動車組電壓互感器現場局部放電測試技術研究

楊斯泐，郭晨曦

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

鐵路供電技術

動車組電壓互感器現場局部放電測試技術研究

楊斯泐，郭晨曦

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

從絕緣事故發生的原因進行分析，針對現場局部放電現測試的各種干擾源，提出抑制和解決的方法。采取適當的抗干擾措施后，對動車組電壓互感器進行局部放電檢測，能有效發現互感器內部缺陷。通過現場測試證明，局部放電檢測是一種能夠提前發現互感器潛在隱患的重要測試手段。

動車組；電壓互感器；局部放電；

在動車組整個高壓系統中，電壓互感器是直接聯于27.5 k V高壓側，因此一旦發生事故，往往會造成動車組高壓系統故障，導致動車組臨時停車和運營事故。近幾年來，隨著動車組運營線路的增加和服役時間的延長，高壓系統整體運行穩定，但各型動車組高壓互感器絕緣事故時有發生，對高速鐵路安全運行構成威脅。現場沒有有效而快捷的方法來檢測絕緣內部常存在的弱點，暴露出運行維護方法和檢測手段的缺失，為此，需加強對動車組高壓系統設備進行預防性試驗，發現問題設備，及時更換，避免事故范圍擴大。

國內動車組暴露出的絕緣問題需要一種常規而有效的方法進行驗證和檢測，而高壓設備現場局部放電測試技術是一種有效的方法。動車組變壓器，互感器，電纜，絕緣子等高壓設備絕緣結構較為復雜，內部發生局部放電的原因很多，如果設計不當，局部場強過高，工藝上有缺陷使絕緣中含有氣泡，在運行中油質劣化分解出氣泡，機械振動和熱脹冷縮造成局部開裂出現氣泡。在這些情況下，在外施電壓下都會發生局部放電。放電的能量很微弱，可能暫時不會影響設備的短時絕緣強度，但日積月累將引起絕緣老化，最后可能導致整個絕緣在正常電壓下發生擊穿。根據動車組高壓設備在不同電壓下的局部放電強度和發展趨勢，來判斷絕緣體內部是否存在缺陷和絕緣介質目前的狀態和老化情況。從而通過現場的局部放電測試對動車組高壓系統絕緣狀態進行評估和分析，有助于保證高速動車組高壓系統的整體安全。

1　動車組高壓絕緣事故原因與分析

1.1動車組電壓互感器的標準討論

由于動車組原型車是基于IEC或者歐洲標準設計，動車組所使用電壓互感器選型時額定絕緣水平普遍采用IEC標準中35 kV電力系統電壓等級數值，部分采用36，70，170 kV標準等級。由于35kV電壓等級為三相間的線電壓，對地相電壓僅為20.8 kV，低于中國鐵路牽引供電系統所采用的25 kV電壓等級。

從實際運營情況來看，由于動車組電壓互感器絕緣水平并不能滿足實際的要求，隨著動車組運營年限的增加，絕緣事故的發生呈現增多的趨勢。甚至一部分存在氣泡或裂紋缺陷的電壓互感器開始出現炸裂事故。

1.2高壓電壓互感器絕緣事故

（1）某動車組運行途中出現高壓互感器破損事故如圖1。互感器炸裂的斷面有液體流出，互感器內部絕緣損壞，繞組局部出現短路和過熱情況。互感器線圈中的絕緣漆緩慢受熱，由于其外包覆的樹脂材料阻止熱量的發散，導致熱量的積累并使絕緣漆融化并最終擊穿短路，導致互感器炸裂。爆裂后高壓互感器與連接線端子在運行途中對高壓互感器內側面造成了打擊，造成高壓互感器內側面傘裙缺口。

（2）某動車組停放存車線擔當熱備車期間發生05車2位端高壓互感器破損，對車頂破損部件及其他設備進行檢查后，發現高壓互感器破損面存在明顯的氣孔，初步分析為高壓互感器自身質量問題，導致互感器原邊產生大電流，使得互感器內部產生大量的熱量，最終導致互感器破損，見圖1～圖2。

導致互感器損壞的可能原因有：①高壓互感器自身制造缺陷，如絕緣體澆筑時存在氣孔、雜質等導致其在運用過程中發生局部放電，逐步破壞內部絕緣而引起匝間短路并導致互感器過熱；②系統過電壓造成互感器絕緣破壞，一次線圈匝間或層間出現短接，進而產生大電流，使得互感器內部非正常發熱，當互感器內部熱量積聚到一定程度后，導致互感器炸裂；③在多種因素下，互感器與接觸網耦合產生鐵磁諧振，線圈磁飽和后，互感器內部積聚熱量無法釋放后炸裂；④如果固體絕緣中存在氣泡缺陷，那么在運行電壓下，氣泡內將不斷發生局部放電現象，這種長期的局部放電所產生的能量將不斷作用于氣泡周圍的固體絕緣，使得其絕緣性能不斷下降，最終失去絕緣作用導致擊穿放電事故。因此，一旦投入運行設備的固體絕緣中存在氣泡，那么對鐵路供電的安全是一種威脅。

圖1　破損后的電壓互感器1

通過對故障電壓互感器同類型產品進行的局部放電試驗也的確發現了大量常規試驗所不能發現的內部缺陷。

實踐證明，通過局部放電試驗能有效地發現固體絕緣內部的裂紋和殘留氣泡等缺陷，以前由于相關的試驗標準和規程沒有要求對動車組干式互感器進行局部放電試驗，只是通過交流耐壓試驗來檢查設備的好壞，結果發現絕大部分設備都是合格的，而且投入運行的動車組干式互感器初期發生爆炸的現象也很少。但是隨著運行時間的延長，一部分存在氣泡或裂紋缺陷的設備開始出現爆炸事故。

2　電壓互感器局部放電的現場測試

2.1電壓互感器常規試驗與局部放電試驗對比

一些絕緣常規試驗，如介質損耗角正切、絕緣電阻、泄漏電流等均不能有效發現設備的局部放電缺陷。而進行工頻耐壓試驗時，所施加的電壓高出其額定工作電壓數倍，通常情況下該試驗可以發現很多絕緣材料的缺陷，尤其對局部缺陷效果非常明顯，但是也有相應的弊端存在，即試品在進行耐壓試驗時可能會給其絕緣帶來一定損傷，影響它的絕緣性能［1］。

局部放電試驗的試驗電壓為1.2倍設備最高電壓，該等級的試驗電壓不會損壞電壓互感器的絕緣性能，通過對互感器進行局部放電試驗可以判定其絕緣質量，相對來說這是一種非破壞性的試驗。相對于工頻耐壓試驗，局部放電試驗具有較高的靈敏度，對于即將投入運營或正在運營的動車組，對其電壓互感器局部放電進行檢測，并采集和分析其測試數據，掌握其局部放電狀態與絕緣老化程度。

2.2高壓互感器絕緣狀態的局部放電測試方法

動車組電壓互感器主要采用半絕緣干式電壓互感器，而GB1207-2006電磁式電壓互感器和GB/T 7354 -2003局部放電測量［2-3］，兩個標準規定了互感器局部放電測試的推薦方法。測量儀器的測量靈敏度應能測出5 pC的局部放電水平。基本回路最小可測的局放值決定于Ck/Ca的值，并且受到騷擾的限制。圖3和圖4分別為互感器局部放電串聯和并聯試驗線路圖，圖5為動車組電壓互感器現場測試的照片。

圖3　電壓互感器局放串聯測試電路

圖4　電壓互感器局放并聯測試電路

圖3和圖4中，T為試驗變壓器；Ca為被試互感器；Ck為耦合電容器；M為局部放電測試儀；Zm為測量阻抗；Z為濾波器。

這種測試方法，當Ca兩端因局部放電引起電壓變化△U時，經Ck耦合到檢測阻抗Zm上，回路上即產生脈沖電流并在Zm上轉化為脈沖電壓，測量這個脈沖電壓來檢測局部放電。

圖5　現場測試照片

測量電壓互感器時，試驗電壓由被試電壓互感器次級繞組自勵磁產生，而不需高壓變壓器外施高壓。

試驗時，保證測量靈敏度能小于5 pC的情況下，將一明顯低于起始電壓預期值的電壓加在試品上，逐步增加電壓直到放電發生，或超過規定的局部放電測量低值。處于這一規定值時的試驗電壓就是局部放電起始電壓Ui。然后將試驗電壓升至規定值，之后再逐漸地將電壓降至放電小于同一規定值時的電壓值。在這一放電限值處的試驗電壓就是局部放電熄滅電壓Ue。然后在30 s內測量出電壓互感器的局部放電水平。這時要注意Ui的值可能要受電壓上升速率的影響，而Ue可能會受施加電壓的幅值、持續時間和電壓下降速率的影響。然而，無論如何試驗電壓不可超過受試設備所允許施加的額定短時工頻耐受電壓。

局部放電現場試驗有其特殊問題。一是干擾抑制問題比試驗室測試要嚴重的多，檢測靈敏度比試驗室內要低2個數量級，需加強抗干擾措施；二是如何解決試驗電源的問題，通常在互感器低壓繞組施加交流電壓，高壓側感應出相應的試驗電壓進行局部放電試驗。為避免在試驗電壓下磁通密度飽和而引起勵磁電流過大，采用100～300 Hz的電源，最理想的試驗電源是同步發電機組［4］。

3　現場測量的抗干擾措施

局部放電試驗實質上是一種微量檢測，各種干擾信號對檢測影響很大，測量局部放電時受到的干擾應低到使局部放電量的測量具有足夠的靈敏度和精準度。由于干擾可能與局部放電脈沖相似并且它們往往重疊，為此國家標準規定在進行局部放電測量時，背景噪聲水平宜低于規定允許局部放電幅值的50%。高壓設備的驗收試驗及型式試驗時應該記錄背景噪聲。明確知道是由外部干擾引起的高的讀數可以忽略。

3.1干擾源

干擾來源主要可以分為兩大類。

一類是在試品回路未通電時就有，例如動車組升降弓造成接觸網拉弧、無線電波、動車庫內維修電焊、附近的高壓試驗、牽引電機、供電網中整流設備的可控硅的開關動作引起的，也包括檢測系統本身的固有噪聲。這類干擾也可能發生在電源接上但處于零電壓時，這種干擾可通過空間也可以通過供電電源或地回路耦合檢測系統。

另一類是當回路通電才產生的，但非試品所產生的干擾。這種干擾常隨電壓升高而增加。這種干擾可能包括試驗變壓器、高壓引線、套管（如果它不是試品的一部分時）中的局部放電等，也包括附近動車組或試驗基地，接地不良物體的火花放電或者由高壓回路中的連接不良，例如由屏蔽罩與只作試驗用的連接導線之間的火花放電。試驗電壓的高次諧波處于或接近測量系統的頻帶時也會引起干擾。由于固態開關裝置（可控硅等）的存在，高次諧波經常出現于低壓源，并且與火花觸點噪聲一起，通過試驗變壓器或者通過其他連接傳遞到試驗及測量回路。

3.2騷擾的抑制

針對現場測試的干擾源，在動車組停放現場或動車庫內進行現場測試，最基本的降低干擾的措施是屏蔽、濾波和接地。

3.2.1屏蔽、濾波和接地

將試驗區附近所有不參與試驗的金屬結構妥善地接地和必要地屏蔽，避免試驗構件出現尖端。

對試驗回路和測量回路的電源進行濾波可以達到抑制干擾的效果，在電源側添加低通濾波器和隔離變壓器。選擇背景噪聲足夠低的高壓電源，以便在規定試驗電壓下對規定的局部放電值進行測量；背景噪聲足夠低的高壓連接，以便在規定試驗電壓下對規定的局部放電值進行測量；濾波器對電源質量不好時尤為重要，對于現場測試中，必須配合良好的濾波器，進入測試端的所有電氣連接都需要經過濾波器，才能使局部放電試驗達到良好的效果。局部放電試驗中帶高電位的端子、連線都要采用適當的屏蔽和均壓措施，避免產生電暈放電。

現場試驗時，局部放電系統要設計一個單獨的接地系統［5］，不能和廠房的配電網、車間的接地網連接在一起。在生產車間內，有許多大功率的用電設備，如天車、空調、電機等，這些設備的零線、地線、外殼接地等可能都和廠房公共地網連接在一起，造成公共地網上有太多的干擾。

圖6　電壓互感器局放平衡法測試線路

3.2.2 平衡法檢測回路

圖5中所示平衡回路可降低各種共模所產生的干擾，且通常使觀察者能夠區分試品中的放電和試驗回路其他部分的放電，相當于一個差動平衡系統。

3.2.3信號處理和還原

一般來說，特別是在現場條件下，靈敏度因存在干擾而受到限制，可以使用電子電路將真正的局部放電信號和干擾分開。這些電子方法用起來需特別仔細，并且保證這些方法不能遮去有效的局部放電信號。

采用頻域和時域開窗，平均技術等措施對信號進行處理以抑制外來干擾。但當采用信號處理和復原技術降低背景噪聲時，這將以改變其參數顯示出來，因此能檢測出重復出現的脈沖。

3.3電源的選擇

提高放電測量的準確性必須提高電源質量，電源質量好壞與其連接的電網關系密切，電源線是電網干擾傳入用電設備產生的干擾傳到電網的主要途徑，電源電壓不穩，正弦波變形是由于線路存在高次諧波，用電設備是高次諧波產生的主要來源，電網中大功率設備多，各種電氣開關通、斷頻繁，所產生的高次諧波量很大，電源質量必然較差。因此，就對電源采取下列措施［5］：

（1）盡可能使用獨立的供電系統，獨立使用電源變壓器和配電設施。（2）配電設施到試驗區應采用專用電纜連接，長度最好為150～200 m，電纜采用兩芯分相銅帶屏蔽，另加電焊機線作為接地。（3）電源進入試驗區前，應采用雙屏蔽隔離變壓器，將供電回路與試驗回路隔離開，也可隔離部分高頻干擾。（4）隔離變壓器后連接低通電壓濾波器，截止頻率應盡可能低。（5）控制、測量回路和照明的供電，應與高壓用電的供電分開。

4　測試結果分析

按2.2節中動車組電壓互感器局部放電測試電路進行試驗，樣品中包含新品和運營后替換的舊品進行比較，保證試驗現場抗干擾措施到位。

測試電壓在初級線圈的高壓接線端和接地點進行。磁路、需要接地的初級線圈端部和次級線圈的一個接線端連接在一起，并且接地。

試驗結果如表1所示

表1　互感器局部放電測試結果pC

抽樣中，3臺高壓電壓互感器的局部放電強度未超出標準要求。其中，舊品高壓互感器2010.431520，局部放電的強度比其他兩個高壓電壓互感器偏高，說明此舊品互感器絕緣水平已經劣化，建議停用更換。

5　結論

（1）局部放電試驗是互感器預防性試驗的重要組成部分，對已投入運營的互感器，具備條件的定期進行檢測是很有必要的，可以及時、有效地發現互感器內部絕緣缺陷，預防事故的發生。

（2）通過采用屏蔽、濾波接地為主要手段，并利用平衡法能有效試驗回路，能夠在動車組試驗現場進行互感器局部放電測試，靈敏度可以達到5 pC，滿足一般測試要求。

（3）在某些干擾比較復雜的地區，即使采取上述抗干擾措施后，可能仍然不足以滿足測試要求，需要研究更有針對性的動車組高壓互感器現場局部放電的測試方法。

［1］ 劉杜亮.動車組高壓電纜局部放電成因分析和檢測研究［D］，蘭州：蘭州交通大學，2013.

［2］ GB 1207-2006，電磁式電壓互感器［S］.

［3］ GB/T 7354-2003，局部放電測量［S］.

［4］ 張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗技術［M］，北京：清華大學出版社.2003.

［5］ 尹葉紅，王永超，張永波.動車組高壓電纜局部放電試驗的研究與應用［J］，鐵道車輛，2013，（04）：11-14.

Voltage Transformer of the EMU on Site Partial Discharge Test Technology Research

YANG Sile，GUO Chenxi
（The Loco motive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

From the insulating paper analyzes the causes of the accident，in view of the various interference sources of the partial discharge test now，inhibition of and the solution method is put forward.After proper anti-jam ming measures are taken，the emu voltage transformer partial discharge detection，can find transformer internal defects effectively，is a kind of effective field test method of transformer potential danger ahead.

EMU；voltage transformer；partial discharge

T U266.2

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.17

1008-7842（2015）04-0075-04

1986—）男，助理工程師（

2015-02-26）