大包线机车过关节式电分相过电压测试及分析

曹建设

大包线机车过关节式电分相过电压测试及分析

曹建设

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

大包线自开通运营以来,频繁发生过电压引起HXD型电力机车惩罚制动。对大包线过电压进行现场测试及分析,结果表明过电压与中性段对地等效电容中储存的电磁能量有关,电力机车通过电分相时等值电路在结构上也会发生大的变化,在此暂态过程中形成高阶振荡电路产生了过电压。通过对测试的过电压波形进行频谱分析,可以排除高次谐波谐振过电压的原因。过电压的产生和机车型号无关,只是由于不同型号的电力机车采用了不同的过电压保护措施,机车过分相过电压时才显现不同的故障现象。氧化锌避雷器和RC过电压吸收装置能够有效地抑制电力机车通过关节式电分相时产生的过电压。

关节式电分相;过电压;电力机车

大包线电气化铁路改造工程于2009年5月底开通运营。该线牵引质量10 000 t,牵引网采用带回流线的直接供电方式,电分相全部采用七跨锚段关节式电分相。

大包线自开通运营以来,频繁发生过电压触发HXD型电力机车保护装置动作、引起电机闭锁故障,给正常的铁路运输秩序带来很大影响。郑州局、北京局、兰州局、济南局也曾多次发生过电压烧伤接触导线、引起牵引变电所跳闸现象,但过电压产生的机理不尽相同。文献[1]简要列举了牵引供电系统的过电压类型。

为深入了解大包线过电压的特点,特别是为了确认是否发生了类似于京哈线蓟县南牵引变电所供电区段的高次谐波谐振过电压[2],于2010年3月14日对该线SS4型电力机车运行中产生的过电压进行了测试,并于3月15日在台阁牧车站对HXD型电力机车司机进行了现场调研。

1 大包线过电压测试及调研情况

大包线过电压测试在台阁牧车站至十八台车站区段进行,该区段共有七跨锚段关节式电分相9处。万吨煤炭重载列车运行到台阁牧车站后加挂补机,形成SS4型电力机车和HXD型电力机车重联双机牵引。本次过电压测试在SS4型电力机车上进行,过电压测量连接点为受电弓与主断路器之间的网侧电压互感器二次侧。测试仪器采用西南交通大学电气工程学院研制的BDC-5型变电站电能质量监测系统。

1.1 关节式电分相结构及中性段感应电压

锚段关节式电分相利用空气绝缘间隙达到实现电分相的目的,七跨锚段关节式电分相的结构见图1。

图1 七跨绝缘锚段关节式电分相结构平面

锚段关节式电分相的“无电区”并非真正的无电,中国、日本的工程技术人员经过测试均证实了这一点。2007年6月,针对兰新线武威至嘉峪关段电力机车过分相产生的过电压问题,兰州铁路局机务处组织相关单位进行了现场试验。本次试验共获得中性段感应电压有效数据20组,感应电压最大值约15 kV,最小值约8 kV,处于10～13 kV范围内的数据共17组,约占有效数据总数的85%。

大包线过电压测试获得的中性段感应电压见表1。

表1 大包线测试获得的中性段感应电压kV

由表1可见,和兰新线武威至嘉峪关段测量的中性段感应电压相似,大包线中性段感应电压在12 kV左右。文献[3]给出了中性段感应电压的理论计算方法。

1.2 大包线机车过关节式电分相过电压测试

万吨重载列车从台阁牧车站向十八台车站运行过程中,没有发生过电压现象。进入中性段“无电区”之前,SS4型电力机车操纵台的电压表指示变电所出口处或供电臂末端接触网电压。机车进入中性段“无电区”后,操纵台电压表显示值迅速降低到12 kV左右的中性段感应电压。电力机车依靠惰性通过中性段“无电区”后,操纵台电压表重新显示正常的接触网电压。

万吨列车到达十八台车站后,SS4型电力机车摘解返回台阁牧车站。机车运行至呼和浩特东变电所分相处时,发生了比较严重的过电压。电力机车在“断”字标牌前断开主断路器后,操纵台电压表显示约28 kV的接触网电压,进入中性段“无电区”的瞬间,机车操纵台电压表显示值由28 kV直接升高至最大量程,并且一直持续到电力机车受电弓离开中性段“无电区”。

电能质量监测系统录取的电力机车通过关节式电分相的完整过电压波形见图2。

图2 电力机车通过关节式电分相的完整过电压波形

由图2可见,电力机车在进入或离开“无电区”的瞬间都发生了过电压现象,过电压幅值超过了90 kV。

2 大包线过电压的机理分析

2.1 大包线过电压与高次谐波谐振无关

2007年上半年,随着大量动车组投入运行,在京哈线蓟县南牵引变电所供电区段发生了牵引网高次谐波谐振引起的过电压。沪蓉线麻城北牵引变电所、合宁线龙城牵引变电所供电区段也曾发生过高次谐波谐振过电压。

蓟县南T座母线电压的频谱图见图3。

图3 蓟县南T座母线电压的频谱

工程技术人员在牵引变电所实测到的谐振,都伴随着谐波电流的放大。正是被放大了的谐波电流,作用在电力系统与牵引变压器合成的谐波阻抗上,导致了数十千伏的高次谐波谐振过电压。谐振频率由牵引网自身电气参数和变压器以及系统阻抗决定,高次谐波谐振频率通常在17～20次。

通过对大包线过电压波形的频谱分析,并没有发现17～20次之间的高次谐波有放大现象。而且3月15日在台阁牧车站对6位HXD型电力机车司机进行了调研,司机一致反映:过电压均发生在机车通过关节式电分相的时候,电力机车在供电臂分相间运行时没有发生过电压现象。

因此,大包线过电压是类似于兰新线武威至嘉峪关段的机车过分相过电压,可以排除高次谐波谐振的因素。

2.2 大包线过电压的机理分析

根据电力机车过分相时受电弓接触关节式电分相的不同位置,文献[4]给出了电力机车通过关节式电分相的原理图;并经过仿真分析发现,电力机车受流从“有电”向“无电”或“无电”向“有电”过渡时,均有可能发生过电压现象。这和大包线过电压测试结果是相吻合的。

为了更好地观察大包线电力机车进入关节式电分相时的电压波形,将图2中43 s处的电压波形放大后见图4。

图4 电力机车进入关节式电分相的过电压波形

由图5可以看出,电力机车受流从“有电”向“无电”过渡时,过电压幅值逐步振荡放大。

电力机车运行到中性段“无电区”的电压波形见图5。

图5 电力机车运行到中性段“无电区”的电压波形

由图5可见,电力机车运行到中性段“无电区”后,过电压幅值有所衰减。

电力机车离开关节式电分相的过电压波形见图6。

由图6可见,电力机车受流由“无电”向“有电”过渡时,过电压的幅值达到了90 kV。

图6 电力机车离开关节式电分相的过电压波形

电力机车通过关节式电分相的等值电路是一个由电阻、电感和电容组成的高阶电路。对中性段感应电压的测量和分析结果表明,中性段对地等效电容中储存有电磁能量,电力机车进入和驶出电分相时都会强行对中性段充电或放电,而且等值电路在结构上会发生大的变化,在此暂态过程中形成高阶振荡电路产生了过电压。

3 不同型号电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析

陇海线郑州至太要段、兰新线武威至嘉峪关段主要是SS7E型电力机车过分相时发生牵引变电所跳闸,大包线主要是HXD型电力机车过分相时发生惩罚制动。因此,铁路运营管理部门最初认为过电压的产生和机车类型有关。

实际上,只要是采用关节式电分相,中性段就会产生感应电压,电力机车过分相时就有可能会产生过电压现象。只是由于不同型号的电力机车采取了不同的过电压保护措施,机车过分相产生过电压时才体现出不同的故障现象。

为了说明这个问题,对几种常见型号电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析如下。

3.1 SS7E型电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析

陇海线郑州至太要段、兰新线武威至嘉峪关段开行大量的SS7E型电力机车,机车过分相产生过电压的故障现象主要表现为频繁发生牵引变电所跳闸。

SS7E型电力机车部分网侧电路原理如图7所示。

图7 SS7E型电力机车部分网侧电路原理

图7中A1(A2)为受电弓;QS15(QS16)为受电弓隔离开关;QF1是主断路器;F1为放电间隙;TV1为高压电压互感器;F2为避雷器,用来抑制雷电过电压和操作过电压。

SS7E型电力机车的车顶放电间隙F1的击穿放电电压约为90 kV[5],用来抑制雷电过电压。虽然空气保护间隙构造简单、成本低,但空气间隙的伏秒特性差,不能抑制操作过电压,放电后产生的截波陡度大,容易对电力机车主变压器高压绕组的首端匝间绝缘造成损害。由于不能切断放电后的工频续流,当机车过分相产生的过电压将车顶保护间隙击穿后,造成接触网对地短路,自然会频繁引发变电所跳闸。

F2虽然能够抑制操作过电压,但由于其设置在主断路器之后,而机车过分相时主断路器已经断开,对机车过分相产生的过电压起不到抑制作用。

3.2 HXD1型电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析

为取得HXD1型电力机车过电压引起机车惩罚制动的第一手资料,利用万吨重载列车加挂补机的机会,在台阁牧车站对6位HXD1型电力机车司机进行了调研。

HXD1型电力机车的受电弓升起10 s后,每节机车的牵引控制单元(TCU)开始检测网压并且将有效值通过多功能车辆总线(MVB)传送到中央控制单元(CCU)[6]。网压必须在15～31 kV内,如果网压低于15 kV或高于31 kV超过1 s,TCU将检测到低/高网压, CCU立即发出断开主断路器命令,相应的故障诊断发送显示器以提示司机网压过低或过高。在占用端的主断路器扳键开关动作后,在显示屏上的故障信息消失。

当电力机车过分相产生的过电压高于31 kV超过1 s,CCU发出断开主断路器命令后,开始司机都是按“确认”键将机车主断路器断开。虽然此时显示屏上的故障信息消失了,但由于主断路器断开后机车电机隔离,导致机车惩罚制动。电力机车在基本阻力、附加阻力、加算坡道阻力等作用下逐步停靠在区间,严重影响铁路的正常运输。

接受了机车惩罚制动的经验教训后,当CCU再次发出断开主断路器命令后,司机按“取消”键,将其作为“虚故障”看待。虽然电力机车过分相时产生的过电压依然存在,但电力机车得以继续运行,不至于影响铁路的正常运输。

3.3 SS4型电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析

SS4型(1-158号)电力机车部分简化主电路见图8[7]。

图8中1SD为受电弓;3ZB为主变压器;4ZD为主断路器;5HX为主放电间隙;6YH为高压电压互感器。

图8 SS4型(1-158号)电力机车部分简化主电路

大包线实际运行的是SS4改型电力机车,与SS4型(1-158号)电力机车相比,在25 kV网侧电路中加设了Y10W-42/105TD型金属氧化物避雷器,以取代以往的放电间隙,作为过电压和雷击保护[7]。

由于氧化锌阀片具有优良的非线性伏安特性,所以当系统上出现过电压时,氧化锌阀片呈低电阻,使避雷器残压被限制在允许值下,从而保护了电气设备的绝缘。正是由于SS4改型电力机车采用了金属氧化物避雷器,尽管在大包线过电压测试中出现了超过90 kV的过电压,但金属氧化物避雷器使运行中的电力机车免受过电压的危害,保证了电力机车的正常运行。

因此,只要是采用关节式电分相,中性段就会存在约12 kV的感应电压,电力机车进入或离开关节式电分相时就有可能会产生过电压现象。电力机车过分相时是否产生过电压和电力机车型号没有关系,但由于不同型号的电力机车采用了不同的过电压保护措施,机车过分相过电压时才体现不同的故障现象。如SS7E过分相产生过电压时通常击穿放电间隙、引起牵引变电所跳闸;HXD型电力机车在过电压时通常发出断开主断路器命令,司机操作不当就可能导致电力机车惩罚制动。

4 解决电力机车过分相过电压的措施

通过对不同型号电力机车过分相产生过电压时的故障现象分析可以看出,在机车原边加装的避雷器对抑制过电压有很好的效果。

电力机车常采用的Y10W-42/105TD型氧化锌避雷器的技术参数见表2。

从表2可以看出,避雷器在56 kV时电流小于1mA,在90 kV时增大到100 A,其优良的非线性伏安特性对过电压状况下保护车顶电气设备的绝缘有很好的效果。

表2 Y10W-42/105TD型氧化锌避雷器技术参数

需要特别说明的是,由于在电力机车进入关节式电分相之前,司机已经将机车主断路器断开,为了使避雷器能够对机车过分相产生的过电压产生作用,避雷器需安装在机车主断路器之前。

RC过电压吸收装置在过电压保护方面有广泛的应用[8-10]。文献[4]的仿真结果表明,通过在中性段安装阻容保护器,可以改变电路的振荡频率,能够有效地抑制电力机车通过关节式电分相时产生的过电压。

RC装置只要能将机车过分相产生的过电压峰值抑制下来,不至于击穿放电间隙引起变电所跳闸;同时装置中的电阻将能量适当吸收,不至于烧伤接触导线,就可以认为取得了好的效果。兰州铁路局在每处关节式电分相上安装3套RC过电压吸收装置,现场运行和试验证明,起到了保护机车和接触网安全的作用。

5 结论

(1)大包线锚段关节式电分相的中性段存在12 kV左右的感应电压。电力机车从十八台车站向台阁牧车站返回时,运行到呼和浩特东变电所分相处时,出现了比较严重的过电压,过电压幅值超过了90 kV。

(2)通过对大包线过电压波形的频谱分析,并没有发现17～20次之间的高次谐波有放大现象。因此可以排除高次谐波电流作用在谐波阻抗上引起的高次谐波谐振过电压。

(3)只要是采用关节式电分相,中性段就会存在约12 kV的感应电压,电力机车进入或离开关节式电分相时就有可能会产生过电压现象。电力机车过分相时是否产生过电压和电力机车型号没有关系,只是由于不同型号的电力机车采用了不同的过电压保护措施,机车过分相过电压时才体现不同的故障现象。

(4)电力机车常采用的Y10W-42/105TD型氧化锌避雷器具有优良的非线性伏安特性,对过电压状况下保护车顶电气设备的绝缘有很好的效果。RC过电压吸收装置,能够改变电路的振荡频率,从而有效地抑制电力机车通过关节式电分相时产生的过电压。

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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

铁道部科技研究开发计划重点课题(2009J007-B)

曹建设(1977—),男,工程师,注册电气工程师,工学硕士, E-mail:jianshecao@163.com。