電力機車電壓互感器在線監測裝置的研究

楊建明，王傳芳，姜贊

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)

1 引言

電壓互感器是電力機車的一個重要電氣部件，是將接觸網電壓AC25kV按線性比例轉換為低電壓AC100V，并提供給機車的控制單元及計量單元，主要實現接觸網電壓測量、功率計量和保護功能。

電壓互感器自安裝運用，只能等到規定的周期進行檢修，來判斷電壓互感器的性能，無特征量來實時顯示電壓互感器的運行狀況及服役狀態。近年來連續發生了多起電壓互感器爆炸事故，給電力機車的安全運行帶來了隱患，并造成了重大損失。因此需研究分析電壓互感器的炸裂現象及原因，確定監控各參數特征量，有效預防電壓互感器的炸裂事故，保障機車的安全運行。

2 電壓互感器的故障現象

電壓互感器內部結構及炸裂現象如圖1所示。

圖1 產品內部結構示意圖

從以上故障現象可以看出一次繞組的中部漆包線過熱及發黑嚴重，可以判定此處在電壓運行過程中發生了一次繞組層間或匝間短路，引起局部過熱，進而逐步破壞一次繞組漆包線的外絕緣。熱量積累的一定程度，使電壓互感器主絕緣徹底損壞，開裂，引起更大的電弧，產品對地擊穿。而此故障伴隨著電壓互感器一次繞組電流增加，二次繞組電壓異常升高。

圖2 燒損的一次繞組

3 在線監測裝置電路設計

3.1 在線監測裝置總體結構

在線監測裝置利用電流傳感器、溫度傳感器采集一次繞組電流值、二次繞組末端溫度及電壓值，經信號保護電路、調理電路后進入單片機主控系統，通過計算，得出電壓互感器的繞組電流以及溫度的變化，通過RS485傳輸給機車控制單元，實時判斷電壓互感器的運行狀況，并且記錄存儲顯示相關特征量信息。

監測裝置總體結構框圖如圖3所示。

圖3 監測裝置總體結構框圖

3.2 在線監測裝置保護電路

圖4 監測裝置保護電路

其中保護器件自恢復保險絲F2，防止過壓過流侵入信息采集電路，從而起到保護的作用；TVS3瞬態抑制二極管是限壓型過壓保護器件，當輸入信號電壓達到16.7V時，TVS3開始導通，保護后級電路不被燒毀；D12、D16二極管起電壓鉗位作用，將進入放大器的信號電壓鉗位在±(15V+VFM)，保障放大器穩定工作。

4 在線監測裝置實測數據

以某動車組用電壓互感器進行測試，其電氣規格如下:

額定一次電壓:25kV；額定二次電壓:100V；準確級及額定輸出:0.5級/20VA。

不同負載情況下，測試各電氣參數如表1所示。

表1 負載為20VA/cosφ=0.8

表2 負載為20VA/cosφ=1

表3 負載為40VA/cosφ=0.8

表4 負載cosφ=1

以上測試的二次繞組電流值隨二次繞組電壓線性遞增，一次繞組電流符合設計值，二次繞組溫升與設計值及型式試驗中電阻法測試值吻合。

5 結論

電壓互感器發生故障時的主要表現形式為一次繞組短路以及內部過熱，利用實時監測一次繞組電流、二次繞組電壓以及溫度信息，可以直接反映出電壓互感器的運行狀況，具有可行性。在積累相關的運行數據后，進行相應的閾值設置，對保障互感器的安全運行具有重大意義。