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摘要：我国地铁供电系统普遍采用35KV电压等级，为保障运行提供充分的动力。而电压互感器是地铁供电系统开关设备中比较薄弱的元件，在一线城市中的南京、深圳的地铁35KV系统的PT多次发生故障。本文主要对地铁电压互感器的故障原因进行分析，更新设计思路，确保供电系统的电压互感器安全运行。
关键词：地铁；35kV电压等级；故障分析
前言
我国地铁供电系统性大部分采用 35kV的电压等级，开关应用C-GIS中压开关，这类开关对占地面积需求不大，运行稳定，同时还能免费维修，对地铁运行来讲，具有一定的便利性，但其对元件的要求却很高，特别是比较薄弱的电压互感器，容易发生故障。
一、电压互感器故障分析
如XX地铁线路电压互感器故障导致一次熔丝屡次熔现象，对变压熔丝熔断的具体时间、地点及运行方式进行分析，该故障的原因有两大部分，一是无操作现象下发生，另外一种是空充单母线的操作情况下产生。从其故障产生时间上来看，故障产生可能是在操作时产生的，也可能是列车收发车或者运行高峰期产生的。
在进行故障分析可能由于不按规定倒闸操作所引起的，因为不合规定的倒闸操作会产生工频位移过电压。同时还与列车运行及其35kV系统参数匹配有联系，因为牵引变的整流器会产生大量谐波，经过相关测量确定了牵引变的整流器是该线35kV系统谐波主要来源，而且随着列车收发车和运行高峰期的到来，35kV系统上的谐波频率强度在不断发生变化，其系统参数也在发生变化，当这两者的自振频率一致，并且蕴含激发因素，那么就会产生谐振过电压。因为该线的35kV系统属于小电流接地系统，其中前者与倒闸操作和35kV系统运行方式有联系，后者与列车运行情况和系统参数匹配有联系。除此之外，还可以利用在线录波分析方式对故障进行分析，先通过测试地铁35kV网络，以判定其中存在直流分量，并且其大小在不断变化，然后按照稳态直流分量进行在线录波，以进行可定量分析。再通过对地铁多点的电压互感器进行二次采样录波，确定暂态直流分量状况，接着利用对电容量的计算以及放电回路的确定，得到直流电流与额定电压下以此励磁电流的关系，最终分析出故障情况。图1为一次绕组烧毁故障图：
二、设计原因
P T 的绝缘水平为36/70/170 k V。根据国家标准，35 k V的P T绝缘水平为40.5/95/200 k V。这是因为通常国外的系统额定电压为30 k V，国内的系统额定电压是35 kV，所执行的标准不同，对P T的设计也会产生一定的影响。比如绝缘水平为36/70/ 170 k V的产品，联接的插拔头可采用1#硅橡胶头同1#插座匹配，而35 k V的产品应采用绝缘水平更高的2#插头和插座。同时，由于感应耐压的提高，有可能对纵绝缘产生不可恢复的伤害，因此，在层间场强和匝间电压设计的选择上，应同工EC标准的产品有所区别，以避免在感应耐压试验后对绝缘产生的伤害。
三、电场的设计
通常国内互感器厂家接地PT的一次绕组均采用分级塔式结构进行绕制(图2)，通过轴向方向多绕匝数，可有效地降低PT的一次直流电阻，减少一次铜耗对准确级的误差产生影响，从而提高容量和精度等级。与此同时，层间匝数的增加，使得层间电压抬高，此时，需要采取一定的措施，将层间场强降低下来，可采用的方式有，将一次导线的线径加粗或加强层间绝缘的绕制方法，从而达到降低层间场强的目的。
一次线圈的分级绕制也是设计的关键。一次电压是通过线圈的匝数来分压的，分级的主要目的也是充分利用有限的内部空间，来达到最佳的电场效果。
由此可以看出，一种型号的PT的定型，必然是经过多次的设计比较，优选出一种最适合的方案，并通过型式试验验证。仅为满足容量要求，进行设计的更改容易带来一系列问题。
四、PT制造工艺
设计一旦定型，还需要精良制造工艺来确保产品质量。PT总体工艺可分为3个，一是线圈工艺，二是包扎工艺，三是环氧浇注工艺。
(一)线圈工艺。35 k V的P T-次线圈通常有几万匝，一次的铜导线层层绕制，绕制过程中边口部位的线匝固定尤为重要，一旦边口部位的线匝松脱，就相当于在高压部位多出了尖端，而尖端会引起电场的畸变，在使用过程中对邻近的绝缘材料会加速老化从而缩短使用寿命，或者在某些操作过电压等电网波动的时候，有可能在这种薄弱环节引发故障。随着我国装备事业的发展，PT全自动绕线机的普遍应用，一次线圈的边口的位置控制普遍提高，但是由于线圈在浇注前期还要进行干燥处理，层间绝缘同漆包线的热膨胀系数是不一样的，处理过程中容易产生上述现象。为避免出现这种情况，必须采取措施对边口导线进行固定处理，通常采用双面胶或胶水固定的方式，2种方式都需特别注意，双面胶太长或胶水涂装多，都会缩短一次线圈边缘的有效爬电距离，从而带来绝缘问题。
(二)包扎工艺。一次线圈的高压端通常都设置1个静电屏，其功能主要是改善雷电冲击时绕组的电压分布，同时，另一个功能是对分级结构产生的一次绕组尖端进行有效的屏蔽，以改善电场分布。
(三)浇注工艺。一次线圈的边口存在层绝缘和绕组所产生的间隙，互感器在浇注过程中应确保环氧树脂体系能完全渗透至间隙间，否则中间的间隙在运行时产生局部放电，很快破坏层绝缘，造成PT故障。因此，环氧树脂体系应该有良好的浇注工艺性，保证树脂在真空浇注和凝胶前能充分渗透至边缘的间隙中。树脂体系的选择，应根据产品特性需要，选择适当的凝胶时间、填料比例、填料形态以及与其匹配的浇注和固化工艺。
五、在线录波分析
（一）初步测量
对地铁35 k V网络进行测试，如图2所示，正负半周明显不对称，即有直流分量存在，而且无周期性大范围波动，证明直流分量的存在和大小是不断变化的。
（二）稳态直流分量
进一步按照此方法进行可定量分析的在线录波，在7 min内录得一次直流电流最大为0.14 mA(录波时间为7 min，不一定是直流分量存在的最大时间段)。
据此对PT的铁心磁通密度计算:互感器一次匝数为47600匝，一次励磁安匝为6.664，铁芯的平均磁路长度为0.61m，得出单位长度的励磁安匝为10.9。铁心磁通密度因该直流励磁已经达到7000Gs，加上50Hz额定电压下的8000Gs，已经达到15000Gs。
（三）暂态直流分量
同时，在该地铁对多点PT进行了二次采样录波，发现在负载变化或有操作时会产生较大的暂态直流分量，此暂态过程中的直流分量已经使铁心饱和，50 Hz额定电压使互感器一次绕组产生800 m A的过电流，持续时间10 ms左右。
六、结束语
根据以上分析，得出引起互感器故障的因素可能是标准有误、设计缺陷、工艺不精、操作不当等诸多原因，结合在线录波测试分析，可进一步确定导致P T一次绕组烧毁原因。改善P T在地铁供电系统的适应性、提高PT运行的安全可靠性。
论文作者:吴梓湛
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/30
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