電力機車/動車組高壓絕緣設計問題探討

郭晨曦

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

長期以來,電力機車或動車組的絕緣問題一直沒能得到很好的解決。近年來投入運行的機車或動車組幾乎都是新車型,暴露出的絕緣問題除了使用環(huán)境因素外,與絕緣設計不合理有直接關系。到目前為止,國內(nèi)機車或動車組的絕緣設計沒有遵循統(tǒng)一的標準,即使是同一個電壓等級,選取的耐受電壓水平也存在較大的差異。比如,不同的機車牽引主變壓器原邊25 kV側(cè)的額定雷電沖擊耐壓就有125、150、170 kV或185 kV等多個取值,而耐壓水平的高低和所使用避雷器的保護水平將直接影響到主變壓器的使用壽命。造成目前狀況的原因是多方面的:①沒有統(tǒng)一的絕緣配合標準;②制造廠商在對絕緣標準的研究和理解上存在不一致的地方;③引進產(chǎn)品是按原生產(chǎn)國的技術標準設計制造的,而不同的國家使用的標準不盡相同;④由于高壓絕緣失效的特殊性,多數(shù)事故發(fā)生后沒有留下可直接觀察的證據(jù),判斷事故的性質(zhì)比較困難,對絕緣事故的處理和認識上有誤區(qū)。因此,我國有必要加強機車絕緣配合標準的研究制定和統(tǒng)一,為今后設計、制造和運行維護提供技術支持。

1 絕緣配合對機車高壓絕緣設計的基本要求

高壓電器的絕緣必須能夠在設計使用壽命內(nèi)承受來自系統(tǒng)的各種作用電壓而不發(fā)生永久性失效。絕緣配合就是綜合考慮電氣設備在電力系統(tǒng)中可能承受的各種電壓、保護裝置的特性和設備絕緣對各種作用電壓的耐受特性,合理地確定設備必要的絕緣等級,以使設備的造價、維修費用和設備絕緣故障引起的事故損失,達到在經(jīng)濟上和安全運行上效益最高的目的。技術上要處理好各種作用電壓、限壓措施及設備絕緣耐受能力三者之間的相互配合關系;經(jīng)濟上要協(xié)調(diào)投資費用、維護費用及事故損失費用三者的關系。絕緣安全裕度越高,發(fā)生事故的風險就越小,反之則要承受較高的事故風險。

2 車頂高壓外絕緣設計

關于電力機車和牽引供電系統(tǒng)的絕緣配合在文獻[1-2]中已有較為全面的論述,說明了機車高壓絕緣電氣性能參數(shù)的選取原則。TB/T 1333.1-2002[3]是關于機車車輛電氣設備絕緣的一個專業(yè)標準,它是從IEC 60077-1:1999[4]直接轉(zhuǎn)化過來的,但25 kV等級的技術指標和其他相關標準存在諸多不相容的地方。IEC 60077-1是由歐洲國家主導制定的標準,其技術內(nèi)容主要基于IEC 60071-1:1993[5],與其相對應的國家標準GB 311.1-1997[6]與之為非等效,GB 311.1中對最高運行電壓Um≤72.5 kV設備的外絕緣干狀態(tài)下的短時工頻耐受電壓進行了調(diào)整,比 IEC 60071-1中的規(guī)定值高,而TB/T 1333.1在轉(zhuǎn)化過程中并沒有進行相應的修訂。

在我國標稱電壓25 kV交流牽引系統(tǒng),除了電力機車和動車組外,其余高壓電器的絕緣等級都和35 kV電力系統(tǒng)相同甚至更高,以便和整個牽引供電系統(tǒng)取得合理的絕緣配合。車頂絕緣子標準TB/T 3077-2006[7]已完成這一轉(zhuǎn)化工作,可以作為車頂外絕緣設計的依據(jù)。

2.1 車頂絕緣子

TB/T 3077中規(guī)定車頂絕緣子的結(jié)構(gòu)高度為400 mm,是綜合了各方面因素之后做出的選擇。要保證絕緣子本身具有適當?shù)碾姎饨^緣強度,車頂高壓帶電部分的對地絕緣凈空一般情況下應大于360 mm,有時可能要求更大。因為空氣間隙的放電電壓不僅取決于間隙距離,還和間隙形狀密切相關,最終需要通過雷電沖擊試驗或工頻閃絡電壓試驗來驗證。絕緣子的額定雷電沖擊耐受電壓為185 kV,工頻干耐受電壓為100 kV,濕耐受電壓為 85 kV,爬電距離不小于1 000 mm。對受電弓支持絕緣子,機械彎曲破壞負荷選取8、12.5 kN或16 kN等級,可以覆蓋目前所有速度等級的機車或動車組的運行需要。

25 kV交流牽引系統(tǒng)絕緣子的電氣絕緣強度主要取決于外部大氣過電壓(雷電沖擊)和運行時工作電壓下的污穢耐受水平。增加爬電距離主要為了提高絕緣子的耐污穢能力,污穢耐受電壓為32 kV時,瓷絕緣子的等值附鹽密度為 0.15 mg/cm2,復合絕緣子為0.35 mg/cm2,復合絕緣子有較強的耐污穢能力。車頂外觀造型應當考慮高速運動時空氣流場對車頂絕緣子的影響,盡可能降低特殊氣象條件下在絕緣子表面的覆冰[8]。實際上,由于硅橡膠絕緣子比瓷絕緣子有較低的覆冰率,更有利于冬季運行。

2.2 高壓斷路器

目前我國運行的機車用高壓斷路器主要有空氣斷路器和真空斷路器。由于真空斷路器遮斷電流能力強,工作可靠,已經(jīng)成為機車或動車組25 kV斷路器的首選。從結(jié)構(gòu)形式上分有立式(圖1(a)所示)和T型(或Γ型,如圖1(b)所示)兩種。立式斷路器的真空滅弧室在絕緣套管上半部,而T型斷路器的真空滅弧室被設置在水平套管內(nèi)。由于受到車頂限高的制約,立式斷路器的絕緣結(jié)構(gòu)高度h通常較T型斷路器低,而達不到400 mm,因此,立式斷路器的對地沖擊放電電壓達不到185 kV,工頻濕耐受閃絡電壓也達不到85 kV。采用T型斷路器則可克服這一困難,提高了空間利用率,相應地也提高了套管的內(nèi)外絕緣強度。

圖1 高壓斷路器的外部結(jié)構(gòu)形式

從已有的運行經(jīng)驗來看,斷路器斷口間能夠耐受170 kV沖擊可以滿足運行要求。也同樣因為真空斷路器有很強的截流能力,切空載變壓器時可不在電流過零點滅弧,變壓器繞組中以電流形式維持的磁場能量通過分布電容轉(zhuǎn)化為電場能量,引發(fā)高頻振蕩過程,這時可在變壓器出口引起較高的截流過電壓,同時在高壓繞組匝間形成較高的電位梯度,威脅匝間絕緣。因此,必須在變壓器高壓出口采取過電壓抑制措施,同時保證斷口間有足夠的絕緣強度,以防過電壓造成斷路器分閘失敗。為了增強套管的外絕緣性能,采用硅橡膠作傘套,能提高套管外絕緣的污穢閃絡電壓。套管除了采用瓷質(zhì)或硅橡膠材料外,其他類型的有機合成材料套管的電氣性能還有待進一步考驗。

車頂隔離開關的對地和隔離斷口間的絕緣強度都應達到車頂絕緣子的絕緣耐壓等級。

3 高壓電纜及附件

3.1 電纜的絕緣強度

高壓電纜及附件的選用應當參照 TB/T 2282-1997[9]標準的要求,其中規(guī)定了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的各項技術性能和試驗驗收方法。雖然標準中沒有明確提出適用于電力機車或動車組,但屬于同一個電壓等級,電氣性能指標也適用于動車組使用。在TB/T 2282中規(guī)定電纜的電氣性能:①沖擊電壓:250 kV,±10次;②成盤電纜的例行工頻試驗電壓為69 kV,30 min絕緣不應發(fā)生擊穿;③4 h交流電壓試驗,除終端外,成品電纜試樣長度不小于5 m,在金屬導體和金屬屏蔽層之間施加交流110 kV,絕緣不應發(fā)生擊穿。

應當指出車頂電纜終端外絕緣等級應當達到車頂絕緣子的電氣性能指標。電纜終端外絕緣一般使用硅橡膠傘套,爬電距離取1 200 mm。為方便維護,在機車或動車組上的電纜終端經(jīng)常使用可分離連接器(或T型頭),其電氣強度應和普通終端相同。27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及其附件的國家標準已經(jīng)完成起草并報批,對電氣性能指標要求更加嚴格,可作為設計和選用相關產(chǎn)品的依據(jù)。

3.2 電纜安裝完成后的試驗

根據(jù)TB/T 2282規(guī)定,電纜及附件安裝完成后的電氣性能試驗應在82.5 kV、15 min的直流電壓下不擊穿,目前,這一方法一般不再使用。最新修訂的《鐵路電力牽引供電工程檢測規(guī)程》(2008版)對27.5 kV交流橡塑電力電纜施工完成后的檢測項目、質(zhì)量要求和檢測方法做了規(guī)定,交流耐壓試驗用交流試驗變壓器加工頻電壓55 kV,耐受60 min,應無燒壞和發(fā)熱現(xiàn)象,符合GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》的要求。

4 牽引變壓器的絕緣強度

牽引變壓器是機車最主要的高壓設備,雖然是安裝在機車內(nèi)部,高壓還是要從接觸網(wǎng)直接引入,因此也就必須承受來自接觸網(wǎng)的各種作用電壓。變壓器線圈在沖擊電壓作用下會在繞組不同部位產(chǎn)生過電壓,主要是由線圈內(nèi)部的自由振蕩過程和線圈之間的靜電或電磁感應過程引起的,即變壓器繞組中的波過程。一般情況下,兩個過程同時發(fā)生,但其中一個起主要作用,這和變壓器繞組結(jié)構(gòu)、布置和接線方式等有關。根據(jù)對使用真空斷路器的機車或動車組操作過電壓試驗結(jié)果的分析,斷路器分閘截流后在高壓繞組引起的自由高頻振蕩過程在低壓繞組內(nèi)感應出較高的過電壓,其中靜電感應分量起主要作用。圖2是某型號機車分閘過程時的高低壓繞組上的端電壓波形。

圖2 高低壓繞組間過電壓的傳遞

變壓器內(nèi)部絕緣主要是解決縱絕緣和橫絕緣,縱絕緣指的是繞組匝間或?qū)娱g絕緣,橫絕緣指繞組之間或繞組對地絕緣。沖擊截波能在繞組線匝間、線段間或線層間形成較高的電位梯度,而且低壓繞組的截波感應電位比全波感應電位要高得多[10]。當接觸網(wǎng)遭到雷擊時,首先引起雷擊點附近接觸網(wǎng)絕緣子閃絡,之后形成的沖擊截波沿線路侵入機車主變壓器。因此對機車主變壓器進行截波沖擊試驗仍然是必要的。

圖3是在變壓器高壓側(cè)有來波U0時高低繞組間的靜電感應傳遞等效電路。C12和C20分別是高低壓繞組間和低壓繞組對地的等效分布電容。這時可以得出低壓繞組上的端電壓:

這里忽略了繞組縱向分布電容。實際上,由于電感的存在,振蕩過程將使U20升高。這和繞組結(jié)構(gòu)、分布電容和電感有關。在進行繞組結(jié)構(gòu)設計時,做好高低壓繞組間的屏蔽,即減小了C12,將有利于降低高壓側(cè)來波對低壓繞組的沖擊。在低壓繞組增設阻容吸收裝置或金屬氧化物非線性電阻元件也可顯著降低感應過電壓的影響。

關于牽引變壓器絕緣在 TB/T 3159-2007[11]中對27.5 kV繞組的電氣性能規(guī)定:1 min工頻耐受電壓為85 kV,雷電沖擊全波耐受電壓為200 kV,沖擊截波耐受電壓為220 kV。但是TB/T 1680-2006[12]由于是從IEC60310-2004[13]轉(zhuǎn)化而來,直接采納了其中的相關電氣性能指標,即1 min工頻耐受電壓為60 kV,雷電沖擊全波耐受電壓為150 kV,沒有規(guī)定沖擊截波試驗。根據(jù)我國絕緣配合使用導則的要求[14],配合因數(shù)Kc應當大于1.4,這就要求避雷器的保護水平,即沖擊電流殘壓應當?shù)陀?07 kV。顯然,就目前使用的避雷器保護水平來說,安全裕度偏小。在現(xiàn)有技術條件下,使機車牽引變壓器絕緣水平達到TB/T 3159標準要求是完全可能的,只有這樣才能保證變壓器的故障率在使用周期內(nèi)控制在可接受的范圍,并達到其設計的使用壽命。

圖3 變壓器繞組的靜電感應等效電路

5 主回路電纜和導體對地間隙

機車或動車組內(nèi)布置有大量不同電壓等級的電纜,在制造安裝過程中,有可能對電纜造成損傷。因此,完成布線之后必須對各段電纜進行工頻耐壓試驗以驗證其絕緣狀態(tài)是否良好,試驗電壓值一般取電纜額定耐壓值的85%。對于工作電壓低于10 kV電纜的額定工頻耐受電壓和車內(nèi)導體對地的空氣間隙,可依據(jù) TB/T 1333.1選取,但對25 kV等級的電纜和附件則應依照國家標準選擇。空氣間隙的確定應視導體具體布置情況做出合理的設計,最終應通過沖擊試驗(無條件時也可用工頻電壓試驗代替)校核。

6 整車的高壓試驗

機車或動車組的車頂受電弓、母線布置和車內(nèi)高壓室的設計是否合理,能否達到和高壓部件相一致的絕緣水平,在將相關的所有高壓部件組裝完成后,必須通過相應的高壓試驗來驗證。整車檢驗時,如果主變壓器已進行過相應的型式試驗,可以斷開主斷路器,對車頂高壓設備進行85 kV工頻電壓試驗和185 kV雷電沖擊全波試驗,以驗證車頂整體絕緣能夠滿足標準要求。

整車完成后常見的高壓絕緣問題主要有兩個方面:①高壓部件本身的絕緣水平不達標。互感器、絕緣子和斷路器的外絕緣選擇不當,絕緣距離和爬電距離不夠。②受電弓帶電體對地間隙、接地刀閘斷口距離,以及避雷器或電纜終端高壓端對地間隙等安排不當,都可能造成雷電沖擊電壓降低,最終應通過沖擊試驗來校驗。特別要注意受電弓落弓狀態(tài)的最小對地間隙也應能夠耐受額定沖擊電壓。

操作過電壓是各單體高壓部件電氣性能的一種綜合作用結(jié)果,因此只能在所有部件組裝完成后進行。在主斷路器分斷或閉合機車主變壓器時會發(fā)生操作過電壓,其持續(xù)時間短,有著很大的隨機性,每次出現(xiàn)的幅值也不一樣,不易被人們所重視。一旦造成事故,事故原因不易查找。操作過電壓的發(fā)生具有很強的統(tǒng)計特征,跟合閘相位密切相關,需要多次試驗,型式試驗一般進行不少于15次分、合閘操作。試驗表明,在機車原邊設置阻容過電壓吸收回路和無間隙金屬氧化物避雷器后,可以有效抑制原邊高壓側(cè)的過電壓幅值,一般限制在1.8倍以下。機車牽引變壓器次邊繞組為懸浮電位,過電壓測試有其特殊性,較詳細的論述可參閱文獻[15]。

7 關于海拔高度的修正

當機車運行于高海拔地區(qū)時,應當對機車的外絕緣強度做相應的海拔高度校驗。需要進行海拔高度校驗的設備有車頂受電弓和母線支持絕緣子、隔離開關支柱絕緣子和隔離斷口、斷路器、互感器等外絕緣體,車頂受電弓對地空氣間隙及車內(nèi)所有導體對地間隙、爬電距離也要做出相應調(diào)整。應當指出電纜本身的耐壓試驗不需要進行海拔修正,但高壓電纜終端外絕緣試驗電壓則需要進行海拔高度換算。根據(jù)GB 311.1的規(guī)定,對用于海拔高于1 000 m但不超過4 000 m處設備的外絕緣,在海拔不高于1 000 m的地點試驗時,其試驗電壓按規(guī)定的額定耐受電壓乘以海拔修正因數(shù)Ka:

式中H為設備安裝地點的海拔高度,m。

8 結(jié)語

本文從絕緣配合的基本要求出發(fā),討論了機車車頂絕緣子、斷路器等高壓設備外絕緣設計的基本原則,特別說明了海拔高度換算的使用條件。結(jié)合目前國內(nèi)電纜標準和現(xiàn)場使用情況,提出機車用高壓電纜應達到的絕緣水平及驗收試驗方法。分析了機車主變壓器的絕緣及其對操作過電壓的影響。機車車頂高壓設備布置或車內(nèi)高壓室結(jié)構(gòu)都將影響整車的高壓電氣性能,最終必須經(jīng)過整車的沖擊試驗來進行驗證。操作過電壓試驗是了解整車過電壓性能的主要手段,通過操作過電壓測試,可以掌握機車運行后由于過電壓可能帶來絕緣失效的潛在風險。

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