京广高铁通讯基站电力箱变变压器烧损原因分析

王兰和1 刘勇2 韩冬竹3

（北京局集团有限公司石家庄供电段/河北省送变电公司  河北050000）

摘要：本文对京广高速铁路定州东站至机场站间，供12-TX号通讯基站用电的电力箱变综合贯通回路的10kV变压器烧损的原因进行分析，根据烧损的原因提出了解决办法。

关键词：电力  箱变  变压器  烧损  分析

1 问题的提出

到2017年底我国开通运行的高速铁路以达到22000公里。为了满足高速铁路的行车要求，沿铁路线每隔2-3km就建有一座10kV电力箱变，供信号基站、通讯基站、光纤直放站等设备用电。京广高速铁路供电系统自2012年送电运行以来，一直运行正常，但在2016年8月17 日京广高铁定州东站至机场站区间12-TX号供通讯基站的通讯电力箱变综合贯通电源测变压器C相线包烧损。

供通讯基站用电的变压器为环氧树脂浇注干式电力变压器，型号SC11-20kVA、一次电压10kV、二次电压0.4kV、接线组别为11组角星接线、短路阻抗4%、一次电流1.15A、二次电流28.87A。生产厂商为丹东欣泰电气股份有限公司2010年10月生产。

变压器一次测保护为高压保险：型号XPNT-10\3A。二次测保护总断路器型号：NSX100F40A\4P、通讯电源回路开关型号：NSX100F32A\3P, 。变压器所带负荷主要有三部分：

一是通讯基站通讯设备运行用电负荷，这部分负荷主要是给通讯设备提供直流电源的功率模块，功率模块为单相，其中A相电源一块、B相电源一块、C相电源二块，各功率模块直流输出侧并联运行。功率模块型号：DPR48\50-D-DCE、输入电压AC220V、240V，输出电压DC58V，配备蓄电池6块。功率模块生产厂商为台达电子工业股份有限公司。

二是通讯基站空调用电负荷。

三是基站照明负荷。故障变压器烧损痕迹见图1。在综合贯通变压器烧损后通汛电源自动转换到一级贯通电源供电，在设备检查中工作人员发现一级贯通电源10kV\0.4kV变压器C相线包有间断的放电声音。工作人员抓紧时间对烧损的变压器进行了更换，变压器更换后

图1 烧损变压器 C相高压包击穿孔

通讯电源切换回综合贯通电源供电，变压器送电带上通讯负荷后发现一级贯通电源变压器C相线包放电声消除，后进行电源转换试验发现那路电源带上通讯基站负荷那路电源变压器C相线包就会发生放电声响。对这个问题现场进行了初步分析感觉是基站的直流电源整流功率模块有故障所引起，根据初步的分析通信段对基站C相的两个整流功率模进行了更换，整流功率模块更换后两路电源的变压器C相线包放电声消失电源恢复正常。

在本次设备故障后又发生了多处这类放电声音问题，只要通信段更换功率模块设备就会恢复正常。是什么原因造成两路电源所带变压器在带通讯基站负荷时变压器线包发生放电声响呢？为了搞清楚这个问题，2017年3月24日定州东至正定间04--TX号通讯基站电力箱变变压器又发生了三个线包同时放电的声响，为了搞清楚变压器放电声响我们带试验设备对变压器的输出测三相电源波形进行测试，A、B、C三相电压、电流测试波形

见下图2、3、4

图2  A相电压、电流波形图

图3  B相电压、电流波形图

图4  C相电压、电流波形图

从以上测试波形可以看出各相电压、电流在某一顺间都有一个峰值电压、电流出现，各相峰值电压、电流峰值的出现的时间各不相同，它们的峰值电压、电流出现基本一致，峰值电压380V、峰值电流21A。根据这种现象通信段检修工区对通讯基站的四个整流功率模块进行了更换，更换后在现场对电力箱变的变压器二次侧的A、B、C三相电压、电流进行了测试，测试结果如图5、6、7所示。

图5 整流功率模块更换后的A相电压、电流波形图

图6 整流功率模块更换后的B相电压、电流波形图

图7 整流功率模块更换后的C相电压、电流波形图

从以上测试结果看整流功率模块更换后电压、电流的波形峰值消失，除电压峰顶含有谐波外基本是正弦波形，各相电压除5次谐波较高外A相5次电压谐波9.5%，B相5次谐彼9.5%，C相5次谐玻10.5%外其它各次谐波不超过1.5%，这类谐波不会对变压器造成损害。各相电压谐波立柱见下图8、9、10，

图8  A相电压谐波立柱图

图9  B相9.5%谐波立柱图

图10 C相电压谐波立柱图

电流波形因负荷为整流设备电流波形畸变属正常情况。从以上叁组测试数据可以看出，峰直电压、电流的出现与整流功率模块有很大的关系，那么是什么原因造成以上问题的发生呢？

2 整流功率模块问题分析

2.1 整流功率模块工作原理

交流输入电压经滤波电路滤波、经整流桥整流得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的电压。电源框图见图8、典型电路图见图9。

图8 电源框图

图9 整流功率模块典型电路图

图9中电容C116、C117、C118，共模电感L102构成Eletromagnetic Interference电磁干扰滤波器，其作用是：一方面抑制电网上的电磁干扰；另一方面它还对开关电源本身产生的电磁干扰有抑制作用，以保证电网不受污染。即它的作用就是滤除电磁干扰，称作EMI滤波器。

  电源在工作中会产生谐波，谐波的频率会很多。某高次谐波可能在电源线路中的线路电感和杂散分布电容耦合形成谐振，产生谐振高压。该高压可能会对工频变压器的绝缘造成损伤。积累下来可能会造成变压器的损坏。也会将电源内部绝缘薄弱的地方击穿，造成电源模块损坏。

3 环氧浇注干式变压器绝缘击穿原因分析

我国从上世纪80年代末期，陆续从欧州引进了先进的薄绝缘的环氧浇注干式变压器真空浇注技术，因其具有一系列优势和特点从而得到了广泛的应用。在树脂绝缘干式变压器中，环氧树脂通过浇注或浸渍成型，再经过热固化形成绕组绝缘。在干式变压器整个运行期间，环氧树脂绝缘要同时保证绕组的电气绝缘和机械强度，并通过热传导方式散发绕组内部的热量。其最大弱点是树脂绝缘缺陷和损伤的不可恢复和不可修复性。因此，避免固体绝缘开裂，避免浇注缺陷，避免局部放电就显得格外重要，并成为固体绝缘制造技术的关键。

固体绝缘介质在电场作用下，绝缘性能的丧失或暂时丧失的现象称为电气击穿。击穿包括电击穿、热击穿，电化学击穿和局部放电击穿四种类型。

（1）电击穿即高能量电子引起的绝缘介质本征击穿。本征击穿是由电子引起的，这些电子可以是在绝缘材料中自由运动的电子，它们在强电场中发生碰撞电离而形成电子雪崩，以致最终导致击穿；也可以是绝缘材料本身被激活，再从禁带中的电子占有空间激活载流子，这些被激活载流子引起子电导上升，经过一定的累积而最终发生点击穿。其特点是主要发生在电压作用时间较短，温度较低的场合，击穿电压高，与温度关系较少。

（2）热击穿主要是因为绝缘介质中的发热量超过介质的散热能力，由热不平衡导致击穿，主要发生在作用时间足够长、散热条件较差的场合，高频电压下或工作温度较高时尤其容易发生。

（3）电化学击穿主要发生在经过长时间发展电老化后绝缘介质的击穿，与绝缘介质的老化有关，电气设备绝缘结构中工艺缺陷所导致的各种放电的长期作用对它亦有重要影响。

（4）局部放电击穿。这种击穿过程起始于前述的固体绝缘的局部放电。它可在绝缘体内部的层间裂缝、裂纹、空隙或杂质处（工艺缺陷）发生，这种区域可产生非常高的局部场强以至于超出绝缘材料的击穿场强。其结果，随着树枝型通道的形成，使得电介质的局部区域发生不可逆的破坏。一旦这种树枝型通道继续延伸，将最终导致整个电介质被永久性击穿。

局部放电是周期性发生的，并且只要在电压大于零时就可能发生，因而在持续性交流电场中，绝缘体的局部放电现象尤其明显。相反外部的局部放电仅在电压的峰值附近发生。

周期性发生的内部局部放电可通过以下二种途径破坏绝缘体：

一种是当新的局部放电通道产生并扩展时，控隙周围的区域将逐渐被破坏；

另一种是每次局部放电将产生新的分解产物，如臭氧、氢气、低分子烃等将腐蚀绝缘体。由于这些局部放电将逐渐破坏电场中的绝缘体，因而这个过程被称为电老化。基于弱电介质的破坏本质，最终的击穿不是以电击穿，就是以局部热击穿的形式发生。电老化的危险性在于它并不一定伴随有外部可准确监测到的局部放电。换言之，电老化作为所有固体绝缘材料的一个特性，包括电场，特别是交流电场导致的电介质特性发生的不可逆变化的过程，它可能在仪器检测到材料破坏之前就已经发生了。

如上所述，造成变压器烧损的原因是：首先是通讯基站内的整流功率模块经过五年的运行老化严重，器件参数变化造成回路内的软短路，短路电流产生短路高频过电压。不断产生的高频过电压长时间反送到变压器线圈内，由于变压器在生产过程产生的内部制造缺陷，造成高频电压对缺陷的不断放电最后造成线圈的热击穿烧损变压器。

4 注意的问题

4.1 变压器的烧损主要原因是通讯基站的整流功率模块老化造成（整流功率模块设计寿命是四至五年，京广高铁送电运行到2016年底以到五年）变压器烧损后2016年的下半年多处通讯基站整流功率模块频繁故障。因此对以达到年限的整流功率模块应进行更新改造。

4.2 应加强变压器制造过程的工艺控制，减少制造过程的缺陷存在提高产品的制造质量，因信号基站电力箱变、通讯基站电力箱变中变压器容量较小可以考虑将将干式变压器更换成油浸变压器。

参考文献：

1顺特电气有限公司编著 树脂浇注干式变压器和电抗器（M）中国电力出版社

2 (电工绝缘手册编审委员会编) 电工绝缘手册（M）机械工业出版社

【作者简介】

王兰和，北京局集团有限公司石家庄供电段高级工程师 主要研究方向铁路信号的供电与运行

刘勇，北京局集团有限公司石家庄供电段高级技师 主要研究方向铁路信号的供电与运行。

韩冬竹，河北省送变电公司工程师 主要研究方向输电线路的设计与施工。

（此文章为原创，转载须白条通过）

编辑：中国电源产业网