【導(dǎo)讀】HXD機(jī)車高壓電壓互感器故障分析及其改進(jìn)，師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。有助于進(jìn)一步了解機(jī)車的工作性能和優(yōu)勢。的防范不但對電壓互感器本身的發(fā)展有益，同時為機(jī)車的正常運行奠定了基礎(chǔ)。但是由于是第一批投入使用HXD型機(jī)車的鐵路局。而且隨著機(jī)車的引進(jìn)和換代，電壓互感器并沒有跟上腳步，而是將以前直流。引進(jìn)HXD型機(jī)車后高壓互感器由于諧波產(chǎn)生的故障頻繁發(fā)生。

　　

【正文】 電線路上的電感電容與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成的串聯(lián)回路或并聯(lián)回路發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振產(chǎn)生的諧波過電壓、過電流對相關(guān)設(shè)備的危害性較大，諧波電壓升高、諧波電流增大都會引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動損壞設(shè)備。 過電壓對電壓互感器的危害 在機(jī)車運行時一般電壓都不會超過絕緣等級的規(guī)定電壓。但是機(jī)車過分相時就容易出現(xiàn)電弧，進(jìn)出分相就會形成兩次電弧。電弧嚴(yán)重就產(chǎn)生了過電壓。而過電壓會使高壓互感器產(chǎn)生高溫， 高溫的長時間作用會使得絕緣層老化。這時電壓互感器不會是一個穩(wěn)定的狀態(tài)，擊穿電壓也會變得不是固定值。但是如果輸入互感器的電壓值超出了互感器的絕緣等級，就會引發(fā)匝間擊穿。 第 24 頁 本章小結(jié) 本章是通過分析諧波產(chǎn)生的因素及危害分析出諧波對于電壓互感器的影響。 發(fā)電質(zhì)量不高，從電網(wǎng)源頭就產(chǎn)生了諧波。輸配電系統(tǒng)中，在傳輸配電環(huán)節(jié)也會將有諧波的電傳輸給用電設(shè)備。用電設(shè)備自身就在運行中產(chǎn)生了諧波。再生制動是指機(jī)車制動時牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，把動能轉(zhuǎn)化為電能回饋到電網(wǎng)儲存起來或者供給其它負(fù)載使用，但是由于這些負(fù)載的電流 不隨電壓同步變化，使電網(wǎng)中電流非正弦，從而產(chǎn)生諧波使電網(wǎng)電壓失真。對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加損耗和轉(zhuǎn)矩都會產(chǎn)生影響。對變壓器和輸電線路也會產(chǎn)生影響。機(jī)車過分相時就容易出現(xiàn)電弧，進(jìn)出分相就會形成兩次電弧。電弧嚴(yán)重就產(chǎn)生了過電壓。而過電壓會使高壓互感器產(chǎn)生高溫，高溫的長時間作用會使得絕緣層老化，就容易引發(fā)匝間擊穿。 第 25 頁 第 5章 諧波治理 所謂諧波的治理就是指采用一定的方式方法減少或者消除系統(tǒng)中的諧波電流，從而將諧波電壓控制一定的范圍內(nèi)，不能最電網(wǎng)電壓造成較大影響。 降低諧波源的諧波含量 從源頭上減少或消除諧波能在很大程度上提 高電網(wǎng)的質(zhì)量，并且能夠最大程度的節(jié)約因為消除諧波而對設(shè)備進(jìn)行檢測、維護(hù)、優(yōu)化而產(chǎn)生的成本，大大節(jié)省了消除諧波影響而產(chǎn)生的費用。在源頭上減少或消除諧波影響主要可以從如下幾方面實現(xiàn)： （ 1）增加整流器的脈沖數(shù)。電網(wǎng)中的主要諧波源之一是整流器，由它的特征頻譜 n=Kp177。 1,可知 n 隨脈沖數(shù) p的增加而增加，而由 In≈ I1/n 知，諧波電流將隨脈沖數(shù)的增加而減少。因此增加整流器的脈沖數(shù)可以平滑電流電壓波形，減少諧波含量。 [2] （ 2）采用 PWM 脈寬調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制。通過改變載波比在所需的頻率周期內(nèi) ,將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬 的交流輸出電壓脈沖也能有效的治理諧波。 [2] （ 3） 變壓器采用 Y/? 或 ?/ Y 的接線方式。當(dāng)同一段母線向兩臺及以上整流變壓器供電時 , 將變壓器一次側(cè)繞組分別交替接成 Y 型和△形 ,能夠使 5 次、 7 次諧波相互抵消 ,從而有效的降低諧波影響。而剩下的 11 次、 13 次諧波由于頻次高 ,幅值小 ,其危害性很小可以忽略不計。而這種接線也可以有效的消除 3 的倍數(shù)次 的高次諧波 ,改變變壓器三相繞組的接線方式是抑制高次諧波的最基本的方法之一。 [1] 濾波器濾波 無源濾波器 無源濾波是一種普遍且經(jīng)濟(jì)有效的治理諧波的方法。只要通過調(diào)節(jié)無源濾波器中的電容和電感的參數(shù)就可以對其進(jìn)行調(diào)控，將具體的某次諧波或者某段頻率范圍內(nèi)的電壓電流諧波呈現(xiàn)出低阻抗通道，進(jìn)而把諧波導(dǎo)入地下，避免諧波對回 第 26 頁 路的影響。 根據(jù)無源濾波器濾波方式的不同可以將其大致分為單調(diào)諧、雙調(diào)諧、三調(diào)諧、高通調(diào)諧濾波器和失諧濾波器等。如圖 51所示為常用的幾種濾波器的接線方式，其中（ c）（ d）均屬 于高通濾波器： CLR1C1L1R2C2L2R 3RCL R 1C2CLR（ a ） 單 調(diào) 諧 濾 波 器（ b ） 雙 調(diào) 諧 濾 波 器（ c ） 二 階 高 通 濾 波 器( d ) C 型 濾 波 器 圖 51 常用接線方式 利用無源濾波器的濾波原理，結(jié)合各濾波器的接線方式及濾波性質(zhì)可以得到新型的電壓互感濾波電路濾掉多次諧波。如圖 52 所示為電壓互感器的接線圖： 3R5R7R3L5L7L3C5C 7C2 5 k V1 A P 5 0 H zT V3 次 5 次7 次 圖 52 電壓互感器濾波電路 其中電容器數(shù)值計算方式為： ? ?20/ CNCN UQC ?? （ 51） 式中 CNQ 表示額定無功功率， 0? 為基波角速度， CNU 是額定電壓。 電抗器數(shù)值計算方式為： ? ?CnL 202/1 ?? （ 52） 第 27 頁 式中 n 為諧波電流次數(shù)。 電阻數(shù)值計算方式為： QLnQXR L // 0??? （ 53） 式中 Q 為濾波器的品質(zhì)因素， Q 的取值范圍為 30Q100。 采用有源濾波器濾波 有源濾波器是利用可控器件給電網(wǎng)輸入與原有諧波電流幅值相同、相位相反的電流，使諧波電流與通過可控器件輸入的電流完全抵消。有源濾波器與無源濾波器相比具有很多優(yōu)越的特點： (1)補(bǔ)償方式十分靈活，響應(yīng)速度快，對絕大多數(shù)情況下的諧波都能進(jìn)行實時補(bǔ)償。 (2)有源 濾波裝置以一個含高阻抗的電流源的形式存在于電路中，不會對系統(tǒng)原有的阻抗產(chǎn)生影響。 (3)有源濾波器結(jié)構(gòu)相對獨立，幾乎不會受外界阻抗影響，也不會和電網(wǎng)形成諧振回路并且對串聯(lián)諧振有抑制作用。 (4)有源濾波器可以對高次諧波電流和非整數(shù)倍的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，并且可以同時對單個或多個諧波源進(jìn)行補(bǔ)償，大大的提高了濾波器的工作效率。 (5)有源濾波器在諧波電流發(fā)生突變時不會過載，不需要與回路斷開仍然能夠保持正常工作。 有源濾波器接在電壓互感器中就相當(dāng)于一個受電壓控制的電壓源，它能夠自動檢測電源電壓中的諧波電壓 分量，產(chǎn)生與一個幅值相同相位相反的附加電壓信號以實現(xiàn)系統(tǒng)與諧波的隔離，使電源的端電壓恢復(fù)成正弦波形。如圖 53 所示為其接線方式圖： 第 28 頁 2 5 k V 5 0 H z1 A PT V有 源 濾 波 器 圖 53 有源濾波器串聯(lián)接線方式 無源濾波器 雖然 因為其效率高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，但是它的 工作 特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，在投入使用的過程中出現(xiàn)了很多問題。它只能對特定的幾次諧波進(jìn)行消除，而對其它次諧波無能為力，甚至?xí)鸱糯笞饔靡灾鲁霈F(xiàn)諧振現(xiàn)象 ，這樣的濾波裝置早晚會被性能更加優(yōu)越的濾波裝置取代。在電力電子技術(shù)大力而迅猛發(fā)展的今天 ， APF 以其獨有的高 度可控性和快速響應(yīng)性成功取代了無源濾波器在配電網(wǎng)上的位置。它除了能補(bǔ)償各次諧波、抑制閃變、補(bǔ)償無功等功能外，還有一機(jī)多能的特點，性價比相對較高 ，最重要的是 APF 的濾波特性不會受到系統(tǒng)阻抗的影響， 能夠 很好的 消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，具有超強(qiáng)的自適應(yīng)功能，能夠自動跟蹤并補(bǔ)償變化著的諧波。 目前，在我國僅對低壓有源濾波技術(shù)有所涉獵的時候，國外的高壓有源濾波技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。有源濾波技術(shù)作為改善 電網(wǎng) 電能質(zhì)量的關(guān)鍵， 它的 應(yīng)用范圍將從補(bǔ)償 改善 自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展， APF 在 我國的發(fā)展前景不容小覷。 圖 54 有源濾波器 APF 原理圖 第 29 頁 加裝靜止無功補(bǔ)償裝置 在電力機(jī)車諧波源快速變化的過程中，諧波源除了產(chǎn)生諧波影響電網(wǎng)電壓外往往還會引起供電電壓的波動，造成系統(tǒng)三相電壓不平衡、對稱，快速變化的諧波源嚴(yán)重影響了公用電網(wǎng)的質(zhì)量為電網(wǎng)供電帶來很多不必要的麻煩。為了有效的解決這一問題，通常選擇給諧波源并聯(lián)裝設(shè)一個靜止無功補(bǔ)償裝置來減小波動的諧波量，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置不但能解決上述問題還能有效的抑制電壓波動、電壓閃變、并且能夠有效的補(bǔ)償功率因 子。 改善供電環(huán)境 在治理諧波影響的時候，除了對諧波源的諧波進(jìn)行處理和對諧波進(jìn)行濾波外，改善供電的環(huán)境也是十分必要的。選擇合適并盡可能三相對稱平衡的供電電壓可以有效減小諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響；或者選用較大容量的供電點（高一級的電網(wǎng)電壓）對諧波源供電也能夠有效增強(qiáng)電網(wǎng)承受諧波的能力；采用專門的線路對諧波源負(fù)載進(jìn)行供電能夠有效減少諧波對其他負(fù)載的影響的同時也有助于集中治理和消除高次諧波。 本章小結(jié) 由于諧波會對鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生諸多的影響和危害，所以采取什么樣的方法來治理產(chǎn)生的諧波就是本章所進(jìn)行描述的。本章說 明了幾種處理諧波的方法，可以降低諧波源所產(chǎn)生的諧波含量。這種方法可以最直接的進(jìn)行諧波治理。也是最經(jīng)濟(jì)實用的。 無源濾波是一種普遍且經(jīng)濟(jì)有效的治理諧波的方法。只要通過調(diào)節(jié)無源濾波器中的電容和電感的參數(shù)就可以對其進(jìn)行調(diào)控，將具體的某次諧波或者某段頻率范圍內(nèi)的電壓電流諧波呈現(xiàn)出低阻抗通道，進(jìn)而把諧波導(dǎo)入地下，避免諧波對回路的影響。 APF 以其獨有的高度可控性和快速響應(yīng)性成功取代了無源濾波器在配電網(wǎng)上的位置 ， 在我國的發(fā)展前景不容小覷。 第 30 頁 第 6 章 潛伏性故障的判斷及技術(shù)改進(jìn) 本章內(nèi)容是結(jié)合現(xiàn)場工作的經(jīng)驗得出的一些對 電壓互感器潛伏性故障的判斷，并通過經(jīng)驗總結(jié)出的一些技術(shù)改進(jìn)和防范措施。根據(jù)變壓器油的一些物理、電氣、化學(xué)性能指標(biāo)檢測結(jié)果和溶解氣體的色譜分析，對電壓互感器存在的一些潛伏性故障提供了判斷依據(jù)并對電壓互感器的可靠性進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。 電壓互感器潛伏性故障判斷 通過現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)得出的電壓互感器潛伏性故障判斷方法主要有以下幾種： （ 1）對變壓器油的電氣、物理和化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢查可以判斷高壓電壓互感器是否出現(xiàn)故障。測得的 變壓器油的 性能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量指標(biāo)相符合 并不代表就不存在隱含問題 ， 我們必須學(xué)會從這些指標(biāo)中觀 察出隱藏的故障與危險才能進(jìn)一步保證機(jī)車的正常運行。指標(biāo)在 擊穿電壓降低 、 閃點溫度降低 的時候， 酸值測定的結(jié)果 卻 提高， 則可能是因為 該電壓互感器的內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了潛伏性過熱 甚至 還伴隨著電暈、電弧放電、火花等故障。 在發(fā)現(xiàn)這些問題的時候必須嚴(yán)謹(jǐn)對待， 對電壓互感器所使用的油進(jìn)行溶解氣體氣相的色譜分析 可以判斷電壓互感器的潛在故障是否更加嚴(yán)重 。 （ 2）電壓互感器所使用的油會因為溫度的變化而產(chǎn)生不同的氣體，因此我們可以根據(jù)故障點的溫度來判斷電壓互感器的故障是否嚴(yán)重。對溫度進(jìn)行實時檢測能夠避免故障發(fā)展得越來越嚴(yán)重以致出現(xiàn)爆炸等不可 挽回的后果。 故障點溫度計算公式： 5 2 5lg3 2 2 426242 ??? HCHC HCT （ 61） 絕對產(chǎn)氣速率計算 公式 : ?mtccv iia ???? 12 （ 62） 相對產(chǎn)氣速率計算公式： 1001)( 1 12 ????? tc ccv i iir ％ （ 63） 第 31 頁 電壓互感器技術(shù)改進(jìn) SF6 氣體絕緣 通過對改善電壓互感器的絕緣技術(shù)來改善電壓互感器的性能也是一種非常有效的手段。改善絕緣技術(shù)實際上就是對絕緣材料進(jìn)行改變或改進(jìn)來提高互感器的絕緣性能。而新型的絕緣材料是改善絕緣性能的有效著力點， SF6 是一種不燃、無毒、無臭、耐高 壓的惰性氣體，除了具有這些優(yōu)越的化學(xué)性質(zhì)外還有 很強(qiáng)的滅弧能力 和 很好的絕緣性能 ，非常符合電壓互感器對絕緣材料的選擇要求 。 只要在 SF6 氣體內(nèi)不出現(xiàn)局部放電 的情況，材料的 絕緣 性能 就不會老化 ；就算出現(xiàn) 內(nèi) 部絕緣故障也不 會 存在氣化現(xiàn)象 有很強(qiáng)的穩(wěn)定性 。 因為 SF6 這些優(yōu)越的性能，它成為目前 最佳的絕緣材 料 。 在國外 , SF6 在 高壓互感器的研究 中已經(jīng)存在了一段時間并且占據(jù)了相應(yīng) 的歷史 地位。同樣國內(nèi)也 已經(jīng)完成了樣機(jī)試制 并對 SF6 的性能進(jìn)行了實驗， 實踐表明 ，采用 SF6 的電壓 互感器的體積小 、 重量輕 、 具有良好的絕緣性能 。在高壓放電時，由于 氣體的可壓縮性產(chǎn)生的壓力相當(dāng)?shù)筒⒖捎脡毫︶尫牌鬟M(jìn)行有效的控制 ， SF6 互感器 是一種 能夠 防爆的高可靠 性 互感器。可以預(yù) 見的是，在不久的將來 高可靠的 SF6 絕緣高壓互感器將會代替一部分油浸式 高壓互感器 。將 SF6高壓互感器與 SF6 斷路器配套使用的 更能體現(xiàn)出它顯著的優(yōu)越性。 電子式互感器 隨著鐵路系統(tǒng)的大力發(fā)展，輸變電系統(tǒng)規(guī)模不斷變大所供給的電壓也變得很高，為了滿足目前的發(fā)展趨勢，就要對現(xiàn)在機(jī)車所使用的互感器高規(guī)格要求。以前的互感器有以下缺點： （ 1）電網(wǎng)所供給的高電壓會使互感器處于高溫狀態(tài)，為了滿足熱穩(wěn)定性設(shè)計出的電壓互感器就會很大很笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)、檢修時也會很麻煩。 （ 2）電磁式電壓互感器由于自身的工作原理就會引發(fā)鐵磁諧振，產(chǎn)生危害。 （ 3）電纜會發(fā)生耦合產(chǎn)生電磁干擾。 （ 4）油浸式的絕緣結(jié)構(gòu)，由于