絕緣護(hù)層對(duì)動(dòng)車(chē)組電纜連接器雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響分析

馬建橋， 律方成， 谷山強(qiáng)， 汪佛池， 張相寧， 田銘興

(1． 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2．華北電力大學(xué) 電力工程系， 河北 保定 071003；3． 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 防雷輸電技術(shù)中心， 湖北 武漢 430074；4． 河北唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035； 5． 甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室 技術(shù)中心， 甘肅 蘭州 730070)

自2008年8月1日京津城際高速鐵路開(kāi)通以來(lái)，高速鐵路進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)代[1]。截至2017年年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程數(shù)已達(dá)2.5萬(wàn)km。到2020年，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程數(shù)將達(dá)3萬(wàn)km，鐵路復(fù)線率達(dá)到60%，電氣化率達(dá)到70%[2]。

動(dòng)車(chē)組列車(chē)是高速鐵路的重要組成部分，動(dòng)車(chē)組高壓供電系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組列車(chē)的核心部件[3]。此高壓系統(tǒng)主要由受電弓、高壓隔離開(kāi)關(guān)、T型電纜頭、電纜、高壓設(shè)備箱、牽引變壓器、變流器和牽引電機(jī)等器件組成。高壓設(shè)備箱上游為自車(chē)頂?shù)母邏弘娎|，下端為牽引變壓器。高壓設(shè)備箱內(nèi)的電氣設(shè)備主要由電纜連接器、真空斷路器VCB(Vacuum Circuit Breaker)和避雷器等組成，各部件之間由導(dǎo)桿連接。

國(guó)內(nèi)高速鐵路供電電壓為27.5 kV，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中承受工作電壓及過(guò)電壓作用，過(guò)電壓數(shù)值最大可達(dá)工作電壓的4倍[4]。當(dāng)作用在高壓電氣設(shè)備的過(guò)電壓幅值超過(guò)外絕緣設(shè)備閃絡(luò)耐受電壓值時(shí)，沿面閃絡(luò)或空氣間隙擊穿將影響動(dòng)車(chē)組可靠運(yùn)行[5-7]。目前京廣、京滬等高速鐵路運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組高壓外絕緣設(shè)備入網(wǎng)考核的額定雷電沖擊閃絡(luò)電壓值為125 kV[8]。為保障動(dòng)車(chē)組在西部等高海拔地區(qū)可靠運(yùn)行，目前新設(shè)計(jì)動(dòng)車(chē)組外絕緣設(shè)備的雷電沖擊閃絡(luò)電壓考核值為170 kV。

現(xiàn)有高壓設(shè)備箱的電場(chǎng)分布仿真計(jì)算結(jié)果表明，電纜連接器高壓金具端部附近空氣域電場(chǎng)強(qiáng)度高于其他區(qū)域。雷電沖擊閃絡(luò)電壓試驗(yàn)結(jié)果表明，電纜連接器高壓端對(duì)箱體四壁間空氣間隙首先被擊穿，雷電沖擊閃絡(luò)電壓為155 kV，該值不能滿足標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組高壓設(shè)備雷電沖擊閃絡(luò)電壓值的入網(wǎng)考核要求。

空氣間隙擊穿的原因?yàn)閺?qiáng)場(chǎng)電離的自由電子形成流注通道并貫穿。放電流注的形成需要滿足兩個(gè)條件，即電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值達(dá)到流注起始場(chǎng)強(qiáng)和在電極附近存在有效的自由電子[9-11]。

空氣間隙的擊穿電壓隨海拔高度的增加而呈下降趨勢(shì)[12-13]。對(duì)在海拔高度1 000～4 000 m處使用的電氣設(shè)備，其外絕緣強(qiáng)度按照海拔每升高100 m，絕緣強(qiáng)度下降約1%進(jìn)行修正[14]。當(dāng)在海拔低于1 000 m 的地點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電壓應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高海拔地區(qū)設(shè)備額定電壓耐受值乘以海拔高度修正系數(shù)。因此，對(duì)擬在高原地區(qū)運(yùn)行的高壓設(shè)備，在平原地區(qū)試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓值需按海拔高度進(jìn)行修正。

為提高高壓設(shè)備箱雷電沖擊電壓耐受值，可采用兩種解決途徑：一是擴(kuò)大高低壓電極間空氣間隙距離，但擴(kuò)大箱體尺寸將引起車(chē)體結(jié)構(gòu)的變更，該方案實(shí)施所需的審批及掛網(wǎng)試運(yùn)行周期長(zhǎng)；二是在不改變現(xiàn)有高壓設(shè)備箱尺寸的前提下，實(shí)施局部絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有電氣設(shè)備實(shí)施局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)并掛網(wǎng)運(yùn)行，生產(chǎn)廠家及運(yùn)營(yíng)單位擁有一定的自主權(quán)。因此，考慮可靠性及投入運(yùn)行時(shí)效性等綜合因素，設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)單位傾向于采用局部?jī)?yōu)化方法，即在不改變現(xiàn)有箱體基本結(jié)構(gòu)的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)，使其雷電沖擊閃絡(luò)電壓達(dá)到入網(wǎng)考核值。

在電場(chǎng)極不均勻的空氣間隙中，插入一定厚度的固體絕緣材料，在一定條件下可提高間隙擊穿電壓，改善效果同固體介質(zhì)的插入位置及電壓類(lèi)型有關(guān)[12,17]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)絕緣護(hù)層結(jié)構(gòu)及安裝方式對(duì)雷電沖擊閃絡(luò)電壓影響的相關(guān)研究較少。為此，本文提出在電纜連接器金具表面同箱體內(nèi)壁之間插入一定厚度絕緣護(hù)層，基于介質(zhì)串聯(lián)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算理論，仿真計(jì)算護(hù)層厚度、安裝位置對(duì)高壓電極同箱體內(nèi)壁間空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響規(guī)律，為動(dòng)車(chē)組高壓設(shè)備箱雷電沖擊閃絡(luò)電壓值提升方案選擇提供參考。

1 理論與仿真分析

動(dòng)車(chē)組高壓設(shè)備箱結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

高壓設(shè)備箱電纜終端附近區(qū)域絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，見(jiàn)圖2。插入厚度為d2的絕緣介質(zhì)時(shí)，原來(lái)純空氣間隙將變?yōu)榭諝忾g隙d1、d3和絕緣介質(zhì)d2相串聯(lián)(空氣-固體-空氣)的組合絕緣方式。圖2中，A為原點(diǎn)，d為高低壓電極之間的空氣間隙距離。d2為硅橡膠絕緣護(hù)層厚度，d2的取值為[2,6]。d1、d3分別為絕緣護(hù)層至電纜連接器高壓端和高壓箱箱壁之間的距離。d1的取值范圍為[0,290-d2],d3的取值范圍為[d1+d2,290]。間隙d1、d3中的介質(zhì)為空氣。

1.1 理論分析

當(dāng)將電纜連接起端部同箱體壁面視為平行平板電極結(jié)構(gòu)時(shí)，高低壓之間電位差U可表示為

U=E1d1+E2d2+E3d3

(1)

式中：E1、E2、E3分別表示空氣間隙d1、介質(zhì)層d2及空氣間隙d3的平均電場(chǎng)強(qiáng)度。

介質(zhì)分界面處電位移矢量關(guān)系為[15-16]

ε1E1=ε2E2=ε1E3

(2)

式中：ε1、ε2分別表示空氣和硅橡膠絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)。

聯(lián)合式(1)、式(2)可求得硅橡膠絕緣護(hù)層中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度為

(3)

1.2 仿真分析

對(duì)1.2/50 10-6s的雷電沖擊電壓波，其波形為

u(t)=u0k(e-αt-e-βt)

(4)

式中：u0為雷電沖擊峰值電壓；α為波頭衰減系數(shù)，取值為0.0 147；β為波尾衰減系數(shù)，取值為2.08；k為修正系數(shù)，取值為1.043。

瞬態(tài)電場(chǎng)方程可表示為

▽[J(t)]=0

(5)

J(t)=γE(t)+jωεE(t)

(6)

E(t)=-▽[φ(t)]

(7)

式中：J為電流密度矢量；γ為電導(dǎo)率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；ω為角頻率；ε為介電常數(shù) ；φ為電位。

將式(5)、式(6)代入式(7)可得

(γ+jωε)▽2[φ(t)]=0

(8)

為假設(shè)空氣干燥，絕緣子表面處于潔凈干燥狀態(tài)，故γ?ωε，因此采用靜電場(chǎng)計(jì)算。

動(dòng)車(chē)組額定運(yùn)行電壓為工頻交流單相27.5 kV，故高壓側(cè)峰值電壓設(shè)定為38.89 kV，箱體壁面及人工空氣包邊界處置零電位，各材料的相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)表1。

表1 相對(duì)介電常數(shù)

絕緣護(hù)層安裝位置、護(hù)層厚度對(duì)空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響規(guī)律，見(jiàn)圖3、圖4。由圖3可知，在電纜連接器同高壓電極之間插入絕緣護(hù)層，在絕緣護(hù)層安裝處的電場(chǎng)強(qiáng)度存在明顯的“凹陷”區(qū)域。絕緣護(hù)層安裝位置距離高壓電極越近，“凹陷”幅度(深度)越大。由圖4可知，安裝位置在0 mm及145 mm處，絕緣護(hù)層越厚，“凹陷”區(qū)域?qū)挾仍酱蟆?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)接線原理，見(jiàn)圖5，沖擊電壓發(fā)生器共有三級(jí)，單級(jí)最大輸出電壓為150 kV，分壓器分壓比為2 000∶1，衰減器為10 dB，示波器型號(hào)為T(mén)DS2024，測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓波形和階躍時(shí)間響應(yīng)滿足文獻(xiàn)[17]要求。試驗(yàn)期間室內(nèi)環(huán)境溫度為11 ℃～17 ℃，相對(duì)濕度(Relative Humidity，RH)的變化范圍為44%～53%，海拔高度為50 m。

本文仿真結(jié)果表明，加裝絕緣護(hù)層可改變電場(chǎng)分布，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)，需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證絕緣護(hù)層的結(jié)構(gòu)及包覆方式。根據(jù)電纜連接器高壓端結(jié)構(gòu)，制作的絕緣護(hù)層見(jiàn)圖6。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)加裝的兩種絕緣護(hù)層后的高壓設(shè)備箱開(kāi)展雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)，見(jiàn)圖7。加裝絕緣護(hù)層A、絕緣護(hù)層B后的空氣間隙擊穿電壓值約為168、200 kV，同未加護(hù)層時(shí)的閃絡(luò)電壓值155 kV相比，分別提高了8.38%、29.03%。

絕緣護(hù)層B提高雷電沖擊電壓耐受值的效果優(yōu)于A，主要是由于兩種絕緣護(hù)層對(duì)電纜連接器高壓電極包覆的嚴(yán)密程度不同所致。加裝絕緣護(hù)層A時(shí)，電纜連接器高壓端的部分電極處于裸露狀態(tài)，雷電沖擊閃絡(luò)過(guò)程中流柱的形成更為容易。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，絕緣護(hù)層包覆高壓電極的密封性直接影響雷電沖擊閃絡(luò)電壓值，為此，采用熱縮套管將電纜連接器接線端進(jìn)行包覆。電纜連接器端部加裝熱縮管及同絕緣護(hù)層A配合時(shí)的外觀示意見(jiàn)圖8，熱縮管厚度為2 mm。

護(hù)層A同熱縮管配合時(shí)，在兩者交界處用RTV涂料填充間隙，使該處裸露的金具盡可能被絕緣層包覆。金具端部加熱縮管同絕緣護(hù)層B配合安裝后的外觀結(jié)構(gòu)同圖7(b)無(wú)明顯差異。連接器接線端端部?jī)H加裝熱縮管后的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值約為165 kV，比未加熱縮管及絕緣護(hù)套時(shí)提高了10 kV。熱縮管同絕緣護(hù)層A、絕緣護(hù)層B配合后的閃絡(luò)電壓值分別為203、202 kV。同僅加裝絕緣護(hù)層A相比(168 kV)，熱縮管同絕緣護(hù)層A配合后，閃絡(luò)的電壓值提高了35 kV。熱縮管同絕緣護(hù)層B配合后的閃絡(luò)電壓值僅提高了2 kV，這是由于護(hù)層B的結(jié)構(gòu)所決定，無(wú)論加裝熱縮管與否，絕緣護(hù)層B均能有效包覆高壓電極金具。

熱縮管同絕緣護(hù)層A配合安裝后，空氣間隙的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值得到明顯提升，分析圖1中電纜連接器高壓端部結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是絕緣護(hù)層A還是絕緣護(hù)層B，圖6的結(jié)構(gòu)無(wú)法包覆圖2中的表面E，為此設(shè)計(jì)圖9(a)所示的絕緣墊層，并按照?qǐng)D9(b)所示的方式用扎帶進(jìn)行固定。

由于熱縮管同絕緣護(hù)層A配合時(shí)需要用RTV涂料填滿間隙，相比之下，絕緣護(hù)層B安裝更為方便，因此試驗(yàn)分析圖9(b)絕緣層安裝方式同絕緣護(hù)層B配合方式下的雷電沖擊閃絡(luò)電壓變化情況。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在該絕緣加強(qiáng)措施下的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值可達(dá)235 kV, 同155 kV相比，提高了80 kV。同不加裝絕緣墊層C時(shí)的閃絡(luò)電壓值(202 kV)相比，閃絡(luò)電壓值提高了33 kV。

2.3 結(jié)果分析

不同絕緣護(hù)層結(jié)構(gòu)及安裝方式下的雷電沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用熱縮管、絕緣墊層C及絕緣護(hù)套B按照?qǐng)D9(b)、圖7(b)所示安裝次序時(shí)的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值最高。制作絕緣護(hù)層厚度分別為2、3、4 mm的絕緣護(hù)層B，驗(yàn)證閃絡(luò)試驗(yàn)的累積效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷電沖擊電壓閃絡(luò)值未出現(xiàn)明顯的下降前，不同厚度絕緣護(hù)層對(duì)應(yīng)的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值差值最大值小于3 kV。2 mm厚絕緣護(hù)層經(jīng)約49次閃絡(luò)后閃絡(luò)電壓值出現(xiàn)明顯下降，由233 kV下降到193 kV。3、4 mm厚絕緣護(hù)層B分別經(jīng)200、350次閃絡(luò)試驗(yàn)后，閃絡(luò)電壓值均未出現(xiàn)明顯改變，這是由于：

絕緣護(hù)層的作用是提高電纜連接器端部同箱體壁面間的雷電沖擊電壓耐受性，在滿足絕緣性能的同時(shí)，優(yōu)先采用制造簡(jiǎn)單、方便安裝維護(hù)的結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)護(hù)層不可能做到絕緣護(hù)套同高壓端金具緊密接觸。

在高壓金具表面加裝厚度為2 mm的絕緣護(hù)層，擊穿過(guò)程中空氣被電離后可造成局部溫度升高，多次放電的累積效應(yīng)和局部熱效應(yīng)將造成間隙閃絡(luò)電壓出現(xiàn)一定程度的下降。閃絡(luò)試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到87～94次后，雷電沖擊電壓耐受值下降到174 kV左右，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)在護(hù)套內(nèi)表面存在明顯的針孔狀黑點(diǎn)。因此，為降低絕緣護(hù)層在多次雷電過(guò)電壓作用下發(fā)生擊穿的頻次，絕緣護(hù)層的厚度選擇應(yīng)不小于4 mm。

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，空氣間隙擊穿電壓隨海拔高度H的增加而降低，海拔高度修正系數(shù)K為

K=1/(1.1-H×10-4)

(9)

已知K，由式(9)可得處海拔高度H計(jì)算為

H=(1.1-1/K)×104

(10)

雷電沖擊閃絡(luò)電壓值235 kV，設(shè)備入網(wǎng)考核值為170 kV時(shí)，K值為1.38，依式(10)可求得H為3 765 m，即電纜連接器高壓端同箱體內(nèi)壁間空氣間隙雷電沖擊電壓值為235 kV時(shí)，按海拔修正系數(shù)法，該值可滿足海拔高度為3 765 m處高壓設(shè)備的雷電沖擊閃絡(luò)電壓入網(wǎng)考核指標(biāo)。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，用絕緣層包覆高壓電極可提高雷電沖擊電壓耐受值，為此開(kāi)展了用環(huán)氧樹(shù)脂板包覆低壓電極對(duì)雷電沖擊閃絡(luò)電壓影響規(guī)律試驗(yàn)，箱體內(nèi)壁加裝環(huán)氧樹(shù)脂板后的外觀見(jiàn)圖10，擊穿痕跡見(jiàn)圖11。

2 mm厚環(huán)氧樹(shù)脂板出現(xiàn)圖11(a)擊穿痕跡的閃絡(luò)試驗(yàn)次數(shù)為38～43次，加裝絕緣護(hù)層B且箱體內(nèi)壁加環(huán)氧樹(shù)脂板(3 mm)時(shí)的擊穿痕跡見(jiàn)圖11(b)，圖中數(shù)字代表的是擊穿點(diǎn)出現(xiàn)的位置，該擊穿痕跡隨機(jī)出現(xiàn)，本文所述的試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性，該痕跡出現(xiàn)的試驗(yàn)次數(shù)約為97～103次。不同絕緣加強(qiáng)措施下的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值見(jiàn)表2。表2中Y表示采取該措施，U50%為50%閃絡(luò)電壓。

表2 不同優(yōu)化措施下的U50%

由表2可知，僅加裝環(huán)氧板和絕緣護(hù)層B后雷電沖擊電壓耐受值可由155 kV提高為210 kV。當(dāng)絕緣護(hù)層B僅包覆住電纜連接器端部金具且同時(shí)加裝圖9(a)所示絕緣墊層時(shí)，雷電沖擊電壓耐受值約為221 kV。增加護(hù)層B沿電纜連接器瓷柱體軸向方向長(zhǎng)度，將其延伸到自高壓側(cè)算起的第一個(gè)瓷傘裙，并在傘裙處設(shè)計(jì)圖6的卡槽，此時(shí)的雷電沖擊閃絡(luò)電壓耐受值可達(dá)235 kV。

在電纜連接器端部同箱體內(nèi)壁間空氣間隙中插入絕緣介質(zhì)前后雷電沖擊電壓耐受值不同，主要原因是：放電過(guò)程中電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程有差異。加裝護(hù)層前，電子自高壓側(cè)出發(fā)向箱體內(nèi)壁推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)高低壓電極放電通道的貫通。加裝護(hù)層B后，由于護(hù)層對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻擋，在護(hù)層未被擊穿前，放電通道的形成有兩種可能：一種是由于絕緣護(hù)層的插入，絕緣護(hù)層同箱體內(nèi)壁之間的空氣被電離并貫穿高低壓電極。另一種是由于護(hù)套同高壓金具之間不可能無(wú)縫隙緊貼，高壓側(cè)金具同護(hù)層之間空氣間隙為高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，該空氣間隙被電離，由于護(hù)層的阻擋電子首先向箱體內(nèi)壁反方向運(yùn)動(dòng)，越過(guò)護(hù)層邊界后開(kāi)始向箱體內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)。將護(hù)層長(zhǎng)度延伸到第一個(gè)傘裙并在傘裙邊緣做固定槽后，增加了電子的行程。同未延伸到第一個(gè)傘裙邊緣并作卡槽相比，閃絡(luò)電壓提高值約為14 kV。

3 結(jié)論

本文基于仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了絕緣護(hù)層結(jié)構(gòu)及安裝方式對(duì)動(dòng)車(chē)組電纜連接器高壓電極同箱體內(nèi)壁間空氣間隙雷電沖擊閃絡(luò)電壓的影響研究，研究結(jié)論如下：

(1) 用絕緣護(hù)層包覆高壓電極金具可改變雷電沖擊閃絡(luò)電壓，改善效果取決于護(hù)層結(jié)構(gòu)及其安裝方式。當(dāng)采用熱縮管、絕緣墊層C及絕緣護(hù)層B相結(jié)合方式，雷電沖擊閃絡(luò)電壓由155 kV 提高到235 kV，提高了51.6%。硅橡膠護(hù)層為2 mm時(shí)，由于累積效應(yīng)，經(jīng)多試驗(yàn)后出現(xiàn)空氣間隙的雷電沖擊閃絡(luò)電壓值出現(xiàn)明顯下降，因此本文建議硅橡膠護(hù)層厚度不小于4 mm。

(2) 高壓設(shè)備箱內(nèi)壁加裝環(huán)氧樹(shù)脂板可提高雷電沖擊閃絡(luò)電壓值，環(huán)氧板厚度為2、3 mm時(shí)，多次閃絡(luò)試驗(yàn)的累積效應(yīng)可引發(fā)環(huán)氧板被擊穿，此時(shí)空氣間隙的雷電沖擊電壓值仍高于無(wú)環(huán)氧板時(shí)對(duì)應(yīng)的閃絡(luò)電壓值。

(3) 綜合考慮理論分析、試驗(yàn)結(jié)果和方便工程實(shí)際中的安裝維護(hù)操作，推薦采用熱縮管、絕緣墊層C、絕緣護(hù)層B相配合包覆高壓電極為主，箱體內(nèi)壁加裝環(huán)氧樹(shù)脂板為輔助的絕緣加強(qiáng)措施。