对轨道交通行业电压互感器使用安全的探讨

关琼琼++赵兴亮++郭翼翔

摘 要：电压互感器可以将高压与电气工作人员隔离。一旦电压互感器出现异常，造成的直接危害是计量不准确，给使用企业带来经济损失。由于多数电压互感器长期户外运行，多会发生绝缘降低等诸多问题，严重时更会造成击穿而导致燃烧爆炸，因此就需要定期计量并更换新的电压互感器。本文对形成此现象的原因进行了深入的分析并提出了改进措施。

关键词：电压互感器；安全；击穿

中图分类号：U239.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0038-02

1 现状介绍

将电能从电力系统传送到电力机车的电力设备，总称为电气化铁路的供电系统。牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网两部分。发电厂（1）发出的电流，经升压变压器（2）提高电压后，由高压输电线（3）送到铁路沿线的牵引变电所（4）。在牵引变电所里把电流变换成所要求的电流或电压后，经馈流线（5）转送到邻近区间和站场线路的接触网（6）上供电力机车使用。如图1所示。

对于轨道交通行业的不同企业，其采用的电压互感器型号及规格不同。传统电压互感器根据原理不同可分为电磁式互感器、电容式互感器、电子式互感器及光学互感器；根据使用地点及使用电压不同可分为35kV及以下多制成户内式、35kV以上则制成户外式；按绝缘介质可分为干式、浇注式、油浸式和充气式。我国传统电力机车用电压互感器一般为干式电磁式电压互感器，牵引变电所用电压互感器通常为油浸式。

2 原因分析

互感器发生故障原因主要有绝缘故障、机械故障、电气故障、发热故障等四大类，它们反映了互感器在多种应力综合作用下的故障根源。这些原因可进一步分为绝缘结构不良、绝缘处理不当、绝缘材质不佳、水分与杂质的侵入、过电流过电压，具体原因其中大部分缺陷都可导致局部放电与局部过热，使油与绝缘分解。分解的结果，又可使局部放电与局部过热加剧，造成恶性循环，导致油与绝缘材料的性能再度下降，进而发生互感器内部绝缘的闪络与击穿，最终导致互感器故障，包括互感器爆炸、强迫停运与不能维持其正常运行的所有其他故障。这是一条导致互感器故障的基本通路。此外，还有两条通路，一条是由于外部环境脏污（尘埃、盐雾、游离气体等），经长期积累，造成互感器外部闪络，导致互感器故障；另一条是由于人为的或自然的破坏或系统过电压与水分的直接侵入，也可即时导致互感器故障。这三条故障通路与其相关故障的原因、发展和后果形成了如附图所示的互感器的故障发展形态。如图2所示。

根据上述调查结果，轨道交通行业电压互感器故障特点，是随着高速列车行驶速度的提高，车顶高压电压互感器的使用状态发生了变化。不同的体积结构在复杂多样的行驶环境下受到的空气阻力不同，速度越高越可能发生震动，而接触网导线不平顺及受电弓震动更加剧了这种震动。在动车及高铁的行驶速度下，弓网电弧频繁发生，会造成谐振过电压，而频繁过电分相更提高了绝缘故障发生的概率。

传统式电磁互感器也有其设计上的缺陷，油浸式电压互感器体积笨重且存在漏油爆炸风险。干式电压互感器用树脂取代了油作为绝缘介质，减小了体积重量，但产生了容易开裂等风险。在高压系统中局部放电频繁且原因众多，难以排查的情况下，绝缘材质中产生气泡或在机械振动及热胀冷缩下产生开裂，都会造成局部放电。长期微弱的局部放电将造成绝缘老化，最后可能导致整个绝缘体在正常使用电压下发生击穿。局部放电也会造成互感器线圈中绝缘漆温度缓慢上升，由于外层树脂材料的阻隔热量无法及时散出，造成绝缘漆融化，并最终击穿短路导致互感器炸裂。

3 解决方案

3.1 研制新一代光纤电压互感器

传统电磁变压器设计缺陷及材料特性限制都是其固有缺陷，無法根本消除。因此有必要研制新型电压互感器，光学电压互感器便应运而生。光学电压互感器测量原理基于pockels效应（一级电光效应）和Kerr（二级电光效应）以及逆电压效应。其有以下优点：

（1）优良的绝缘性能；（2）不含铁芯，消除了磁饱和铁谐振等问题；（3）抗电磁干扰性好，低压侧无开路和短路危险；（4）暂态响应范围大，测量准确度高；（5）频态响应范围宽；（6）没有易燃易爆等危险；（7）适应了电力计量与保护数字化计算机化自动化和智能化的发展。

目前国内已有部分厂家生产出了特定型号的光学互感器，但仍存在温度与振动对传感头影响较大、电光晶体易受温度与应力影响、温度补偿算法不能在整个动态范围内进行精确补偿及精密光路器件的固定加工成本较高等诸多问题。光学互感器相比传统电磁互感器有着广阔的发展空间与应用场合，但目前技术研究与应用累计还有待加强。

3.2 进行局部放电的现场测试

对于干式电压互感器，通过局部放电试验能有效地发现固体绝缘内部的裂纹和残留气泡等缺陷，以前由于相关的试验标准和规程没有要求对列车组干式互感器进行局部放电试验，只是通过交流耐压试验来检查设备的好坏，结果发现绝大部分设备都是合格的，而且投入运行的列车组干式互感器初期发生爆炸的现象也很少。但是随着运行时间的延长，一部分存在气泡或裂纹缺陷的设备开始出现爆炸事故。

一些绝缘常规试验，如介质损耗角正切、绝缘电阻、泄漏电流等均不能有效发现设备的局部放电缺陷。而进行工频耐压试验时，所施加的电压高出其额定工作电压数倍，通常情况下该试验可以发现很多绝缘材料的缺陷，尤其对局部缺陷效果非常明显，但是也有相应的弊端存在，即试品在进行耐压试验时可能会给其绝缘带来一定损伤，影响它的绝缘性能。

局部放电试验的试验电压为1.2倍设备最高电压，该等级的试验电压不会损坏电压互感器的绝缘性能，通过对互感器进行局部放电试验可以判定其绝缘质量，相对来说这是一种非破坏性的试验。相对于工频耐压试验，局部放电试验具有较高的灵敏度，对于即将投入运营或正在运营的列车组，对其电压互感器局部放电进行检测，并采集和分析其测试数据，掌握其局部放电状态与绝缘老化程度，再决定是否需要维修更换。

3.3 对绝缘油气体进行色谱分析

定期对油浸式电源互感器进行气相色谱分析，以绝缘油中特征气体含量的数量及比值来判断设备的好坏。根据互感器内部析出的气体含量，分析设备潜伏性故障，特别是对过热性、电弧性和绝缘破坏性故障等都能有很好的反映。实践证明，利用气相色谱分析法，对油浸式电压互感器进行内部潜在性放电故障早期预报，是一种行之有效的方法，利用气相色谱分析诊断故障，结合电气试验、设备运维等情况进行综合分析，可较确切地判断故障类型和故障部位。

4 结语

高速铁路的发展，给轨道交通行业用电压互感器提出了更高的要求，本文综合介绍并分析了轨道交通行业内电压互感器的现阶段应用原理及故障原因，并对如何保证电压互感器正常工作提出了几点建议，有助于保障电压互感器的安全运行。endprint