高铁牵引变压器绝缘的介电频谱研究及应用

高铁牵引变压器绝缘的介电频谱研究及应用

单莹辉

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600

摘要：社会经济想要保持稳定的增长，就必须要注重对于铁路网络的建设。这篇文章主要研究的就是高铁动车组的牵引变压器绝缘设备相关情况，以介绍影响频域介电谱的具体因素作为切入点，详细说明了频域介电谱检测的具体流程问题。

关键词：频域介电谱法；不均匀热老化；牵引变压器

引言

牵引变压器绝缘情况对于高铁动车组电力系统的稳定性产生了非常大的影响。在实际的工作中，其绝缘装置非常容易出现老化的问题，所以就需要通过频域介电谱测试来对其状态进行检测，确保高铁动车组的电力供应系统始终处于稳定状态。

一、影响频域介电谱的具体因素

通过实验我们发现，牵引变压器上的油纸在受到绝缘老化以及受潮的影响之后，它的介电特性会发生很大的变化，针对这种特点我们就可以利用频域介电响应测试技术来对其绝缘性进行测试以及诊断[1]。而能够影响测试结果的因素主要有以下几个方面。第一，在恒温的状态下，检测含有不同含水量的油纸绝缘频域介电响应，发现含水量与频域介电波谱具有良好的相性，特别是对于绝缘低频部分的数据能够产生比较大的影响。第二，在研究绝缘频域介电波谱在不同老化条件下的表现状态时发现，如果频率低于100Hz，介损角的正切值随着老化程度的加剧而增加，同时实验对象的FDS曲线与样品中的含水量呈现出正相关的关系。第三，在研究其与不同的加速热老化处理的关系过程中，观察到在低频率下，样品老化状态对于介电响应能够产生巨大的影响。

二、不均匀热老化的影响

（一）不均匀热老化的原理

由于牵引负荷具有很强的冲击性，当高铁动车组经过的时候，短期负荷迅速提高，最高可以达到可定容量的三倍，因此绕组的温度会在很短的时间内迅速攀升，但是与之相关的绝缘油的温度上升却比较缓慢，正是由于这个问题才导致了高压绕组与低压绕组间温度分布不均匀的问题[2]。为了详细分析这种不均匀热老化对于变压器绝缘能力的影响，要进行油纸绝缘介电不均匀老化实验。

（二）实验具体流程

本次实验采用的是IDAX-300型频域介电响应分析设备，测试时运用的频率被控制在10-3～103Hz这一区间内。并且提供了老化10天、老化20天以及未老化三组样本，并分别标注为A、B、C样本，按照有序组合的方式开始四项实验。第一个实验是选择A、B、C样品放置在蒸馏水中一天，并且每八小时进行一次换水。然后将样品放置于恒温箱中干燥三天，使得样品中的含湿量低于0.5%，最后在放置在变压器新油中，并且在恒温箱中放置一天，放置结束后对其进行检测。第二个实验是选择A、B两种样本放置在干燥箱中两天，然后在放置于变压器绝缘新油中，在恒温箱中放置一天再进行测试。第三个实验是选择A、B、C三种样品放置于干燥箱中两天，然后将样品充分暴露在70%RH湿度的环境中，十天之后再对样本的含水量进行检测，并且在恒温箱内以浸油的状态放置六个小时，最后同时进行水分测试以及介电响应测试。第四个实验是将绝缘油放置于70%RH湿度的环境中十天，当绝缘油的水分含量达到63μg/g是，将A、B、C三个样品浸入绝缘油中，并且在恒温箱中放置三天，待放置工序结束之后再进行测试。

（三）实验结果分析

在对实验一的结果进行分析后发现，老化状态分布均匀的样本与不均匀热老化样本的相对复介电的常熟实部与虚部在规定的频率范围内分布相等，并没有表现出明显的差异。而实验二中老化状态分布均匀的样品介电常数实部和虚部的变化曲线在1～10Hz这一区间内一致，同时均匀老化与不均匀老化样本之间存在着较为明显的差异。而实验三的结果表明，当干燥的不均匀老化样品处于潮湿环境中，老化的严重程度与其含水量成正比，同时老化均匀的样本介电常数实部与虚部的函数曲线伴随老化程度的加剧而向高频方向发展，且不均匀与均匀老化样本之间存在着很大的差异。第四个实验中，样本在受潮后放置在绝缘油中，当其达到水分含量平衡之后，老化的严重程度与含水量呈现出负相关的特点。

三、油纸绝缘低频介电模型

（一）介电谱低频区域产生弥散现象的原理

牵引变压器绝缘状态的改变对于油纸绝缘介电谱的低频区域有着行业内大的影响，这种影响能够更为直观地反映出油纸实际的绝缘能力，研究的过程中，在其介电谱的低频部分发现了弥散现象，通过进一步的观察与研究，这种弥撒现象的发生原理主要可分为两类。一方面是因为该响应的本质是一种电化学反应，当离子进行分解以及复合的时候会形成离子电流，进而产生弥散。另一方面就是在电场的作用下，离子产生了浓差极化，继而引起低频交流导电的变化，因此在低频区域出现弥散[3]。这种弥散现象会对判断油纸绝缘状态产生阻碍，因此必须要对其低频介电响应进行更为深入的研究。

（二）油纸绝缘频域介电响应测试结构分析

首先，在测试的过程中，电极间的正离子浓度分布与负离子浓度分布处于对称的状态，正、负离子的浓度在电极附近由低于装置内部正离子浓度的状态逐渐增加，并且以先大梯度增加后小梯度增加的方式增长，直至与本体的离子浓度持平。其次，测试中的载流子来源主要为杂离子的复合、电离所产生，因此组建载流子方式以及分布模型具有很高的实用价值。最后通过组建低频介质响应模型，对于油纸的介电参数进行测试，所得到的结果与测试的数值相吻合。这就说明构建介电方程能够准确地表明频率介电响应中低频区域的参数，降低了该区域发生的弥散现象对于测验结果的干扰[4]。

四、结束语

对于牵引变压器的绝缘工作来说，油纸绝缘是最为重要也是最为主要的一种方式。可以说油纸绝缘状态的好坏对于牵引变电器能否稳定运行起到了决定性的作用，因此要采用频域介电响应技术对其进行研究，通过实验分析出影响油纸绝缘性能的主要原因，确保高铁供电系统的稳定性。

参考文献

[1]贾焕鹏.介电频谱法测试油纸绝缘系统模型的研究[J].科学之友,2013(4):1-3.

[2]陈民武,尚国旭,智慧,等.高速铁路牵引变压器容量与配置方案优化研究[J].中国铁道科学,2013,34(5):70-75.

[3]吕玮,吴广宁,周利军,等.采用介电频谱法分析评估油纸绝缘的微水质量分数[J].高电压技术,2010,36(12):3015-3020.

[4]陈浩,高福来,黄健,等.牵引变压器温升试验研究[J].铁道技术监督,2017,45(9):27-29.