大包線機(jī)車過關(guān)節(jié)式電分相過電壓測(cè)試及分析

曹建設(shè)

大包線機(jī)車過關(guān)節(jié)式電分相過電壓測(cè)試及分析

曹建設(shè)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

大包線自開通運(yùn)營以來,頻繁發(fā)生過電壓引起HXD型電力機(jī)車懲罰制動(dòng)。對(duì)大包線過電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析,結(jié)果表明過電壓與中性段對(duì)地等效電容中儲(chǔ)存的電磁能量有關(guān),電力機(jī)車通過電分相時(shí)等值電路在結(jié)構(gòu)上也會(huì)發(fā)生大的變化,在此暫態(tài)過程中形成高階振蕩電路產(chǎn)生了過電壓。通過對(duì)測(cè)試的過電壓波形進(jìn)行頻譜分析,可以排除高次諧波諧振過電壓的原因。過電壓的產(chǎn)生和機(jī)車型號(hào)無關(guān),只是由于不同型號(hào)的電力機(jī)車采用了不同的過電壓保護(hù)措施,機(jī)車過分相過電壓時(shí)才顯現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象。氧化鋅避雷器和RC過電壓吸收裝置能夠有效地抑制電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

關(guān)節(jié)式電分相;過電壓;電力機(jī)車

大包線電氣化鐵路改造工程于2009年5月底開通運(yùn)營。該線牽引質(zhì)量10 000 t,牽引網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式,電分相全部采用七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相。

大包線自開通運(yùn)營以來,頻繁發(fā)生過電壓觸發(fā)HXD型電力機(jī)車保護(hù)裝置動(dòng)作、引起電機(jī)閉鎖故障,給正常的鐵路運(yùn)輸秩序帶來很大影響。鄭州局、北京局、蘭州局、濟(jì)南局也曾多次發(fā)生過電壓燒傷接觸導(dǎo)線、引起牽引變電所跳閘現(xiàn)象,但過電壓產(chǎn)生的機(jī)理不盡相同。文獻(xiàn)[1]簡(jiǎn)要列舉了牽引供電系統(tǒng)的過電壓類型。

為深入了解大包線過電壓的特點(diǎn),特別是為了確認(rèn)是否發(fā)生了類似于京哈線薊縣南牽引變電所供電區(qū)段的高次諧波諧振過電壓[2],于2010年3月14日對(duì)該線SS4型電力機(jī)車運(yùn)行中產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行了測(cè)試,并于3月15日在臺(tái)閣牧車站對(duì)HXD型電力機(jī)車司機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。

1 大包線過電壓測(cè)試及調(diào)研情況

大包線過電壓測(cè)試在臺(tái)閣牧車站至十八臺(tái)車站區(qū)段進(jìn)行,該區(qū)段共有七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相9處。萬噸煤炭重載列車運(yùn)行到臺(tái)閣牧車站后加掛補(bǔ)機(jī),形成SS4型電力機(jī)車和HXD型電力機(jī)車重聯(lián)雙機(jī)牽引。本次過電壓測(cè)試在SS4型電力機(jī)車上進(jìn)行,過電壓測(cè)量連接點(diǎn)為受電弓與主斷路器之間的網(wǎng)側(cè)電壓互感器二次側(cè)。測(cè)試儀器采用西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院研制的BDC-5型變電站電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)及中性段感應(yīng)電壓

錨段關(guān)節(jié)式電分相利用空氣絕緣間隙達(dá)到實(shí)現(xiàn)電分相的目的,七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 七跨絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)平面

錨段關(guān)節(jié)式電分相的“無電區(qū)”并非真正的無電,中國、日本的工程技術(shù)人員經(jīng)過測(cè)試均證實(shí)了這一點(diǎn)。2007年6月,針對(duì)蘭新線武威至嘉峪關(guān)段電力機(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓?jiǎn)栴},蘭州鐵路局機(jī)務(wù)處組織相關(guān)單位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共獲得中性段感應(yīng)電壓有效數(shù)據(jù)20組,感應(yīng)電壓最大值約15 kV,最小值約8 kV,處于10～13 kV范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共17組,約占有效數(shù)據(jù)總數(shù)的85%。

大包線過電壓測(cè)試獲得的中性段感應(yīng)電壓見表1。

表1 大包線測(cè)試獲得的中性段感應(yīng)電壓kV

由表1可見,和蘭新線武威至嘉峪關(guān)段測(cè)量的中性段感應(yīng)電壓相似,大包線中性段感應(yīng)電壓在12 kV左右。文獻(xiàn)[3]給出了中性段感應(yīng)電壓的理論計(jì)算方法。

1.2 大包線機(jī)車過關(guān)節(jié)式電分相過電壓測(cè)試

萬噸重載列車從臺(tái)閣牧車站向十八臺(tái)車站運(yùn)行過程中,沒有發(fā)生過電壓現(xiàn)象。進(jìn)入中性段“無電區(qū)”之前,SS4型電力機(jī)車操縱臺(tái)的電壓表指示變電所出口處或供電臂末端接觸網(wǎng)電壓。機(jī)車進(jìn)入中性段“無電區(qū)”后,操縱臺(tái)電壓表顯示值迅速降低到12 kV左右的中性段感應(yīng)電壓。電力機(jī)車依靠惰性通過中性段“無電區(qū)”后,操縱臺(tái)電壓表重新顯示正常的接觸網(wǎng)電壓。

萬噸列車到達(dá)十八臺(tái)車站后,SS4型電力機(jī)車摘解返回臺(tái)閣牧車站。機(jī)車運(yùn)行至呼和浩特東變電所分相處時(shí),發(fā)生了比較嚴(yán)重的過電壓。電力機(jī)車在“斷”字標(biāo)牌前斷開主斷路器后,操縱臺(tái)電壓表顯示約28 kV的接觸網(wǎng)電壓,進(jìn)入中性段“無電區(qū)”的瞬間,機(jī)車操縱臺(tái)電壓表顯示值由28 kV直接升高至最大量程,并且一直持續(xù)到電力機(jī)車受電弓離開中性段“無電區(qū)”。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)錄取的電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相的完整過電壓波形見圖2。

圖2 電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相的完整過電壓波形

由圖2可見,電力機(jī)車在進(jìn)入或離開“無電區(qū)”的瞬間都發(fā)生了過電壓現(xiàn)象,過電壓幅值超過了90 kV。

2 大包線過電壓的機(jī)理分析

2.1 大包線過電壓與高次諧波諧振無關(guān)

2007年上半年,隨著大量動(dòng)車組投入運(yùn)行,在京哈線薊縣南牽引變電所供電區(qū)段發(fā)生了牽引網(wǎng)高次諧波諧振引起的過電壓。滬蓉線麻城北牽引變電所、合寧線龍城牽引變電所供電區(qū)段也曾發(fā)生過高次諧波諧振過電壓。

薊縣南T座母線電壓的頻譜圖見圖3。

圖3 薊縣南T座母線電壓的頻譜

工程技術(shù)人員在牽引變電所實(shí)測(cè)到的諧振,都伴隨著諧波電流的放大。正是被放大了的諧波電流,作用在電力系統(tǒng)與牽引變壓器合成的諧波阻抗上,導(dǎo)致了數(shù)十千伏的高次諧波諧振過電壓。諧振頻率由牽引網(wǎng)自身電氣參數(shù)和變壓器以及系統(tǒng)阻抗決定,高次諧波諧振頻率通常在17～20次。

通過對(duì)大包線過電壓波形的頻譜分析,并沒有發(fā)現(xiàn)17～20次之間的高次諧波有放大現(xiàn)象。而且3月15日在臺(tái)閣牧車站對(duì)6位HXD型電力機(jī)車司機(jī)進(jìn)行了調(diào)研,司機(jī)一致反映:過電壓均發(fā)生在機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相的時(shí)候,電力機(jī)車在供電臂分相間運(yùn)行時(shí)沒有發(fā)生過電壓現(xiàn)象。

因此,大包線過電壓是類似于蘭新線武威至嘉峪關(guān)段的機(jī)車過分相過電壓,可以排除高次諧波諧振的因素。

2.2 大包線過電壓的機(jī)理分析

根據(jù)電力機(jī)車過分相時(shí)受電弓接觸關(guān)節(jié)式電分相的不同位置,文獻(xiàn)[4]給出了電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相的原理圖;并經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn),電力機(jī)車受流從“有電”向“無電”或“無電”向“有電”過渡時(shí),均有可能發(fā)生過電壓現(xiàn)象。這和大包線過電壓測(cè)試結(jié)果是相吻合的。

為了更好地觀察大包線電力機(jī)車進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相時(shí)的電壓波形,將圖2中43 s處的電壓波形放大后見圖4。

圖4 電力機(jī)車進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相的過電壓波形

由圖5可以看出,電力機(jī)車受流從“有電”向“無電”過渡時(shí),過電壓幅值逐步振蕩放大。

電力機(jī)車運(yùn)行到中性段“無電區(qū)”的電壓波形見圖5。

圖5 電力機(jī)車運(yùn)行到中性段“無電區(qū)”的電壓波形

由圖5可見,電力機(jī)車運(yùn)行到中性段“無電區(qū)”后,過電壓幅值有所衰減。

電力機(jī)車離開關(guān)節(jié)式電分相的過電壓波形見圖6。

由圖6可見,電力機(jī)車受流由“無電”向“有電”過渡時(shí),過電壓的幅值達(dá)到了90 kV。

圖6 電力機(jī)車離開關(guān)節(jié)式電分相的過電壓波形

電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相的等值電路是一個(gè)由電阻、電感和電容組成的高階電路。對(duì)中性段感應(yīng)電壓的測(cè)量和分析結(jié)果表明,中性段對(duì)地等效電容中儲(chǔ)存有電磁能量,電力機(jī)車進(jìn)入和駛出電分相時(shí)都會(huì)強(qiáng)行對(duì)中性段充電或放電,而且等值電路在結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生大的變化,在此暫態(tài)過程中形成高階振蕩電路產(chǎn)生了過電壓。

3 不同型號(hào)電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析

隴海線鄭州至太要段、蘭新線武威至嘉峪關(guān)段主要是SS7E型電力機(jī)車過分相時(shí)發(fā)生牽引變電所跳閘,大包線主要是HXD型電力機(jī)車過分相時(shí)發(fā)生懲罰制動(dòng)。因此,鐵路運(yùn)營管理部門最初認(rèn)為過電壓的產(chǎn)生和機(jī)車類型有關(guān)。

實(shí)際上,只要是采用關(guān)節(jié)式電分相,中性段就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,電力機(jī)車過分相時(shí)就有可能會(huì)產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。只是由于不同型號(hào)的電力機(jī)車采取了不同的過電壓保護(hù)措施,機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)才體現(xiàn)出不同的故障現(xiàn)象。

為了說明這個(gè)問題,對(duì)幾種常見型號(hào)電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析如下。

3.1 SS7E型電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析

隴海線鄭州至太要段、蘭新線武威至嘉峪關(guān)段開行大量的SS7E型電力機(jī)車,機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓的故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為頻繁發(fā)生牽引變電所跳閘。

SS7E型電力機(jī)車部分網(wǎng)側(cè)電路原理如圖7所示。

圖7 SS7E型電力機(jī)車部分網(wǎng)側(cè)電路原理

圖7中A1(A2)為受電弓;QS15(QS16)為受電弓隔離開關(guān);QF1是主斷路器;F1為放電間隙;TV1為高壓電壓互感器;F2為避雷器,用來抑制雷電過電壓和操作過電壓。

SS7E型電力機(jī)車的車頂放電間隙F1的擊穿放電電壓約為90 kV[5],用來抑制雷電過電壓。雖然空氣保護(hù)間隙構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低,但空氣間隙的伏秒特性差,不能抑制操作過電壓,放電后產(chǎn)生的截波陡度大,容易對(duì)電力機(jī)車主變壓器高壓繞組的首端匝間絕緣造成損害。由于不能切斷放電后的工頻續(xù)流,當(dāng)機(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓將車頂保護(hù)間隙擊穿后,造成接觸網(wǎng)對(duì)地短路,自然會(huì)頻繁引發(fā)變電所跳閘。

F2雖然能夠抑制操作過電壓,但由于其設(shè)置在主斷路器之后,而機(jī)車過分相時(shí)主斷路器已經(jīng)斷開,對(duì)機(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓起不到抑制作用。

3.2 HXD1型電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析

為取得HXD1型電力機(jī)車過電壓引起機(jī)車懲罰制動(dòng)的第一手資料,利用萬噸重載列車加掛補(bǔ)機(jī)的機(jī)會(huì),在臺(tái)閣牧車站對(duì)6位HXD1型電力機(jī)車司機(jī)進(jìn)行了調(diào)研。

HXD1型電力機(jī)車的受電弓升起10 s后,每節(jié)機(jī)車的牽引控制單元(TCU)開始檢測(cè)網(wǎng)壓并且將有效值通過多功能車輛總線(MVB)傳送到中央控制單元(CCU)[6]。網(wǎng)壓必須在15～31 kV內(nèi),如果網(wǎng)壓低于15 kV或高于31 kV超過1 s,TCU將檢測(cè)到低/高網(wǎng)壓, CCU立即發(fā)出斷開主斷路器命令,相應(yīng)的故障診斷發(fā)送顯示器以提示司機(jī)網(wǎng)壓過低或過高。在占用端的主斷路器扳鍵開關(guān)動(dòng)作后,在顯示屏上的故障信息消失。

當(dāng)電力機(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓高于31 kV超過1 s,CCU發(fā)出斷開主斷路器命令后,開始司機(jī)都是按“確認(rèn)”鍵將機(jī)車主斷路器斷開。雖然此時(shí)顯示屏上的故障信息消失了,但由于主斷路器斷開后機(jī)車電機(jī)隔離,導(dǎo)致機(jī)車懲罰制動(dòng)。電力機(jī)車在基本阻力、附加阻力、加算坡道阻力等作用下逐步停靠在區(qū)間,嚴(yán)重影響鐵路的正常運(yùn)輸。

接受了機(jī)車懲罰制動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后,當(dāng)CCU再次發(fā)出斷開主斷路器命令后,司機(jī)按“取消”鍵,將其作為“虛故障”看待。雖然電力機(jī)車過分相時(shí)產(chǎn)生的過電壓依然存在,但電力機(jī)車得以繼續(xù)運(yùn)行,不至于影響鐵路的正常運(yùn)輸。

3.3 SS4型電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析

SS4型(1-158號(hào))電力機(jī)車部分簡(jiǎn)化主電路見圖8[7]。

圖8中1SD為受電弓;3ZB為主變壓器;4ZD為主斷路器;5HX為主放電間隙;6YH為高壓電壓互感器。

圖8 SS4型(1-158號(hào))電力機(jī)車部分簡(jiǎn)化主電路

大包線實(shí)際運(yùn)行的是SS4改型電力機(jī)車,與SS4型(1-158號(hào))電力機(jī)車相比,在25 kV網(wǎng)側(cè)電路中加設(shè)了Y10W-42/105TD型金屬氧化物避雷器,以取代以往的放電間隙,作為過電壓和雷擊保護(hù)[7]。

由于氧化鋅閥片具有優(yōu)良的非線性伏安特性,所以當(dāng)系統(tǒng)上出現(xiàn)過電壓時(shí),氧化鋅閥片呈低電阻,使避雷器殘壓被限制在允許值下,從而保護(hù)了電氣設(shè)備的絕緣。正是由于SS4改型電力機(jī)車采用了金屬氧化物避雷器,盡管在大包線過電壓測(cè)試中出現(xiàn)了超過90 kV的過電壓,但金屬氧化物避雷器使運(yùn)行中的電力機(jī)車免受過電壓的危害,保證了電力機(jī)車的正常運(yùn)行。

因此,只要是采用關(guān)節(jié)式電分相,中性段就會(huì)存在約12 kV的感應(yīng)電壓,電力機(jī)車進(jìn)入或離開關(guān)節(jié)式電分相時(shí)就有可能會(huì)產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。電力機(jī)車過分相時(shí)是否產(chǎn)生過電壓和電力機(jī)車型號(hào)沒有關(guān)系,但由于不同型號(hào)的電力機(jī)車采用了不同的過電壓保護(hù)措施,機(jī)車過分相過電壓時(shí)才體現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象。如SS7E過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)通常擊穿放電間隙、引起牽引變電所跳閘;HXD型電力機(jī)車在過電壓時(shí)通常發(fā)出斷開主斷路器命令,司機(jī)操作不當(dāng)就可能導(dǎo)致電力機(jī)車懲罰制動(dòng)。

4 解決電力機(jī)車過分相過電壓的措施

通過對(duì)不同型號(hào)電力機(jī)車過分相產(chǎn)生過電壓時(shí)的故障現(xiàn)象分析可以看出,在機(jī)車原邊加裝的避雷器對(duì)抑制過電壓有很好的效果。

電力機(jī)車常采用的Y10W-42/105TD型氧化鋅避雷器的技術(shù)參數(shù)見表2。

從表2可以看出,避雷器在56 kV時(shí)電流小于1mA,在90 kV時(shí)增大到100 A,其優(yōu)良的非線性伏安特性對(duì)過電壓狀況下保護(hù)車頂電氣設(shè)備的絕緣有很好的效果。

表2 Y10W-42/105TD型氧化鋅避雷器技術(shù)參數(shù)

需要特別說明的是,由于在電力機(jī)車進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相之前,司機(jī)已經(jīng)將機(jī)車主斷路器斷開,為了使避雷器能夠?qū)C(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓產(chǎn)生作用,避雷器需安裝在機(jī)車主斷路器之前。

RC過電壓吸收裝置在過電壓保護(hù)方面有廣泛的應(yīng)用[8-10]。文獻(xiàn)[4]的仿真結(jié)果表明,通過在中性段安裝阻容保護(hù)器,可以改變電路的振蕩頻率,能夠有效地抑制電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

RC裝置只要能將機(jī)車過分相產(chǎn)生的過電壓峰值抑制下來,不至于擊穿放電間隙引起變電所跳閘;同時(shí)裝置中的電阻將能量適當(dāng)吸收,不至于燒傷接觸導(dǎo)線,就可以認(rèn)為取得了好的效果。蘭州鐵路局在每處關(guān)節(jié)式電分相上安裝3套R(shí)C過電壓吸收裝置,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和試驗(yàn)證明,起到了保護(hù)機(jī)車和接觸網(wǎng)安全的作用。

5 結(jié)論

(1)大包線錨段關(guān)節(jié)式電分相的中性段存在12 kV左右的感應(yīng)電壓。電力機(jī)車從十八臺(tái)車站向臺(tái)閣牧車站返回時(shí),運(yùn)行到呼和浩特東變電所分相處時(shí),出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的過電壓,過電壓幅值超過了90 kV。

(2)通過對(duì)大包線過電壓波形的頻譜分析,并沒有發(fā)現(xiàn)17～20次之間的高次諧波有放大現(xiàn)象。因此可以排除高次諧波電流作用在諧波阻抗上引起的高次諧波諧振過電壓。

(3)只要是采用關(guān)節(jié)式電分相,中性段就會(huì)存在約12 kV的感應(yīng)電壓,電力機(jī)車進(jìn)入或離開關(guān)節(jié)式電分相時(shí)就有可能會(huì)產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。電力機(jī)車過分相時(shí)是否產(chǎn)生過電壓和電力機(jī)車型號(hào)沒有關(guān)系,只是由于不同型號(hào)的電力機(jī)車采用了不同的過電壓保護(hù)措施,機(jī)車過分相過電壓時(shí)才體現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象。

(4)電力機(jī)車常采用的Y10W-42/105TD型氧化鋅避雷器具有優(yōu)良的非線性伏安特性,對(duì)過電壓狀況下保護(hù)車頂電氣設(shè)備的絕緣有很好的效果。RC過電壓吸收裝置,能夠改變電路的振蕩頻率,從而有效地抑制電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

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Test and Analysis of Over-voltages of Electric Locomotive Passing through Articulated Phase Insulator on Datong-Baotou Railway

CAO Jian-she
(Electrification Department,China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Since the Datong-Baotou Railway has been open to traffic,over-voltages frequently happen which cause punitive braking of the HXD-type electric locomotive.So,over-voltages on the Datong-Baotou Railway was tested and analyzed.Then the results show that the over-voltage is related to the electromagnetic energy stored in the neutral sections.Theremay be considerable changes in the structure of equivalent circuitwhen the electric locomotive goes through the articulated phase insulator,and then high-order oscillating circuit is formed which eventually leads to the happening of over-voltage in this transient process.Furthermore,the spectrum analysis of the recorded waveforms of over-voltage shows thathigh-order harmonic resonance over-voltagemay notbe the reason.In addition,the over-voltage has nothing to do with the type of the electric locomotive.Because different over-voltage protectionmeasures are adopted in different type of electric locomotive,however,different fault phenomenamay emergewhen over-voltages happen.The simulation results show that the zinc oxide arrester and the RC over-voltage protection device can effectively restrain over-voltage in neutral sections when the electric locomotive passes through the articulated phase insulator.

articulated phase insulator;over-voltage;electric locomotive

U224.4

A

1004-2954(2013)07-0106-05

2012-12-24

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題(2009J007-B)

曹建設(shè)(1977—),男,工程師,注冊(cè)電氣工程師,工學(xué)碩士, E-mail:jianshecao@163.com。