對(duì)軌道交通行業(yè)電壓互感器使用安全的探討

關(guān)瓊瓊++趙興亮++郭翼翔

摘 要：電壓互感器可以將高壓與電氣工作人員隔離。一旦電壓互感器出現(xiàn)異常，造成的直接危害是計(jì)量不準(zhǔn)確，給使用企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。由于多數(shù)電壓互感器長(zhǎng)期戶外運(yùn)行，多會(huì)發(fā)生絕緣降低等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)造成擊穿而導(dǎo)致燃燒爆炸，因此就需要定期計(jì)量并更換新的電壓互感器。本文對(duì)形成此現(xiàn)象的原因進(jìn)行了深入的分析并提出了改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：電壓互感器；安全；擊穿

中圖分類號(hào)：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）20-0038-02

1 現(xiàn)狀介紹

將電能從電力系統(tǒng)傳送到電力機(jī)車的電力設(shè)備，總稱為電氣化鐵路的供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)兩部分。發(fā)電廠（1）發(fā)出的電流，經(jīng)升壓變壓器（2）提高電壓后，由高壓輸電線（3）送到鐵路沿線的牽引變電所（4）。在牽引變電所里把電流變換成所要求的電流或電壓后，經(jīng)饋流線（5）轉(zhuǎn)送到鄰近區(qū)間和站場(chǎng)線路的接觸網(wǎng)（6）上供電力機(jī)車使用。如圖1所示。

對(duì)于軌道交通行業(yè)的不同企業(yè)，其采用的電壓互感器型號(hào)及規(guī)格不同。傳統(tǒng)電壓互感器根據(jù)原理不同可分為電磁式互感器、電容式互感器、電子式互感器及光學(xué)互感器；根據(jù)使用地點(diǎn)及使用電壓不同可分為35kV及以下多制成戶內(nèi)式、35kV以上則制成戶外式；按絕緣介質(zhì)可分為干式、澆注式、油浸式和充氣式。我國(guó)傳統(tǒng)電力機(jī)車用電壓互感器一般為干式電磁式電壓互感器，牽引變電所用電壓互感器通常為油浸式。

2 原因分析

互感器發(fā)生故障原因主要有絕緣故障、機(jī)械故障、電氣故障、發(fā)熱故障等四大類，它們反映了互感器在多種應(yīng)力綜合作用下的故障根源。這些原因可進(jìn)一步分為絕緣結(jié)構(gòu)不良、絕緣處理不當(dāng)、絕緣材質(zhì)不佳、水分與雜質(zhì)的侵入、過(guò)電流過(guò)電壓，具體原因其中大部分缺陷都可導(dǎo)致局部放電與局部過(guò)熱，使油與絕緣分解。分解的結(jié)果，又可使局部放電與局部過(guò)熱加劇，造成惡性循環(huán)，導(dǎo)致油與絕緣材料的性能再度下降，進(jìn)而發(fā)生互感器內(nèi)部絕緣的閃絡(luò)與擊穿，最終導(dǎo)致互感器故障，包括互感器爆炸、強(qiáng)迫停運(yùn)與不能維持其正常運(yùn)行的所有其他故障。這是一條導(dǎo)致互感器故障的基本通路。此外，還有兩條通路，一條是由于外部環(huán)境臟污（塵埃、鹽霧、游離氣體等），經(jīng)長(zhǎng)期積累，造成互感器外部閃絡(luò)，導(dǎo)致互感器故障；另一條是由于人為的或自然的破壞或系統(tǒng)過(guò)電壓與水分的直接侵入，也可即時(shí)導(dǎo)致互感器故障。這三條故障通路與其相關(guān)故障的原因、發(fā)展和后果形成了如附圖所示的互感器的故障發(fā)展形態(tài)。如圖2所示。

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，軌道交通行業(yè)電壓互感器故障特點(diǎn)，是隨著高速列車行駛速度的提高，車頂高壓電壓互感器的使用狀態(tài)發(fā)生了變化。不同的體積結(jié)構(gòu)在復(fù)雜多樣的行駛環(huán)境下受到的空氣阻力不同，速度越高越可能發(fā)生震動(dòng)，而接觸網(wǎng)導(dǎo)線不平順及受電弓震動(dòng)更加劇了這種震動(dòng)。在動(dòng)車及高鐵的行駛速度下，弓網(wǎng)電弧頻繁發(fā)生，會(huì)造成諧振過(guò)電壓，而頻繁過(guò)電分相更提高了絕緣故障發(fā)生的概率。

傳統(tǒng)式電磁互感器也有其設(shè)計(jì)上的缺陷，油浸式電壓互感器體積笨重且存在漏油爆炸風(fēng)險(xiǎn)。干式電壓互感器用樹脂取代了油作為絕緣介質(zhì)，減小了體積重量，但產(chǎn)生了容易開(kāi)裂等風(fēng)險(xiǎn)。在高壓系統(tǒng)中局部放電頻繁且原因眾多，難以排查的情況下，絕緣材質(zhì)中產(chǎn)生氣泡或在機(jī)械振動(dòng)及熱脹冷縮下產(chǎn)生開(kāi)裂，都會(huì)造成局部放電。長(zhǎng)期微弱的局部放電將造成絕緣老化，最后可能導(dǎo)致整個(gè)絕緣體在正常使用電壓下發(fā)生擊穿。局部放電也會(huì)造成互感器線圈中絕緣漆溫度緩慢上升，由于外層樹脂材料的阻隔熱量無(wú)法及時(shí)散出，造成絕緣漆融化，并最終擊穿短路導(dǎo)致互感器炸裂。

3 解決方案

3.1 研制新一代光纖電壓互感器

傳統(tǒng)電磁變壓器設(shè)計(jì)缺陷及材料特性限制都是其固有缺陷，無(wú)法根本消除。因此有必要研制新型電壓互感器，光學(xué)電壓互感器便應(yīng)運(yùn)而生。光學(xué)電壓互感器測(cè)量原理基于pockels效應(yīng)（一級(jí)電光效應(yīng)）和Kerr（二級(jí)電光效應(yīng)）以及逆電壓效應(yīng)。其有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）優(yōu)良的絕緣性能；（2）不含鐵芯，消除了磁飽和鐵諧振等問(wèn)題；（3）抗電磁干擾性好，低壓側(cè)無(wú)開(kāi)路和短路危險(xiǎn)；（4）暫態(tài)響應(yīng)范圍大，測(cè)量準(zhǔn)確度高；（5）頻態(tài)響應(yīng)范圍寬；（6）沒(méi)有易燃易爆等危險(xiǎn)；（7）適應(yīng)了電力計(jì)量與保護(hù)數(shù)字化計(jì)算機(jī)化自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)已有部分廠家生產(chǎn)出了特定型號(hào)的光學(xué)互感器，但仍存在溫度與振動(dòng)對(duì)傳感頭影響較大、電光晶體易受溫度與應(yīng)力影響、溫度補(bǔ)償算法不能在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確補(bǔ)償及精密光路器件的固定加工成本較高等諸多問(wèn)題。光學(xué)互感器相比傳統(tǒng)電磁互感器有著廣闊的發(fā)展空間與應(yīng)用場(chǎng)合，但目前技術(shù)研究與應(yīng)用累計(jì)還有待加強(qiáng)。

3.2 進(jìn)行局部放電的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)于干式電壓互感器，通過(guò)局部放電試驗(yàn)?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)固體絕緣內(nèi)部的裂紋和殘留氣泡等缺陷，以前由于相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程沒(méi)有要求對(duì)列車組干式互感器進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，只是通過(guò)交流耐壓試驗(yàn)來(lái)檢查設(shè)備的好壞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絕大部分設(shè)備都是合格的，而且投入運(yùn)行的列車組干式互感器初期發(fā)生爆炸的現(xiàn)象也很少。但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，一部分存在氣泡或裂紋缺陷的設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)爆炸事故。

一些絕緣常規(guī)試驗(yàn)，如介質(zhì)損耗角正切、絕緣電阻、泄漏電流等均不能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的局部放電缺陷。而進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，所施加的電壓高出其額定工作電壓數(shù)倍，通常情況下該試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)很多絕緣材料的缺陷，尤其對(duì)局部缺陷效果非常明顯，但是也有相應(yīng)的弊端存在，即試品在進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)給其絕緣帶來(lái)一定損傷，影響它的絕緣性能。

局部放電試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓為1.2倍設(shè)備最高電壓，該等級(jí)的試驗(yàn)電壓不會(huì)損壞電壓互感器的絕緣性能，通過(guò)對(duì)互感器進(jìn)行局部放電試驗(yàn)可以判定其絕緣質(zhì)量，相對(duì)來(lái)說(shuō)這是一種非破壞性的試驗(yàn)。相對(duì)于工頻耐壓試驗(yàn)，局部放電試驗(yàn)具有較高的靈敏度，對(duì)于即將投入運(yùn)營(yíng)或正在運(yùn)營(yíng)的列車組，對(duì)其電壓互感器局部放電進(jìn)行檢測(cè)，并采集和分析其測(cè)試數(shù)據(jù)，掌握其局部放電狀態(tài)與絕緣老化程度，再?zèng)Q定是否需要維修更換。

3.3 對(duì)絕緣油氣體進(jìn)行色譜分析

定期對(duì)油浸式電源互感器進(jìn)行氣相色譜分析，以絕緣油中特征氣體含量的數(shù)量及比值來(lái)判斷設(shè)備的好壞。根據(jù)互感器內(nèi)部析出的氣體含量，分析設(shè)備潛伏性故障，特別是對(duì)過(guò)熱性、電弧性和絕緣破壞性故障等都能有很好的反映。實(shí)踐證明，利用氣相色譜分析法，對(duì)油浸式電壓互感器進(jìn)行內(nèi)部潛在性放電故障早期預(yù)報(bào)，是一種行之有效的方法，利用氣相色譜分析診斷故障，結(jié)合電氣試驗(yàn)、設(shè)備運(yùn)維等情況進(jìn)行綜合分析，可較確切地判斷故障類型和故障部位。

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路的發(fā)展，給軌道交通行業(yè)用電壓互感器提出了更高的要求，本文綜合介紹并分析了軌道交通行業(yè)內(nèi)電壓互感器的現(xiàn)階段應(yīng)用原理及故障原因，并對(duì)如何保證電壓互感器正常工作提出了幾點(diǎn)建議，有助于保障電壓互感器的安全運(yùn)行。endprint