HXD2B机车电压互感器故障原因分析及对策措施

薛伟锋 中国铁路上海局集团公司南京东机务段

2010年初，上海铁路局南京东机务段开始配属使用HXD2B型电力机车，一直在南京东至济南西、南京东至蚌埠东、南京东至南翔货运交路，在京沪线的货物运输中发挥了重要的作用；在客运任务中也表现出强有力的优势。但车顶高压互感器近两年发生了多起炸裂故障。

1 故障情况

南京东机务段配属HXD2B-0063机车，2010年5月配属，运行时间约为30个月，于2012年11月18日发生高压电压互感器绝缘击穿故障。高压电压互感器型号为JDZXW2-25A2，生产厂家：大连北方互感器集团有限公司。互感器安装位于机车顶部，采用导电板与机车导电杆连接，故障现象：绝缘击穿后，因为接地电流较大，一次端子处裂损，互感器本体处有贯穿形的裂纹，裂纹处有因电弧放电产生的碳化熏黑现象,故障照片如图1。

图1 HXD2B-0063机车电压互感器炸裂

南京东机务段配属HXD2B-021机车，2017年2月25日途中车顶突然响起两声异响，网压为零，前、后弓进行绝缘检测不通过，无感应网压，请求救援。回段登顶检查发现高压电压互感器炸裂，绝缘子表面炸裂，高压电压互感器周围车顶表面有放电灼伤痕迹（如图2）。机车运用受电弓（Ⅰ端弓）两条碳滑板均有过流拉弧痕迹，车顶其他部位无放电烧损等异常现象，进行6A系统绝缘检测试验，检测电压3.8kV。该高压电压互感器是大连北互产品，产品型号：JDZXW3-25，编号：9126520。

图2 HXD2B-0021机车电压互感器炸裂

2 高压互感器技术参数与结构

2.1 技术参数

型号： JDZXW2-25A2

频率： 50 Hz

额定绝缘水平： 40.5/85/185 kV

额定电压比： 25 000/100 V

二次组合： 1级/1级

二次额定负荷及准确级：30 VA 1级/30 VA 1级 (cosφ=0.8)

二次热极限输出电流(A)：1 A

额定电压因数： 1.5 Un(30 s)

绝缘等级： E级

2.2 结构及技术说明

JDZXW2-25A2型电压互感器采用环氧树脂与硅橡胶复合绝缘支柱式结构。内部采用环氧树脂浇注，外部护套和伞裙采用高温硅橡胶材料，具有良好的憎水性，大大地提高了污闪电压，能有效地防止污闪故障的发生；具有抗老化和耐漏电起痕性能，电蚀损性能达到GB6553-1986[等效采用IEC587(1984)]标准中最高级的1A6.0级，可以连续承受污闪电压；具有耐机械冲击能力强、重量轻、便于安装、不易损坏、维护周期长的特点。高压电压互感器二次采用双熔断器出线，提高了高压电压互感器的自保护能力。

JDZXW2-25A2型高压电压互感器主要由:器身浇注体、硅橡胶伞裙、安装发兰、出线装置等部分组成,外形图见图3，结构图见图4。

图3 JDZXW2-25A2型高压电压互感器外形图

图4 JDZXW2-25A2型高压电压互感器结构图

2.3 工作原理

高压电压互感器是利用电磁感应原理，把一次测的高电压变换为标准测量电压。高压电压互感器是一种专门用作变换电压的特种变压器。原理接线图见图5。

图5 互感器原理接线图

2.4 主电路图

HXD2B机车采用的是JDZXW2-25A2型户外全封闭式电压互感器，采用户外环氧树脂与硅橡胶复合绝缘支柱式结构，主要由线圈、铁心、套管铝法兰安装盘等组成。用于监测电力机车行驶过程中接触网电压，并为电度表提供电压信号，同时电压信号经过高压悬挂线电压测量隔离室变压器（TF2-PP）、高压悬挂线电压互感器（TF3-PP）2级变压后为牵引控制系统提供5 V同步信号，见高压原理图6。

图6 互感器高压原理图

3 原因分析

（1）通过现场检查情况初步分析认为，一些新改造的电气化线路，由于网压过高或存在谐波畸变易造成跳主断故障，或机车通过分相区时，大多会出现较大的原边冲击电流，通过供电段的相关测试发现，接触网含有大量的谐波成分，导致供电电压畸变较严重，电压波形在不同的区段呈现不同的谐波成分，多数区域供电电压为30 kV，甚至还有其他过压，有操作过电压和自然环境下的雷击过电压，使的高压电压互感器绕组绝缘击穿，产生电弧，进而造成对地击穿，因此接触网供电电压是引起高压电压互感器故障的潜在因素。

（2）JDZXW2-25A2型干式高压电压互感器内部绕组绝缘存在某种缺陷，如绝缘不良、线路老化等，虽在上车试验前成品试验时要进行感应耐压等试验，但因产品设计的层间、匝间电压较低，试验电压未达到击穿程度，这种缺陷可能检验不出来；如果机车高压电压互感器内部一次绕组匝间绝缘性能不良，在接触网高电压冲击下，匝间短路，电流迅速增大而过流，在密闭的空间内迅速升温致使炸裂。

（3）产品装车运用后，每次机车升弓时或过分相进入有电区或网压超过规定值时，对高压电压互感器的绕组都存在大电流冲击，引发绝缘缺陷进一步加剧，再加上热量聚集、绝缘子绝缘等级下降等因素的积累作用，最终导致绝缘缺陷由量变转化为质变，造成绝缘崩溃击穿，匝间短路引起工作电流剧增而炸开互感器顶部直径较小的薄弱区域，严重故障直接炸裂互感器器身。

（4）互感器的密封问题，主要是生产厂家采用的密封技术不够完善，或采用的密封材料抗老化能力不强，在温度变化较大或运行时间接近产品寿命时，发生密封不良后潮气侵入，造成内部绝缘损坏，加速老化引起内部放电瞬间爆炸。由于高压电压互感器主体与安装底盘之间，在检修时不规范的作业或是外力作用下发生轻微的倾斜，密封性被破坏，空气进入，会导致高压电压互感器受力不均匀，因此高压电压互感器密封性不良和受力不均也是炸裂的主要原因。

（5）潮气侵入引发的故障，由于一次绕组由数万匝漆包线卷绕起来，且在漆包线的一层与一层之间，也会使用到大面积的绝缘薄膜进行隔离；非常明显的就是其匝数层数越多，那么隔离用绝缘薄膜也就会越多，从而导致气隙含量增多，由于这些气隙以及漆膜，绝缘薄膜都会在使用的过程中吸收水分，当水分超标气温突降时，其过量的水分就会导致高压电压互感器绕组表面结露，从而绝缘下降造成绕组闪络，最终造成燃弧，气压急剧上升而使得高压电压互感器炸裂。

4 技术措施

（1）日常结合C1-C3修及出入库加强高压电压互感器的检查，外观检查硅橡胶套无污染，无破损放电及脱胶痕迹；出线端螺纹良好、无烧损痕迹、端子极性与标识一致；检查底部环氧浇注体无开裂及放电痕迹。一次、二次引线连接件牢固无氧化接触不良现象，接线端子无氧化层连接可靠，检查接地线是否可靠连接。

（2）与供电部门取得联系，要求其将网压控制在《技规》规定的额定25 kV～27.5 kV范围内

（3）结合机车C3修检测互感器绝缘电阻和并进行耐压试验。

①绝缘电阻测量:一次绕组对二次绕组及地≥1 000 MΩ，二次绕组对地≥100 MΩ。

②直流电阻测量:测量一次绕组及二次绕组的直流电阻值,与出厂值比较相差不超过10%。一、二次绕组的直流电阻值（75℃时）：一次 A N：21 200 Ω～25 912 Ω，二次 a n：0.324 Ω～0.396 Ω。

③二次工频耐压试验:在二次绕组n端子与地之间施加3 kV电压试验，历时1 min,通过为合格。

④一次工频耐压试验:在一次绕组N端子与地之间施加电压试验，施加电压值3 kV历时1 min,通过为合格。

（4）加强互感器的技术管理工作，对每台机车的互感器建立技术档案，检测报告、测试报告均要存入技术档案，方便大部件寿命管理和故障数据的统计和梳理分析。

（5）针对互感器内部的早期裂纹可采用X射线探伤试验的方法，采用X射线实时成像系统对下车的互感器进行检测，可以将内部有明显的直线型裂纹缺陷排查出来避免隐患互感器装车试用。

5 结束语

互感器损坏或炸裂的原因有网线过电压、硅橡胶套污染或破损、互感器自身内部绝缘不良等原因，又因互感器内部线圈老化速度的离散型及机车运行环境变化的随机性，都影响着互感器的可靠性，故需在今后的检修工作和实践中去研究、试验、探讨和总结。