動車組車頂避雷器解體檢查及電場仿真研究

劉 健,歐 琦,劉正威,左明潔,張 妍,王勝輝,毛帥濤,張啟哲

(1.中車長春軌道客車股份有限公司,長春 130011;2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206)

0 引言

動車組車頂避雷器是牽引供電系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)備。經(jīng)統(tǒng)計,自2017年至2021年,CRH5型動車組共發(fā)生12起避雷器炸裂故障。另外,在日常的檢修中,還檢測到大量不合格的避雷器,雖然未發(fā)生爆炸,但存在嚴(yán)重的事故隱患[1-3]。由于僅通過外部參數(shù)測量,難以直接觀測到設(shè)備內(nèi)部情況,為查找故障原因,有必要對其進(jìn)行解體檢查,同時通過仿真分析還有助于分析其故障形成機(jī)理[4-6]。

目前國內(nèi)外對動車組炸裂避雷器解體檢查的相關(guān)參考文獻(xiàn)較少,多集中于電力系統(tǒng)中所使用的避雷器[7-9],由于電力和鐵路避雷器的構(gòu)造和原理基本相同,相關(guān)文獻(xiàn)仍具有一定的借鑒意義,如文獻(xiàn)[10]對一支炸裂避雷器進(jìn)行解體,發(fā)現(xiàn)在部分燒蝕位置有白色粉末,閥片在避雷器炸裂的一側(cè)有明顯的貫穿放電痕跡并伴有少量融化的鋁箔片。文獻(xiàn)[11]對一支500 kV退運金屬氧化物避雷器進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)避雷器并沒有受潮、閃絡(luò)等痕跡,但避雷器本身電阻片熱能損耗偏高造成避雷器局部溫度超標(biāo),從而導(dǎo)致了避雷器退運。文獻(xiàn)[12]在故障避雷器的解體檢查中發(fā)現(xiàn)避雷器硅膠層有嚴(yán)重的樹枝狀放電痕跡,其形成時間在避雷器故障前,同時在閥片側(cè)面有白色粉末顆粒,分析表明故障原因是避雷器內(nèi)部的局部放電。避雷器內(nèi)部支撐筒材料多為玻纖增強環(huán)氧樹脂(FRP),文獻(xiàn)[13]闡述了環(huán)氧樹脂電樹枝的劣化過程,并介紹了電樹枝劣化的影響因素。文獻(xiàn)[14]介紹了直流復(fù)合場對環(huán)氧樹脂內(nèi)電樹枝內(nèi)部的電荷運動過程,分析了其生長特性。電樹枝的生長與電場的分布關(guān)系密切,建立仿真模型得到避雷器在不同狀況下內(nèi)部電場的分布[15-17],以及分析不同缺陷對避雷器內(nèi)部電流、溫度的影響[18-20]。

基于上述研究現(xiàn)狀,筆者以一起CRH5型動車組車頂避雷器炸裂事故中的避雷器為例,對炸裂避雷器進(jìn)行了解體檢查,同時對同一批次的多支檢測不合格避雷器進(jìn)行解體檢查。對炸裂避雷器和檢測不合格避雷器存在的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了分析,并建立車頂避雷器模型開展了仿真研究,分析了不同工況下避雷器內(nèi)部的電場分布以及導(dǎo)致避雷器炸裂的原因。

1 避雷器解體檢查

1.1 炸裂避雷器解體檢查

待解體避雷器型號為YH10WT-42/105,生產(chǎn)日期為2018年11月,出廠測試數(shù)據(jù)未知。該避雷器在服役中發(fā)生炸裂,故障時天氣晴朗,列車并未進(jìn)行升降受電弓、分合斷路器等操作,未記錄到過電壓波形,解體前的外觀見圖1。

圖1 炸裂避雷器解體前照片F(xiàn)ig.1 The image of burst arrester before disassembling inspection

圖1中,該避雷器的壓力泄放口已被炸開,泄放口附近傘裙和護(hù)套出現(xiàn)局部撕裂,因電弧灼燒,傘裙表面從近泄放口到高壓側(cè)金具出現(xiàn)較大面積的灰白色區(qū)域。高壓側(cè)端部金具存在熔化痕跡,說明當(dāng)時不僅內(nèi)部發(fā)生了放電,其外部也存在電弧燒蝕現(xiàn)象。鋸掉避雷器的外傘裙、護(hù)套和支撐絕緣筒,將內(nèi)部閥片、壓緊彈簧、鋁塊和彈簧定位塊依次取出后,按照原裝配順序擺放后的照片見圖2。

圖2 炸裂避雷器閥片整體外觀Fig.2 Overall appearance of burst arrester valve plate

該避雷器閥片共有12只,后續(xù)為表述方便,將靠近高壓端(上端)的閥片編為1號,靠近低壓端閥片編為12號。觀察圖2可知,高壓端1號和2號閥片靠近泄放口一側(cè)形成了貫通的擊穿痕跡,見圖3(b)和圖3(d)虛線框內(nèi)所示。3號閥片側(cè)面出現(xiàn)碳黑狀痕跡,見圖3(f)所示。

圖3 炸裂避雷器閥片F(xiàn)ig.3 Burst arrester valve plates

觀察圖3中閥片正面照片可知,其表面存在白色痕跡,形成類似水滴狀由閥片邊緣向中間滲透的痕跡,為分析其成分,采用EDS能譜分析儀對其開展了化學(xué)元素分析,測試樣品選自圖3(e)虛線框內(nèi)區(qū)域,分析結(jié)果見圖4。

圖4 EDS能譜分析結(jié)果Fig.4 EDS analysis results

同時在一塊正常閥片的鋁電極部分取樣開展化學(xué)元素分析,分析結(jié)果見圖5。

圖5 EDS能譜分析結(jié)果(正常閥片)Fig.5 EDS analysis results (Normal valve plates)

由圖4可知,測試樣品中檢測出大量的O元素,而圖5中正常狀態(tài)下的鋁電極層中O元素含量極少。這說明在避雷器發(fā)生炸裂故障之前,閥片鋁電極層已經(jīng)發(fā)生氧化,氧化的原因可能為避雷器內(nèi)部受潮。

解體后觀察到炸裂避雷器在泄放口處損壞最為嚴(yán)重,靠近泄放口的閥片表面存在黑色痕跡,見圖6。

圖6 炸裂避雷器靠近泄放口處閥片表面Fig.6 The surface of the valve plates near the discharge port of the burst of the arrester

觀察圖6中閥片表面黑色痕跡可知,其顏色呈現(xiàn)由邊緣到中心逐步變淺的趨勢,說明該黑色痕跡是由放電時形成的黑色煙霧狀高壓氣流侵入到交界面所致。結(jié)合高壓端閥片側(cè)面的電蝕痕跡可知,該避雷器的炸裂應(yīng)該是閥片與絕緣筒界面的沿面閃絡(luò)導(dǎo)致。

為便于觀察絕緣筒內(nèi)部和泄放口情況,利用電鋸將整個絕緣筒切開成兩半,切割時位置避開了泄放口,絕緣筒照片見圖7。

圖7 炸裂避雷器絕緣筒(含泄放口)Fig.7 Burst arrester FRP cylinder (with discharge port)

觀察圖7可知,絕緣筒內(nèi)表面較粗糙,整體呈灰黑色,但顏色不均勻,靠近泄放口邊緣有部分裂紋。其泄放口處的塑料條已經(jīng)被炸飛,泄放口切割面較粗糙,呈灰黑色,泄放口下面有淺黃色痕跡。

1.2 檢測不合格避雷器解體檢查

為進(jìn)一步分析故障原因,對炸裂避雷器同批次的檢測不合格的多支避雷器進(jìn)行解體檢查,在此以其中一支為例介紹其解體情況。該避雷器解體前測試數(shù)據(jù)如下:U1 mA為43.4 kV,0.75倍U1 mA下的泄漏電流為175 μA,解體后,該避雷器的總體外觀見圖8。

圖8 檢測不合格避雷器解體后外觀Fig.8 Appearance of unqualified arrester after disassembly

觀察圖8中圈內(nèi)的痕跡可知,閥片本體靠近泄放口一側(cè)存在較多的白色痕跡,應(yīng)該是與泄放口塑料條接觸,振動磨損所致。進(jìn)一步觀察高壓側(cè)閥片,見圖9。

圖9 高壓側(cè)第1片和第2片閥片F(xiàn)ig.9 No. 1 and No. 2 valve plates on high pressure side

分析圖9(b)和圖9(d)可知,1號閥片和2號閥片側(cè)面絕緣層表面有黃色放電痕跡。結(jié)合圖8可知,閥片側(cè)面放電痕跡對應(yīng)位置的絕緣筒上觀測到了明顯的電樹枝狀放電痕跡,說明黃色痕跡是該區(qū)域存在的長期局部放電所致。

閥片表面以及側(cè)面同樣存在白色痕跡,形態(tài)與炸裂避雷器類似,如圖9(a)和圖9(c)中圈內(nèi)所示,推測是閥片受潮氧化所致。同樣對閥片該區(qū)域進(jìn)行取樣開展了EDS能譜分析測試,測試結(jié)果見圖10。

圖10 能譜分析結(jié)果Fig.10 EDS analysis results

分析圖10可知,發(fā)現(xiàn)其中主要成分為氧元素和鋁元素,這說明閥片已經(jīng)受潮氧化。氧化痕跡呈現(xiàn)水滴狀由閥片邊緣向內(nèi)延伸,而不是整個閥片均勻氧化,應(yīng)是水汽沿著閥片之間的間隙滲透進(jìn)入并造成噴鋁層氧化所致。

同時,對絕緣筒也進(jìn)行了詳細(xì)地觀察,絕緣筒解體后含泄放口的部分見圖11。

圖11 絕緣筒解體后外觀(含泄放口)Fig.11 Appearance of FRP cylinder after disassembly (including discharge port)

觀察可知,絕緣筒高壓側(cè)部位沿面有明顯的電樹枝放電痕跡,且電樹枝有沿著高壓端向泄放口發(fā)展的趨勢,同時泄放口靠近高壓側(cè)也存在放電形成的黃色痕跡,見圖11中框內(nèi)所示。絕緣筒內(nèi)表面局部區(qū)域存在的白色痕跡應(yīng)該是閥片與絕緣筒磨損所致。

2 絕緣筒內(nèi)表面電場仿真研究

由上述解體可知,避雷器缺陷位置與彈簧定位塊以及高壓側(cè)閥片位置相對應(yīng),并且閥片與絕緣筒高壓側(cè)交界面均存在明顯受潮和樹枝狀放電痕跡,在電壓作用下易于形成沿面閃絡(luò)[21-23]。為分析其故障原因,本研究建立了避雷器仿真模型,分析了彈簧定位塊、電樹枝、裂紋對絕緣筒內(nèi)表面電場分布的影響。

2.1 模型建立

根據(jù)避雷器的實際尺寸,建立的電場仿真三維模型見圖12。

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

該避雷器總高度為580 mm,高壓端法蘭和低壓端法蘭相距480 mm,避雷器護(hù)套外直徑80 mm。共有20片硅橡膠傘裙,大傘裙直徑130 mm,小傘裙直徑100 mm,大傘裙之間相距40 mm,根據(jù)彈簧定位塊實際外形,建模時其邊緣采用了0.5 mm的倒角處理,外部空氣域長為1 200 mm,寬為1 200 mm,高為1 500 mm。模型各組成部分材料以及參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 模型組成部分材料及參數(shù)Table 1 Materials and parameters of model components

在避雷器模型高壓端施加27.5×1.414=38.89 kV的電壓,模型中所有閥片軸心與絕緣筒的軸心重合,高壓側(cè)的彈簧定位塊邊緣與閥片的邊緣對齊,閥片與絕緣筒之間的空氣間隙為1.2 mm,采用靜電場模塊進(jìn)行了多種狀態(tài)下的電場分布仿真分析。

2.2 彈簧定位塊對電場分布的影響

在實際運行中,由于裝配或振動原因,其彈簧定位塊軸心可能會偏離絕緣筒的軸心,導(dǎo)致彈簧定位塊與絕緣筒之間的空氣間隙發(fā)生改變,進(jìn)而影響到電場分布。

基于此,設(shè)置彈簧定位塊與絕緣筒的間隙距離分別為2.2 mm,1.2 mm,0.5 mm和0 mm(彈簧定位塊緊靠絕緣筒)4種情況,仿真得到的電場分布云圖見圖13。

圖13 彈簧定位塊在不同位置時高壓側(cè)場強分布Fig.13 The field intensity distribution of high voltage side at different positions of spring positioning block

為便于分析絕緣筒內(nèi)表面電場分布,沿絕緣筒內(nèi)表面設(shè)置一條截線,部分截線見圖13(a)實線。正常狀態(tài)時,彈簧定位塊與絕緣筒間隙距離為1.2 mm,絕緣筒內(nèi)表面沿著截線的電場分布見圖14,當(dāng)彈簧定位塊緊貼絕緣筒時,絕緣筒內(nèi)表面沿著截線的電場分布見圖15。

圖14 絕緣筒內(nèi)表面電場模(彈簧定位塊未偏移)Fig.14 Inner surface electric field modulus of FRP cylinder (spring locating block not offset)

圖15 絕緣筒內(nèi)表面電場模(彈簧定位塊貼近絕緣筒)Fig.15 Inner surface electric field modulus of FRP cylinder (spring locating block is close to the epoxy cylinder)

分析上述電場分布曲線可知,彈簧定位塊的偏移距離對絕緣筒內(nèi)表面電場的影響很大,當(dāng)兩者緊貼時,絕緣筒高壓側(cè)場強達(dá)到了22.23 kV/cm,為便于對比分析,當(dāng)彈簧定位塊與筒壁不同距離時,計算得到了絕緣筒內(nèi)表面最大電場的模值,結(jié)果見表2。

表2 彈簧定位塊處于不同位置時的電場模值分布Table 2 The electric field module distribution with the spring positioning block at different positions

分析表2中的數(shù)據(jù)可知,隨著彈簧定位塊逐漸向絕緣筒偏移,定位塊與絕緣筒交界處的電場強度逐漸增加,特別是當(dāng)彈簧定位塊直接緊貼絕緣筒時,其最大電場強度達(dá)到了22.23 kV/cm。根據(jù)氣體放電理論可知,標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,當(dāng)空氣中的電場強度達(dá)到約25 kV/cm時,可形成空氣分子碰撞電離現(xiàn)象。

由以上分析可知,在避雷器實際運行過程中,由于彈簧定位塊的偏移,可能使得絕緣筒高壓側(cè)表面場強畸變,出現(xiàn)場強集中現(xiàn)象,在過電壓作用下,可形成局部放電,在長期放電的作用下,絕緣筒內(nèi)表面出現(xiàn)電樹枝痕跡。

2.3 電樹枝對電場分布的影響

為研究電樹枝對絕緣筒的電場強度分布的影響,對不同長度電樹枝下的電場強度分布進(jìn)行了仿真分析。以電樹枝長度10 mm為例,仿真得到的電場分布云圖見圖16。

圖16 電樹枝對絕緣筒內(nèi)表面電場的影響Fig.16 Effect of electrical tree oninner surface electric field of FRP cylinder

在圖16中,電樹枝端部電場有著明顯的增強,其沿絕緣筒內(nèi)表面的電場模值分布曲線見圖17。

圖17 絕緣筒內(nèi)表面的電場模值分布Fig.17 Electric field distribution on the inner surface of FRP cylinder

分析可知,一旦形成電樹枝,其沿面場強會有著明顯的增加,最大場強出現(xiàn)在樹枝狀放電通道的端部位置。不同樹枝長度下筒壁沿面最大場強模值見表3。

表3 絕緣筒內(nèi)表面的最大場強模值Table 3 Maximum field intensity modulus on the inner surface of FRP cylinder

分析表3中的數(shù)據(jù)可知,電樹枝一旦形成,類似尖端電極,會極大加強前端電場[24-26],其端部場強均高于電暈起始場強,在額定電壓下,即可形成局部放電,推動電樹枝往前生長和發(fā)展。電樹枝的形成降低了避雷器內(nèi)部有效絕緣間隙距離[27-29],在過電壓的作用下,可形成沿面閃絡(luò),最終可能導(dǎo)致整個避雷器炸裂。

2.4 絕緣筒內(nèi)表面裂紋對電場分布的影響

在檢測不合格避雷器的解體檢查中,發(fā)現(xiàn)電樹枝是沿著筒壁向泄放口上端發(fā)展,同時在泄放口上端也觀測到放電痕跡,說明該處存在高場強區(qū)。

由于泄放口采用機(jī)械打孔操作,易導(dǎo)致該處絕緣筒開裂,這些裂紋會被空氣填充,受潮時水分也容易侵入,基于此,在仿真模型中建立了沿筒軸向的裂紋模型。裂紋設(shè)置為細(xì)長狀結(jié)構(gòu),寬度為0.5 mm,深度為0.2 mm。以裂紋長度為10 mm,內(nèi)部介質(zhì)是空氣為例,當(dāng)彈簧定位塊與筒壁接觸時,電場分布云圖見圖18。裂紋內(nèi)部介質(zhì)為空氣時對應(yīng)的絕緣筒內(nèi)表面電場分布見圖19。

圖18 裂紋內(nèi)部不同介質(zhì)對應(yīng)電場分布云圖Fig.18 Cloud diagramof electric field distribution corresponding to different media inside the crack

圖19 沿著絕緣筒內(nèi)表面的電場分布Fig.19 Electric field distribution along theinner surface of the FRP cylinder

分析圖19可知,存在裂紋時(此時裂紋內(nèi)部介質(zhì)為空氣),對絕緣筒內(nèi)表面的電場有畸變作用。表4第2列中,列出了在干燥情況下存在不同長度裂紋時裂紋端部的場強模值計算值。

表4 不同長度的裂紋對應(yīng)的裂紋端部場強模值Table 4 Modulus of field intensity at crack tip corresponding to cracks with different lengths

分析可知,當(dāng)避雷器處于干燥狀態(tài)時,即裂紋中的介質(zhì)為空氣時,其長度對裂紋端部的電場影響很小,也即裂紋對場強的影響較小。若避雷器內(nèi)部受潮,由于毛細(xì)效應(yīng),裂紋會被水分所填充,由于水的相對介電常數(shù)為81,遠(yuǎn)高于絕緣筒的相對介電常數(shù),會造成電場的集中現(xiàn)象[30],此時絕緣筒內(nèi)表面電場的仿真結(jié)果見表4中第3列。

仿真計算結(jié)果表明,裂紋中為水分與裂紋中為空氣相比,裂紋長度即使僅有2 mm,裂紋端部場強即可增加到21.9 kV/cm,且隨著裂紋長度增加,場強呈明顯增大趨勢。裂紋長度為20 mm時,端部場強可達(dá)26.1 kV/cm,已經(jīng)超過局部放電的起始場強。在過電壓的作用下,高壓側(cè)泄放口附近可形成局部放電,同時上述區(qū)域電場集中,可引導(dǎo)高壓側(cè)電樹枝朝泄放口上端發(fā)展,最終形成沿面閃絡(luò),仿真結(jié)果與解體中所觀察到的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

1)炸裂和檢測不合格避雷器解體后,其閥片側(cè)面和絕緣筒內(nèi)表面均存在電樹枝。閥片表面以及側(cè)面存在白色痕跡,形成類似水滴狀由閥片邊緣向中間滲透的痕跡。能譜測試結(jié)果表明,其白色物質(zhì)含有豐富的氧元素,應(yīng)該是受潮所致。

2)彈簧定位塊位置的偏移對絕緣筒內(nèi)表面電場影響較大,沒有偏移時,絕緣筒內(nèi)表面電場最大為4.1 kV/cm,當(dāng)定位塊緊貼絕緣筒時,場強為22.23 kV/cm,在過電壓作用下可導(dǎo)致沿筒壁和閥片表面形成局部放電,進(jìn)而形成電樹枝。

3)電樹枝的存在會加強前端電場,隨著電樹枝的生長,前端電場有增加的趨勢,電樹枝一旦形成,其較高的電場將進(jìn)一步推動電樹枝繼續(xù)發(fā)展,縮短絕緣距離,最終可導(dǎo)致沿面閃絡(luò)。

4)干燥情況下,絕緣筒泄放口附近的裂紋對絕緣筒內(nèi)表面場強影響不大。在受潮條件下,裂紋端部場強將明顯增大。裂紋長度為20 mm時,端部場強可達(dá)26.1 kV/cm,已經(jīng)超過局部放電的起始場強,可形成放電,并引導(dǎo)高壓側(cè)電樹枝往泄放口發(fā)展。

5)由上述研究可知,減少絕緣筒的裂紋,增強密封性,對彈簧定位塊進(jìn)行有效固定,有助于控制避雷器內(nèi)部最大場強,抑制局部放電的產(chǎn)生和電樹枝的形成及發(fā)展,從而降低避雷器的炸裂故障幾率,后續(xù)可在改進(jìn)避雷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝上開展相關(guān)研究。