關(guān)節(jié)式分相燒傷機(jī)理分析及防治對(duì)策

吳曉謙,靳來(lái)生,楊 建,周?chē)?guó)防

(鄭州鐵路局 鄭州供電段,河南鄭州450065)

在電氣化鐵路提速區(qū)段,為了減少接觸網(wǎng)硬點(diǎn),提高接觸網(wǎng)彈性,普遍采用關(guān)節(jié)式電分相,以便保證高速運(yùn)行中的列車(chē)取流穩(wěn)定。但關(guān)節(jié)式電分相在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生承力索燒傷甚至斷線事故,例如我段管內(nèi)京廣、隴海線關(guān)節(jié)式分相多次發(fā)生燒傷、斷股現(xiàn)象。為最大限度避免或減少分相燒傷帶來(lái)的影響,本文對(duì)關(guān)節(jié)式分相燒傷的機(jī)理進(jìn)行了仔細(xì)分析,并提出了一些預(yù)防措施。

1 關(guān)節(jié)式分相短路跳閘次數(shù)多、危害較大

機(jī)車(chē)帶電闖分相,易造成關(guān)節(jié)式分相短路跳閘,且此類(lèi)故障危害較大,2009年上半年管內(nèi)就發(fā)生了11次關(guān)節(jié)式分相短路。相間短路時(shí)造成分相處接觸懸掛設(shè)備燒傷較為嚴(yán)重,我段管內(nèi)關(guān)節(jié)式分相處多次出現(xiàn)燒傷承力索、接觸線、吊弦現(xiàn)象,見(jiàn)表1。

2 分相短路及燒傷原因分析

機(jī)車(chē)帶電闖分相是造成分相燒傷的原因。目前,段管內(nèi)京廣、隴海等主要干線動(dòng)車(chē)組使用地磁感應(yīng)裝置自動(dòng)過(guò)分相,而其他電力機(jī)車(chē)使用手動(dòng)為主、地磁感應(yīng)為輔的過(guò)分相方式,司機(jī)誤操作是機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相的直接原因。

當(dāng)機(jī)車(chē)負(fù)荷電流較小時(shí),機(jī)車(chē)進(jìn)入中性區(qū)后,電弧無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持而熄滅,僅第一個(gè)斷口線索燒傷。當(dāng)負(fù)荷電流較大時(shí),機(jī)車(chē)進(jìn)入中性區(qū)后,電弧能長(zhǎng)時(shí)間維持直至機(jī)車(chē)受電弓短接前方斷口造成相間短路跳閘,兩個(gè)斷口線索均有不同程度燒傷,當(dāng)相間電壓差較小時(shí),短路電流小保護(hù)不能可靠動(dòng)作跳閘,線索燒傷范圍及程度可能加大。

電弧的溫度高達(dá)3 000℃～5 000℃,極易燒損接觸網(wǎng)設(shè)備,特別是銅材質(zhì)的承力索。

3 分相燒傷位置及過(guò)程分析

統(tǒng)計(jì)分析分相燒傷位置,發(fā)現(xiàn)分相燒傷一般發(fā)生在來(lái)車(chē)方向與中性區(qū)錨段過(guò)渡的接觸懸掛區(qū)域內(nèi)(即“圖1”中A、B區(qū)域),有時(shí)也發(fā)生在分相離去方向中性線與離去側(cè)有電接觸懸掛過(guò)渡的區(qū)域內(nèi)(即“圖1”中C、D區(qū)域)。

表1 2009年上半年鄭州供電段管內(nèi)分相短路統(tǒng)計(jì)表

圖1 分相燒傷部位示意圖

(1)機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相,大部分未引起相間短路,僅造成A、B區(qū)域線索燒傷

機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相時(shí),首先在分相兩轉(zhuǎn)換柱間A、B區(qū)域(從有電向無(wú)電轉(zhuǎn)換時(shí))受電弓與非支接觸線間產(chǎn)生拉弧,初期電弧會(huì)跟隨受電弓的移動(dòng)而不斷向前移動(dòng),當(dāng)電弧距離加大或到達(dá)絕緣子等特定位置時(shí),負(fù)荷電流較大足以維持兩接觸懸掛間的電弧時(shí),電弧將在此附近燃燒,由于電弧加熱周?chē)諝?電弧易向上飄逸在兩支承力索間燃燒,造成接觸線、吊弦、承力索均有燒傷。機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)向前但未到達(dá)C、D區(qū)域,由于電弧向上拉長(zhǎng),不足以維持A、B間繼續(xù)燃燒,電弧熄滅,或機(jī)車(chē)電壓下降電流減少,機(jī)車(chē)主斷路器跳閘后電弧熄滅。該類(lèi)燒傷發(fā)生在所有分相處,不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

(2)機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相,引起相間短路,造成A、B及C、D區(qū)域線索燒傷

如2006年12月7日薛店—新鄭區(qū)間上行分相燒傷,本次機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相,造成相間短路跳閘。從圖中可以看到,本次分相燒傷發(fā)生在來(lái)車(chē)方向與中性區(qū)錨段接觸懸掛過(guò)渡的區(qū)域內(nèi)(即“圖1”中A、B區(qū)域),此分相位置位于薛店變電所南側(cè)不足2 km。

當(dāng)機(jī)車(chē)越過(guò)A、B區(qū)域后,由于負(fù)荷電流較大,機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)行進(jìn)到達(dá)C、D區(qū)域前,電弧能維持A、B間的持續(xù)燃燒,機(jī)車(chē)電壓下降有限能維持運(yùn)行。當(dāng)機(jī)車(chē)行進(jìn)至離去方向的C、D區(qū)域時(shí)受電弓在C、D(前)區(qū)域?qū)ㄔ斐蓛晒╇姳坶g相間短路跳閘。跳閘后A、B間及C、D(前)間的電弧隨即熄滅。

該類(lèi)燒傷發(fā)生時(shí),出現(xiàn)相間短路跳閘,較易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。由于A、B間電弧持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),所以此區(qū)域較容易發(fā)生線索燒傷現(xiàn)象;C、D(前)間的電弧持續(xù)時(shí)間較短相對(duì)而言燒傷程度較輕。

(3)機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相,引起相間短路,但未發(fā)生保護(hù)跳閘,造成A、B及C、D區(qū)域線索燒傷

如2009年7月20日鄭州南站—小李莊區(qū)間下行分相燒傷,本次分相燒傷發(fā)生在來(lái)車(chē)方向錨段與中性區(qū)錨段過(guò)渡區(qū)域的兩支懸掛及分相離去方向過(guò)渡區(qū)域的中性線銅承力索上(即“圖1”中A 、B、C、D 區(qū)域),此分相位置位于鄭州南分區(qū)亭南側(cè)2 km左右。

該分相北側(cè)由鄭北變電所(直接供電方式)供電,南側(cè)由薛店變電所(AT供電方式)供電,分相兩側(cè)電壓相位相差30°,電壓相差十幾千伏。

當(dāng)機(jī)車(chē)越過(guò)A、B區(qū)域行進(jìn)至離去方向的C、D(前)區(qū)域時(shí),受電弓在C、D(前)區(qū)域?qū)ㄔ斐蓛晒╇姳坶g相間短路,由于分相兩側(cè)壓差較低,短路電流較小,保護(hù)不能動(dòng)作跳閘。此時(shí),機(jī)車(chē)電流改由前方供電臂提供,相間短路電流經(jīng)A、B區(qū)域電弧、中性線、C、D(前)區(qū)域電弧、受電弓及前方接觸線構(gòu)成通路,機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)向前運(yùn)行與非工作支可靠接觸后,C、D(前)區(qū)域電弧熄滅,機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)向前運(yùn)行逐漸脫離非工作支后,在C、D(后)區(qū)域受電弓與非支接觸線間再次產(chǎn)生拉弧,初期電弧會(huì)跟隨受電弓的移動(dòng)而不斷向前移動(dòng),當(dāng)電弧距離加大或到達(dá)絕緣子等特定位置時(shí),相間短路電流足以維持兩接觸懸掛間的電弧時(shí),電弧將在C、D(后)區(qū)域附近燃燒,由于電弧加熱周?chē)諝?電弧易向上飄逸在兩支承力索間燃燒,造成A、B、C、D區(qū)域接觸線、吊弦、承力索均有燒傷(C、D區(qū)域因拉弧時(shí)間相對(duì)較短,僅燒傷此處中性線銅承力索)。相間短路電流靠向上拉長(zhǎng)及風(fēng)吹自然滅弧,一旦長(zhǎng)時(shí)間不能滅弧,有可能燒斷分相線索。當(dāng)分相兩側(cè)電壓同相時(shí),兩側(cè)電壓因負(fù)荷不均存在較低壓差,機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相造成的線索燒傷情況與此類(lèi)似。該類(lèi)燒傷發(fā)生在分區(qū)亭分相處,不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

4 變電所(亭)分相短路保護(hù)動(dòng)作情況分析

(1)變電所分相短路

變電所分相兩側(cè)電壓存在60°或90°相位差,相間短路電流比接觸網(wǎng)近端對(duì)地短路電流略小(2 000～3 000 A左右),短路時(shí)母線最低電壓高達(dá)20 kV以上,短路負(fù)荷阻抗角在0°附近。

變電所分相短路相序圖見(jiàn)圖2。

圖2 變電所分相短路相序示意圖

當(dāng)饋線發(fā)生相間短路時(shí),由于電流與電壓的相位角發(fā)生改變,變電所Ua相阻抗一段保護(hù)一般在保護(hù)區(qū)能動(dòng)作跳閘,Ub相阻抗保護(hù)不在保護(hù)區(qū)不能動(dòng)作跳閘,兩側(cè)饋線過(guò)流保護(hù)均能動(dòng)作跳閘。

目前,復(fù)線區(qū)段變電所相間短路保護(hù)整定原則為:相間短路時(shí),超前相阻抗一段保護(hù)首先動(dòng)作跳閘,跳閘后故障轉(zhuǎn)換為半環(huán)形相間短路,之后分區(qū)亭阻抗、過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘。若超前相阻抗一段保護(hù)不能可靠動(dòng)作,超前相過(guò)流保護(hù)(過(guò)流延時(shí)比另一相短一個(gè)極差)首先動(dòng)作跳閘。變電所相間短路保護(hù)整定較為完善。

(2)分區(qū)亭分相短路

目前,我段部分分區(qū)亭(小宋、西陽(yáng)村、孔莊、忠義、中牟、五里堡、謝集、新鄉(xiāng)西—獲嘉、鄭開(kāi)—廣武)兩側(cè)電壓存在 15°、30°、60°等相位差,相間短路電流較小(最低 500 A左右),短路時(shí)母線電壓基本不變。饋線阻抗、過(guò)流保護(hù)均不能動(dòng)作。部分相位相差60°的用阻抗保護(hù)二象限進(jìn)行保護(hù)。電流增量保護(hù)定值較小時(shí)可能保護(hù),但發(fā)生大樹(shù)造成的高阻接地故障時(shí)易跳閘,現(xiàn)大部分未投入運(yùn)行。分區(qū)亭分相短路缺乏有效保護(hù),相間短路靠自然滅弧,一旦長(zhǎng)時(shí)間不能滅弧,有燒斷分相線索的可能。

5 采取措施

(1)將關(guān)節(jié)處分相中性區(qū)錨段銅承力索更換為GJ-100承力索,以提高分相中性區(qū)承力索機(jī)械強(qiáng)度。

(2)按照?qǐng)D1及以下要求在關(guān)節(jié)式分相A、B、C、D區(qū)域兩支承力索加裝預(yù)絞絲進(jìn)行防護(hù)包裹,以提高承力索抗弧能力。

①分相兩側(cè)壓差小的關(guān)節(jié)式分相預(yù)絞絲纏繞方案

A、B區(qū)域預(yù)絞絲安裝位置:分相來(lái)車(chē)方向兩轉(zhuǎn)換柱(或中心柱與轉(zhuǎn)換柱)間等高區(qū)域開(kāi)始(含0.5 m等高區(qū)域)向離去側(cè)最少4 m的范圍安裝預(yù)絞絲。

C、D區(qū)域預(yù)絞絲安裝位置:一處為離去方向中心柱(或兩轉(zhuǎn)換柱間)等高區(qū)域末端開(kāi)始向離去側(cè)最少4 m的范圍,即C、D(前)區(qū)域;另一處為距離去側(cè)最后一個(gè)轉(zhuǎn)換柱絕緣子2 m處向來(lái)車(chē)方向最少4 m的范圍,即C、D(后)區(qū)域。

②分相兩側(cè)壓差大的關(guān)節(jié)式分相預(yù)絞絲纏繞方案

A、B區(qū)域預(yù)絞絲安裝位置:與①方案相同。

C、D區(qū)域預(yù)絞絲安裝位置:僅按①方案C、D(前)區(qū)域執(zhí)行。

(3)加強(qiáng)對(duì)關(guān)節(jié)式分相的日常巡視、檢查。由于在兩側(cè)變電所未發(fā)生跳閘的情況下也有可能會(huì)發(fā)生分相懸掛燒傷,所以對(duì)關(guān)節(jié)式分相的巡視檢查要縮短周期、重點(diǎn)控制。

(4)加強(qiáng)機(jī)供聯(lián)控,盡可能的從電力機(jī)車(chē)方面得到有關(guān)分相及機(jī)車(chē)異常情況的信息。

(5)研制加裝機(jī)車(chē)闖分相檢測(cè)報(bào)警裝置,該裝置能通過(guò)檢測(cè)7跨分相中的中性線上承力索上有電流通過(guò)來(lái)判定發(fā)生了機(jī)車(chē)闖分相事件,通過(guò)手機(jī)短信和計(jì)數(shù)器指示來(lái)提醒相關(guān)工區(qū)進(jìn)行巡視。本裝置已研制成功,目前在京廣線淇縣變電所分相處試運(yùn)行。