高海拔对电力机车车顶高压电气外绝缘的影响及试验电压修正

姜 赞,苏安社,王俊峰,吴荣平

(北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司,北京100176)

我国高海拔地区约占全国总面积的2/3,青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、云贵高原的平均海拔均大于1 000 m。气压、湿度等大气状态参量随海拔高度增加而变化很大,不同地理位置的同海拔地区,各参量也有较大差异。目前我国高海拔地区运行的机车主要是内燃机车,电力机车的应用极少。电力机车通用技术条件规定的使用范围不高于海拔1 400 m[1],所以在制造电力机车及其配件时对海拔高度所造成的影响考虑较少。随着西部铁路建设的发展,电力机车也将在高海拔地区运行,因此分析高海拔对车顶高压电器性能的影响,探讨电力机车在该地区运行时车顶高压电器的选用和试验的修正就很有必要。

电力机车车顶高压电器暴露在空气中,其外绝缘放电电压受大气环境和海拔高度影响较大,大气条件不同,外绝缘破坏性放电电压也会随之变化。因此,当电力机车需要在高海拔运行,其车顶高压电器在低海拔试验室进行外绝缘试验时,就应当对试验电压进行适当修正。

1 海拔对电力机车车顶高压电气外绝缘的影响

大气参数对电气外绝缘放电产生的影响主要包括空气密度、湿度、温度3个方面。空气密度随着海拔的升高而降低;绝对湿度与海拔大致呈指数规律下降;在一定范围内温度随着海拔的升高而降低。大量的研究结果分析表明气温对放电电压影响较小。目前IEC推荐用空气密度和绝对湿度两个参数来表征大气对电气外绝缘放电电压的影响。

气象学统计表明,海拔越高,气压就越低,具体关系如表1。

空气密度降低时,空气中电子的平均自由行程增加,电离过程增强,空气介电强度减弱。随着电力机车运行海拔不断升高,空气密度随之降低,空气介电强度也会下降,必将导致车顶高压电器的外部绝缘强度降低。

表1 海拔与大气压的关系[2]

除空气密度之外,湿度对外绝缘放电电压也有影响,其原因是水分子容易结合电子而形成负粒子,导致电子的自由行程大减,在电场中引起电离的能力也大减。随着湿度的增加,电子与水分子结合而形成负粒子的可能性增大,间隙中的电离过程削弱,从而放电电压增大。电场强度越高,电子运动速度越大,越不易形成负粒子,而电力机车运行过程中,车顶高压电器产生的电场较高,所以湿度的影响较小。因此海拔的升高,致使空气的绝对湿度降低,不利于提高电气设备的外绝缘强度。

2 电力机车车顶高压电气外绝缘试验电压的修正方法

关于外绝缘试验电压的海拔校正因数,有多种计算方法:

通过气象资料查找电力机车将经过的高海拔地区的空气密度和空气湿度参数。按照IEC 60060-1规定[3],实际加于试件外绝缘的电压值U由规定的标准参考大气条件下的试验电压U0乘以Kt求得。

式中K1为空气密度校正因数;K2为湿度校正因数[3]。

式中b和t为试验条件下的大气压力和环境温度;b0和t0为标准大气压力和标准环境温度;K取决于试验电压类型,为绝对湿度h与相对空气密度δ的比率h/δ的函数;指数m和W为空气密度校正指数和湿度校正指数。K、m、W均能在标准中查找,但m和W 应用于海拔2 000 m以上的数据正在研究中,所以IEC 60060-1提出的修正方法目前还不适用于电力机车车顶高压电器在高海拔的应用。

按照GB 311.1规定,以海拔高度1 000 m作为基准点,对用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m处设备的外绝缘,海拔每升高100 m,绝缘强度约降低1%,而对于海拔高于4 000 m的校正方法,目前还没有标准进行明确规定。在海拔不大于1 000 m的地点试验时,其试验电压按标准规定应为额定耐受电压与海拔校正因数KaGB之积[4]。

式中H为设备安装地点的海拔高度,(m)。

根据IEC60694规定,以海拔高度1 000 m作为基准点,对用于海拔高于1 000 m但不大于4 000 m处设备的外绝缘,其海拔校正因数为[5]

式中H为海拔高度,m;M为与电压类型和间隙结构有关的海拔校正因数的校正因子。对雷电冲击耐受电压和工频耐受电压,M=1;对于纵绝缘操作冲击电压,M=0.9;对于相对地操作冲击电压,M=0.75。电力机车车顶高压电气外绝缘试验电压类型仅包括工频耐受冲击电压试验和雷电冲击耐受电压试验,故 M值应取1。

3 人工气候室模拟试验数据与校正结果的分析比较

为了得到数据与IEC 60694和GB 311.1的数据进行比较,采用空气间隙在模拟海拔条件下进行工频放电试验和雷电冲击放电试验。空气间隙采用棒—板间隙,棒为P型棒,棒的放电端头为平头。

参照文献[6]模拟多种海拔条件对P型棒—板间隙进行了工频击穿、雷电冲击击穿试验的试验结果[6]。并在海拔高度为1 067 m的山西大同地区进行试验,对文献[6]的数据进行了补充,其结果如表2和表3。

表2 雷电冲击试验50%放电电压[6]

表3 工频试验50%放电电压[6]

图1是根据表2和表3绘制的不同电气间隙下的雷电冲击或工频耐压50%放电电压同海拔的关系。

图1 50%放电电压同海拔的关系

图1中A对应电气间隙为300 mm,B对应电气间隙为200 mm,C对应电气间隙为190 mm,D对应电气间隙为100 mm。

根据数值分析中线性插值理论,对图1中的4条曲线做3次样条,可以得出每条曲线在海拔高度为1 000 m时对应的4个试验电压值,分别为:192.21,138.21,66.35,43.19 k V。

本文定义的试验修正系数,即海拔高度为N的某点试验修正系数值等于海拔1 000 m得到的试验值除以N的试验值。不同的试验对应的试验修正系数不同,图2是表2和表3各试验的修正系数曲线与K aGB曲线和K aIEC曲线的比较。

图2 试验修正系数曲线与K aGB曲线和K aIEC曲线的比较

图2中,A是根据电气间隙为190 mm时的工频试验得出的修正系数曲线;B是根据电气间隙为100 mm时的工频试验得出的修正系数曲线;C是根据电气间隙为300 mm时的雷电冲击试验得出的修正系数曲线;D是根据电气间隙为200 mm时的雷电冲击试验得出的修正系数曲线;E为KaGB曲线;F为KaIEC曲线。

从图2曲线可以看出:

(1)KaIEC值在海拔1 000 m到4 000 m范围内均大于KaGB值。

(2)在海拔1 000 m到2 000 m范围内,KaGB,KaIEC与各试验曲线比较接近,当海拔大于2 500 m时,KaGB,KaIEC与各试验曲线差距比较大,KaGB,KaIEC要远高于各试验曲线。

按照TB/T 1333.1规定,电力机车车顶高压电气外绝缘工频耐受电压试验的电压值为75 kV,根据KaGB和KaIEC得出的修正值分别为UACGB和UACIEC;雷电冲击试验耐受电压值为170 k V,按照KaGB和KaIEC得出的修正值分别为UIMPGB和UIMPIEC[7]。结果如表4。

表4 不同海拔高度修正结果

当电力机车需要在高海拔运行,而在海拔低于1 000 m的试验室进行车顶高压电气外绝缘试验时,以GB 311.1和IEC 60694规定的修正系数为基础,根据图2所示的试验修正系数曲线与KaGB曲线和KaIEC曲线的关系,推荐按照表5进行试验电压的海拔修正。

表5 推荐实验室修正值

4 结论

(1)在低海拔试验室模拟高海拔外绝缘放电试验时:IEC 60694规定的试验电压高于GB 311.1的规定;在海拔高于2 500 m时,无论是IEC 60694还是GB 311.1规定的修正试验电压都远比由试验得到的修正电压高得多。

(2)当电力机车需要在高海拔运行,而在海拔低于1 000 m的试验室进行车顶高压电气外绝缘试验时,推荐按表5进行试验电压的海拔修正。

[1]GB/T 3317-2006.电力机车通用技术条件[S].

[2]GB 1920-80.标准大气(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.高压输变电设备的绝缘配合[S].

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

[6]田志军.青藏铁路电气化工程电气外绝缘实验研究[M].成都:西南交通大学,2004.

[7]TB/T 1333.1-2002.机车车辆电气设备第1部分:一般使用条件和通用规则[S].