交流传动电力机车用辅助变压器局部放电研究

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摘 要：介绍交流传动电力机车用辅助变压器的特点，分析辅助变压器局部放电的原因及危害，提出控制辅助变压器局部放电的对策。

关键词：电力机车 辅助变压器 局部放电

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-033-02

1 概述

近年来，我国铁路高速发展，电力机车由直流传动技术全面上升到了交流传动技术。交流传动电力机车辅助变流系统中通常安装1-2台辅助变压器，该变压器连接在机车辅助逆变器和辅助设备电源之间，为机车辅助设备提供80～440V/10～60Hz三相交流电源。辅助变压器通常为Nomex纸绝缘非包封的真空压力浸漆干式变压器，该种变压器的局部放电的控制是产品设计和制造中需要高度重视的问题。

2 机车辅助变压器特点

机车辅助变压器以Nomex纸为主要绝缘材料。Nomex纸具有低烟无卤阻燃的防火性能，电气强度高而介电常数低，使变压器具备了优越的电气性能。该变压器采用非包封结构，提高了变压器的过载能力，采用整体真空压力浸漆，能抵御可能遭受的雨水侵蚀，达到IP55防护等级。机车辅助变压器外形结构见图1，绕组及铁心结构见图2。

3 变压器局部放电原因分析及危害

在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电但尚未击穿，这种现象即为局部放电。

3.1 变压器局部放电产生的原因

引起变压器局部放电的原因一般有两个：（1）变压器中存在局部电场强度的集中，导致局部放电；（2）绝缘材料中存在空气，由于空气的击穿电场强度和介电常数都比固体介质的小，在一定电压的作用下，气体和周围固体中的电场强度基本和介电常数成反比，因此，绝缘内部气体中的电场强度超过其允许承受的电场强度而引起气体放电。

3.2 局部放电的危害

局部放电对于变压器绝缘的破坏一般要经过长期、缓慢的发展过程才会显现，如同“滴水穿石”，但是一旦爆发将造成贯穿性放电、绝缘击穿等故障，引发严重的绝缘事故。

3.3 机车辅助变压器局部放电要求

国家标准《GB/1094.11-2007 电力变压器 第11部分：干式变压器》规定，对40.5kV及以下的干式变压器需进行局部放电测量，且局部放电测量应在Um≥3.6kV的绕组上测量。

机车辅助变压器电压等级较低，绕组最高电压Um2kV，国家及行业标准未规范此类变压器的局部放电。但在我国交流传动电力机车技术引进时，技术转让方西门子等公司，出于对机车特殊运行环境及安全运行的考虑，要求把局部放电作为考核辅助变压器绝缘强度的重要指标，并提出了变压器一、二次绕组在放电终止电压高于标准值时，局部放电量必须≤50PC的考核标准。

在干式变压器内部绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光，并引起局部发热等现象，由于信号频谱非常宽，因而相应出现了电脉冲测量、超声波测量、光测量、红外线析测和介质损耗析测等方法，但有的因为灵敏度不高而未广泛应用，目前较多采用的是脉冲电流法。

机车辅助变压器局部放电测量通常采用脉冲电流法，某型号辅助变压器局部放电测量结果为合格的图片见图3、图4。

图3 一次绕组局部放电测试结果

图4 二次绕组局部放电测试结果

4 控制机车辅助变压器局部放电的对策

控制机车辅助变压器局部放电，应努力提高设计和制造工艺水平，并改善生产环境。

4.1 设计保证措施

（1）选配合适绝缘材料。

在选择变压器材料时应考虑材料的相互配合，为了使电场趋于均匀，需选择介电常数比较接近的材料。机车辅助变压器周围介质是空气，介电常数 0接近于1，所以机车辅助变压器所选绝缘材料的介电常数越小越好。干式变压器常用绝缘材料相对介电常数如表1。

表1 干式变压器常用绝缘材料相对介电常数

Nomex纸绝缘材料虽然价格较高，但是介电常数低且电气强度高，同时有很好的机械强度，所以机车辅助变压器选用Nomex纸绝缘材料是比较合适的。

机车辅助变压器撑条采用整体引拔件，有较好的机械强度和电气强度，介电常数在3-4之间，整体引拔可以保证撑条端面平整，圆角平滑，避免尖端放电。忌用环氧玻璃布板和介电常数较大的材料。

为了提高变压器的绝缘性能、防水性能和整体机械强度，机车辅助变压器可采用TJ1160无溶剂快干浸渍漆进行整体压力浸漆处理。TJ1160漆是以二苯醚聚酯及耐温交联剂为主体的C级绝缘漆，具有较强的粘接力和较好的机械强度，而且工艺性能和固化物流平性好，平整无气泡。TJ1160漆介电常数约为3，从控制局部放电角度考虑也是比较合适的。

（2）优化整体结构。

变压器整体结构应尽量设计合理，使电场均匀分布，避免局部放电。机车辅助变压器线圈可采用多层层式线圈，层式线圈的层间电容大大超过对地电容，沿线圈起始电压分布基本均匀；变压器的引线可适当加大绝缘距离的设计，并且采用冷压接，避免引线焊接产生飞溅焊渣。为避免金属结构件在高场强下产生悬浮电位，机车辅助变压器应尽量减少金属结构件的使用，引线支撑、安装等部件可采用非金属结构件。对于必须使用的金属结构件，则可采用可靠接地等措施消除悬浮电位。

（3）改善电场形状。

电场均匀度越大，放电电压越高。在机车辅助变压器电场强度较大的部位，图样施工设计时应尽可能地改善电极的形状，避免结构件出现尖角、突起等尖锐电极。对变压器中的金属和非金属结构件，均应该进行倒圆处理，必要时可采取电屏蔽的方法，减少电场的集中程度。

4.2 工艺保证措施

（1）防尘控制。试验结果表明， 1.5 m的金属颗粒，在电场作用下可能产生远大于500pc的放电量。无论是金属还是非金属粉尘存在，都会产生集中电场。因此，在变压器制造过程中，保持环境和变压器的洁净非常重要。需建立防尘厂房，装配及转运过程中注意清洁防护并及时清除粉尘。

（2）控制硅钢片加工毛刺。铁心片在纵剪、横剪过程中，如果切口部位存在较大毛刺，在铁轭装配或变压器转运震动时，可能掉落在变压器上发生放电。铁心片毛刺应进行有效控制。

（3）引线压接与绝缘包扎。引线压接时应尽量避免产生的尖角，如有尖角毛刺必须用细齿锉刀锉平，作业时需注意防护，避免金属屑污染变压器。引线包扎可用Nomex皱纹纸包扎紧实，尽量减少空气间隙。

（4）变压器干燥与防潮。采用严格的干燥工艺实施变压器干燥处理，尽量缩短变压器干燥处理后浸漆前的整理时间，同时要保证在干燥洁净的环境中实施变压器整理作业。如果整理时间延长导致变压器温度较低时，则必须回炉重新干燥。

（5）真空压力浸漆。变压器浸漆前通过抽真空排除各部位的空气，在高真空状态下注入浸渍漆，并保持一段时间的真空，使浸渍漆渗透到变压器的缝隙中，解除真空后施加正压并保压一段时间，将浸渍漆压入到变压器每一个细小的缝隙中，排除空气间隙。

5 结束语

交流传动电力机车辅助变压器具备良好的安全特性，已在我国铁路领域得到广泛运用。研究交流传动电力机车辅助变压器局部放电的危害及产生原因，并提出其解决对策，具有一定的实践价值和借鉴意义。

参考文献：

[1] 路长柏，等.干式电力变压器理论与计算[M].辽宁：辽宁技术出版社，2003.

[2] 黄强，吴娟.影响变压器局部放电的原因分析[J].云南电机技术，2003（2）：41.