动车组车顶避雷器解体检查及电场仿真研究

2023-10-28刘正威左明洁王胜辉毛帅涛张启哲

电瓷避雷器 2023年5期

刘健,欧琦,刘正威,左明洁,张妍,王胜辉,毛帅涛,张启哲

(1.中车长春轨道客车股份有限公司,长春 130011;2.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206)

0 引言

动车组车顶避雷器是牵引供电系统的重要保护设备。经统计,自2017年至2021年,CRH5型动车组共发生12起避雷器炸裂故障。另外,在日常的检修中,还检测到大量不合格的避雷器,虽然未发生爆炸,但存在严重的事故隐患[1-3]。由于仅通过外部参数测量,难以直接观测到设备内部情况,为查找故障原因,有必要对其进行解体检查,同时通过仿真分析还有助于分析其故障形成机理[4-6]。

目前国内外对动车组炸裂避雷器解体检查的相关参考文献较少,多集中于电力系统中所使用的避雷器[7-9],由于电力和铁路避雷器的构造和原理基本相同,相关文献仍具有一定的借鉴意义,如文献[10]对一支炸裂避雷器进行解体,发现在部分烧蚀位置有白色粉末,阀片在避雷器炸裂的一侧有明显的贯穿放电痕迹并伴有少量融化的铝箔片。文献[11]对一支500 kV退运金属氧化物避雷器进行解体检查,发现避雷器并没有受潮、闪络等痕迹,但避雷器本身电阻片热能损耗偏高造成避雷器局部温度超标,从而导致了避雷器退运。文献[12]在故障避雷器的解体检查中发现避雷器硅胶层有严重的树枝状放电痕迹,其形成时间在避雷器故障前,同时在阀片侧面有白色粉末颗粒,分析表明故障原因是避雷器内部的局部放电。避雷器内部支撑筒材料多为玻纤增强环氧树脂(FRP),文献[13]阐述了环氧树脂电树枝的劣化过程,并介绍了电树枝劣化的影响因素。文献[14]介绍了直流复合场对环氧树脂内电树枝内部的电荷运动过程,分析了其生长特性。电树枝的生长与电场的分布关系密切,建立仿真模型得到避雷器在不同状况下内部电场的分布[15-17],以及分析不同缺陷对避雷器内部电流、温度的影响[18-20]。

基于上述研究现状,笔者以一起CRH5型动车组车顶避雷器炸裂事故中的避雷器为例,对炸裂避雷器进行了解体检查,同时对同一批次的多支检测不合格避雷器进行解体检查。对炸裂避雷器和检测不合格避雷器存在的内部缺陷进行了分析,并建立车顶避雷器模型开展了仿真研究,分析了不同工况下避雷器内部的电场分布以及导致避雷器炸裂的原因。

1 避雷器解体检查

1.1 炸裂避雷器解体检查

待解体避雷器型号为YH10WT-42/105,生产日期为2018年11月,出厂测试数据未知。该避雷器在服役中发生炸裂,故障时天气晴朗,列车并未进行升降受电弓、分合断路器等操作,未记录到过电压波形,解体前的外观见图1。

图1 炸裂避雷器解体前照片Fig.1 The image of burst arrester before disassembling inspection

图1中,该避雷器的压力泄放口已被炸开,泄放口附近伞裙和护套出现局部撕裂,因电弧灼烧,伞裙表面从近泄放口到高压侧金具出现较大面积的灰白色区域。高压侧端部金具存在熔化痕迹,说明当时不仅内部发生了放电,其外部也存在电弧烧蚀现象。锯掉避雷器的外伞裙、护套和支撑绝缘筒,将内部阀片、压紧弹簧、铝块和弹簧定位块依次取出后,按照原装配顺序摆放后的照片见图2。

图2 炸裂避雷器阀片整体外观Fig.2 Overall appearance of burst arrester valve plate

该避雷器阀片共有12只,后续为表述方便,将靠近高压端(上端)的阀片编为1号,靠近低压端阀片编为12号。观察图2可知,高压端1号和2号阀片靠近泄放口一侧形成了贯通的击穿痕迹,见图3(b)和图3(d)虚线框内所示。3号阀片侧面出现碳黑状痕迹,见图3(f)所示。

图3 炸裂避雷器阀片Fig.3 Burst arrester valve plates

观察图3中阀片正面照片可知,其表面存在白色痕迹,形成类似水滴状由阀片边缘向中间渗透的痕迹,为分析其成分,采用EDS能谱分析仪对其开展了化学元素分析,测试样品选自图3(e)虚线框内区域,分析结果见图4。

图4 EDS能谱分析结果Fig.4 EDS analysis results

同时在一块正常阀片的铝电极部分取样开展化学元素分析,分析结果见图5。

图5 EDS能谱分析结果(正常阀片)Fig.5 EDS analysis results (Normal valve plates)

由图4可知,测试样品中检测出大量的O元素,而图5中正常状态下的铝电极层中O元素含量极少。这说明在避雷器发生炸裂故障之前,阀片铝电极层已经发生氧化,氧化的原因可能为避雷器内部受潮。

解体后观察到炸裂避雷器在泄放口处损坏最为严重,靠近泄放口的阀片表面存在黑色痕迹,见图6。

图6 炸裂避雷器靠近泄放口处阀片表面Fig.6 The surface of the valve plates near the discharge port of the burst of the arrester

观察图6中阀片表面黑色痕迹可知,其颜色呈现由边缘到中心逐步变浅的趋势,说明该黑色痕迹是由放电时形成的黑色烟雾状高压气流侵入到交界面所致。结合高压端阀片侧面的电蚀痕迹可知,该避雷器的炸裂应该是阀片与绝缘筒界面的沿面闪络导致。

为便于观察绝缘筒内部和泄放口情况,利用电锯将整个绝缘筒切开成两半,切割时位置避开了泄放口,绝缘筒照片见图7。

图7 炸裂避雷器绝缘筒(含泄放口)Fig.7 Burst arrester FRP cylinder (with discharge port)

观察图7可知,绝缘筒内表面较粗糙,整体呈灰黑色,但颜色不均匀,靠近泄放口边缘有部分裂纹。其泄放口处的塑料条已经被炸飞,泄放口切割面较粗糙,呈灰黑色,泄放口下面有浅黄色痕迹。

1.2 检测不合格避雷器解体检查

为进一步分析故障原因,对炸裂避雷器同批次的检测不合格的多支避雷器进行解体检查,在此以其中一支为例介绍其解体情况。该避雷器解体前测试数据如下:U1 mA为43.4 kV,0.75倍U1 mA下的泄漏电流为175 μA,解体后,该避雷器的总体外观见图8。

图8 检测不合格避雷器解体后外观Fig.8 Appearance of unqualified arrester after disassembly

观察图8中圈内的痕迹可知,阀片本体靠近泄放口一侧存在较多的白色痕迹,应该是与泄放口塑料条接触,振动磨损所致。进一步观察高压侧阀片,见图9。

图9 高压侧第1片和第2片阀片Fig.9 No. 1 and No. 2 valve plates on high pressure side

分析图9(b)和图9(d)可知,1号阀片和2号阀片侧面绝缘层表面有黄色放电痕迹。结合图8可知,阀片侧面放电痕迹对应位置的绝缘筒上观测到了明显的电树枝状放电痕迹,说明黄色痕迹是该区域存在的长期局部放电所致。

阀片表面以及侧面同样存在白色痕迹,形态与炸裂避雷器类似,如图9(a)和图9(c)中圈内所示,推测是阀片受潮氧化所致。同样对阀片该区域进行取样开展了EDS能谱分析测试,测试结果见图10。

图10 能谱分析结果Fig.10 EDS analysis results

分析图10可知,发现其中主要成分为氧元素和铝元素,这说明阀片已经受潮氧化。氧化痕迹呈现水滴状由阀片边缘向内延伸,而不是整个阀片均匀氧化,应是水汽沿着阀片之间的间隙渗透进入并造成喷铝层氧化所致。

同时,对绝缘筒也进行了详细地观察,绝缘筒解体后含泄放口的部分见图11。

图11 绝缘筒解体后外观(含泄放口)Fig.11 Appearance of FRP cylinder after disassembly (including discharge port)

观察可知,绝缘筒高压侧部位沿面有明显的电树枝放电痕迹,且电树枝有沿着高压端向泄放口发展的趋势,同时泄放口靠近高压侧也存在放电形成的黄色痕迹,见图11中框内所示。绝缘筒内表面局部区域存在的白色痕迹应该是阀片与绝缘筒磨损所致。

2 绝缘筒内表面电场仿真研究

由上述解体可知,避雷器缺陷位置与弹簧定位块以及高压侧阀片位置相对应,并且阀片与绝缘筒高压侧交界面均存在明显受潮和树枝状放电痕迹,在电压作用下易于形成沿面闪络[21-23]。为分析其故障原因,本研究建立了避雷器仿真模型,分析了弹簧定位块、电树枝、裂纹对绝缘筒内表面电场分布的影响。

2.1 模型建立

根据避雷器的实际尺寸,建立的电场仿真三维模型见图12。

图12 避雷器仿真模型Fig.12 Arrester simulation model

该避雷器总高度为580 mm,高压端法兰和低压端法兰相距480 mm,避雷器护套外直径80 mm。共有20片硅橡胶伞裙,大伞裙直径130 mm,小伞裙直径100 mm,大伞裙之间相距40 mm,根据弹簧定位块实际外形,建模时其边缘采用了0.5 mm的倒角处理,外部空气域长为1 200 mm,宽为1 200 mm,高为1 500 mm。模型各组成部分材料以及参数设置见表1。

表1 模型组成部分材料及参数Table 1 Materials and parameters of model components

在避雷器模型高压端施加27.5×1.414=38.89 kV的电压,模型中所有阀片轴心与绝缘筒的轴心重合,高压侧的弹簧定位块边缘与阀片的边缘对齐,阀片与绝缘筒之间的空气间隙为1.2 mm,采用静电场模块进行了多种状态下的电场分布仿真分析。

2.2 弹簧定位块对电场分布的影响

在实际运行中,由于装配或振动原因,其弹簧定位块轴心可能会偏离绝缘筒的轴心,导致弹簧定位块与绝缘筒之间的空气间隙发生改变,进而影响到电场分布。

基于此,设置弹簧定位块与绝缘筒的间隙距离分别为2.2 mm,1.2 mm,0.5 mm和0 mm(弹簧定位块紧靠绝缘筒)4种情况,仿真得到的电场分布云图见图13。

图13 弹簧定位块在不同位置时高压侧场强分布Fig.13 The field intensity distribution of high voltage side at different positions of spring positioning block

为便于分析绝缘筒内表面电场分布,沿绝缘筒内表面设置一条截线,部分截线见图13(a)实线。正常状态时,弹簧定位块与绝缘筒间隙距离为1.2 mm,绝缘筒内表面沿着截线的电场分布见图14,当弹簧定位块紧贴绝缘筒时,绝缘筒内表面沿着截线的电场分布见图15。

图14 绝缘筒内表面电场模(弹簧定位块未偏移)Fig.14 Inner surface electric field modulus of FRP cylinder (spring locating block not offset)

图15 绝缘筒内表面电场模(弹簧定位块贴近绝缘筒)Fig.15 Inner surface electric field modulus of FRP cylinder (spring locating block is close to the epoxy cylinder)

分析上述电场分布曲线可知,弹簧定位块的偏移距离对绝缘筒内表面电场的影响很大,当两者紧贴时,绝缘筒高压侧场强达到了22.23 kV/cm,为便于对比分析,当弹簧定位块与筒壁不同距离时,计算得到了绝缘筒内表面最大电场的模值,结果见表2。

表2 弹簧定位块处于不同位置时的电场模值分布Table 2 The electric field module distribution with the spring positioning block at different positions

分析表2中的数据可知,随着弹簧定位块逐渐向绝缘筒偏移,定位块与绝缘筒交界处的电场强度逐渐增加,特别是当弹簧定位块直接紧贴绝缘筒时,其最大电场强度达到了22.23 kV/cm。根据气体放电理论可知,标准大气条件下,当空气中的电场强度达到约25 kV/cm时,可形成空气分子碰撞电离现象。

由以上分析可知,在避雷器实际运行过程中,由于弹簧定位块的偏移,可能使得绝缘筒高压侧表面场强畸变,出现场强集中现象,在过电压作用下,可形成局部放电,在长期放电的作用下,绝缘筒内表面出现电树枝痕迹。

2.3 电树枝对电场分布的影响

为研究电树枝对绝缘筒的电场强度分布的影响,对不同长度电树枝下的电场强度分布进行了仿真分析。以电树枝长度10 mm为例,仿真得到的电场分布云图见图16。

图16 电树枝对绝缘筒内表面电场的影响Fig.16 Effect of electrical tree oninner surface electric field of FRP cylinder

在图16中,电树枝端部电场有着明显的增强,其沿绝缘筒内表面的电场模值分布曲线见图17。

图17 绝缘筒内表面的电场模值分布Fig.17 Electric field distribution on the inner surface of FRP cylinder

分析可知,一旦形成电树枝,其沿面场强会有着明显的增加,最大场强出现在树枝状放电通道的端部位置。不同树枝长度下筒壁沿面最大场强模值见表3。

表3 绝缘筒内表面的最大场强模值Table 3 Maximum field intensity modulus on the inner surface of FRP cylinder

分析表3中的数据可知,电树枝一旦形成,类似尖端电极,会极大加强前端电场[24-26],其端部场强均高于电晕起始场强,在额定电压下,即可形成局部放电,推动电树枝往前生长和发展。电树枝的形成降低了避雷器内部有效绝缘间隙距离[27-29],在过电压的作用下,可形成沿面闪络,最终可能导致整个避雷器炸裂。

2.4 绝缘筒内表面裂纹对电场分布的影响

在检测不合格避雷器的解体检查中,发现电树枝是沿着筒壁向泄放口上端发展,同时在泄放口上端也观测到放电痕迹,说明该处存在高场强区。

由于泄放口采用机械打孔操作,易导致该处绝缘筒开裂,这些裂纹会被空气填充,受潮时水分也容易侵入,基于此,在仿真模型中建立了沿筒轴向的裂纹模型。裂纹设置为细长状结构,宽度为0.5 mm,深度为0.2 mm。以裂纹长度为10 mm,内部介质是空气为例,当弹簧定位块与筒壁接触时,电场分布云图见图18。裂纹内部介质为空气时对应的绝缘筒内表面电场分布见图19。

图18 裂纹内部不同介质对应电场分布云图Fig.18 Cloud diagramof electric field distribution corresponding to different media inside the crack

图19 沿着绝缘筒内表面的电场分布Fig.19 Electric field distribution along theinner surface of the FRP cylinder

分析图19可知,存在裂纹时(此时裂纹内部介质为空气),对绝缘筒内表面的电场有畸变作用。表4第2列中,列出了在干燥情况下存在不同长度裂纹时裂纹端部的场强模值计算值。

表4 不同长度的裂纹对应的裂纹端部场强模值Table 4 Modulus of field intensity at crack tip corresponding to cracks with different lengths

分析可知,当避雷器处于干燥状态时,即裂纹中的介质为空气时,其长度对裂纹端部的电场影响很小,也即裂纹对场强的影响较小。若避雷器内部受潮,由于毛细效应,裂纹会被水分所填充,由于水的相对介电常数为81,远高于绝缘筒的相对介电常数,会造成电场的集中现象[30],此时绝缘筒内表面电场的仿真结果见表4中第3列。

仿真计算结果表明,裂纹中为水分与裂纹中为空气相比,裂纹长度即使仅有2 mm,裂纹端部场强即可增加到21.9 kV/cm,且随着裂纹长度增加,场强呈明显增大趋势。裂纹长度为20 mm时,端部场强可达26.1 kV/cm,已经超过局部放电的起始场强。在过电压的作用下,高压侧泄放口附近可形成局部放电,同时上述区域电场集中,可引导高压侧电树枝朝泄放口上端发展,最终形成沿面闪络,仿真结果与解体中所观察到的现象一致。