高海拔對電力機車車頂高壓電氣外絕緣的影響及試驗電壓修正

姜 贊,蘇安社,王俊峰,吳榮平

(北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司,北京100176)

我國高海拔地區(qū)約占全國總面積的2/3,青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、云貴高原的平均海拔均大于1 000 m。氣壓、濕度等大氣狀態(tài)參量隨海拔高度增加而變化很大,不同地理位置的同海拔地區(qū),各參量也有較大差異。目前我國高海拔地區(qū)運行的機車主要是內(nèi)燃機車,電力機車的應(yīng)用極少。電力機車通用技術(shù)條件規(guī)定的使用范圍不高于海拔1 400 m[1],所以在制造電力機車及其配件時對海拔高度所造成的影響考慮較少。隨著西部鐵路建設(shè)的發(fā)展,電力機車也將在高海拔地區(qū)運行,因此分析高海拔對車頂高壓電器性能的影響,探討電力機車在該地區(qū)運行時車頂高壓電器的選用和試驗的修正就很有必要。

電力機車車頂高壓電器暴露在空氣中,其外絕緣放電電壓受大氣環(huán)境和海拔高度影響較大,大氣條件不同,外絕緣破壞性放電電壓也會隨之變化。因此,當電力機車需要在高海拔運行,其車頂高壓電器在低海拔試驗室進行外絕緣試驗時,就應(yīng)當對試驗電壓進行適當修正。

1 海拔對電力機車車頂高壓電氣外絕緣的影響

大氣參數(shù)對電氣外絕緣放電產(chǎn)生的影響主要包括空氣密度、濕度、溫度3個方面。空氣密度隨著海拔的升高而降低;絕對濕度與海拔大致呈指數(shù)規(guī)律下降;在一定范圍內(nèi)溫度隨著海拔的升高而降低。大量的研究結(jié)果分析表明氣溫對放電電壓影響較小。目前IEC推薦用空氣密度和絕對濕度兩個參數(shù)來表征大氣對電氣外絕緣放電電壓的影響。

氣象學(xué)統(tǒng)計表明,海拔越高,氣壓就越低,具體關(guān)系如表1。

空氣密度降低時,空氣中電子的平均自由行程增加,電離過程增強,空氣介電強度減弱。隨著電力機車運行海拔不斷升高,空氣密度隨之降低,空氣介電強度也會下降,必將導(dǎo)致車頂高壓電器的外部絕緣強度降低。

表1 海拔與大氣壓的關(guān)系[2]

除空氣密度之外,濕度對外絕緣放電電壓也有影響,其原因是水分子容易結(jié)合電子而形成負粒子,導(dǎo)致電子的自由行程大減,在電場中引起電離的能力也大減。隨著濕度的增加,電子與水分子結(jié)合而形成負粒子的可能性增大,間隙中的電離過程削弱,從而放電電壓增大。電場強度越高,電子運動速度越大,越不易形成負粒子,而電力機車運行過程中,車頂高壓電器產(chǎn)生的電場較高,所以濕度的影響較小。因此海拔的升高,致使空氣的絕對濕度降低,不利于提高電氣設(shè)備的外絕緣強度。

2 電力機車車頂高壓電氣外絕緣試驗電壓的修正方法

關(guān)于外絕緣試驗電壓的海拔校正因數(shù),有多種計算方法:

通過氣象資料查找電力機車將經(jīng)過的高海拔地區(qū)的空氣密度和空氣濕度參數(shù)。按照IEC 60060-1規(guī)定[3],實際加于試件外絕緣的電壓值U由規(guī)定的標準參考大氣條件下的試驗電壓U0乘以Kt求得。

式中K1為空氣密度校正因數(shù);K2為濕度校正因數(shù)[3]。

式中b和t為試驗條件下的大氣壓力和環(huán)境溫度;b0和t0為標準大氣壓力和標準環(huán)境溫度;K取決于試驗電壓類型,為絕對濕度h與相對空氣密度δ的比率h/δ的函數(shù);指數(shù)m和W為空氣密度校正指數(shù)和濕度校正指數(shù)。K、m、W均能在標準中查找,但m和W 應(yīng)用于海拔2 000 m以上的數(shù)據(jù)正在研究中,所以IEC 60060-1提出的修正方法目前還不適用于電力機車車頂高壓電器在高海拔的應(yīng)用。

按照GB 311.1規(guī)定,以海拔高度1 000 m作為基準點,對用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設(shè)備的外絕緣,海拔每升高100 m,絕緣強度約降低1%,而對于海拔高于4 000 m的校正方法,目前還沒有標準進行明確規(guī)定。在海拔不大于1 000 m的地點試驗時,其試驗電壓按標準規(guī)定應(yīng)為額定耐受電壓與海拔校正因數(shù)KaGB之積[4]。

式中H為設(shè)備安裝地點的海拔高度,(m)。

根據(jù)IEC60694規(guī)定,以海拔高度1 000 m作為基準點,對用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m處設(shè)備的外絕緣,其海拔校正因數(shù)為[5]

式中H為海拔高度,m;M為與電壓類型和間隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的海拔校正因數(shù)的校正因子。對雷電沖擊耐受電壓和工頻耐受電壓,M=1;對于縱絕緣操作沖擊電壓,M=0.9;對于相對地操作沖擊電壓,M=0.75。電力機車車頂高壓電氣外絕緣試驗電壓類型僅包括工頻耐受沖擊電壓試驗和雷電沖擊耐受電壓試驗,故 M值應(yīng)取1。

3 人工氣候室模擬試驗數(shù)據(jù)與校正結(jié)果的分析比較

為了得到數(shù)據(jù)與IEC 60694和GB 311.1的數(shù)據(jù)進行比較,采用空氣間隙在模擬海拔條件下進行工頻放電試驗和雷電沖擊放電試驗。空氣間隙采用棒—板間隙,棒為P型棒,棒的放電端頭為平頭。

參照文獻[6]模擬多種海拔條件對P型棒—板間隙進行了工頻擊穿、雷電沖擊擊穿試驗的試驗結(jié)果[6]。并在海拔高度為1 067 m的山西大同地區(qū)進行試驗,對文獻[6]的數(shù)據(jù)進行了補充,其結(jié)果如表2和表3。

表2 雷電沖擊試驗50%放電電壓[6]

表3 工頻試驗50%放電電壓[6]

圖1是根據(jù)表2和表3繪制的不同電氣間隙下的雷電沖擊或工頻耐壓50%放電電壓同海拔的關(guān)系。

圖1 50%放電電壓同海拔的關(guān)系

圖1中A對應(yīng)電氣間隙為300 mm,B對應(yīng)電氣間隙為200 mm,C對應(yīng)電氣間隙為190 mm,D對應(yīng)電氣間隙為100 mm。

根據(jù)數(shù)值分析中線性插值理論,對圖1中的4條曲線做3次樣條,可以得出每條曲線在海拔高度為1 000 m時對應(yīng)的4個試驗電壓值,分別為:192.21,138.21,66.35,43.19 k V。

本文定義的試驗修正系數(shù),即海拔高度為N的某點試驗修正系數(shù)值等于海拔1 000 m得到的試驗值除以N的試驗值。不同的試驗對應(yīng)的試驗修正系數(shù)不同,圖2是表2和表3各試驗的修正系數(shù)曲線與K aGB曲線和K aIEC曲線的比較。

圖2 試驗修正系數(shù)曲線與K aGB曲線和K aIEC曲線的比較

圖2中,A是根據(jù)電氣間隙為190 mm時的工頻試驗得出的修正系數(shù)曲線;B是根據(jù)電氣間隙為100 mm時的工頻試驗得出的修正系數(shù)曲線;C是根據(jù)電氣間隙為300 mm時的雷電沖擊試驗得出的修正系數(shù)曲線;D是根據(jù)電氣間隙為200 mm時的雷電沖擊試驗得出的修正系數(shù)曲線;E為KaGB曲線;F為KaIEC曲線。

從圖2曲線可以看出:

(1)KaIEC值在海拔1 000 m到4 000 m范圍內(nèi)均大于KaGB值。

(2)在海拔1 000 m到2 000 m范圍內(nèi),KaGB,KaIEC與各試驗曲線比較接近,當海拔大于2 500 m時,KaGB,KaIEC與各試驗曲線差距比較大,KaGB,KaIEC要遠高于各試驗曲線。

按照TB/T 1333.1規(guī)定,電力機車車頂高壓電氣外絕緣工頻耐受電壓試驗的電壓值為75 kV,根據(jù)KaGB和KaIEC得出的修正值分別為UACGB和UACIEC;雷電沖擊試驗?zāi)褪茈妷褐禐?70 k V,按照KaGB和KaIEC得出的修正值分別為UIMPGB和UIMPIEC[7]。結(jié)果如表4。

表4 不同海拔高度修正結(jié)果

當電力機車需要在高海拔運行,而在海拔低于1 000 m的試驗室進行車頂高壓電氣外絕緣試驗時,以GB 311.1和IEC 60694規(guī)定的修正系數(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)圖2所示的試驗修正系數(shù)曲線與KaGB曲線和KaIEC曲線的關(guān)系,推薦按照表5進行試驗電壓的海拔修正。

表5 推薦實驗室修正值

4 結(jié)論

(1)在低海拔試驗室模擬高海拔外絕緣放電試驗時:IEC 60694規(guī)定的試驗電壓高于GB 311.1的規(guī)定;在海拔高于2 500 m時,無論是IEC 60694還是GB 311.1規(guī)定的修正試驗電壓都遠比由試驗得到的修正電壓高得多。

(2)當電力機車需要在高海拔運行,而在海拔低于1 000 m的試驗室進行車頂高壓電氣外絕緣試驗時,推薦按表5進行試驗電壓的海拔修正。

[1]GB/T 3317-2006.電力機車通用技術(shù)條件[S].

[2]GB 1920-80.標準大氣(30公里以下部分)[S].

[3]IEC 60060-1.1989 High-voltage test techniques Part 1:General test requirements[S].

[4]GB 311.1-1997.高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

[5]IEC 60694-1996.Common specifications for high voltage switchgear and controlgear standards.

[6]田志軍.青藏鐵路電氣化工程電氣外絕緣實驗研究[M].成都:西南交通大學(xué),2004.

[7]TB/T 1333.1-2002.機車車輛電氣設(shè)備第1部分:一般使用條件和通用規(guī)則[S].