包神鐵路SS4B型電力機(jī)車阻容支路燒損原因分析及措施

高云鶴

(神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

包神鐵路SS4B型電力機(jī)車阻容支路燒損原因分析及措施

高云鶴

(神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014014)

基于包神鐵路集團(tuán)SS4B型電力機(jī)車阻容支路電阻燒損和電容被擊穿等現(xiàn)象，從機(jī)車和接觸網(wǎng)方面研究分析燒損原因，制定解決措施。

SS4B;直流機(jī)車;交流機(jī)車;阻容支路;燒損;高次諧波

隨著和諧號(hào)以及其他類型交流電力機(jī)車的普遍運(yùn)用，交流機(jī)車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)及牽引變電所牽引變壓器形成回路，使得接觸網(wǎng)存在大量不同頻率的諧波分量，對(duì)直流電力機(jī)車的正常運(yùn)用產(chǎn)生很大程度的影響，出現(xiàn)阻容支路電阻接線柱焊錫熔落、電阻燒損和電容擊穿等故障，嚴(yán)重影響到機(jī)車的正常運(yùn)用，對(duì)正常的運(yùn)輸秩序造成嚴(yán)重的干擾。本文基于故障現(xiàn)象，結(jié)合包神鐵路集團(tuán)機(jī)車實(shí)際情況，聯(lián)合南車株洲電力機(jī)車有限公司和株洲中車電力機(jī)車配件有限公司現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研研究，從優(yōu)化阻容支路電阻和電容參數(shù)出發(fā)，以增強(qiáng)阻容支路對(duì)高次諧波的抵御能力，同時(shí)給牽引變電所地面設(shè)備解決高次諧波提出建議。

1 機(jī)車運(yùn)用情況及故障統(tǒng)計(jì)

1.1 機(jī)車運(yùn)用情況

包神鐵路集團(tuán)在包神線烏蘭木倫站區(qū)至神朔線朱蓋塔區(qū)段投入10臺(tái)SS4B型電力機(jī)車進(jìn)行運(yùn)營。擔(dān)當(dāng)該區(qū)段萬噸列車牽引任務(wù)，日均20～25列。電力機(jī)車運(yùn)行區(qū)段相關(guān)站點(diǎn)位置如示意圖1。其中，大柳塔至朱蓋塔是包神鐵路與神朔鐵路電力機(jī)車運(yùn)行重疊交叉的區(qū)段，運(yùn)行的機(jī)車類型有SS4B和SS4G直流機(jī)車以及神華號(hào)交流機(jī)車。

1.2 故障統(tǒng)計(jì)

2013年6月份前，在神朔鐵路神華號(hào)交流電力機(jī)車未在上述區(qū)段投入運(yùn)用時(shí)，未出現(xiàn)過阻容支路故障現(xiàn)象。自2013年7月起，隨著神朔鐵路神華號(hào)交流電力機(jī)車在上述區(qū)段投入運(yùn)用后，包神線SS4B型電力機(jī)車阻容支路的電阻和電容開始頻繁出現(xiàn)不同程度的故障現(xiàn)象，普遍表現(xiàn)為RC支路電阻接線柱焊錫熔落，電阻燒損(見圖2)，部分機(jī)車出現(xiàn)了RC支路電容擊穿，電阻燒熔炸裂等現(xiàn)象，共計(jì)造成燒損情況為:吸收電阻173個(gè)、電容49個(gè)，功率補(bǔ)償柜3個(gè)、同步變壓器4個(gè)、高壓接觸器24個(gè)、電壓傳感器98個(gè)、電纜線800 m、94R焊修367個(gè)。

2 故障原因初步判斷

神朔鐵路朱蓋塔站為萬噸調(diào)車場(chǎng)，有大量的機(jī)車(包括直流機(jī)車和交流機(jī)車)在站場(chǎng)處于空載等待狀態(tài)，可以認(rèn)為直流電力機(jī)車阻容支路故障發(fā)生地有多臺(tái)交流機(jī)車空載集中使用。這與自交流電力機(jī)車大量上線運(yùn)行以來，其他機(jī)務(wù)段SS系列直流機(jī)車阻容支路故障發(fā)生的情況基本相同。例如，從2010年下半年，襄陽機(jī)務(wù)段配屬的SS6B型機(jī)車故障發(fā)生的地點(diǎn)主要集中在有大量HXD型交流機(jī)車運(yùn)用的武漢北六場(chǎng)調(diào)車場(chǎng)。機(jī)車故障主要發(fā)生在武漢北六場(chǎng)掛車、試風(fēng)及等待時(shí)間段，而機(jī)車在正線運(yùn)行途中則很少出現(xiàn)。

為了驗(yàn)證和解決HXD型機(jī)車對(duì)SS6B的影響，2011年5月26日武漢北六場(chǎng)調(diào)車場(chǎng)進(jìn)行了一次試驗(yàn)測(cè)試。圖3為武漢北六場(chǎng)調(diào)車場(chǎng)SS6B直流機(jī)車RC支路燒損事故頻發(fā)的情況下，測(cè)得的RC支路電流電壓波形。測(cè)試條件:SS6B升弓合主斷但不工作，HXD多機(jī)空載工作;故障現(xiàn)象:10～30 min內(nèi)RC支路電阻燒損。

圖1 電力機(jī)車運(yùn)行區(qū)段相關(guān)站點(diǎn)位置示意圖

圖2 阻容支路故障現(xiàn)象

圖3 武漢北六場(chǎng)SS6B機(jī)車RC支路電壓(黃色)、電流(紅色)波形圖

從圖3分析，牽引網(wǎng)電壓諧波豐富(諧波頻率為2 750 Hz)，RC支路電流的諧波含量很高，有效值為65 A，峰值高達(dá)93 A。這種情況下RC支路電容基本變成通路，電阻工作在高頻加熱狀態(tài)。吸收電阻是基于短時(shí)過電壓而設(shè)計(jì)的，額定電流約10 A，工況的變化導(dǎo)致電阻的壽命急劇下降，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。

綜上所述，包神鐵路SS4B阻容支路的燒損，是因?yàn)闋恳W(wǎng)存在大量高次諧波，而牽引網(wǎng)電壓高次諧波源于交流機(jī)車。

3 故障原因具體分析

交流機(jī)車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)及供電所牽引變壓器形成回路，而牽引電流包含的高次諧波在網(wǎng)中傳遞是造成直流機(jī)車RC支路燒損的主要原因。因此，從交流機(jī)車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性和網(wǎng)參數(shù)對(duì)交流機(jī)車諧波傳遞的影響兩個(gè)方面分析直流機(jī)車RC支路燒損的原因。

3.1 交流機(jī)車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性分析

目前我國牽引供電網(wǎng)普遍采用分相供電技術(shù)，供電臂長度相比于一個(gè)工頻波長的長度(6 000 km)而言可視為集中參數(shù)變量，因此在牽引網(wǎng)中沒有牽引電流時(shí)整個(gè)供電臂下任何一點(diǎn)的工頻電壓相位相同;如圖3所示，由于高次諧波的波長減小，又由于牽引網(wǎng)阻抗和牽引電流的存在，牽引電流將在牽引網(wǎng)感抗上形成感性壓降，導(dǎo)致不同點(diǎn)的電壓相位將出現(xiàn)偏差。

交流機(jī)車的網(wǎng)側(cè)變流器均采用PWM整流器，其牽引變壓器原邊電流的基波相位及諧波相位以運(yùn)行位置的牽引網(wǎng)電壓為基準(zhǔn)，當(dāng)多臺(tái)機(jī)車正線運(yùn)行在牽引網(wǎng)同一供電臂，由于位置不同、各機(jī)車工況往往有較大差異，各機(jī)車的諧波電流矢量疊加，也可能呈相互抵消的關(guān)系。但是在貨場(chǎng)、調(diào)車場(chǎng)、整備場(chǎng)等交流機(jī)車集中使用區(qū)域，各臺(tái)機(jī)車之間的距離非常小，同時(shí)處于一致的靜置工況?；诖饲闆r，分析認(rèn)為各機(jī)車的牽引網(wǎng)電壓相位完全一致，各機(jī)車所產(chǎn)生的諧波電流相位也經(jīng)常處于相近或一致，從而使得各次諧波整體呈線性疊加特性，使得交流機(jī)車產(chǎn)生的諧波成分較嚴(yán)重。

正線運(yùn)行的機(jī)車，同一供電臂下能同時(shí)容納的機(jī)車數(shù)量有限(例如6臺(tái))。但對(duì)于調(diào)車場(chǎng)等樞紐區(qū)域，同一供電臂下機(jī)車數(shù)量較多(例如20臺(tái))，結(jié)合前述工況因素就不難理解，直流機(jī)車的RC支路的燒損均發(fā)生在樞紐區(qū)域而非正線運(yùn)行區(qū)段。

3.2 牽引網(wǎng)參數(shù)對(duì)交流機(jī)車諧波傳遞的影響分析

交流傳動(dòng)電力機(jī)車的牽引電流經(jīng)牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器形成回路，回路中各個(gè)部件的參數(shù)均對(duì)牽引電流諧波的傳遞具有一定影響，因此，對(duì)同一供電臂下直流車的影響也表現(xiàn)不同。

當(dāng)供電所變壓器的容量越小，離調(diào)車場(chǎng)等樞紐區(qū)域距離越遠(yuǎn)時(shí)，牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器等效電感越大，對(duì)高次諧波流回變電所的阻礙作用越大，這使得交流機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波流向同一供電臂下的直流機(jī)車RC支路，當(dāng)高次諧波量過多，嚴(yán)重超出RC支路允許通過的電流值，導(dǎo)致其電阻燒損，電容失效。反之，當(dāng)供電所變壓器容量越大，離樞紐區(qū)域越近，交流機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波電流多數(shù)流經(jīng)變電所，對(duì)同一供電臂下直流機(jī)車的影響較小。如表1所示。

表1 幾個(gè)典型區(qū)間牽引供電系統(tǒng)基本參數(shù)與RC燒損情況統(tǒng)計(jì)

4 故障解決措施

交流機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波在牽引網(wǎng)中傳遞，導(dǎo)致直流機(jī)車阻容支路燒損?；诖?，從兩個(gè)方面對(duì)直流機(jī)車阻容支路燒損故障提出解決建議和措施:

(1)抑制或消除牽引供電網(wǎng)中的高次諧波，從根源上解決供電網(wǎng)中高次諧波對(duì)直流機(jī)車的影響;

(2)優(yōu)化或調(diào)整直流機(jī)車阻容支路過電壓吸收電容、電阻參數(shù)匹配，增強(qiáng)直流機(jī)車阻容支路對(duì)高次諧波的抵御能力。

4.1 牽引供電網(wǎng)諧波方面的措施

交流傳動(dòng)電力機(jī)車高次諧波的產(chǎn)生源于四象限PWM整流器。四象限PWM整流器雖然大大提高了機(jī)車的功率因數(shù)，注入系統(tǒng)的諧波電流較小，但其交流側(cè)仍然會(huì)存在一定量的高次諧波，在機(jī)車起動(dòng)、爬坡、制動(dòng)等調(diào)節(jié)過程中諧波含量還會(huì)增大。與直流機(jī)車諧波特征不同，交流機(jī)車產(chǎn)生的諧波雖然消除了低頻帶的諧波，但卻產(chǎn)生了高頻帶的諧波，向接觸網(wǎng)注入，高次諧波不僅引起直流機(jī)車RC支路燒損，還引起牽引網(wǎng)電壓高次諧波振蕩，產(chǎn)生危害較大的過電壓和過電流，使得供電可靠性降低。隨著交流機(jī)車大量投入運(yùn)營，接觸網(wǎng)高次諧波問題在各車型和和諧交流傳動(dòng)電力機(jī)車和動(dòng)車組均不同程度地存在。因此，抑制或消除牽引網(wǎng)高次諧波是當(dāng)前國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域亟待解決的問題。

由于四象限整流器開關(guān)過程帶來的諧波頻率范圍寬，從幾次到百次均有分布，通過改進(jìn)控制方法或者增加車載濾波裝置，可以優(yōu)化某個(gè)頻段的諧波含量，但不能消除全部的高次諧波。某公司在交流機(jī)車上進(jìn)行加裝各類濾波裝置的試驗(yàn)，但收效甚微，如在牽引變壓器次邊繞組增加高通濾波裝置，網(wǎng)側(cè)高次諧波少量減少，但低次諧波增大。2012年某公司依托原鐵道部重大項(xiàng)目“車網(wǎng)諧波傳播機(jī)理及其抑制技術(shù)的研究”，提出了全新治理方案:研制一套基于APF+HPF+LC的諧波和無功綜合治理裝置(安裝如圖4)，高通濾波器HPF裝置用于吸收13次及以上的諧波電流，同時(shí)提供固定的容性無功功率;有源濾波裝置AFP主要功能是濾除2、4～12次諧波電流以抑制由于HPF導(dǎo)致的低頻放大，同時(shí)還兼顧動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償，吸收和阻尼機(jī)車產(chǎn)生的振蕩電流;變電所既有的LC濾波器來濾除3次諧波。依據(jù)諧波衰減傳遞基本原理以及以往諧波治理經(jīng)驗(yàn)，APF +LC安裝在變電所，而HPF安裝在調(diào)車場(chǎng)附近的開閉所，兩者可以同時(shí)運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行。三者相結(jié)合，綜合提高牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)有效的解決牽引供電系統(tǒng)諧波污染和直流機(jī)車RC燒毀的問題。

圖4 某公司安裝綜合治理裝置圖

研制的接觸網(wǎng)諧波治理地面裝置在蘭州鐵路局蘭州西供電段投入試運(yùn)行以來，實(shí)現(xiàn)了調(diào)車場(chǎng)這一牽引網(wǎng)受諧波污染重點(diǎn)區(qū)段的針對(duì)性治理，接觸網(wǎng)諧波畸變率從10.26%下降到2.93%，諧波治理效果顯著。圖5、圖6為蘭州西供電段地面諧波治理裝置投入前后牽引網(wǎng)電壓頻譜圖。

圖5 地面諧波治理裝置投入前牽引網(wǎng)電壓頻譜圖

圖6 地面諧波治理裝置投入后牽引網(wǎng)電壓頻譜圖

4.2 直流機(jī)車阻容支路改造的措施

中車公司結(jié)合交、直流電力機(jī)車共網(wǎng)運(yùn)用的情況，從RC支路參數(shù)方面進(jìn)行了優(yōu)化改造，以緩解和減少直流機(jī)車阻容支路的故障率，具體措施:

(1)增大直流機(jī)車上RC支路電阻的功率，如SS8，SS9將RC支路吸收電阻功率由800 W增加到2 000 W;

(2)適當(dāng)減小直流機(jī)車上RC支路電阻電容;

(3)采取在同一供電臂下增加直流傳動(dòng)電力機(jī)車運(yùn)行(重聯(lián))等方式，增加同一供電臂下的RC支路數(shù)量，減輕單一RC支路諧波吸收壓力;

(4)在直流傳動(dòng)電力機(jī)車阻容柜上安裝冷卻風(fēng)扇，加強(qiáng)吸收電阻的冷卻能力。

包神鐵路SS4B型電力機(jī)車阻容支路根據(jù)其他鐵路公司的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了RC支路參數(shù)匹配和調(diào)整，見表2。

表2 SS4B直流機(jī)車阻容支路優(yōu)化調(diào)整參數(shù)

5 結(jié)束語

文章通過對(duì)包神鐵路運(yùn)用電力機(jī)車出現(xiàn)的燒損現(xiàn)象研究和分析，提出了改造阻容裝置建議，通過實(shí)際運(yùn)用，有很大程度的緩解，減少了燒損對(duì)機(jī)車運(yùn)用的影響。同時(shí)，針對(duì)牽引供電網(wǎng)方面所采取的措施，只是進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集分析，下一步還需深入研究探討。希望本文能對(duì)鐵路交、直流機(jī)車混跑所帶來的阻容支路燒損影響機(jī)車正常運(yùn)用能起到一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

［1］ 王 奇.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［2］ 馬加明.電氣化鐵路諧波概述［J］.黑龍江交通科技，2013，228(02):173-175.

［3］ 楊志華，朱俐琴.交流傳動(dòng)電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)諧波分析與對(duì)策［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2003，26(02):8-11，32.

［4］ 張有松.韶山4型電力機(jī)車［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［5］ 李群湛.電氣化鐵道諧波問題的思考［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1999，21(10):1-6.

［6］ 曹建獻(xiàn).電氣化鐵路供電系統(tǒng)［M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

Fault Analysis and Countermeasures of RC Branches Burning for SS4BElectric Locomotive of Baoshen Railway

GAO Yunhe
(Shenhua Baoshen Railway Group Ltd.，Baotou 014014 Neimenggu，China)

Based on the phenomenon of RC branches burning and capacitors breakdown in SS4B-type electric locomotive of Baoshen Railway Group，this paper analyzes the fault cause from the aspects of locomotive and catenary，and puts forward the countermeasures.

SS4B;DC locomotive;AC locomotive;RC branches;burning;higher harmonics

U264.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.21

1008－7842(2015)01－0092－05

5—)男，工程師(

2014－08－11)