關(guān)節(jié)式電分相過電壓致線索燒損分析及對策

裴 濤

0 引言

隨著國內(nèi)電氣化鐵路的飛速發(fā)展，為了減少接觸網(wǎng)硬點，提高接觸網(wǎng)彈性，電分相處普遍采用關(guān)節(jié)式電分相裝置，以便保證高速運行列車的取流穩(wěn)定。在運營實踐中，電力機車通過電分相裝置時未斷電（或未嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，僅將級位手柄回“0位”）而產(chǎn)生的過電壓多次導(dǎo)致牽引變電所跳閘、接觸網(wǎng)電分相處線索燒損等故障發(fā)生。以襄樊供電段為例，僅2010年，就先后發(fā)生機車過電分相故障26起，導(dǎo)致牽引變電所跳閘21次，電分相線索燒損11次，嚴(yán)重干擾了鐵路正常運輸秩序。因此，對電力機車通過關(guān)節(jié)式電分相過電壓的產(chǎn)生機理及線索燒損原因進(jìn)行分析，并提出防治對策，對保證電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)和燒損現(xiàn)象

電力機車通過關(guān)節(jié)式電分相時，受電弓首先由一供電臂接觸線帶電支逐漸過渡到中性區(qū)接觸線（有電到無電），進(jìn)而由中性區(qū)接觸線過渡到另一供電臂接觸線帶電支（無電到有電），從而完成過電分相全過程。下面以八跨關(guān)節(jié)式電分相為例進(jìn)行分析。

1.1 八跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)

八跨關(guān)節(jié)式電分相由 2個四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)組成，如圖1所示（圖中曲線為受電弓運行接觸接觸線的軌跡）。其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，主要是將絕緣錨段關(guān)節(jié)延長下錨，在電分相中性區(qū)工作范圍內(nèi)通過2支懸掛進(jìn)行工作支與非工作支的過渡，在非工作支加裝絕緣子，采用相間空氣絕緣的裝配形式，從而達(dá)到分相的目的。

圖1 八跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)平面示意圖

1.2 電分相燒損現(xiàn)場狀況

通過大量的現(xiàn)場運行觀察，電力機車在通過關(guān)節(jié)式電分相時，分別會在4個起弧區(qū)形成4次拉弧放電現(xiàn)象。在第1起弧區(qū)是由于機車運行迅速接近中心柱，導(dǎo)致工作支（有電）與非工作支（無電）通過受電弓短接；而在第 4起弧區(qū)是由于工作支（有電）與非工作支（無電）迅速漸行漸遠(yuǎn)，而且在上述2個起弧區(qū)內(nèi)，受電弓始終良好接觸在工作支（有電）側(cè)，不需拉弧維持取流，故而拉弧時間極短。在第2、第3起弧區(qū)，由于受電弓接觸在工作支（無電）側(cè)，與有電側(cè)非工作支有一個漸行漸遠(yuǎn)（近）的過程，機車取流可以通過過電壓擊穿引起的拉弧較長時間維持，故而拉弧時間較長。線索燒損現(xiàn)象全部集中在第2、第3起弧區(qū)，且第2起弧區(qū)線索燒損多于第3起弧區(qū)。線索燒損區(qū)域外在表征為工作支與非工作支承力索各有斷股，斷面處呈金屬熔化后凝固的半球面形；2條接觸線表面有大量的電灼燒焊麻點；部分布置基本對稱的吊弦燒傷（斷）。在電力機車駛?cè)耄ǔ觯╆P(guān)節(jié)式電分相時，受電弓接觸有電側(cè)供電臂發(fā)生跳閘故障（2條供電臂跳閘時會有時間差）。

2 機車過電分相過電壓的理論分析

通過過電分相過電壓的理論計算（理論計算過程略）可以發(fā)現(xiàn)，中性線上過電壓最大值與電力機車駛?cè)耄ǔ觯╇姺窒鄷r的相角有關(guān)；與電力機車是否將主斷路器斷開，而不僅僅是將級位手柄回“0位”有關(guān)；與電力機車不同車型簡化電路參數(shù)有關(guān)，這就很好地解釋了電力機車過關(guān)節(jié)式電分相時拉弧的必然性，以及由此引起牽引變電所供電臂跳閘的偶然性。當(dāng)機車在上述4個區(qū)域拉弧時，由于區(qū)域內(nèi)工作支與非工作支、有電側(cè)與無電側(cè)的不同對應(yīng)關(guān)系，最終導(dǎo)致拉弧在第2、第3起弧區(qū)內(nèi)持續(xù)時間較長。第2起弧區(qū)內(nèi)受電弓與有電非工作支是一個漸遠(yuǎn)的過程，而在第3起弧區(qū)內(nèi)則是一個漸近的過程，故而第2起弧區(qū)線索燒損多于第3起弧區(qū)。由于電弧的溫度高達(dá)3 000～5 000℃，銅接觸線和銅承力索線型不同，承力索采用多股銅線絞制而成，在同一拉弧區(qū)域，承力索較接觸線脆弱，所以首先斷股。同時，通過理論計算也可以發(fā)現(xiàn)，由于電力機車駛?cè)耄ǔ觯╆P(guān)節(jié)式分相時的相角不同，所產(chǎn)生的過電壓也不盡相同，當(dāng)牽引變電所有關(guān)保護(hù)定值設(shè)置的無法躲過該過電壓極值時，必然發(fā)生跳閘。通過大量當(dāng)電力機車通過電分相時發(fā)生跳閘，而供電工區(qū)巡檢結(jié)果為不明原因跳閘的現(xiàn)象實例證明，其跳閘原因應(yīng)引起牽引變電所保護(hù)定值設(shè)置工作方面的高度重視。

3 防止過電壓燒損線索的措施

通過以上分析，為防止電分相處過電壓引起拉弧燒損線索，需從以下幾個方面采取措施：

（1）在機車沒有安裝自動過電分相裝置前，加強對機車司乘人員的管理，防止出現(xiàn)帶電闖電分相的現(xiàn)象。同時，機車過電分相時應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，在手柄回“0位”，斷輔助機組后，必須斷開機車主斷路器。建議將機車主斷路器斷、合操作接入機車運行記錄，便于故障分析，或者在關(guān)節(jié)式電分相電化區(qū)段運行機車上全部安裝自動過分相裝置。

（2）優(yōu)化氧化鋅避雷器的安裝位置，利用氧化鋅避雷器的吸收性能，抑制過電壓。通過在中性線上接入氧化鋅避雷器，改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果保護(hù)電路的電容取值較大，則電路的振蕩頻率將會下降，同時由于加入了電阻，電路將由欠阻尼狀態(tài)變?yōu)榕R界阻尼或者過阻尼狀態(tài)，電路的過電壓將會變小或者為0。

（3）改進(jìn)電分相結(jié)構(gòu)，增強抗拉弧能力。通過局部改變電分相處接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，抑制拉弧的產(chǎn)生或者增強承力索抗電弧燒損的能力。鑒于電分相處拉弧主要集中在第2、第3起弧區(qū)的實際，第1方案可以考慮提高該區(qū)域的絕緣強度，從而避免絕緣擊穿產(chǎn)生拉弧。在保證 2支線索間距不小于500 mm的情況下，可以在上述區(qū)域2支接觸線高度差50～300 mm內(nèi)工作支及非工作支的承力索上加裝絕緣護(hù)套，同時調(diào)整該區(qū)域內(nèi)吊弦，采取非對稱布置方式，避免該區(qū)域絕緣擊穿產(chǎn)生電弧燒損線索。該措施由于增強了上述區(qū)域絕緣強度，能夠有效抑制拉弧的產(chǎn)生，但存在絕緣護(hù)套內(nèi)承力索線條無法直觀檢查的缺陷。第2方案，通過增強該區(qū)域線索的強度，從而緩解線索斷股影響安全的緊迫性。在上述區(qū)域2支接觸線高度差50～300 mm內(nèi)工作支及非工作支的承力索上加裝預(yù)絞絲保護(hù)條，并接一段等長的導(dǎo)弧承力索，兩端各用承力索中心錨節(jié)線夾連接，導(dǎo)弧承力索與工作支（非工作支）承力索間每相距200 mm處用單股承力索線條綁扎3～5圈，同時保證 2支工作支線索在并接導(dǎo)弧承力索后任何情況下間距不小于500 mm。該措施比較直觀，易于日常巡檢發(fā)現(xiàn)缺陷，但引起上述區(qū)域線索燒損的根本原因仍然存在，有一定的局限性。

4 結(jié)束語

襄樊供電段于2010年4月開始對接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式電分相進(jìn)行綜合改造，在改進(jìn)電分相結(jié)構(gòu)處采取了上述2種方案對比運行。一年來，通過觀察記錄加裝絕緣護(hù)套與并接承力索2種方案的運行情況，發(fā)現(xiàn)加裝絕緣護(hù)套方案能夠有效抑制過電壓擊穿絕緣產(chǎn)生拉弧，且電分相處供電臂發(fā)生不明原因跳閘的次數(shù)也明顯減少，鑒于此，對關(guān)節(jié)式電分相改造推薦采用該方案。防止關(guān)節(jié)式電分相過電壓引起的線索燒損和變電所跳閘，涉及到電力機車、接觸網(wǎng)、牽引變電所3個專業(yè)結(jié)合部，只有采取多種措施綜合治理，才能有效防范關(guān)節(jié)式電分相過電壓引起的故障，提高關(guān)節(jié)式電分相的安全運行性能。

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