动车组高电压设备布局电气安全性能分析

动车组高电压设备布局电气安全性能分析

葛士清,王仁军,孙渤

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省   青岛市  266000

摘要：伴随着中国铁路跨越式发展，运营速度越来越快，动车组高压设备的安全性问题也随之而来。列车运行中，高压系统一旦出现问题就会造成车毁人亡，因此高压系统的稳定性和安全性直接影响着车辆运行安全。本文结合高速综合检测车现车安装环境，对车顶高压电气设备布局的安全性进行了分析和优化。

关键词：动车组运行；高压安全试验；设备布局

目前动车组高压系统设备检修规程主要针对高压设备的外观、动作状态等进行检修，大修方式采用更换的方法。因此车辆运用部门需建立高压系统设备基于设备状态的相关试验手段，并结合人员的培训，形成成熟的高压绝缘事故处置办法，避免因为应急处置经验欠缺对动车组高压设备的长期运营产生负面影响。

1动车组高压系统的布局

中国铁路高速列车即CRH这一系列的动车组高压系统主要采用欧式和日式这两种方案，其中CRH2型动车组为日式技术方案的优秀代表。该型号动车各车厢内主要使用高压电缆来连接各高压设备，车载断路器以及避雷器安装在靠近车载变压器的高压设备箱内。CRH2型动车组采用4动车4拖车的编组形式，在4号车和6号车顶设置受电弓、电压互感器等设备，2号车及6号车下装有高压设备箱和车载变压器。

2高压设备典型故障状态修诊断性试验

诊断性试验是为进一步评估设备状态进行的试验，通过巡检、在线监测、例行试验等发现状态不良，或经受了不良工况，或受家族缺陷警示，或连续运行了较长时间的设备。根据诊断性试验来确定高压设备的状态情况是较好的方式，需要归纳性的应用和实践。

2.1真空断路器的诊断性试验

真空断路器的诊断性试验包括灭弧室真空度测量和交流耐压试验。（1）灭弧室真空度的测量。按设备技术文件要求或受家族缺陷警示进行真空灭弧室真空度的测量，测量结果应符合设备技术文件要求。（2）交流耐压试验。对核心部件或主体进行解体性检修之后，或必要时进行本项试验。包括相对地合闸状态、断口间分闸状态2种方式。试验电压为出厂试验值的80%，频率不超过400Hz,耐压时间为60s,试验方法参考GB/T11022一2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》。

2.2金属氧化物避雷器诊断性试验

金属氧化物避雷器诊断性试验主要是测量工频参考电流下的工频参考电压，诊断内部电阻片是否存在老化，应进行本项试验。方法和要求参考GB/T11032一2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》。

2.3高压电缆诊断性试验

高压电缆诊断性试验包括铜屏蔽层电阻和导电体电阻比试验、介质损耗因数测量以及电缆主绝缘交流耐压试验。（1）铜屏蔽层电阻和导体电阻比试验。需要判断屏蔽层是否出现腐蚀时，或者重做终端、接头后进行本试验。试验是在相同温度下测量铜屏蔽层和导体的电阻，并确认屏蔽层电阻和导体电阻之比无明显改变。比值增大，可能是屏蔽层出现腐蚀；比值减小，可能是附件中的导体连接点的电阻增大。(2)介质损耗因数测量。未老化的交联聚乙烯电缆(XLPE),其介质损耗因数通常不大于Q001。介质损耗因数可以在工频电压下测量，也可以在0.1Hz低频电压下测量，测量电压为U。。同等测量条件下，如介质损耗因数较初值有明显增加，或者大于0.002时，需进一步试验。(3)电缆主绝缘交流耐压试验。采用谐振电路，谐振频率应在300Hz以下，试验电压为2.0U。，时间为5min。如试验条件许可，宜同时测量介质损耗因数和局部放电。新做终端、接头或受其他试验项目警示需要检验主绝缘强度时，也应进行本试验。

3影响车顶高压设备布局绝缘性能的因素

车顶高压设备位于2/7车，如图所示，主要包括受电弓、集成主断路器（包括接地开关、主断路器、浪涌保护器、电流互感器）、浪涌保护器（避雷器）、电压互感器、高压连接电缆。高压电气系统从高压接触线路采集25KV电流，为整车提供动力，并对高压系统进行控制、检测和保护。动车正常运行时，受周围环境影响（风尘、导电离子等），使车顶高压设备的绝缘性能造成影响，其中对绝缘性能影响较大的因素如下：（1）受电弓与接触线间的空气间隙；（2）受电弓与车体间的空气间隙；（3）受电弓支撑绝缘套管的沿面闪络；（4）浪涌保护器、电压互感器、高压连接电缆、绝缘支撑套管等的沿面闪络；（5）相邻两车间的高压连接线与车体间的绝缘间隙。

4车顶高电压设备布局分析

动车运行条件，决定了列车空间有限，不能像其他电气系统根据运行环境决定绝缘水平，只能利用增大放电间隙的方式来保护整个高压系统，来达到车顶绝缘配合的要求。电气间隙的确定，一般基于预期的过电压（过电压类别）和电气工作环境（污染等级）。根据高速列车工作电压和过电压水平，其额定冲击电压为170KV，最小电气间隙为310mm，因此电气设备的高压端与地的电气间隙不应小于310mm。车顶高电压设备包括：受电弓、电流互感器、集成主断路器、车顶高压电缆及附件（包括接线座、连接头）。下面针对高压设备及其绝缘措施进行详细分析。

4.1受电弓绝缘状况分析

受电弓与车体间的绝缘主要有支撑绝缘高压套管、空气间隙。

根据结构尺寸可知，受电弓与车顶间的最小间隙为310mm，根据前述绝缘布局条件分析可知，该间隙能够满足系统工频耐受强度要求。该绝缘完全靠空气隙绝缘，由于受电弓底部的矩形框采用的是40mm的钢条，宽度较宽，电场分布比较均匀，因此它与车顶间隙可近似等效为“棒-板”电极来处理。根据间隙大小和矩形框钢条宽度,50%冲击耐压为：

牵引供电网电压峰值一般为35-40kV，考虑2.5倍的过电压，其峰值约为87-100kV，因此该间隙也能够承受冲击电压的要求。

（2）高压套管绝缘性能分析

高压套管上下端间距为355mm，满足气隙不小于310mm的要求，因此高压套管两端的气隙耐压完全能够达到要求。对于高压套管，造成绝缘击穿的主要原因为沿面闪络，且该闪络电压比空气隙击穿电压低得多。下面主要针对其沿面放电特性进行分析。根据受电弓支撑绝缘子结构可知，其表面爬距约为1005mm。受电弓工作电压的有效值为27.5kV，因此其爬电比距为：

该值大于最小爬电比距25mm/kV，因此该绝缘子沿面距离也能够达到要求。

4.2电流互感器绝缘状况分析

电流互感器被封闭在一个高压绝缘套管内，工作电压与受电弓相同，高压绝缘套管的参数与受电弓支撑绝缘套管相同，因此，其气隙耐压和沿面闪络耐压值均能满足要求。

4.3车顶高压电缆及附件绝缘状况分析

高压绝缘接线支座结构如图7所示，其沿面爬距约1040mm，其爬电比距为：

满足爬电比距不小于25kV/mm的要求。高压端对地的高度305mm，虽小于最小电气间隙310mm，但采用为高耐压的陶瓷材料（陶瓷体绝缘度可达80KV/cm），能够满足系统要求。

5结语

目前由于对高压设备运行状态缺少试验分析手段，需根据设备状态进一步确定维护和检修方法；日常进出库检修难以发现高压设备的潜在缺陷，检修效果无法满足实际运营需求。本文通过一系列的测试分析，高压设备在断电后，电容等储能元件存在残存电荷，但放电时间很短。对主回路的接地操作，为作业的安全性提供了保障。

参考文献：

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