电力机车/动车组高压绝缘设计问题探讨

郭晨曦

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

长期以来,电力机车或动车组的绝缘问题一直没能得到很好的解决。近年来投入运行的机车或动车组几乎都是新车型,暴露出的绝缘问题除了使用环境因素外,与绝缘设计不合理有直接关系。到目前为止,国内机车或动车组的绝缘设计没有遵循统一的标准,即使是同一个电压等级,选取的耐受电压水平也存在较大的差异。比如,不同的机车牵引主变压器原边25 kV侧的额定雷电冲击耐压就有125、150、170 kV或185 kV等多个取值,而耐压水平的高低和所使用避雷器的保护水平将直接影响到主变压器的使用寿命。造成目前状况的原因是多方面的:①没有统一的绝缘配合标准;②制造厂商在对绝缘标准的研究和理解上存在不一致的地方;③引进产品是按原生产国的技术标准设计制造的,而不同的国家使用的标准不尽相同;④由于高压绝缘失效的特殊性,多数事故发生后没有留下可直接观察的证据,判断事故的性质比较困难,对绝缘事故的处理和认识上有误区。因此,我国有必要加强机车绝缘配合标准的研究制定和统一,为今后设计、制造和运行维护提供技术支持。

1 绝缘配合对机车高压绝缘设计的基本要求

高压电器的绝缘必须能够在设计使用寿命内承受来自系统的各种作用电压而不发生永久性失效。绝缘配合就是综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受特性,合理地确定设备必要的绝缘等级,以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失,达到在经济上和安全运行上效益最高的目的。技术上要处理好各种作用电压、限压措施及设备绝缘耐受能力三者之间的相互配合关系;经济上要协调投资费用、维护费用及事故损失费用三者的关系。绝缘安全裕度越高,发生事故的风险就越小,反之则要承受较高的事故风险。

2 车顶高压外绝缘设计

关于电力机车和牵引供电系统的绝缘配合在文献[1-2]中已有较为全面的论述,说明了机车高压绝缘电气性能参数的选取原则。TB/T 1333.1-2002[3]是关于机车车辆电气设备绝缘的一个专业标准,它是从IEC 60077-1:1999[4]直接转化过来的,但25 kV等级的技术指标和其他相关标准存在诸多不相容的地方。IEC 60077-1是由欧洲国家主导制定的标准,其技术内容主要基于IEC 60071-1:1993[5],与其相对应的国家标准GB 311.1-1997[6]与之为非等效,GB 311.1中对最高运行电压Um≤72.5 kV设备的外绝缘干状态下的短时工频耐受电压进行了调整,比 IEC 60071-1中的规定值高,而TB/T 1333.1在转化过程中并没有进行相应的修订。

在我国标称电压25 kV交流牵引系统,除了电力机车和动车组外,其余高压电器的绝缘等级都和35 kV电力系统相同甚至更高,以便和整个牵引供电系统取得合理的绝缘配合。车顶绝缘子标准TB/T 3077-2006[7]已完成这一转化工作,可以作为车顶外绝缘设计的依据。

2.1 车顶绝缘子

TB/T 3077中规定车顶绝缘子的结构高度为400 mm,是综合了各方面因素之后做出的选择。要保证绝缘子本身具有适当的电气绝缘强度,车顶高压带电部分的对地绝缘净空一般情况下应大于360 mm,有时可能要求更大。因为空气间隙的放电电压不仅取决于间隙距离,还和间隙形状密切相关,最终需要通过雷电冲击试验或工频闪络电压试验来验证。绝缘子的额定雷电冲击耐受电压为185 kV,工频干耐受电压为100 kV,湿耐受电压为 85 kV,爬电距离不小于1 000 mm。对受电弓支持绝缘子,机械弯曲破坏负荷选取8、12.5 kN或16 kN等级,可以覆盖目前所有速度等级的机车或动车组的运行需要。

25 kV交流牵引系统绝缘子的电气绝缘强度主要取决于外部大气过电压(雷电冲击)和运行时工作电压下的污秽耐受水平。增加爬电距离主要为了提高绝缘子的耐污秽能力,污秽耐受电压为32 kV时,瓷绝缘子的等值附盐密度为 0.15 mg/cm2,复合绝缘子为0.35 mg/cm2,复合绝缘子有较强的耐污秽能力。车顶外观造型应当考虑高速运动时空气流场对车顶绝缘子的影响,尽可能降低特殊气象条件下在绝缘子表面的覆冰[8]。实际上,由于硅橡胶绝缘子比瓷绝缘子有较低的覆冰率,更有利于冬季运行。

2.2 高压断路器

目前我国运行的机车用高压断路器主要有空气断路器和真空断路器。由于真空断路器遮断电流能力强,工作可靠,已经成为机车或动车组25 kV断路器的首选。从结构形式上分有立式(图1(a)所示)和T型(或Γ型,如图1(b)所示)两种。立式断路器的真空灭弧室在绝缘套管上半部,而T型断路器的真空灭弧室被设置在水平套管内。由于受到车顶限高的制约,立式断路器的绝缘结构高度h通常较T型断路器低,而达不到400 mm,因此,立式断路器的对地冲击放电电压达不到185 kV,工频湿耐受闪络电压也达不到85 kV。采用T型断路器则可克服这一困难,提高了空间利用率,相应地也提高了套管的内外绝缘强度。

图1 高压断路器的外部结构形式

从已有的运行经验来看,断路器断口间能够耐受170 kV冲击可以满足运行要求。也同样因为真空断路器有很强的截流能力,切空载变压器时可不在电流过零点灭弧,变压器绕组中以电流形式维持的磁场能量通过分布电容转化为电场能量,引发高频振荡过程,这时可在变压器出口引起较高的截流过电压,同时在高压绕组匝间形成较高的电位梯度,威胁匝间绝缘。因此,必须在变压器高压出口采取过电压抑制措施,同时保证断口间有足够的绝缘强度,以防过电压造成断路器分闸失败。为了增强套管的外绝缘性能,采用硅橡胶作伞套,能提高套管外绝缘的污秽闪络电压。套管除了采用瓷质或硅橡胶材料外,其他类型的有机合成材料套管的电气性能还有待进一步考验。

车顶隔离开关的对地和隔离断口间的绝缘强度都应达到车顶绝缘子的绝缘耐压等级。

3 高压电缆及附件

3.1 电缆的绝缘强度

高压电缆及附件的选用应当参照 TB/T 2282-1997[9]标准的要求,其中规定了电气化铁道27.5 kV单相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆的各项技术性能和试验验收方法。虽然标准中没有明确提出适用于电力机车或动车组,但属于同一个电压等级,电气性能指标也适用于动车组使用。在TB/T 2282中规定电缆的电气性能:①冲击电压:250 kV,±10次;②成盘电缆的例行工频试验电压为69 kV,30 min绝缘不应发生击穿;③4 h交流电压试验,除终端外,成品电缆试样长度不小于5 m,在金属导体和金属屏蔽层之间施加交流110 kV,绝缘不应发生击穿。

应当指出车顶电缆终端外绝缘等级应当达到车顶绝缘子的电气性能指标。电缆终端外绝缘一般使用硅橡胶伞套,爬电距离取1 200 mm。为方便维护,在机车或动车组上的电缆终端经常使用可分离连接器(或T型头),其电气强度应和普通终端相同。27.5 kV单相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆及其附件的国家标准已经完成起草并报批,对电气性能指标要求更加严格,可作为设计和选用相关产品的依据。

3.2 电缆安装完成后的试验

根据TB/T 2282规定,电缆及附件安装完成后的电气性能试验应在82.5 kV、15 min的直流电压下不击穿,目前,这一方法一般不再使用。最新修订的《铁路电力牵引供电工程检测规程》(2008版)对27.5 kV交流橡塑电力电缆施工完成后的检测项目、质量要求和检测方法做了规定,交流耐压试验用交流试验变压器加工频电压55 kV,耐受60 min,应无烧坏和发热现象,符合GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》的要求。

4 牵引变压器的绝缘强度

牵引变压器是机车最主要的高压设备,虽然是安装在机车内部,高压还是要从接触网直接引入,因此也就必须承受来自接触网的各种作用电压。变压器线圈在冲击电压作用下会在绕组不同部位产生过电压,主要是由线圈内部的自由振荡过程和线圈之间的静电或电磁感应过程引起的,即变压器绕组中的波过程。一般情况下,两个过程同时发生,但其中一个起主要作用,这和变压器绕组结构、布置和接线方式等有关。根据对使用真空断路器的机车或动车组操作过电压试验结果的分析,断路器分闸截流后在高压绕组引起的自由高频振荡过程在低压绕组内感应出较高的过电压,其中静电感应分量起主要作用。图2是某型号机车分闸过程时的高低压绕组上的端电压波形。

图2 高低压绕组间过电压的传递

变压器内部绝缘主要是解决纵绝缘和横绝缘,纵绝缘指的是绕组匝间或层间绝缘,横绝缘指绕组之间或绕组对地绝缘。冲击截波能在绕组线匝间、线段间或线层间形成较高的电位梯度,而且低压绕组的截波感应电位比全波感应电位要高得多[10]。当接触网遭到雷击时,首先引起雷击点附近接触网绝缘子闪络,之后形成的冲击截波沿线路侵入机车主变压器。因此对机车主变压器进行截波冲击试验仍然是必要的。

图3是在变压器高压侧有来波U0时高低绕组间的静电感应传递等效电路。C12和C20分别是高低压绕组间和低压绕组对地的等效分布电容。这时可以得出低压绕组上的端电压:

这里忽略了绕组纵向分布电容。实际上,由于电感的存在,振荡过程将使U20升高。这和绕组结构、分布电容和电感有关。在进行绕组结构设计时,做好高低压绕组间的屏蔽,即减小了C12,将有利于降低高压侧来波对低压绕组的冲击。在低压绕组增设阻容吸收装置或金属氧化物非线性电阻元件也可显著降低感应过电压的影响。

关于牵引变压器绝缘在 TB/T 3159-2007[11]中对27.5 kV绕组的电气性能规定:1 min工频耐受电压为85 kV,雷电冲击全波耐受电压为200 kV,冲击截波耐受电压为220 kV。但是TB/T 1680-2006[12]由于是从IEC60310-2004[13]转化而来,直接采纳了其中的相关电气性能指标,即1 min工频耐受电压为60 kV,雷电冲击全波耐受电压为150 kV,没有规定冲击截波试验。根据我国绝缘配合使用导则的要求[14],配合因数Kc应当大于1.4,这就要求避雷器的保护水平,即冲击电流残压应当低于107 kV。显然,就目前使用的避雷器保护水平来说,安全裕度偏小。在现有技术条件下,使机车牵引变压器绝缘水平达到TB/T 3159标准要求是完全可能的,只有这样才能保证变压器的故障率在使用周期内控制在可接受的范围,并达到其设计的使用寿命。

图3 变压器绕组的静电感应等效电路

5 主回路电缆和导体对地间隙

机车或动车组内布置有大量不同电压等级的电缆,在制造安装过程中,有可能对电缆造成损伤。因此,完成布线之后必须对各段电缆进行工频耐压试验以验证其绝缘状态是否良好,试验电压值一般取电缆额定耐压值的85%。对于工作电压低于10 kV电缆的额定工频耐受电压和车内导体对地的空气间隙,可依据 TB/T 1333.1选取,但对25 kV等级的电缆和附件则应依照国家标准选择。空气间隙的确定应视导体具体布置情况做出合理的设计,最终应通过冲击试验(无条件时也可用工频电压试验代替)校核。

6 整车的高压试验

机车或动车组的车顶受电弓、母线布置和车内高压室的设计是否合理,能否达到和高压部件相一致的绝缘水平,在将相关的所有高压部件组装完成后,必须通过相应的高压试验来验证。整车检验时,如果主变压器已进行过相应的型式试验,可以断开主断路器,对车顶高压设备进行85 kV工频电压试验和185 kV雷电冲击全波试验,以验证车顶整体绝缘能够满足标准要求。

整车完成后常见的高压绝缘问题主要有两个方面:①高压部件本身的绝缘水平不达标。互感器、绝缘子和断路器的外绝缘选择不当,绝缘距离和爬电距离不够。②受电弓带电体对地间隙、接地刀闸断口距离,以及避雷器或电缆终端高压端对地间隙等安排不当,都可能造成雷电冲击电压降低,最终应通过冲击试验来校验。特别要注意受电弓落弓状态的最小对地间隙也应能够耐受额定冲击电压。

操作过电压是各单体高压部件电气性能的一种综合作用结果,因此只能在所有部件组装完成后进行。在主断路器分断或闭合机车主变压器时会发生操作过电压,其持续时间短,有着很大的随机性,每次出现的幅值也不一样,不易被人们所重视。一旦造成事故,事故原因不易查找。操作过电压的发生具有很强的统计特征,跟合闸相位密切相关,需要多次试验,型式试验一般进行不少于15次分、合闸操作。试验表明,在机车原边设置阻容过电压吸收回路和无间隙金属氧化物避雷器后,可以有效抑制原边高压侧的过电压幅值,一般限制在1.8倍以下。机车牵引变压器次边绕组为悬浮电位,过电压测试有其特殊性,较详细的论述可参阅文献[15]。

7 关于海拔高度的修正

当机车运行于高海拔地区时,应当对机车的外绝缘强度做相应的海拔高度校验。需要进行海拔高度校验的设备有车顶受电弓和母线支持绝缘子、隔离开关支柱绝缘子和隔离断口、断路器、互感器等外绝缘体,车顶受电弓对地空气间隙及车内所有导体对地间隙、爬电距离也要做出相应调整。应当指出电缆本身的耐压试验不需要进行海拔修正,但高压电缆终端外绝缘试验电压则需要进行海拔高度换算。根据GB 311.1的规定,对用于海拔高于1 000 m但不超过4 000 m处设备的外绝缘,在海拔不高于1 000 m的地点试验时,其试验电压按规定的额定耐受电压乘以海拔修正因数Ka:

式中H为设备安装地点的海拔高度,m。

8 结语

本文从绝缘配合的基本要求出发,讨论了机车车顶绝缘子、断路器等高压设备外绝缘设计的基本原则,特别说明了海拔高度换算的使用条件。结合目前国内电缆标准和现场使用情况,提出机车用高压电缆应达到的绝缘水平及验收试验方法。分析了机车主变压器的绝缘及其对操作过电压的影响。机车车顶高压设备布置或车内高压室结构都将影响整车的高压电气性能,最终必须经过整车的冲击试验来进行验证。操作过电压试验是了解整车过电压性能的主要手段,通过操作过电压测试,可以掌握机车运行后由于过电压可能带来绝缘失效的潜在风险。

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