 pC；倍电压试验，二次0.173 kV，一次43.4 kV，频率100 Hz，要求≤50 pC，实测1#试品为24 pC、2#试品为3 300 pC；。

检测结论：1#试品数据有超标现象，可考虑干扰影响。2#试品局放不合格。

3.8 工频耐压特性检测

工频交流耐压试验是考验互感器绝缘承受各种过电压能力的方法。

检测目的：考核绕组对地和绕组之间的主绝缘强度。

实测结果：在一次绕组、二次绕组分别加压到3 kV，试验频率100 Hz，持续时间60 s，试验过程不应发生闪络、击穿现象。实测1#、2#试品试验过程无闪络、击穿现象；

检测结论：通过。

4 提高机车高压电压互感器运行可靠性的建议或措施

电压互感器的绝缘性能是由多方面绝缘特性综合组成的，单其中几项合格并不能代表其整体合格，如2#试品电压互感器，其大部分检测都合格，但频率响应曲线的大幅偏差及局放的大幅超标证明其在绕组形变及固态绝缘层的绝缘性能上有较大缺陷，此试品就存在较大的风险。因此如要对电压互感器绝缘性能作出准确判断应综合此八项检测结果判断。

利用计算机数据系统对每个进行检修的电压互感器建立检测数据档案，录入每次的检测结果，经过对多次检测数据的汇总可建立每个电压互感器绝缘性能变化的离散模型，在检修中可依据趋势模型进行更准确的判断，当趋势突变时可立即更换处理。

提高检修过程中的防护，在运输和起吊作业中应按工艺要求进行作业，防止作业过程中的机械损伤导致的绝缘破坏。

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责任编辑：许耀元

来稿日期：2017-02-21