HXD2B機車電壓互感器故障原因分析及對策措施

薛偉鋒 中國鐵路上海局集團公司南京東機務段

2010年初，上海鐵路局南京東機務段開始配屬使用HXD2B型電力機車，一直在南京東至濟南西、南京東至蚌埠東、南京東至南翔貨運交路，在京滬線的貨物運輸中發揮了重要的作用；在客運任務中也表現出強有力的優勢。但車頂高壓互感器近兩年發生了多起炸裂故障。

1 故障情況

南京東機務段配屬HXD2B-0063機車，2010年5月配屬，運行時間約為30個月，于2012年11月18日發生高壓電壓互感器絕緣擊穿故障。高壓電壓互感器型號為JDZXW2-25A2，生產廠家：大連北方互感器集團有限公司。互感器安裝位于機車頂部，采用導電板與機車導電桿連接，故障現象：絕緣擊穿后，因為接地電流較大，一次端子處裂損，互感器本體處有貫穿形的裂紋，裂紋處有因電弧放電產生的碳化熏黑現象,故障照片如圖1。

圖1 HXD2B-0063機車電壓互感器炸裂

南京東機務段配屬HXD2B-021機車，2017年2月25日途中車頂突然響起兩聲異響，網壓為零，前、后弓進行絕緣檢測不通過，無感應網壓，請求救援。回段登頂檢查發現高壓電壓互感器炸裂，絕緣子表面炸裂，高壓電壓互感器周圍車頂表面有放電灼傷痕跡（如圖2）。機車運用受電弓（Ⅰ端弓）兩條碳滑板均有過流拉弧痕跡，車頂其他部位無放電燒損等異常現象，進行6A系統絕緣檢測試驗，檢測電壓3.8kV。該高壓電壓互感器是大連北互產品，產品型號：JDZXW3-25，編號：9126520。

圖2 HXD2B-0021機車電壓互感器炸裂

2 高壓互感器技術參數與結構

2.1 技術參數

型號： JDZXW2-25A2

頻率： 50 Hz

額定絕緣水平： 40.5/85/185 kV

額定電壓比： 25 000/100 V

二次組合： 1級/1級

二次額定負荷及準確級：30 VA 1級/30 VA 1級 (cosφ=0.8)

二次熱極限輸出電流(A)：1 A

額定電壓因數： 1.5 Un(30 s)

絕緣等級： E級

2.2 結構及技術說明

JDZXW2-25A2型電壓互感器采用環氧樹脂與硅橡膠復合絕緣支柱式結構。內部采用環氧樹脂澆注，外部護套和傘裙采用高溫硅橡膠材料，具有良好的憎水性，大大地提高了污閃電壓，能有效地防止污閃故障的發生；具有抗老化和耐漏電起痕性能，電蝕損性能達到GB6553-1986[等效采用IEC587(1984)]標準中最高級的1A6.0級，可以連續承受污閃電壓；具有耐機械沖擊能力強、重量輕、便于安裝、不易損壞、維護周期長的特點。高壓電壓互感器二次采用雙熔斷器出線，提高了高壓電壓互感器的自保護能力。

JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器主要由:器身澆注體、硅橡膠傘裙、安裝發蘭、出線裝置等部分組成,外形圖見圖3，結構圖見圖4。

圖3 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器外形圖

圖4 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器結構圖

2.3 工作原理

高壓電壓互感器是利用電磁感應原理，把一次測的高電壓變換為標準測量電壓。高壓電壓互感器是一種專門用作變換電壓的特種變壓器。原理接線圖見圖5。

圖5 互感器原理接線圖

2.4 主電路圖

HXD2B機車采用的是JDZXW2-25A2型戶外全封閉式電壓互感器，采用戶外環氧樹脂與硅橡膠復合絕緣支柱式結構，主要由線圈、鐵心、套管鋁法蘭安裝盤等組成。用于監測電力機車行駛過程中接觸網電壓，并為電度表提供電壓信號，同時電壓信號經過高壓懸掛線電壓測量隔離室變壓器（TF2-PP）、高壓懸掛線電壓互感器（TF3-PP）2級變壓后為牽引控制系統提供5 V同步信號，見高壓原理圖6。

圖6 互感器高壓原理圖

3 原因分析

（1）通過現場檢查情況初步分析認為，一些新改造的電氣化線路，由于網壓過高或存在諧波畸變易造成跳主斷故障，或機車通過分相區時，大多會出現較大的原邊沖擊電流，通過供電段的相關測試發現，接觸網含有大量的諧波成分，導致供電電壓畸變較嚴重，電壓波形在不同的區段呈現不同的諧波成分，多數區域供電電壓為30 kV，甚至還有其他過壓，有操作過電壓和自然環境下的雷擊過電壓，使的高壓電壓互感器繞組絕緣擊穿，產生電弧，進而造成對地擊穿，因此接觸網供電電壓是引起高壓電壓互感器故障的潛在因素。

（2）JDZXW2-25A2型干式高壓電壓互感器內部繞組絕緣存在某種缺陷，如絕緣不良、線路老化等，雖在上車試驗前成品試驗時要進行感應耐壓等試驗，但因產品設計的層間、匝間電壓較低，試驗電壓未達到擊穿程度，這種缺陷可能檢驗不出來；如果機車高壓電壓互感器內部一次繞組匝間絕緣性能不良，在接觸網高電壓沖擊下，匝間短路，電流迅速增大而過流，在密閉的空間內迅速升溫致使炸裂。

（3）產品裝車運用后，每次機車升弓時或過分相進入有電區或網壓超過規定值時，對高壓電壓互感器的繞組都存在大電流沖擊，引發絕緣缺陷進一步加劇，再加上熱量聚集、絕緣子絕緣等級下降等因素的積累作用，最終導致絕緣缺陷由量變轉化為質變，造成絕緣崩潰擊穿，匝間短路引起工作電流劇增而炸開互感器頂部直徑較小的薄弱區域，嚴重故障直接炸裂互感器器身。

（4）互感器的密封問題，主要是生產廠家采用的密封技術不夠完善，或采用的密封材料抗老化能力不強，在溫度變化較大或運行時間接近產品壽命時，發生密封不良后潮氣侵入，造成內部絕緣損壞，加速老化引起內部放電瞬間爆炸。由于高壓電壓互感器主體與安裝底盤之間，在檢修時不規范的作業或是外力作用下發生輕微的傾斜，密封性被破壞，空氣進入，會導致高壓電壓互感器受力不均勻，因此高壓電壓互感器密封性不良和受力不均也是炸裂的主要原因。

（5）潮氣侵入引發的故障，由于一次繞組由數萬匝漆包線卷繞起來，且在漆包線的一層與一層之間，也會使用到大面積的絕緣薄膜進行隔離；非常明顯的就是其匝數層數越多，那么隔離用絕緣薄膜也就會越多，從而導致氣隙含量增多，由于這些氣隙以及漆膜，絕緣薄膜都會在使用的過程中吸收水分，當水分超標氣溫突降時，其過量的水分就會導致高壓電壓互感器繞組表面結露，從而絕緣下降造成繞組閃絡，最終造成燃弧，氣壓急劇上升而使得高壓電壓互感器炸裂。

4 技術措施

（1）日常結合C1-C3修及出入庫加強高壓電壓互感器的檢查，外觀檢查硅橡膠套無污染，無破損放電及脫膠痕跡；出線端螺紋良好、無燒損痕跡、端子極性與標識一致；檢查底部環氧澆注體無開裂及放電痕跡。一次、二次引線連接件牢固無氧化接觸不良現象，接線端子無氧化層連接可靠，檢查接地線是否可靠連接。

（2）與供電部門取得聯系，要求其將網壓控制在《技規》規定的額定25 kV～27.5 kV范圍內

（3）結合機車C3修檢測互感器絕緣電阻和并進行耐壓試驗。

①絕緣電阻測量:一次繞組對二次繞組及地≥1 000 MΩ，二次繞組對地≥100 MΩ。

②直流電阻測量:測量一次繞組及二次繞組的直流電阻值,與出廠值比較相差不超過10%。一、二次繞組的直流電阻值（75℃時）：一次 A N：21 200 Ω～25 912 Ω，二次 a n：0.324 Ω～0.396 Ω。

③二次工頻耐壓試驗:在二次繞組n端子與地之間施加3 kV電壓試驗，歷時1 min,通過為合格。

④一次工頻耐壓試驗:在一次繞組N端子與地之間施加電壓試驗，施加電壓值3 kV歷時1 min,通過為合格。

（4）加強互感器的技術管理工作，對每臺機車的互感器建立技術檔案，檢測報告、測試報告均要存入技術檔案，方便大部件壽命管理和故障數據的統計和梳理分析。

（5）針對互感器內部的早期裂紋可采用X射線探傷試驗的方法，采用X射線實時成像系統對下車的互感器進行檢測，可以將內部有明顯的直線型裂紋缺陷排查出來避免隱患互感器裝車試用。

5 結束語

互感器損壞或炸裂的原因有網線過電壓、硅橡膠套污染或破損、互感器自身內部絕緣不良等原因，又因互感器內部線圈老化速度的離散型及機車運行環境變化的隨機性，都影響著互感器的可靠性，故需在今后的檢修工作和實踐中去研究、試驗、探討和總結。