電氣化鐵路過電壓產(chǎn)生的原因及對策

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摘要: 電氣化鐵路絕緣事故頻繁已是一個不爭的事實,尤其在提速區(qū)段,將分相裝置由器件式改為七跨式后更為突出。本文試圖利用鐵磁諧振的原理,以SS7型(7C、7D、7E)機(jī)車牽引快速列車通過虢鎮(zhèn)牽引變1#饋線七跨式分相裝置時的絕緣事故為突破口,探討電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因及應(yīng)采取的對策。

關(guān)鍵詞:電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓 1概況 2005年8月25日～2007年3月12日,自從西寶段接觸網(wǎng)分相改造后,虢鎮(zhèn)牽引變1#饋線共發(fā)生跳閘106件,其中機(jī)車過分相跳閘103件,占總跳閘的97.2%,重合失敗1次,多次擊穿電力機(jī)車支持絕緣子、放電間隙等設(shè)備,兩次燒傷接觸網(wǎng)導(dǎo)線、吊弦、承力索,對運(yùn)輸生產(chǎn)造成了影響。 由于短路頻繁、短路點距牽引變電所很近(虢變約400m)、短路電流大(實測6100A～6400A,理論計算最大超過8000A,達(dá)到牽引主變、饋線斷路器額定電流的6～8倍),其電動力、熱效應(yīng)等對牽引主變、饋線斷路器等設(shè)備危害很大。因此,查清事故原因,消滅運(yùn)行隱患,成為一項緊急任務(wù)。 2原因分析 2.1跳閘現(xiàn)象及設(shè)備結(jié)構(gòu)分析 2.1.1牽引變電所 2.1.1.1饋線保護(hù)饋線開關(guān)跳閘是由饋線保護(hù)動作引起,該保護(hù)動作是否正常成為問題的關(guān)鍵之一。經(jīng)試驗分析,保護(hù)動作正常的條件如下: (1)饋線保護(hù)動作時各種信號、指令正常; (2)饋線保護(hù)啟動故障探測儀指示短路距離正常(從接觸網(wǎng)燒傷處、機(jī)車故障、現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機(jī)頂電弧的距離可以得到驗證); (3)電流表每次保持在滿量程刻度(1200A),說明確實有短路電流存在; (4)故障錄波儀每次記錄的短路電流、電壓波形均表示饋線有短路存在; (5)為了進(jìn)一步說明問題,在該饋線加裝了微機(jī)保護(hù),跳閘時記錄的短路電流、諧波、波形等與上述四條吻合。因此,完全可以排除繼電保護(hù)誤動。 2.1.1.2牽引變電所設(shè)備 每次跳閘巡視時沒有異味,設(shè)備未有燒傷痕跡,值班人員未聽到短路電弧聲,可以排除因變電設(shè)備引起的原因。 2.1.2接觸網(wǎng) 器件式電分相裝置由三節(jié)絕緣體組成,受電弓通過時電流連續(xù)減小,直到為零,不會出現(xiàn)多次失電、帶電的現(xiàn)象。而七跨式電分相裝置則通過工作支抬高過渡為非工作支、中性線降低過渡為工作支進(jìn)行機(jī)車過相轉(zhuǎn)換(出時相反)。由于鐵道線路不好、機(jī)車晃動、接觸導(dǎo)線擺動等原因造成機(jī)車受電弓頻繁離線,電壓互感器(變壓器)失電又重新得電,相當(dāng)于機(jī)車先切后合,這一過程可能重復(fù)多次,使電路瞬間產(chǎn)生多次過渡過程。 2.1.3電力機(jī)車 與SS4型機(jī)車相比,韶山7E型電力機(jī)車將電壓互感器移在主斷路器之前,其帶電與否只與受電弓的升降有關(guān),與機(jī)車斷路器的開斷無關(guān),而且電壓互感器、變壓器均是帶鐵芯的電感元件,在沖擊電流下電感量呈非線性變化,使該電路的過渡過程不同于一般的電路變化。 2.1.4供電系統(tǒng) 供電系統(tǒng)存在大量的集中參數(shù)和分布參數(shù)元件,均以電阻、電感、電容的形式存在,尤其分布電容將空氣作為介質(zhì),受氣溫、濕度、天氣變化影響很大。事實上,上述跳閘與季節(jié)、天氣有一定的關(guān)聯(lián),而它往往是造成諧振的一個主要元件。 2.2原因分析 2.2.1原因歸納 從上面的排查可以總結(jié)出: (1)電力機(jī)車的電壓互感器、變壓器是具有鐵芯的鐵磁元件; (2)當(dāng)機(jī)車通過新式電分相裝置時易形成多次分、合現(xiàn)象; (3)供電系統(tǒng)的分布電容在季節(jié)、氣候等變化下,其參數(shù)可變。 2.2.2電路模型 由上述分析,可建立電氣化鐵路諧振時的電路模型: (1)將電力機(jī)車的變壓器、電壓互感器作為負(fù)載,它們是帶鐵芯的電感元件,在受到外界擾動時鐵芯易飽和,成為變頻元件,等效為X。假定其它元件在諧振前后均為線性元件。 (2)其它變壓器,供電線路、接觸網(wǎng)的電感等效在25kV側(cè)很小(50000kVA牽引主變基頻時每相等效電抗1.3Ω),可以忽略。 (3)機(jī)車牽引負(fù)荷是一個變量,與研究的壓互相比,電抗很小,可忽略,假定過分相時機(jī)車負(fù)荷已降為零,其它機(jī)車等效為與負(fù)荷成正比的可變電阻R。 (4)將受電弓在接觸網(wǎng)分相過渡處形成多次分、合的現(xiàn)象等效為高頻開關(guān)KH。 (5)將供電系統(tǒng)的分布電容等效為一組可變電容C,牽引變電所的并電容等效為Cb,開關(guān)等效為KC。 (6)將電源電勢等效為E。利用等效電源定理,做出電氣化鐵路等效到25kV側(cè)的電路模型如圖一。 2.2.3諧振原理 為了討論電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓,我們首先從上述等效電路開始。由于電路中有非線性的鐵磁電感元件存在,特性曲線如圖二中的UL=f(I),發(fā)生諧振時,回路不僅有基頻,還有高頻、分頻諧波分量。我們先以基頻為例,把諧振下的電壓、電流仍看作正弦波,就可以用交流符號法進(jìn)行求解。 因為電感上的電壓和電容上的電壓符號相反,且電容是線性的,即和IC的關(guān)系是一條直線,即UC=f(I)。由圖二可知,當(dāng)ωL>1/ωC,即UL>UC時,電路中的電流呈感性;但隨著電流的增大,鐵芯飽和,電感降低,兩條伏安特性相交,達(dá)到諧振點;電流再增加,UC>UL,電路中電流變?yōu)槿菪?。由電路元件上的壓降與電源電勢的平衡關(guān)系可得:E=UL-UC以上平衡時可用電壓降總和的絕對值ΔU來表示,即E=ΔU=∣UL-UC∣可做出ΔU與I的關(guān)系曲線ΔU=f(I),如圖二。電勢E與ΔU相交,就是滿足上述方程的點。由圖二可以看出,有a1、a2、a3三個平衡點。但這三點并不都是穩(wěn)定的。研究某一點是否穩(wěn)定,可先假定回路中有一微小的擾動,分析此擾動是否能使回路脫離該點。例如a1點,若回路中電流稍有增加,出現(xiàn)ΔU>E,即電壓降大于電勢,則外加電勢迫使回路電流減小,回到a1點。反之,若回路電流稍有減小,ΔU<E,電壓降小于電勢,則外加電勢迫使回路電流增大,同樣回到a1點。因此a1點是穩(wěn)定的。用同樣的方法分析a2,a3點,即可發(fā)現(xiàn)a3點是穩(wěn)定的,a2點是不穩(wěn)定的。 同時,從圖中可以看出,當(dāng)電勢較小時,回路有兩個可能的工作點a1,a3,而當(dāng)E超過一定值以后,可能只有一個工作點。當(dāng)有兩個工作點時,若電源電勢是逐漸上升的,則只能工作在非諧振工作點a1。為了能建立穩(wěn)定的諧振點a3,回路必須經(jīng)過強(qiáng)烈的擾動過程,這種經(jīng)過過渡過程建立的諧振現(xiàn)象謂之鐵磁諧振的“激發(fā)”。而且一旦“激發(fā)”起來以后,諧振狀態(tài)就可以保持很長時間,不會衰減,直至絕緣擊穿、設(shè)備損壞,破壞諧振條件為止。這里的激發(fā)因素就是等效的高頻開關(guān)KH。 以電壓互感器為例?；l時,按照二次負(fù)荷50%計算,S=10VA,"!所以X=250002/10=62.5MΩ,在擾動條件下,感抗將有從62.5MΩ往小變化的趨勢。虢鎮(zhèn)牽引變電所并電容采用兩串五并,基頻時每組容抗Xc=636Ω。若忽略可變電容Cb和可變電阻R,諧振前,62.5MΩ>636Ω,即符合諧振條件ωL>1/ωC,若在擾動條件下,某一時刻達(dá)到ωL=1/ωC,電路將發(fā)生諧振。 實際上,由于鐵磁元件的變頻作用,即使防止了基波諧振,也可能產(chǎn)生高次諧波或分次諧波諧振。此類諧振機(jī)理非常復(fù)雜,目前只能根據(jù)電路方程求得近似解和判斷解的穩(wěn)定性,以便從理論上認(rèn)識非線性諧振的出現(xiàn)、存在及其特征。也就是說,只能做定性分析,很難做出定量分析。根據(jù)過電壓的特點對電路進(jìn)行綜合考慮后,先假定符合鐵磁諧振條件,然后再破壞諧振條件。若過電壓消失,說明假設(shè)條件正確,即先理論分析,再實踐驗證。 2.2.4電氣化鐵路負(fù)荷的特點 由于單相負(fù)荷的特點,牽引供電系統(tǒng)正常的工作狀態(tài)即處于可能諧振的狀態(tài),如嚴(yán)重的不同期操作(兩條饋線上的機(jī)車不同時合閘或不同時有負(fù)荷),非全相運(yùn)行(一相饋線停電或無機(jī)車負(fù)荷);而且擾動條件經(jīng)常存在,如受電弓離線;機(jī)車的壓互或變壓器均是鐵芯電感元件等。 2.2.5對電力機(jī)車幾種運(yùn)行情況的綜合分析 (1)電力機(jī)車斷電過分相:當(dāng)SS4型機(jī)車斷電過分相時不會產(chǎn)生過電壓,而SS7型機(jī)車要產(chǎn)生過電壓,其根源是電壓互感器接在主斷路器之前。 (2)電力機(jī)車帶電過分相(機(jī)車負(fù)荷降為零):由于變壓器、電壓互感器相當(dāng)于空載運(yùn)行,在擾動條件,均有可能產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。 (3)電力機(jī)車帶電過分相(機(jī)車負(fù)荷未降為零):有功負(fù)荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素,根據(jù)鐵磁諧振回路的損耗電阻小于臨界電阻值的諧振條件,會產(chǎn)生諧振,但次數(shù)要明顯減少。 (4)根據(jù)跳閘情況分析,過電壓造成的機(jī)車故障遠(yuǎn)多于接觸網(wǎng),而且沒有造成機(jī)車故障的過電壓次數(shù)更多(機(jī)車上可以看到電壓表猛然上升),這些沒有造成絕緣事故的過電壓,由于累積效應(yīng),對機(jī)車設(shè)備的絕緣同樣具有危害,如果放電間隙燒傷間隙變大時,極有可能造成機(jī)車避雷器損壞、爆炸、支持絕緣子擊穿、電壓互感器甚至變壓器燒壞。 綜上所述,這種跳閘是在機(jī)車受電弓與接觸網(wǎng)多次分、合的擾動條件下,電力機(jī)車的鐵芯電感元件發(fā)生變化,與供電系統(tǒng)各參數(shù)在特定條件下匹配而發(fā)生鐵磁(非線性)諧振過電壓所引起的絕緣事故。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在電氣化區(qū)段普遍存在,造成過電壓是必然的。由于系統(tǒng)參數(shù)匹配的程度、鐵磁諧振過電壓的特性、過電壓使機(jī)車放電間隙、設(shè)備絕緣擊穿跳閘的概率等原因,才形成了表面上的偶發(fā)性,因此,表現(xiàn)在有些地方嚴(yán)重,有些地方相對較少。 3對策 要消除諧振過電壓的根源,必須將電力機(jī)車、接觸網(wǎng)、牽引變電所、鐵道線路等作為一個大系統(tǒng)來加以研究,然后考慮其實現(xiàn)的必要性和可能性。 3.1供電段和機(jī)務(wù)段由于過電壓造成了兩家設(shè)備的損壞,因此應(yīng)在有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)主持下,兩單位有關(guān)人員互相交換信息,共同分析,達(dá)成共識,采取適當(dāng)?shù)拇胧?消除過電壓。 3.2電力機(jī)車這類過電壓是由接觸網(wǎng)的特點、電力機(jī)車結(jié)構(gòu)及運(yùn)行本身存在的缺陷互相疊加而引起,因此對機(jī)車改造,是目前現(xiàn)場投資小、見效快的最佳方案,本文推薦采取以下措施。 (1)將機(jī)車高壓電壓互感器的接線改在主斷路器后,即與SS4型機(jī)車設(shè)計接線相同; (2)機(jī)車司機(jī)必須嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程,或加裝自動過分相裝置,確保斷電過分相; (3)在電力機(jī)車設(shè)計、制造或現(xiàn)場改造時,應(yīng)選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器,優(yōu)先選用電容式電壓互感器; (4)在電壓互感器的二次側(cè)加裝消諧電阻; (5)采用跟隨性好的受電弓,減少離線次數(shù)。 3.3接觸網(wǎng) (1)在接觸網(wǎng)分相的中性區(qū)加裝閥型避雷器,一方面作為過電壓的保護(hù),另一方面利用閥型避雷器的并聯(lián)電阻作為中性區(qū)累積電荷的放電通路,使機(jī)車進(jìn)入中性區(qū)的過渡過電壓初始值盡量降低; (2)在分相裝置的中性區(qū)或分相附近加裝單相變壓器,二次接較小的電阻,研究其在諧振時的阻尼效果;  (3)接觸網(wǎng)參數(shù)符合規(guī)定,減少受電弓的離線次數(shù)。 3.4牽引變電所 短時撤出并電容,用以判斷過電壓的性質(zhì);結(jié)合在機(jī)車上的試驗,在變電所進(jìn)行試驗、測量,以便做出綜合判斷。 3.5鐵道線路線路質(zhì)量要好,減少受電弓的離線次數(shù)。 3.6其他了解供電系統(tǒng)的特性,借鑒電力系統(tǒng)在這方面的研究成果。 參考文獻(xiàn)： 【1】《電力系統(tǒng)過電壓》,武漢水利電力學(xué)院,解廣潤主編 【2】《電氣化鐵道供變電工程》西南交大,賀威俊,簡克良編 【3】《高電壓工程》西安交大,邱毓昌,施圍,張文元編 【4】《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》,西安交大,李光琦編 【5】《韶山4型電力機(jī)車》,鄭州鐵路局寶雞機(jī)務(wù)段編