高海拔地区动车组高压设备箱绝缘优化试验研究

张子信，戴晓宇，宋卓然，孟 增，王珊珊

（1．国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，沈阳110000；2．国网辽宁省电力有限公司管理培训中心，沈阳110000）

0 引言

动车组因其运行速度快、输运能力强、安全舒适度高而成为人们中短途出差、旅行的首选交通工具。动车组是高速铁路网的核心组件，其安全、可靠运行对我国高铁技术在国际、国内的品动车组因其速度快、可靠性高而成为人们出差、旅行的主要交通工具，高压系统是动车组的重要组成部分，其可靠性对动车组正点运行至关重要[1-3]。

高压设备箱是连接车顶电缆与牵引变压器的中间部件，主要由电缆终端、真空断路器（vacuum circuit breaker，VCB）和避雷器等组成。在25 kV电压作用下箱体内高压端金具均未无电晕放电现象。动车组在升降弓、过分相等过程将产生过电压[4-5]，当过电压幅值超过设备闪络电压耐受值时，空气间隙或沿面闪络故障将影响动车组在正点、可靠运行[6]。

随着西部高速铁路建设步伐的加快，线路及动车组设计过程中必须充分考虑高海拔、风沙等特殊环境对高压供电系统可靠性的影响。目前在网运行动车组行驶区间海拔高度小于2 000 m，国内尚无动车组在高海拔气候环境条件下稳定、可靠运行的经验。

DL/T5222-2005规定[7]：对在海拔高度1 000～4 000 m处使用的设备，其外绝缘强度按照海拔每升高100 m，绝缘强度约下降1%进行修正。当在海拔低于1 000 m的地点试验时，其试验电压应按标准规定的高海拔地区设备额定电压耐受值乘以海拔高度修正系数K，修正系数K的计算如式（1）所示。

式中，H为设备安装地点的海拔高度，m。

TB/T 1333.1－2002规定[8]，依据机车运行环境的不同，各电压等级电气器件耐受冲击电压的等级及不同额定电压设备耐受冲击电压规定值如表1所示。

表1 额定冲击耐受电压的确定Table 1 Rated value of impulse tolerance voltage

现有动车组高压设备箱绝缘系按照OV3标准设计，高海拔地区动车组电气设备绝缘等级应按OV4标准进行考核。受设备箱安装位置尺寸所限，需在不扩大现有箱体尺寸前提下，研究不同绝缘优化策略下冲击闪络电压耐受性能。在平原处考核高压设备箱冲击闪络电压耐受强度时，需对该试验电压数值进行修正。依据式（1），当动车组在海拔高度为3 000 m处运行时，其绝缘强度校正因子如式（2）所示：

根据表1和式（2），海拔高度3 000 m处高压设备箱冲击电压耐受幅值应达到的的数值如式（3）所示，式（3）中，Uimp平原地区OV4标准数值，K为海拔高度修正系数。

空气间隙的击穿实际上是强场电离的自由电子形成流注通道并贯穿所造成[9-12]。冲击电压作用下流注形成时，需满足场强数值达到流注起始场强和在电极区域附近存在有效的自由电子等条件[13-14]。

不同幅值工频电压下紫外放电强度和冲击闪络试验过程结果均表明，电缆终端端部对箱壁首先发生放电，该放电属于空气间隙击穿。当高低压电极间无固体绝缘介质存在时，电压由空气间隙承担，当在空气间隙间置入固体绝缘介质后，由于固体介质的分压作用[15-16]，空气间隙所承担的电压将减小，减小幅值取决于固体介质的安装位置及结构。

比较不同材质及结构的绝缘护套优化策略的优化效果及施工工艺可行性，针对电缆终端，选择用热缩套管包覆接线端子，绝缘护套边缘延伸到首个伞裙的绝缘护套优化方式，采用类似的方法对断路器端部进行了优化，试验结果表明，优化后的高压设备箱满足高压设备箱在海拔高度为3 000 m处冲击电压耐受值考核要求。

1 试品及试验方法

1.1 试验装置

试验接线原理如图1所示。

图1 试验接线图Fig.1 Schematic of experiment connection

冲击电压发生器单级电压为150 kV，共三级，输出电压波形满足GB/T16927.1-2011要求。分压器分压比为2 000：1，衰减探头为1/10，示波器型号为TDS2024，试验期间室内环境温度为11-17℃，相对湿度为44%～53%，试验地海拔高度小于50 m。

1.2 试品

高压设备箱主要由电缆终端、真空断路器、避雷器及连接导杆组成，箱体尺寸为600 mm×600 mm×2 200 mm。本文研究对象为如图2所示电缆终端端部及真空断路器端部，电缆终端端部外壳直径为146 mm，断路器端部界面尺寸为180×180 mm。

2 试验结果分析

2.1 现有高压设备箱冲击耐受特性

为验证不同绝缘加强措施对冲击耐受电压性能的改善效果，首先断开箱体内避雷器，从电缆终端接线端处断开断路器，通过调整冲击电压发生器球隙间隙来改变施加到试品的电压值。现有高压设备箱冲击电压耐受值约为155 kV。试验波形如图3所示。

图2 试品结构Fig.2 Configuration of specimens

图3 现有高压设备箱冲击耐受电压Fig.3 Impulse withstand voltage of the existing high voltage equipment box

2.2 绝缘护套对冲击闪络电压影响分析

制作两种不同规格型号的绝缘护套，结构如图4所示。其中绝缘护套A为内自制品，材质为硅橡胶板，厚度为5 mm，圆环和板之间用RTV粘结，绝缘护套B为委托专业厂家加工产品，厚度为5 mm。按照如图5所示不同方式将绝缘护套紧贴电缆终端金属外壳进行固定，在固定过程中用单组份RTV填充孔隙。不同优化策略下电缆终端空气间隙冲击闪络耐受电压值如表2所示。

图4 绝缘护套Fig.4 Insulation sheath

由表2可知，单独加装绝缘护套A、护套B或在接线端子处加装热缩管时，冲击闪络电压耐受值均小于等于200 kV。在加装绝缘护套的同时，在接线端处加装热缩管，冲击闪络电压数值有小幅提升。当不加硅橡胶垫片时，冲击闪络电压耐受值均在小于203 kV，按照OV4标准，该值仅满足海拔高度为2 600 m处耐受值要求。

当采取图5（e）所示优化策略后，冲击闪络电压耐受值达到235 kV，该值可满足海拔高度3 700 m处设备要求。当在电缆终端处同时加装接线端热缩管、硅橡胶垫片和绝缘护套B时所时的空载冲击电压波形和击穿电压波形如图6所示。

图5 绝缘护套优化策略Fig.5 Insulation sheath optimization strategy

表2 不同优化策略对冲击闪络电压耐受值Table 2 Impulse flashover withstand voltage under different insulation optimization strategy

2.3 绝缘护套和环氧板配合后冲击闪络电压影响分析

按照表3所示不同的绝缘优化组合策略，验证不同组合条件下空气间隙冲击闪络电压耐受值变化趋势。

图6 冲击耐受电压235 kV时电压波形Fig.6 Voltage waveform of impulse withstand value is 235 kV

表3 环氧树脂板同护套配合策略下冲击闪络耐受值Table 3 Withstand value of impulse flashover voltage using the cooperation strategy of epoxy board and sheath

由表3可以看出，在高压设备箱四周加装环氧树脂绝缘板时，电缆终端附近冲击耐受电压可以达到190 kV，当在四周加装2 mm厚环氧树脂绝缘板的同时加装绝缘护套B时，冲击闪络电压可以达到210 kV。单从冲击闪络电压耐受值看，可基本满足海拔高度为3 000 m处的电气设备耐受值要求，但通过观察箱体四壁环氧树脂板发现，多次闪络试验后，在箱体四壁环氧树脂绝缘板发现了如图7所示的击穿痕迹，图7中，数字为击穿孔洞出现的次序。

2.4 绝缘护套对断路器端部绝缘优化效果

现有断设备断路器端部对箱壁冲击闪络电压耐受值为169 kV，按照2.2节所述方法对电缆终端端部绝缘进行加强后对电缆断路器端部进行优化，同理在加装绝缘护套前将接线端子用直径为5cm、厚度为3 mm的硅橡胶护套进行包覆，优化所采用的绝缘护套结构及安装如图8所示。

在如图8所示的优化策略下，分别施加冲击电压的峰值为210 kV、231.3 kV的冲击电压，高压设备箱电缆终端和断路器端部均未发生击穿现象；当冲击电压峰值达到235.2 kV，电缆终端附近气隙发生了击穿。多次闪络试验结果表明，该优化措施下击穿部位均位于电缆终端处，故该下断路器加装绝缘护套后其冲击电压耐受值大于等于235 kV。该措施下断路器端部冲击击穿电压较之不加任何措施下的电缆终端冲击耐受值169.0 kV相比，提高了46.8%，可满足海拔3 700 m处OV4标准。

图7 环氧树脂板击穿痕迹Fig.7 Breakdown track of epoxy resin

图8 高压设备箱优化方案Fig.8 Optimization strategy of high voltage equipment box

3 结论

笔者为满足高海拔地区高压设备绝缘考核标准，笔者研究了不同绝缘优化策略对提升雷电冲击电压耐受值的影响规律。试验结果表明：基于绝缘护套和热缩套管配合的优化策略可以有效提升高压设备雷电冲击电压耐受值。在电缆终端处的绝缘加强措施由绝缘热缩管、硅橡胶垫片和绝缘护套B三者配合可取得最优效果。同紧贴高压电极加装绝缘护套相比，低压电极表面加装绝缘介质后冲击闪络电压耐受值提升幅度较小，优化效果不如加装在高压端明显。采用类似的方法对断路器端部进行优化，优化后的闪络电压耐受值提高了约47%。笔者所述的优化策略可以在高海拔地区电气设备绝缘结构优化中推广应用。

[1]律方成，马建桥，汪佛池，等.雾霾天气下动车组受电弓支柱绝缘子表面污秽分布规律[J].高电压技术，2014，40（11）:3305-3310.LÜ Fangcheng，MA Jianqiao，WANG Fochi，et al.CRH insulator surface pollution distribution rule research un⁃der frog-haze condition[J].High Voltage Engineering，2014，40（11）:3305-3310.

[2]律方成，韩芳，汪佛池，等.动车组过分相铁磁谐振及抑制方法仿真研究[J].电瓷避雷器，2016（1）:134-138.LÜ Fangcheng，HAN Fang，WANG Fochi，et al.Simula⁃tion study of methods for restraining and EMU passing phase ferroresonance[J].Arrester，2016（1）:134-138.

[3]矫立新，郭洁，何天宇，等.动车受电弓用绝缘子紫外线老化特性研究[J].电瓷避雷器，2015，1:33-36.JIAO Lixin，GUO Jie，HE Tianyu，et al.Study on the Ul⁃traviolet aging characteristic of train-set pantograph insu⁃lator[J].Arrester，2015（1）:33-36.

[4] 钮承新.过电压引起电力机车放电间隙击穿原因分析[J].电气化铁道，2012（1）:24-27.Niu Chengxin.The analysis of breakdown of discharge gap in locomotive caused by overvoltage[J].Electricity Rail⁃way，2012（1）:24-27.

[5]聂颖，胡学永.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].机车电传动，2013，4:9-11.NIE Ying，HU Xueyong.Research on rising pantograph surge overvoltage for high-speed EMUs[J].Electric Drive for Locomotives，2013，4:9-11.

[6]赵晓明.动车组高压系统对地闪络放电分析及应对措施探讨[J].机车电传动，2013，4:100-101.ZHAO Xiaoming.Analysis of flashover discharge to the ground and discussion of the response for high voltage sys⁃tem of CRH[J].Electric Drive For Locomotives，2013，4:100-101.

[7]导体和电气选择设计技术规定：DL/T5222—2005[S].中华人民共和国国家发展和改革委员会，2005.

[8]铁路应用——机车车辆电气设备中华人民共和国铁道部：TB/T 3077.1-2006[S]，2006.

[9] The Renardières Group． Research on long air gap dis⁃charges at Les Renardières[J]． Electra，1972（29）：53-157．

[10]The Renardières Group． Research on long air gap dis⁃charges at LesRenardièr，1973 results[J].Electra，1974（35）：49-156．

[11]The Renardières Group． Positive discharges in long air⁃gap discharges at Les Renardières-1975 results[J]．Elec⁃tra，1977（53）：31-153．

[12]詹花茂，刘波，颜廷利，等.操作冲击对空间电荷对间隙放电的影响[J].电工技术学报，2014，29（2）:212-218.ZHAN Huamao，LIU bo，YAN Tingli，et al.Influence of space charge on air gap discharge under switching impulse[J].Transactions of China Electro technicalSociety，2014，29（2）:212-218.

[13]周泽存.高电压技术（第三版）[M].北京:中国电力出版社，2007:24-60.ZHAO Zecun.high voltage engineering[M].Beijing:China electric power press，2007:24-60.

[14]孙昭英，廖蔚明，宿志一，等.±800 kV直流输电工程空气间隙海校拔正系数试验研究[J].电网技术，2008，32（22）:13-16.SUN Zhaoying，LIAO Weiming，SU Zhiyi，et al.Test study onthealtitudecorrectionfactorsofairgapsof±800kV UHVDC Projects.Power System Technology，2008，32（22）：13-16.

[15]廖蔚明，丁玉剑，宿志一，廖蔚明，等.高压直流输电线路V型串塔头间隙操作冲击放电电压的海拔校正[J].电网技术，2012，36（1）:182-188.LIAO Weiming，DING Yujian，SUN Zhaoying，i，et al.Altitude correction of switching impulse flashover voltage of tower gaps with v-shaped insulator strings for HVDC power transmission lines[J].Power System Technology，2008，32（22）13-16.

[16]梅红伟，陈金君，彭功茂，等.复合绝缘子高压端输电导线安装绝缘护套的研究[J].中国电极工程学报，2011，31（1）:109-116.MEI Hongwei，CHEN Jinjun，PENG Gongmao，et al.Re⁃search on insulation jacket put on transmission line con⁃ductor hung by composite insulator[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（1）:109-116.