高速动车组高压箱及其绝缘监测系统设计

高速动车组高压箱及其绝缘监测系统设计

冀恩祥,张金炜,韦永全

1.中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北省唐山市 064000

摘要： 针对目前高速动车组高压系统设备户外型布置方式易受雾霾天气影响，增加外露设备伞群擦拭维护工作量，且易发生污闪放电现象，研制高压电器箱以实现高压系统设备户内型布置。利用高压箱将车顶高压部件集成于密闭空间，增强高压部件的集成度，改善高压部件工作环境，避免高压部件污闪放电问题；同时，高压箱内设置在线绝缘监测系统，通过电量及非电量检测方式实时监测箱内部件绝缘状态，有效提高动车组车外高压系统的运行稳定性。

关键词：高速动车组  高压箱 在线绝缘监测

1概述

高压电器箱适用于标准化动车组和动卧车，内部集成了带接地开关的主断路器，高压隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器；箱体内部具有绝缘在线监测设备可对箱内局放、连接处温度及内部电器表面温度进行监测。所有高压电器及监测元器件封闭在箱体内，避免了外界雨雾、污秽、气流等影响，改善了内部高压电气设备的工作环境，提高其线路适应能力、防污闪性、可靠性，同时可对箱内异常温度和绝缘性能情况报警。

2高压箱设计

2.1 高压箱布局

高压电器箱由箱体焊接、箱盖、高压断路器、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、高压隔离开关、进线电缆总成、出线电缆总成及跨接电缆总成组成，箱内有绝绝缘在线监测单元对箱内的放电情况和连接排局部温度实时监测。高压电器箱内部布局如图1所示。

图1 内部布局示意图

2.3 高压箱接口及外形设计

2.3.1箱体结构

箱体和上盖均采用铝合金型材焊接骨架，外侧焊接蒙皮而成。箱体内侧装有隔音隔热棉，底部布置有绝缘板，以增大高压裸漏端与底部爬距，箱体四角设置有吊挂孔以便箱体吊装。上盖长边两侧设计把手以便抬起，内侧浇注有硅橡胶。

2.3.2上盖与箱体密封与配合

箱体与上盖通箱盖在打开翻起约60°左右时由气弹簧支撑并保持住，以便对箱内进行检查维护；上盖与箱体接触面采用异形密封条双道密封结构。

2.3.3箱体的呼吸作用

高压箱的两侧各设置了一个呼吸阀，以平衡箱体内外的压力。呼吸阀（空气过滤器）排量8L/min，防护等级为IP56。

2.3.4箱体上避雷器处压力释放弹簧门

对高压箱内的避雷器，设置有压力释放口，在压力释放口正对的部位，设计了弹簧门，当避雷器爆炸时，瞬间的高压气流推开弹簧门释放压力，形成对箱体内其它元器件的保护，在避雷器和弹簧门之间设计了释放导向罩，以引导气流流向。(当箱体内侧压力大于外侧6000Pa时，弹簧门抬起)弹簧门由8个弹簧压缩后紧压在箱体上，每个弹簧受力为：

F==6000×0.4×0.085÷8=25.6N，取值26N.以此进行弹簧计算。

弹簧计算： H0=60    弹簧预压为H1=40，F1=26N   F‘=1.3 N/mm

3在线绝缘监测系统设计

3.1 系统组成

在线绝缘监测系统主要集成了局放监测和地电压监测的功能，系统的构成主要如图14所示：

图14 在线绝缘监测系统图

1） 监控主机

局部放电在线监测系统利用脉冲电流和暂态低电压（TEV）的检测原理，对高压电缆局部放电进行在线监测并完成数据显示及上传。采用自动选频窄带滤波等抑制干扰的技术，具有抗干扰能力，实现强干扰环境下准确监测高压箱内部的局部放电情况，还可以实时显示被监测设备的局部放电数值，便于对当前设备局部放电强度趋势进行观察，评估高压设备运行的可靠性。

2） 高频电流传感器

在高压箱进线端的电缆终端头处，导线和金属屏蔽之间由绝缘材料隔开形成分布电容，该电容约为几百pF，对高频信号形成通路。因此高频的局部放电脉冲电流信号由分布电容对接地引线构成回路传输，在高压箱进线电缆屏蔽接地线上安装高频电流传感器可检测到放电脉冲信号，并能够确定局部放电的量值。

3）TEV传感器

当高压电气设备发生局部放电时, 放电产生的电磁波通过金属箱体传播，并通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播初期,产生一个暂态电压, 通过设备的金属箱体外表面而传到地下去，频率在3-100MHz。这些电压脉冲即为暂态地电压, 简称TEV。通过在箱体外表面安装TEV传感器可检测到箱体内部的局部放电信号。

3.2 在线绝缘监测系统拓扑设计

依据系统整体设计，在线检测系统软件通过以太网口获取局放信号处理机的绝缘电流数据，并保存接收的原始数据；然后经过数据分析和计算，存储结果数据并且用数据列表和曲线图在界面上显示。根据功能需求和实现过程，软件可划分为：主控模块、参数设置模块、通信模块、数据存储模块、数据分析模块、数据库访问与存储模块、数据显示与警示模块。

主控模块：

系统初始化、软件主界面的显示以及各个软件子模块的调用；

参数设置模块：

各个热像仪、局放信号处理机的IP地址和网关等通信参数的保存与查看、修改；温度报警阈值、绝缘电流阈值的设置等系统参数的管理；

  通信模块：

负责软件与热像仪、局放信号处理机的数据通信；

数据存储模块：

保存从数据通信模块传递过来的文件数据；

数据分析模块：

分析采集的图像数据，抽取被检测对象的监控温度；分析局放信号处理机的电流数据，判定是否超过设定的电流报警阈值；

数据库访问与存储模块：

存储、访问采集的温度数据记录（数据库记录中保存的图像文件名，数据库记录与文件记录一一对应）、绝缘电流记录；

数据显示与警示模块：

接收数据分析模块传递过来的温度数据和绝缘电流数据，以数据列表和曲线的形式在界面上显示；如果数据超过设定的阈值，按设定的方式报警。

各个模块之间的结构关系如图15所示：

图15 模块调用关系结构图

3.3 在线绝缘监测系统软件设计

在线检测系统的软件主界面采用图形图表，直观、美观、清晰，温度和绝缘电流数据用表盘和曲线图的式样，软件效果图如图16所示。

图16 主菜单

在线检测系统的软件主界面采用图形图表，直观、美观、清晰，温度和绝缘电流数据用表盘和曲线图的式样，软件效果图如图17所示。

图17 软件主界面

4 结论

本文针对动车组用高压箱的整个设计过程进行了详细描述，对高压箱内各功能部件的选型，参数设计及整个高压箱系统的集成进行了详细设计，同时对动车组运行过程中无法对高压箱内部进行有效监控的问题提出了解决办法，利用在线监测系统实现了对高压箱内部件绝缘状态的实时监测，提高了动车组高压系统的运行稳定性。

参考文献：

[1] 郭晨曦.牵引供电系统过电压与电力机车、动车组绝缘水平的选择  铁道机车车辆，2006，26

[2]汪淑琴. CRH2型动车组车顶用绝缘子的分析  上海铁道科技 2009

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