西南交通大学

毕业设计（论文）

HXD机车高压电压互感器故障分析及其改进，防范

ANALYSIS , IMPROVEMENT AND PREVENTION OF HXD LOCOMOTIVE HIGH VOLTAGE TRANSFORMER'S FAULT

年 级： 2010级

学 号：

姓 名：

专 业： 电气工程及其自动化

指导老师：

2014 年 6 月

院 系 电气工程系 专 业 电气工程及自动化

年 级 2010级 姓 名

题 目 HXD机车高压电压互感器故障分析及其改进，防范

指导教师

评 语

指导教师 (签章)

评 阅 人

评 语

评 阅 人 (签章)

成 绩

答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

毕业设计（论文）任务书

班 级 2010级电车3班 学生姓名 学 号

发题日期： 2014 年 2月24 日 完成日期： 6 月26 日

题 目 HXD机车高压电压互感器的故障分析及其改进，防范

1、本论文的目的、意义

随着我国铁路事业的发展，HXD型电力机车在铁路上的应用越来越广泛，逐渐取代了韶山系列机车在铁路运输也得位置。对HXD机车电压互感器的探索对HXD型机车的发展有着至关重要的作用，对机车电压互感器的工作原理进行分析有助于进一步了解机车的工作性能和优势。现如今，HXD型电力机车的电压互感器在设计上还存在缺陷，对其工作时的故障进行分析并提出改进方法以及对故障的防范不但对电压互感器本身的发展有益，同时为机车的正常运行奠定了基础。

2、学生应完成的任务

1、查阅相关资料熟悉HXD机车电压互感器的外部结构，工作原理。

2、整理资料，分析出现有机车电压互感器常见的故障原因，进行整理和归纳。

3、对整理和归纳后的材料分析出故障原因，对其进行整改，要做那些措施可以有效的排除故障，降低故障率

4、整理论文，规范格式。

5、 对论文进行自习审读，做好答辩准备。

3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）

第一部分 收集和整理论文相关材料 ( 2 周 )

第三部分 阅读资料，理出论文思路 ，列出提纲 ( 4 周 )

第四部分 根据提纲对论文进行编写，绘制波形，计算数据 ( 4 周 )

第五部分 论文排版、整改和审阅 ( 2 周 )

评阅及答辩 （2 周 ）

论文整改 ( 1 周 )

备 注

4、参考文献：

[1]刘艳.《电力机车高压电压互感器爆炸引起接触网断线的原因及预防措施》.成都铁路局，2010.05

[2] 和志文.《高次谐波过电压对牵引变电设备的影响》.西安铁路局，2012.07

[3] 骆开源.《交流牵引传动技术基础》.西南交通大学峨眉校区，2011.1

[4] 王向东、王汉东.《HXD1B型电力机车高压电压互感器故障分析及建议》.武汉铁路局，2010.06

[5] 刘同锋等.《TBY1-25型电压互感器原边引入线烧断故障的判断方法》.郑州铁路局，2012.01

[6] 曾佑恒、李长荣.《TBYl-25型高压电压互感器检修维护及改造》.重庆机务段，2012.01

[7] 邓木生等.《电力机车干式高压电压互感器故障分析及预防措施》.湖南铁道职业技术学院,2011.02

[8] 袁季修.《电流互感器和电压互感器》.中国电力出版社，2010.11

指导教师： 2014年 2 月 24 日

审 批 人： 2014年 2 月 24 日

摘要

目前成都铁路局大力发展HXD型大功率机车，全国范围内成都局配属的HXD型机车较多。但是由于是第一批投入使用HXD型机车的铁路局。所以因为司机对于HXD机车没有完全的成熟掌握，或者是没有掌握HXD型机车一些技术所以才会在操作中不能和平时一样如鱼得水。如果操作失误就会引发各种故障。机车经常出现故障，如果不能自行处理而经常返厂维修。那么不单成本较高而且影响铁路局的正常运行任务。所以本片论文对于HXD型机车所使用的高压电压互感器进行分故障分析才显得有一定价值。

在现场，高压电压互感器是常出现故障的器件，对其进行维护检修问题也很多。而且随着机车的引进和换代，电压互感器并没有跟上脚步，而是将以前直流机车所使用的电压互感器用在HXD型机车上。所以本论文就对现有的电压互感器作了相关地介绍，对其结构参数进行列举，然后根据电压互感器经常出现的故障作出分析，找出引发故障的原因，之后再根据之所以产生故障的原因提出改进和防范措施。引进HXD型机车后高压互感器由于谐波产生的故障频繁发生。与韶山机车相比HXD机车功率等多个方面远强于韶山系列机车。所以对于互感器的要求也更高。所以会出现高次谐波难以滤除。谐波对电压互感器的干扰十分严重，怎样消除谐波也就成为一个研究的方向。有些故障是可以在其发生之前就可以根据检测的手段进行预防的，本文也对一些潜伏性的故障原因进行了分析。而高压电压互感器的发展改进也必须跟上整个机车发展的大趋势。

关键词： 电压互感器；HXD机车；高次谐波

Abstract

Currently HXD Chengdu Railway Bureau to develop high-power locomotives , nationwide Chengdu Bureau of configuration HXD locomotive more . But because it is the first locomotive in use HXD Railway Bureau . So because the driver for HXD not completely mastered the locomotive or locomotives HXD not mastered some of the technical and so will not be in operation as usual like a duck . If the operation would lead to all kinds of mistakes fault . Locomotive often fails, if you can not handle their own and often returned for repair . So not only high costs but also affect the normal operation of the task Railway Bureau . So the film paper for high voltage transformers used HXD locomotive failure analysis it appears to be of some value .

In the field, high voltage transformer is a device failure often occurs , many of them also carry out maintenance and overhaul issues . And with the introduction and replacement locomotive , voltage transformers did not keep pace, but the DC locomotives previously used voltage transformers used in the HXD locomotive . Therefore, this paper on the existing voltage transformers were related to introduction , enumerate its structure parameters and then analyzed according to the fault voltage transformer often to find out cause of failure after failure and then based on reason of the reasons for the improvement and preventive measures. After the introduction of high-voltage transformer HXD locomotive harmonic generation due to a fault occurs frequently . Compared with the Shaoshan locomotive locomotive power and other aspects of HXD far stronger than Shaoshan series locomotives. Therefore, higher demands for transformers . So there will be difficult to filter out the higher harmonics . Harmonic interference voltage transformer is very serious , and how to eliminate harmonics has become a research direction . Some faults can be can be prevented before it occurs based on means testing , the paper also some latent causes of failure were analyzed. The development of an improved high voltage transformer must also keep up with the trend of the development of the whole locomotive .

Key words Voltage transformer;HXD locomotive;Higher harmonics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外技术发展现状 2

1.3 本文研究思路 2

第2章电压互感器以及常见故障 3

2.1 参数 3

2.2 结构 3

2.3 原理 4

2.4 常见故障分析 5

2.5 常见故障防范措施 6

本章小结 6

第3章 机车运行时谐波测试 7

3.1 谐波测试数据结论 7

3.2 谐波测试波形图 12

本章小结 21

第4章 谐波产生的因素及危害 22

4.1 电网中谐波的产生因素 22

4.2 再生制动工况时产生谐波的因素 22

4.3 过电压对供电系统的危害 23

4.4 过电压对电压互感器的危害 23

本章小结 24

第5章 谐波治理 25

5.1 降低谐波源的谐波含量 25

5.2 滤波器滤波 25

5.2.1无源滤波器 25

5.2.2 采用有源滤波器滤波 27

5.2.3 加装静止无功补偿装置 29

5.3 改善供电环境 29

本章小结 29

第6章 潜伏性故障的判断及技术改进 30

6.1 电压互感器潜伏性故障判断 30

6.2 电压互感器技术改进 31

6.2.1 SF6 气体绝缘 31

6.2.2 电子式互感器 31

本章小结 32

总结 33

致谢 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1课题研究背景

电压互感器和变压器是用来变换线路上的电压的输变电设备，它们在电力设备中具有非常重要的地位。但是变压器是用来传送电能的，所以一般情况下容量很大。而电压互感器是变换电压的，所以容量很小。它主要用于测量线路的电压，电流以计算输电线路输送的功率和电能，或者在线路上的贵重设备、电机和变压器等发生故障时起到保护作用。

电力系统中说的过电压一般是指外部过电压和内部过电压。雷击中输电线路或者运行设备，雷击产生的高电压就会进入电力系统形成外部过电压；而在电力系统中对断路器的错误操作或者断路器发生故障都会将电网内部的电磁能量转化为过电压并传递到电力系统中形成内部过电压。内部过电压特点是时间长、频率高、频谱宽，而外部过电压相较内部过电压则有幅值较高、波头较陡等特点。近些年由于大力发展电力机车，机车功率的增大机车种类的增多，电网中产生多种谐波时刻影响机车的正常运行。机车再生制动工况时动能转化成电能返还电网。而产生了多种谐波，从而也影响到了电网环境，高次谐波对于机车有很大危害。

目前国内引进HXD型机车后，高压互感器频繁出现故障。然而出现故障的高压互感器不单单是HXD型机车，韶山系列机车也出现了累似故障。由于谐波的产生严重影响了高压互感器的使用情况，所以采取了滤波的方法来治理此类故障。目前国内HXD型机车主要采用加装滤波器的方式防范产生过电压，同时采用气体放电管、压敏电阻等器件对电压互感器进行保护。为了避免由于1、2次滤波器参数和位置的选取不当引发的事故，必须对滤波器进行优化，使其与被保护对象更好的配合。使滤波器能够结合被保护对象，观察研究其电磁暂态有利于优化滤波器的安装位置和相关技术指标。在实际的电力系统中过电压的波形难以收集导致在故障诊断时数据缺少而难以判断故障发生的原因，所以对系统中过电压波形的采集分析十分重要，它是处理事故的重要依据。

1.2国内外技术发展现状

现代设计是将可靠性设计、有限元分析、和优化设计这三类相对成熟的技术进行交叉应用和有机结合后发展出来的独特的设计方案，它较传统的设计方案更为经济合理。

电压互感器有一套非常成熟的理论研究，它的原理也相对简单，通过国内外科技文献报道和用户的反馈信息可以预见电压互感器会往小型化发展。互感器的小型化可以在节约材料和空间的同时取得最大的经济效益，使用也会更为方便。另外根据电压互感器的用途、使用场合以及更新换代速度来对电压互感器的使用寿命进行设计也是至关重要的，合适设计互感器的使用寿命有利于节约材料和成本。

1.3本文研究思路

（1）本文利用已知的互感器相关参数结合互感器在实际应用中产生的故障，对故障产生的原因进行分析，从而找到故障发生的根本原因并由此提出合理的改进和防范措施。

（2）分析机车运行时电网中谐波的情况和谐波产生的原因，主要研究再生制动工况下谐波的情况并通过相关计算方法计算出谐波电压、电流之间的关系，并分析具体的某次谐波对电压互感器造成的影响，从而提出可靠的方法。

（3）统计和分析电压互感器的各项数据并计算出各个量的正常范围，从数值的异常来推导出可能存在的故障，提出相应解决办法从而防范于未然。

第2章电压互感器以及常见故障

TBY1-25型电压互感器结构为油浸式，互感器采用了绝缘性能良好的线圈，绕组一端与高电压相连，另一端接地，是电力机车的专用电压互感器，具有良好的耐震性。

2.1参数

型号: TBY1-25

输入电压： 25000V/50Hz

输出电压: 100V/50Hz

准确级次: 0.5级

二次额定输出: 20VA

功率因数： 0.8

2.2结构

TBY1-25型高压电压互感器主要由线圈组、铁心、油箱等部分组成,它的外形图如图2-1所示：

图2-1 外形图

互感器的线圈和铁心组装在一起后经过干燥处理并装入油箱，线圈在油箱内卧式放置在45号变压油中。互感器的高压一次侧由磁套引出,低压二次侧则由线圈抽头a1、x1及高压一次线圈的X端子、接地屏出线端子经0.2kV套管引出。为了避免由于悬浮电位造成的放电现象，电压互感器的油箱外部经过接地螺栓可靠接地。箱盖上有油位表,并用红色油漆在显著位置标明温度下油位，箱体上有注油装置,箱盖上有补油装置。为保证油箱内气压与外界大气压强相等在互感器内部装设了一个呼吸器联通内外大气，并在呼吸器内部装载硅胶以保持因环境温度及油温变化时呼入或排出空气的干燥。为防止互感器因为内部短路或其它原因引起的爆炸，在箱盖上装设一个开压力为(35±5)kPa、关闭压力为19kPa的压力释放阀。如图2-2所示为电压互感器的结构简图：

图2-2 结构图

1、油位计 2、压力平衡阀 3、油样观察口 4、初级低压引出套管和次级引出套管 5、紧固螺栓 6、油箱 7、干燥管 8、高压引入套管 9、箱盖

2.3原理

可以把高压电压互感器看作是一种只对电压进行变换的变压器，它利用电磁感应的原理把一次测的高电压变换为标准测量电压。如图2-3所示为互感器的原理接线图：

图2-3 接线图

2.4 常见故障分析

对不同车型的电压互感器的故障情况进行分析，了解故障发生的原因并提出相应的改进措施以提高机车运行的稳定性和安全性。

常见的电压互感器故障有以下几点：

(1)HXD机车采用的高压电压互感器的工作原理与普通电压互感器相同，都是根据互感器线圈原边和副边的匝数比来确定两边电压的比值，但由于互感器的材料、结构、容量和误差范围不同而分别承担了不同的任务，为机车的稳定运行提供了条件。

高压电压互感器的主要任务是检测机车的网压数据，如果高压电压互感器的一次侧线圈出现绝缘破损、匝间短路或者击穿、部分线圈的短路都会导致互感器原边的匝数变少，从而导致原边和副边比例减小而增大副边电压，高压互感器测出的网压就是高于网压的实际值。在机车持续运行时，机车CCU和TCU所记录的网压数据高于实际值表征为连续的网压异常和超高，如果没有及时维护检修而持续运行会严重烧毁电压互感器甚至导致互感器的爆炸。

（2）高压互感器外部连接螺栓、绝缘包扎和变压器油都处于正常状态时，但互感器散发出的刺鼻异味和线圈温度的异常则可能是因为线圈内部局部出现匝间击穿。如果机车在这时候升弓，25KV的高压通过故障的互感器会导致线圈温度急速上升，变压器油在高温下气化急剧膨胀从互感器下部喷出，电压互感器冒烟故障，而不能正常工作，机车也会因为不能接受网压而无法正常工作。

高压电压互感器的绕组匝间短路或接地会导致机车跳主断、网压无法显示，同时导致接触网跳闸，这时司机会降下受电弓继续维持列车运行，进站停车。如果没有及时确认故障的原因而贸然升弓让列车运行会引发一系列事故，互感器的一次侧绕组被烧损，如果二次侧绕组正常，那么这时一次侧绕组是接地的，盲目升弓会使接触网直接接地，接地电流烧断接触网，接触网断电。

（3）互感器的二次侧引出线断线会导致网压信号不能输入车内，从而使机车微机柜中没有机车移相同步变压器的同步信号输入而导致微机柜封锁脉冲，使机车出现无流无压的情况。机车网压表无接触网电压显示，机车不能正常运行。

2.5 常见故障防范措施

在机车大修时，厂家对高压互感器进行更换。高压互感器不能当作一般电器处理，按照变压器的标准要求对高压互感器进行评测。提高材料等级，即原设计的E级绝缘提升为200级，线圈电磁线外包绝缘级采用200级，层间绝缘为200级及环氧树脂使用耐热性好、机械强度高、绝缘性能好等的产品，通过材料改进达到整体绝缘强度和机械性能提高的目的。加强高压电压互感器管理工作，严格按照规范对高压互感器按时进行检修，进行色谱分析，油样采集。对出现故障的机车严格进行严格监控，残次的高压互感器严禁上车。

本章小结

本章是对HXD型电力机车常用的一种互感器进行一些介绍，TBY1-25型高压电压互感器。也对这种电压互感器所经常出现的故障进行了总结和分析。也对这些常出现的故障提出了一些防范措施。和谐型机车在全国范围内大面积推广使用的大趋势下，电压互感器技术的改进对于和谐型机车在全国各地的路况中使用尤为重要。如果没有及时维护检修而持续运行会严重烧毁电压互感器甚至导致互感器的爆炸。所以保障高压互感器的正常运作对于机车顺利的完成运行任务非常重要。机车的大修中可以对高压互感器进行更换。高规格的对互感器进行评测。许多机车研发单位也对新出厂的高压互感器提升了绝缘等级。加强高压电压互感器管理工作，严格按照规范对高压互感器按时进行检修，进行色谱分析，油样采集。对出现故障的机车严格进行严格监控，残次的高压互感器严禁上车。

第3章 机车运行时谐波测试

随着HXD机车的运用。电压互感器频繁出现故障，不单单是HXD类型机车的电压互感器出现故障。韶山机车也会出现很多故障。经过测试这些故障的产生原因都与机车运行而产生的谐波有重要关联。本章从一些测试现场数据来分析高次谐波对于电压互感器的影响。

3.1谐波测试数据结论

监测、采集HXd3交流传动电力机车运行区间时的接触电网电压、电流波形及实时动态谐波数据，分析由HXd3交流传动电力机车产生的高次谐波对运行在该区间直流电力机车的影响（目前主要表现为牵引绕组过电压吸收RC支路电流增大，发热严重），对数据进行处理及谐波量化指标分析，找出谐波影响的关键因素点（频率点、机车状态点、区域点），为采取有效的谐波抑制、治理措施及制定合理的解决方案提供基础数据依据。

表3-1 测试情况表

测试分析总结：

秦岭站分相区（主要车型SS4、HXD3）83、85、87、89次谐波表现突出，在测试全过程中谐波幅值最高，RC支路电流最大（15A），主要因素为HXD3机车站区制动、启动牵引运行， 其影响程度依HXD3机车运行台数及工况而定，初判HXD3运行对电网产生83、85、87、89次谐波，其谐波幅值随台数多而增大。运行工况细节量化需进一步测试判定。

宝鸡站分相区段（主要车型SS、HX、DJ1）3、5、7、9、17、19、21、25、31、33、35、39、41次谐波表现突出，谐波幅值偏高，直流机车主要产生3、5、7、9低次谐波，RC支路电流基本在7~12A。在本次测试监视中，该区段机车运行低速平缓，牵引电流小。

本务机车（SS4型）制动、空载时，当同相区内无谐波因素影响时（外界无直流和交流机车运行时），RC支路电流最小（4~5A）；当同分相区内有直流传动机车（SS型）和交流传动机车运行通过时，电网谐波分量增，幅值增大，RC支路电流增高，其谐波频率、幅值依机车类型、数量、工况而定。

在相同环境条件下，本务机车（SS4型）牵引工况时， RC支路电流比其制动、空载工况时大；牵引电流增加变化时，RC支路电流增高；同分相区内有交流机车牵引或制动运行时，RC支路电流增高；交流机车牵引电流变化时，RC支路电流增高；交流机车运行台数多，RC支路电流增量大。本次测试采集数据SS4线路持续大电流牵引工况时，RC支路电流9~11A。

5.容纳机车运行数量多，且交流机车密集运行的同分相区（如枢纽站）电网谐波因素影响严重，应对该区域重点测试，考虑解决方案。

3.2谐波测试波形图

图3-1 测试数据1

图3-2 测试数据2

图3-3 谐波实时量化图1

图3-4 谐波实时量化图2

图3-5 谐波实时量化图3

图3-6 谐波实时量化图4

图3-7 谐波实时量化图5

图3-8 谐波实时量化图6

图3-9 谐波实时量化图7

图3-10 谐波实时量化图8

图3-11 谐波实时量化图9

图3-12 谐波实时量化图10

图3-13 谐波实时量化图11

图3-14 谐波实时量化图12

图3-15 谐波实时量化图13

图3-16 谐波实时量化图14

图3-17 谐波实时量化图15

本章小结

本章从监测、采集HXd3交流传动电力机车运行区间时的接触电网电压、电流波形及实时动态谐波数据，分析由HXd3交流传动电力机车产生的高次谐波对运行在该区间直流电力机车的影响（目前主要表现为牵引绕组过电压吸收RC支路电流增大，发热严重），对数据进行处理及谐波量化指标分析，找出谐波影响的关键因素点（频率点、机车状态点、区域点），为采取有效的谐波抑制、治理措施及制定合理的解决方案提供基础数据依据。随着HXD机车的运用。电压互感器频繁出现故障，不单单是HXD类型机车的电压互感器出现故障。韶山机车也会出现很多故障。经过测试这些故障的产生原因都与机车运行而产生的谐波有重要关联。

通过分析发现告辞高次谐波对于HXD3机车会产生影响，影响程度依HXD3机车运行台数及工况而定。机车制动、空载时，当同相区内无谐波因素影响时（外界无直流和交流机车运行时），RC支路电流最小（4~5A）；当同分相区内有直流传动机车（SS型）和交流传动机车运行通过时，电网谐波分量增，幅值增大，RC支路电流增高，其谐波频率、幅值依机车类型、数量、工况而定。容纳机车运行数量多，且交流机车密集运行的同分相区（如枢纽站）电网谐波因素影响严重，应对该区域重点测试，考虑解决方案。

第4章 谐波产生的因素及危害

在电力的生产，传输、转换和使用的每环节中都会产生谐波。谐波主要来源有三个方面。第一发电质量不高，从电网源头就产生了谐波。但此类谐波一般比较少。第二输配电系统中，在传输配电环节将有谐波的电传输给用电设备。这类谐波产生的原因是由于变压器所产生的。变压器铁心饱和，磁化曲线非线性，工作磁密在磁化曲线饱和处，出现了奇次谐波。第三用电设备自身就在运行中产生了谐波。此类谐波的产生因素很多，在铁路系统中多是由于机车启动，再生制动工况中。

4.1电网中谐波的产生因素

因为发电源的品质不好产生的谐波，发电机的三相绕组的不绝对对称和铁芯的不绝对均匀导致发电源产生少了谐波。输配电系统产生谐波，电力变压器铁芯饱导致磁化曲线的非线性，使得磁化电流在磁化曲线的近饱和段上呈尖顶波形，含大量奇次谐波，严重时3次谐波电流甚至能达到额定电流的0.5%。用电设备（主要包括整流装置，变频装置以及气体放电类电光源）产生的大量谐波。整流装置从电网吸收了缺角的正弦波使得电网剩余部分缺角，由此产生的谐波最多可占谐波总含量的40%；采用相位控制的变频装置会因为三相负荷的不平衡产生的谐波约占总谐波的20%；荧光灯，高压汞、钠灯等气体放电类电光源非线性严重产生谐波。

4.2 再生制动工况时产生谐波的因素

再生制动是指机车制动时牵引电机工作在发电机状态，把动能转化为电能回馈到电网储存起来或者供给其它负载使用，但是由于这些负载的电流不随电压同步变化，使电网中电流非正弦，从而产生谐波使电网电压失真。

4.3 过电压对供电系统的危害

供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面。

(1)对旋转电机的附加损耗和转矩都会产生影响。因为集肤效应、磁滞、涡流等引起的附加损耗随频率增高而增加，从而导致电力用户电动机的总损耗急剧攀升；谐波电流产生的谐波转矩会产生显着的脉冲转矩可能会使电机转轴扭曲振动。

(2)对变压器的影响。谐波电流（特别是3及其倍数次谐波）使三角形连接的变压器铜耗增加，从而在绕组中形成环流使绕组过热；全星形连接的变压器绕组中性点接地且该侧电网中分布电容较大时，形成的3次谐波会使变压器附加损耗增加。

(3)对输电线路的影响。输电线路的电阻会随着频率的升高而增加，在集肤效应的作用下，输电线路的附加损耗也随之增加；谐波使三相供电系统中的中性线的电流增大导致中性线过载；输电线路上的电感电容与产生谐波的设备组成的串联回路或并联回路发生串联谐振或并联谐振产生的谐波过电压、过电流对相关设备的危害性较大，谐波电压升高、谐波电流增大都会引起继电保护装置出现误动损坏设备。

4.4 过电压对电压互感器的危害

在机车运行时一般电压都不会超过绝缘等级的规定电压。但是机车过分相时就容易出现电弧，进出分相就会形成两次电弧。电弧严重就产生了过电压。而过电压会使高压互感器产生高温，高温的长时间作用会使得绝缘层老化。这时电压互感器不会是一个稳定的状态，击穿电压也会变得不是固定值。但是如果输入互感器的电压值超出了互感器的绝缘等级，就会引发匝间击穿。

本章小结

本章是通过分析谐波产生的因素及危害分析出谐波对于电压互感器的影响。

发电质量不高，从电网源头就产生了谐波。输配电系统中，在传输配电环节也会将有谐波的电传输给用电设备。用电设备自身就在运行中产生了谐波。再生制动是指机车制动时牵引电机工作在发电机状态，把动能转化为电能回馈到电网储存起来或者供给其它负载使用，但是由于这些负载的电流不随电压同步变化，使电网中电流非正弦，从而产生谐波使电网电压失真。对旋转电机的附加损耗和转矩都会产生影响。对变压器和输电线路也会产生影响。机车过分相时就容易出现电弧，进出分相就会形成两次电弧。电弧严重就产生了过电压。而过电压会使高压互感器产生高温，高温的长时间作用会使得绝缘层老化，就容易引发匝间击穿。

第5章 谐波治理

所谓谐波的治理就是指采用一定的方式方法减少或者消除系统中的谐波电流，从而将谐波电压控制一定的范围内，不能最电网电压造成较大影响。

5.1 降低谐波源的谐波含量

从源头上减少或消除谐波能在很大程度上提高电网的质量，并且能够最大程度的节约因为消除谐波而对设备进行检测、维护、优化而产生的成本，大大节省了消除谐波影响而产生的费用。在源头上减少或消除谐波影响主要可以从如下几方面实现：

（1）增加整流器的脉冲数。电网中的主要谐波源之一是整流器，由它的特征频谱n=Kp±1,可知n随脉冲数p的增加而增加，而由In≈I1/n知，谐波电流将随脉冲数的增加而减少。因此增加整流器的脉冲数可以平滑电流电压波形，减少谐波含量。[2]

（2）采用PWM脉宽调制法进行调制。通过改变载波比在所需的频率周期内,将直流电压调制成等幅不等宽的交流输出电压脉冲也能有效的治理谐波。[2]

（3）变压器采用Y/ 或/ Y 的接线方式。当同一段母线向两台及以上整流变压器供电时, 将变压器一次侧绕组分别交替接成Y 型和△形,能够使5 次、7 次谐波相互抵消,从而有效的降低谐波影响。而剩下的11 次、13 次谐波由于频次高,幅值小,其危害性很小可以忽略不计。而这种接线也可以有效的消除3 的倍数次的高次谐波,改变变压器三相绕组的接线方式是抑制高次谐波的最基本的方法之一。[]

5.2 滤波器滤波

5.2.1无源滤波器

无源滤波是一种普遍且经济有效的治理谐波的方法。只要通过调节无源滤波器中的电容和电感的参数就可以对其进行调控，将具体的某次谐波或者某段频率范围内的电压电流谐波呈现出低阻抗通道，进而把谐波导入地下，避免谐波对回路的影响。

根据无源滤波器滤波方式的不同可以将其大致分为单调谐、双调谐、三调谐、高通调谐滤波器和失谐滤波器等。如图5-1所示为常用的几种滤波器的接线方式，其中（c）（d）均属于高通滤波器：

图5-1 常用接线方式

利用无源滤波器的滤波原理，结合各滤波器的接线方式及滤波性质可以得到新型的电压互感滤波电路滤掉多次谐波。如图5-2所示为电压互感器的接线图：

图5-2 电压互感器滤波电路

其中电容器数值计算方式为：

（5-1）

式中表示额定无功功率，为基波角速度，是额定电压。

电抗器数值计算方式为：

（5-2）

式中n为谐波电流次数。

电阻数值计算方式为：

（5-3）

式中Q为滤波器的品质因素，Q的取值范围为30。

5.2.2 采用有源滤波器滤波

有源滤波器是利用可控器件给电网输入与原有谐波电流幅值相同、相位相反的电流，使谐波电流与通过可控器件输入的电流完全抵消。有源滤波器与无源滤波器相比具有很多优越的特点：

(1)补偿方式十分灵活，响应速度快，对绝大多数情况下的谐波都能进行实时补偿。

(2)有源滤波装置以一个含高阻抗的电流源的形式存在于电路中，不会对系统原有的阻抗产生影响。

(3)有源滤波器结构相对独立，几乎不会受外界阻抗影响，也不会和电网形成谐振回路并且对串联谐振有抑制作用。

(4)有源滤波器可以对高次谐波电流和非整数倍的谐波电流进行补偿，并且可以同时对单个或多个谐波源进行补偿，大大的提高了滤波器的工作效率。

(5)有源滤波器在谐波电流发生突变时不会过载，不需要与回路断开仍然能够保持正常工作。

有源滤波器接在电压互感器中就相当于一个受电压控制的电压源，它能够自动检测电源电压中的谐波电压分量，产生与一个幅值相同相位相反的附加电压信号以实现系统与谐波的隔离，使电源的端电压恢复成正弦波形。如图5-3所示为其接线方式图：

图5-3 有源滤波器串联接线方式

无源滤波器虽然因为其效率高、结构简单、维护方便等优点在配电网中得到广泛应用，但是它的工作特性受系统参数影响较大，在投入使用的过程中出现了很多问题。它只能对特定的几次谐波进行消除，而对其它次谐波无能为力，甚至会起放大作用以致出现谐振现象，这样的滤波装置早晚会被性能更加优越的滤波装置取代。在电力电子技术大力而迅猛发展的今天， APF以其独有的高度可控性和快速响应性成功取代了无源滤波器在配电网上的位置。它除了能补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功等功能外，还有一机多能的特点，性价比相对较高，最重要的是APF的滤波特性不会受到系统阻抗的影响， 能够很好的消除与系统阻抗发生谐振的危险，具有超强的自适应功能，能够自动跟踪并补偿变化着的谐波。

　　　目前，在我国仅对低压有源滤波技术有所涉猎的时候，国外的高压有源滤波技术已得到广泛应用与发展。有源滤波技术作为改善电网电能质量的关键，它的应用范围将从补偿改善自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展，APF在我国的发展前景不容小觑。

图5-4　有源滤波器APF 原理图

5.2.3 加装静止无功补偿装置

在电力机车谐波源快速变化的过程中，谐波源除了产生谐波影响电网电压外往往还会引起供电电压的波动，造成系统三相电压不平衡、对称，快速变化的谐波源严重影响了公用电网的质量为电网供电带来很多不必要的麻烦。为了有效的解决这一问题，通常选择给谐波源并联装设一个静止无功补偿装置来减小波动的谐波量，装设无功补偿装置不但能解决上述问题还能有效的抑制电压波动、电压闪变、并且能够有效的补偿功率因子。

5.3改善供电环境

在治理谐波影响的时候，除了对谐波源的谐波进行处理和对谐波进行滤波外，改善供电的环境也是十分必要的。选择合适并尽可能三相对称平衡的供电电压可以有效减小谐波对电网电能质量的影响；或者选用较大容量的供电点（高一级的电网电压）对谐波源供电也能够有效增强电网承受谐波的能力；采用专门的线路对谐波源负载进行供电能够有效减少谐波对其他负载的影响的同时也有助于集中治理和消除高次谐波。

本章小结

由于谐波会对铁路系统产生诸多的影响和危害，所以采取什么样的方法来治理产生的谐波就是本章所进行描述的。本章说明了几种处理谐波的方法，可以降低谐波源所产生的谐波含量。这种方法可以最直接的进行谐波治理。也是最经济实用的。无源滤波是一种普遍且经济有效的治理谐波的方法。只要通过调节无源滤波器中的电容和电感的参数就可以对其进行调控，将具体的某次谐波或者某段频率范围内的电压电流谐波呈现出低阻抗通道，进而把谐波导入地下，避免谐波对回路的影响。APF以其独有的高度可控性和快速响应性成功取代了无源滤波器在配电网上的位置，在我国的发展前景不容小觑。

第6章 潜伏性故障的判断及技术改进

本章内容是结合现场工作的经验得出的一些对电压互感器潜伏性故障的判断，并通过经验总结出的一些技术改进和防范措施。根据变压器油的一些物理、电气、化学性能指标检测结果和溶解气体的色谱分析，对电压互感器存在的一些潜伏性故障提供了判断依据并对电压互感器的可靠性进行技术改进。

6.1电压互感器潜伏性故障判断

通过现场经验总结得出的电压互感器潜伏性故障判断方法主要有以下几种：

（1）对变压器油的电气、物理和化学指标进行检查可以判断高压电压互感器是否出现故障。测得的变压器油的性能指标与标准质量指标相符合并不代表就不存在隐含问题，我们必须学会从这些指标中观察出隐藏的故障与危险才能进一步保证机车的正常运行。指标在击穿电压降低、闪点温度降低的时候，酸值测定的结果却提高，则可能是因为该电压互感器的内部已经出现了潜伏性过热甚至还伴随着电晕、电弧放电、火花等故障。在发现这些问题的时候必须严谨对待，对电压互感器所使用的油进行溶解气体气相的色谱分析可以判断电压互感器的潜在故障是否更加严重。

（2）电压互感器所使用的油会因为温度的变化而产生不同的气体，因此我们可以根据故障点的温度来判断电压互感器的故障是否严重。对温度进行实时检测能够避免故障发展得越来越严重以致出现爆炸等不可挽回的后果。

故障点温度计算公式：

（6-1）

绝对产气速率计算公式:

（6-2）

相对产气速率计算公式：

（6-3）

6.2 电压互感器技术改进

6.2.1 SF6 气体绝缘

通过对改善电压互感器的绝缘技术来改善电压互感器的性能也是一种非常有效的手段。改善绝缘技术实际上就是对绝缘材料进行改变或改进来提高互感器的绝缘性能。而新型的绝缘材料是改善绝缘性能的有效着力点，SF6是一种不燃、无毒、无臭、耐高压的惰性气体，除了具有这些优越的化学性质外还有很强的灭弧能力和很好的绝缘性能，非常符合电压互感器对绝缘材料的选择要求。只要在SF6气体内不出现局部放电的情况，材料的绝缘性能就不会老化；就算出现内部绝缘故障也不会存在气化现象有很强的稳定性。因为SF6这些优越的性能，它成为目前最佳的绝缘材料。

在国外, SF6在高压互感器的研究中已经存在了一段时间并且占据了相应的历史地位。同样国内也已经完成了样机试制并对SF6的性能进行了实验，实践表明，采用SF6的电压互感器的体积小、重量轻、具有良好的绝缘性能。在高压放电时，由于气体的可压缩性产生的压力相当低并可用压力释放器进行有效的控制，SF6互感器是一种能够防爆的高可靠性互感器。可以预见的是，在不久的将来高可靠的SF6绝缘高压互感器将会代替一部分油浸式高压互感器。将SF6高压互感器与SF6断路器配套使用的更能体现出它显著的优越性。

6.2.2 电子式互感器

随着铁路系统的大力发展，输变电系统规模不断变大所供给的电压也变得很高，为了满足目前的发展趋势，就要对现在机车所使用的互感器高规格要求。以前的互感器有以下缺点：

（1）电网所供给的高电压会使互感器处于高温状态，为了满足热稳定性设计出的电压互感器就会很大很笨重，结构复杂，维护、检修时也会很麻烦。

（2）电磁式电压互感器由于自身的工作原理就会引发铁磁谐振，产生危害。

（3）电缆会发生耦合产生电磁干扰。

（4）油浸式的绝缘结构，由于温度的影响就可能燃烧和爆炸，不安全。

电子式互感器采用将频率脉宽调制器连接到普通电流互感器的二次绕组的方式。将光控二极管接到调制器上，光控二极管辐射的光通量与一次绕组的电流成正比，光接收机接收光通量后输出电气信号。由于电力电子器件近年来的快速发展和电力电子器件本身的高度可靠性，电子式互感器改变了部分传统的结构形成一种功耗低、结构简单、可靠性高、精度高、休积小并且能够避免铁磁谐振过电压的新型互感器。

本章小结

本章是结合现场经验总结的一些预防电压互感器发生的故障。可以通过用油的物理化学的一些性质变化来分析出一些有规律可循的方法有效预防。也可以通过给出的计算公式分析潜在的隐患。还对互感器的发展趋势进行了分析，一些在国际上已经趋于成熟的先进技术，和高技术的新型研发产品可以在我国铁路系统中大力推广和运用。

总结

电压互感器是电力机车中一个重要的部分。它是保证机车正常运行的关键部分。本文通过HXD型机车常用的高压电压互感器一些介绍和分析，使读者对互感器有一定了解。列举了一些互感器存在的故障类型，从而引出发生故障的原因。通过现场采集的信息，逐步分析出高压电压互感器发生故障的原因。由于目前对于现场事故发生的情况认知有限，HXD型机车还是采用韶山系列的互感器。所以这方面是可以着手研究的。HXD型机车各方面要求都要高于韶山系列机车，所以提高HXD型机车所使用的互感器各项参数级别必不可少。例如提高结缘等级等。由于高压电压互感器经常出现故障，而且电压互感器也并没有更新换代，对于和谐机车来说就会显得很难满足需求。所以先对现在常用的电压互感器一些参数开始分析，了解了互感器的基本情况。然后根据现场出现的一些状况进行分析得出结论，找出导致故障发生的原因，再根据其原因提出有效的改进和防范措施。

本文也存在很多不足之处，波形的分析只是采用一些资料，由于机车运行产生的高次谐波自己所能掌握的设备不足以对此进行研究和分析。所以本文对和谐机车运行中的高次谐波并没有充分分析讨论。所以只能从产生了谐波之后如何治理谐波着手。

在以后的研究中可以加入仿真，对有源滤波器进行深入分析。因为有源滤波器可以对电路输入一个大小相同，相位相反的电流抑制谐波电流。而不会影响主电路。这可以作为以后发展滤波器的一个重要方向。

致谢

岁月如梭，大学四年的学习生活就这样快结束了。四年时间，我遇到了很多人，我们相遇、相知。在我遇到困难的时候你们给我鼓励，遇到快乐的事我们一起分享。大学四年不只是学习。大学四年带给我的汗水，泪水同样重要。谢谢我敬爱的亲人、老师、朋友和同学。值此论文顺利完成之际，再次向你们表示本人由衷的感谢。

首先，要感谢我的父母，是你们的抚养，我才有进入大学学习的机会。从你们身边离开成为一个独立的个体。二十多年的养育之恩无以为报。其次，要感谢的是我的导师陶若冰老师。感谢老师为我论文的编写不辞辛劳。并且在该论文相关资料严重过缺乏的情况下老师想尽办法帮我寻找。在我的论文规划，收集资料和完成论文的过程中都给了我非常多的帮助，每当我遇到问题时都会耐心地讲解和分析。陶老师为我的论文提出了很多让我醍醐灌顶的建议和指导，通过陶老师的无私地帮助，和悉心指导我才能将论文顺利准时地完成。

同时，我还要感谢论文编写过程中给过我建设性意见的同学们，还和我共享宝贵资料。谢谢你们！还有成都铁路局大功率机车培训班对我的培养。通过这篇论文我也可以对于现场有一定了解为我今后的工作有重要的帮助。再次感谢成都铁路局大功率培训的老师们和领导们。

最后，感谢百忙之中评审论文以及参加答辩会的各位专家、老师，感谢你们对本论文的宝贵建议!

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