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[ 作者简介：符建民，男，工学硕士学位，高级工程师，主要从事轨道车辆研发设计。]

摘要  本文对动车组时有发生的车顶电压互感器爆裂事故进行了分析，认为主要原因是目前使用的25kV电压互感器没有达到我国高铁牵引接触网电源污染的设防水平。运行中的电压互感器在接触网直流偏磁电压作用下磁路饱和，一次电流异常增加，使电压互感器一次绕组发热，严重时电压互感器绕组温升超限，损坏绝缘，造成电压互感器一次绕组烧损以及环氧树脂浇注器身爆裂事故。

关键词：动车组  电压互感器  过热

0  前言

动车过分相时，通过接触网与中性线之间的电容作用，电压互感器的一次回路电感会与中性线对地电容发生谐振，当谐振性质是铁磁谐振时会产生很大的励磁电流，当谐振性质是串联谐振时会产生很高的电压，都会对电压互感器产生危害。以上这些现象已被车载录波装置证实，而通过电磁过程仿真计算也得到了理论上的支持[1][2]。针对烧损的原因可以对动车25kV电压互感器进行防烧损设计，提高电压互感器抵抗接触网电压异常状况的能力，把事故率控制在可以接受的程度之内。

1  25kV电压互感器烧损的临界直流偏磁电压

为了确定电压互感器的临界直流偏磁电压，按图1线路对一台电压互感器进行了直流偏磁试验，结果如表1所示。在实验室温度10℃下，实测一次绕组直流电阻为25kΩ，每个试验点试验时间控制在1min之内，试验期间保持直流电压不变，可以忽略试验时绕组的温升。直流励磁电流通过直流电压控制，按欧姆定律计算，分别选取30、40、50（mA）。试验时电压和电流的测量误差控制在±5%之内。

测量数据表明，当一次施加直流电压1000V时，直流偏磁电流为40mA，一次电流有效值0.067A。在线圈温度达到温升限值时，对应的直流电压为0.04A×37 kΩ=1480V。必须注意到，以上计算是按温升90℃考虑的，如果运行时的环境温度是70℃，则允许温升只有60℃，互感器只能在1000V直流偏磁电压下运行。

3  动车25kV电压互感器防烧损设计

在动车25kV电压互感器国产化设计时，我们选定的目标是当牵引供电线路上的车流密度增加到国外的3倍时，也不能发生电压互感器烧损事故。根据统计学理论，按随机事件计算，应当把原来的设防水平提高到倍，也就是把电压互感器在环境温度40℃下的抗直流偏磁性能从1500V提高到2500V。

动车组25kV电压互感器国产化产品需要进一步降低铁心磁密，增加一次绕组电阻。一次绕组绝缘导线直径不宜小于0.12mm，否则不能达到线圈绕制时要求的导线张力，这样无论是增加一次绕组匝数还是增大铁心截面积，产品的体积都会显著增加，但由此取得的抗直流偏磁效果并不显著。仍按GSEFB 25F热功率限值P=158W，一次绕组电阻增加到R=65kΩ（130℃时），一次电流限值为=0.049（A），采用表2的数据，认为对应的直流电流为30mA，算得对应的直流电压为1950V，与JDZW18－25C的1460V相比只提高了34%。

发生以上情况的原因，是直流偏磁造成电压互感器一次绕组交流电流增加，在很大程度上抵消了增加铁心截面和绕组匝数的效果。如果把问题变换一下，改变电压互感器的电磁结构，把直流偏磁下电压互感器一次绕组的交流电流限制在安全范围，问题就容易得到解决。我们知道，交直流混合电路大量使用扼流线圈，如果电压互感器的一次绕组具有扼流线圈的特性，在叠加直流时铁心不饱和，就不会出现半波形态的励磁电流，线圈也不会过热。

用于工频与直流混合电路的扼流圈在结构上是一种磁路上开有气隙的铁心电抗器。磁路中的气隙承受了大部分直流和交流磁势，使其余铁心磁路中的磁势不足以产生饱和磁密。以JDZW18－25C为例，铁心截面积35.5cm2，一次绕组48350匝，直流电阻35kΩ，如果要在施加2500V直流电压下不饱和，磁路气隙长度理论上不应小于==0.0024（m）。式中的0.0714是2.5kV电压施加在直流电阻35kΩ的一次绕组上的直流电流（A）。

磁路开有气隙的铁心不适合用来制造电压互感器，因为误差太大。为了保证25kV电压互感器在正常工况下运行的准确度，不能使用全气隙的铁心，在铁心柱上切割气隙时必须保留截面足够大的无气隙铁心磁路，最小截面积应按牵引线路可能出现的最高电压31kV计算。以JDZW18－25C为例，保留的无气隙铁心磁路的截面积占总截面积的比例理论上不少于 =44%。

当一次电压中的直流分量从零开始增加时，部分气隙段铁心磁路首先饱和，但只要整个磁路上的其它铁心段不饱和，这些铁心段的磁导率会继续保持在高水平，大部分磁势就会施加到部分气隙段铁心磁路上。这时电压互感器一次绕组的工作状态类似于整流滤波电路中的铁心电抗器。这种特殊的电压互感器到目前为止还没有成熟的设计计算公式，因为开有部分气隙的这段铁心磁路还缺少能用于设计计算的数学模型。虽然理论上可以用现有的电磁过程有限元仿真软件对这种电压互感器进行仿真计算，但遗憾的是由于没有准确的数学模型，仿真计算结果也只能用于参考。目前我们研制这种电压互感器的技术路线是先提出若干不同参数的线圈、铁心和气隙设计，然后针对产品适用工况要求，对各种设计能达到的参数进行评估。最后选出最满意的设计方案制造样机。等样机制造完成后，通过实验室试验最终确定产品性能是否满足设计和使用要求。

根据我们对这种电压互感器的设计评估经验，评估项目至少要包括产品的准确度设计和产品的抗直流偏磁性能设计。评估内容包括：

1） 核查在设防的直流电压下一次绕组的直流电流，一般来说应不超过一次绕组热电流限值的70%；2） 核查无气隙段铁心磁路的截面积能否满足电压互感器的电压因数不低于1.5（一次电压37.5kV）；

3）核查气隙尺寸是否能使无气隙段铁心磁路在设定的直流偏磁状态下不饱和；

4） 核查电压互感器在设定的直流偏磁状态下的励磁电流是否不超过一次绕组热电流限值。

以JDZX18－25J为例，如果设计在铁心上切出总长度4mm的部分气隙， 气隙面积占铁心原截面积的30%。可按本文提出的步骤进行设计评估：

1）2500V直流电压施加到一次绕组产生的直流电流为2500V/65kΩ=0.038A，相对于一次绕组热电流限值0.053A的72%，很接近70%的理论值，可以接受；

2）切割部分气隙后余下未切割的铁心柱截面积占总截面积比例为70%，额定电压下磁密为0.44T/0.7=0.63 T，取饱和磁密1.8T计算，电压因数达到1.8T/0.63T=2.8，接近3倍，符合设计要求；

3）交流励磁电流（有效值）限值为=0.037（A），施加2500V直流电压时，直流磁势为0.038A×55000=2090A。交流峰值磁势为0.037A×55000×=2035A。总峰值磁势2090A＋2035A=4125A。在空气中产生1.8T磁密的磁化强度为=2.26×106（A/m）。铁心的最小气隙长度为=0.00183（m）。在切有部分气隙的磁路段，剩余的铁心磁路虽然深度饱和，但磁导率仍高于空气，气隙长度应取最小气隙长度的2～3倍。设计值取4mm，可以接受。最后的设计参数根据样机试验结果修改。

4）计算交流励磁电流时，参照铁心电抗器数学模型，按设计值选取绕组匝数N，磁路截面积Sq和等效气隙长度d。一次绕组电感值按计算，=4407（H），工频下电抗值1384kΩ，25kV下的电感性电流（有效值）为0.018A。交流励磁电流和直流励磁电流合成后的有效值0.042（A），小于一次热电流限值0.053A，可以接受。最后的设计参数根据样机试验结果修改。

以上计算表明JDZX18－25J只需要在原有铁心上切出部分气隙，就具有在2500V直流偏磁下运行时不烧损的可能。

7 结论

通过对动车和机车25kV电压互感器烧损状态的观察和烧损过程的分析，可以认为动车25kV电压互感器运行中过热烧损的主要原因是产品没有达到应有的直流偏磁设防水平。由于中国高铁动车的运行密度普遍高于欧洲和日本，按1500V直流偏磁设防水平设计的产品不能适应我国高速铁道牵引供电网的电源污染。在进行动车25kV电压互感器国产化设计时应把设防水平提高到至少2500V。

25kV电压互感器采用降低磁密和增大铁心截面积的方法进行抗直流偏磁设计，要达到直流偏磁电压2500V的设防水平相当困难。本文提出的部分气隙铁心的设计方案在不增加产品成本和改变外形的同时，能显著提高产品的抗直流偏磁性能，满足2500V甚至4000V直流偏磁电压设防要求。

采用部分气隙铁心设计的25kV电压互感器，必须进行样机的直流偏磁电压试验并获得通过。试验时直流电压和交流电压串联后同时施加到电压互感器的一次绕组。在一次绕组回路用有效值电流表测量一次励磁电流。一次回路施加的直流电压和交流电压以及一次励磁电流的测量误差应不超过±5%。一次绕组的温升通过一次绕组的电阻值计算。试验通电时间应不少于3h。除有特别要求外，试验结束时测得的一次绕组温度应不超过130℃，温升不超过110℃。

参考文献

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