动车组车顶高压设备的绝缘配合设计计文波

动车组车顶高压设备的绝缘配合设计计文波

计文波

（中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600）

摘要：本文重点分析了车顶高压设备布局原则，动车组运行时外界条件对车顶高压设备绝缘配合的影响因素，并提出动车组车顶高压设备的绝缘配合设计方法，以期能够为有关人士提供参考性意见。

关键词：动车组；车顶高压设备；绝缘配合设计

动车组车顶高压电气设备不仅要长期面对各种恶劣环境的侵蚀，特别是雨雪、浓雾和重度污染的气候环境下，同时还要承受各种类型的过电压冲击。绝缘配合涉及到车顶的自身高压电气设备以及设备之间，同时也涉及到与之密切相关的供电接触网等系统，当动车组的车顶设备绝缘配合设计不合理时，会导致设备故障，更甚至造成车顶击穿，对车辆运行造成严重影响和危及人们的生命和财产安全。因此加强动车组车顶高压设备的绝缘配合设计的研究就显得尤为的重要。

1车顶高压设备布局原则

动车组车顶高压设备由于完全暴露于空气中，必须考虑环境污染的影响。高压设备的爬电距离以及设备之间的电气间隙较小时，设备的外绝缘可能会完全被固体颗粒、水膜等连接起来，造成设备之间以及设备与接地体之间的绝缘距离不足，引发车顶高压设备闪络放电事故。因此，必须对电气设备的最小电气间隙和爬电距离进行合理的规定。由于车顶高压设备长期暴露于空气中，根据IEC60077-1：1999及EN50124-1：2001，车顶高压设备的污染等级应该为PD4级。为保护动车组高压设备免受雷电过电压、操作过电压等的冲击，在高压系统中设置浪涌保护器，因此车顶高压设备的过电压等级为OV4级。由于中国电气铁路供电系统标称电压为25kV，车顶高压设备额定冲击耐受电压至少应达到170kV（1.2/50μs）。由此，可以确定车顶高压设备的最小爬电比距应该达到40mm/kV，最小电气间隙应不低于310mm。

2影响绝缘配合的因素

2.1绝缘材料因素

由于污染后的干燥表面使表面泄漏电流中断而产生闪络时，在闪络过程中集成释放的能量会使绝缘材料受到损伤。绝缘材料在闪络时会出现以下变化：①绝缘材料的分解；②由于放电作用导致的绝缘材料损蚀；③固体绝缘材料表面由于电气应力和表面电解质污染的综合作用，逐渐形成电通道（电痕化）。绝缘材料组别直接影响到爬电距离，即使对于相同的额定绝缘电压，好的绝缘材料的爬电距离可以小一些，所以空间不允许的情况下，可以考虑使用性能相对较好的绝缘材料。

2.2海拔因素

海拔主要体现在空气密度、湿度以及温度这三个方面。空气密度随着海拔的升高反而会降低；绝对湿度与海拔大致呈指数规律下降；在一定范围内温度随着海拔的升高而降低。当海拔越高的时候，气压就会越低；空气的密度减小时，空气分子间的自由行程距离增加，电离过程增强，空气介电强度减弱。随着动车组运行海拔的不断升高，空气密度随之降低，空气介电强度也会下降，必将导致车顶高压设备的外部绝缘强度降低。另一方面，海拔的升高，致使空气的绝对湿度降低，有利于提高电气设备的电气间隙介电强度和外绝缘强度。因此考虑海拔对车顶设备的电气间隙介电强度和外绝缘强度的影响，必须综合考虑湿以及气压。

2.3过电压因素

动车组在工作中可能承受来自外部供电网以及自身的过电压，主要有以下几方面：（1）操作过电压；（2）弓网关系产生的过电压；（3）大气过电压（雷直击过电压和感应过电压）；（4）过分相产生的过电压。过电压类别随设备所处电路的不同部位而不同，对于相同额定绝缘电压的设备，不同的过电压类别，设备需要承受不同的冲击电压。

2.4污染因素

当车顶设备在恶劣环境下，会遭受凝露或自身污染时，固粒、尘埃和水能将小的电气间隙完全桥接，由于污水、煤之属尘埃或碳尘埃产生的污染，本身就具有导电性。因此，不同的污染会影响车顶高压设备的绝缘性能。

3动车组车顶高压设备的绝缘配合设计

3.1遵循绝缘配合原则

绝缘配合的基本原则就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压（工作电压和过电压），并考虑限压措施和装置的特性、设备的绝缘特性来确定必要的耐受强度，合理地确定设备必要的绝缘水平，以便把作用于设备上的各种电压所引起的绝缘损坏和影响连续运行的概率降低到经济和运行能够接受的水平。这样既不因为绝缘水平取得过高使得设备尺寸过大，造价过高，造成不必要的浪费，也不会由于绝缘水平取得过低，虽然一时节省了设备造价、减小了系统体积，但增加了运行中事故的发生几率，导致停电损失和维护费用大增，这样不仅给经济上造成了更大的浪费，同时也使得供电的可靠性降低。

3.2车顶设备的过电压确定

IEC62497-1将车辆的过电压情况具体划分为4个种类：对动车组车辆，OV1指适用于通过电气隔离，几个连续的滤波器或类似部件与高压电路隔离的低压电路；OV2指不直接与接触网相连及有过电压保护的电路；OV3指直接与接触网相连的电路，有过电压保护，且不受大气过电压的影响；OV4指直接与接触网相连的电路，没有过电压保护，直接承受大气过电压的影响。一般动车组车顶设备，从受电弓至主断路器（或避雷器）的电路应为0V4，从主断路器（或避雷器）到牵引变压器原绕组的电路应为OV3。如果在主断路器之前安装有避雷器，则应该只有受电弓部分为OV4，避雷器之后的其余高压部件应为OV3级别。

3.3污染等级确定

根据相关的标准，可将污染分为七个等级，污染等级的确定则是根据动车组运行环境中大气的污染程度进行相应的选择，如：PD4指安装在车顶的部件，例如：受电弓，中度污染区域的绝缘子；PD4A指没有防护的户外场所，严重污染区域的绝缘子。

3.4最小电气间隙确定

首先需确定额定绝缘电压，标准规定其为设备或其某个件耐受电压的方均值，表征其绝缘规定的持续（超过5min）电压耐受能力。对于轨道交通设备而言，额定绝缘电压指“设备最高电压”。

设备所需的电气间隙与它的额定绝缘电压紧密相关，面对设备来说，额定绝缘电压是明确的，其用UNm表示。对接触网直接供电牵引系统，可按IEC62497-1的附录D选取额定绝缘电压，经查UNm=27.5kV。根据绝缘电压UNm和过电压等级，通过查A.2，得到额定冲击电压UNi。在OV3和OV4的情况下冲击电压UNi分别为125kV和170kV。

然后按照动车组运行的环境条件及设备的安装位置选择相应的污染等级。按IEC62497-1查A.3得到在不同污染等级情况下的最小电气间隙。如：在UNi=125kV，污染等级为PD4的情况下，最小电气间隙为230mm。

3.5最小爬电距离确定

因车顶设备的额定绝缘电压UNm，比较大，所以需根据所用绝缘材料的组别I，II，IIIa和IIIb，以及污染等级（只考虑PD1一PD4），从IEC62497-1的表A.7查得相关的爬电距离系数。按照爬电距离系数乘以额定绝缘电压得到爬电距离。同时在设计时也需要考虑大面积导电的水平面会产生污染堆积的特殊情况，增加设计的爬电距离。

注：按照标准规定当UNm，大于1000V时，如果采用润滑或清洁绝缘表而的减污措施，最小爬电距离可限定为20mm/kV。

结束语：

对于动车组车顶高压设备的绝缘配合设计来说是设备内部和设备之间的绝缘的选择、尺寸确定。通常在确定绝缘尺寸的时候，必须考虑全面，包括环境条件和电气应力，在条件非常恶劣的情况下，既要确保绝缘胜能不被损坏，有要避免绝缘尺寸过大。在设计的时候我们要选择合理的方式来减少车顶设备污秽的堆积程度，又或者安装车顶绝缘监测装置等手段，来提前对绝缘性能进行检测，防止因为绝缘的问题导致故障的发生。总之车顶高压绝缘配合设计时考虑气候环境，车顶设备布局等因素，以加强绝缘性能的手段加以辅助，综合考虑绝缘配合。

参考文献：

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