南昆線潞城鄉(xiāng)區(qū)間串補裝置故障分析及對策

唐永海，譚益杰，唐培豐

（南寧鐵路安全監(jiān)管辦，1.工程師；2.助理工程師，廣西 南寧 530003）

南昆線牽引供電設(shè)計時為了降低建設(shè)造價，減少了牽引變電所的設(shè)置，使得南昆線供電能力先天不足，因此在擴能改造中部分區(qū)段增設(shè)了區(qū)間串補裝置，以解決供電臂末端網(wǎng)壓低問題，而鐵路牽引供電采用串補裝置存在很多的弊端，降低了供電的可靠性，在國內(nèi)外使用極少。

南昆線潞城鄉(xiāng)接觸網(wǎng)區(qū)間串補裝置投入運營以來，較好地解決了接觸網(wǎng)末端網(wǎng)壓偏低影響運輸能力的問題。但隨著南昆線運量增加，串補裝置故障頻繁發(fā)生，網(wǎng)壓大幅度波動影響運輸秩序的問題逐步暴露出來，特別是2012年10～11月，該區(qū)段就發(fā)生了變電所電流保護跳閘14次，主要原因是機車避雷器因高壓擊穿接地（共發(fā)生9 次）；其次是電力機車高壓保護放電間隙高電壓放電。此外，機車在此區(qū)段運行經(jīng)常發(fā)生因網(wǎng)壓低造成輔機燒損?？梢姶a裝置性能不良對運輸能力和安全有很大的影響。現(xiàn)從機車在串補末端取流運行中的網(wǎng)壓變化情況進行析并提出初步應(yīng)對措施。

1 在串補末端取流時網(wǎng)壓變化分析

1.1 機車與供電系統(tǒng)形成的等效電路 機車與接觸網(wǎng)形成的一個電路可以看成是一個串聯(lián)RL 電路（見圖1），圖1 中R、jx 為供電系統(tǒng)的等效電阻和電感，r、jx1為機車等效電阻和電感。可見電路負載呈感性（見圖2），圖2 中縱坐標(biāo)是感抗和容抗之和，而感抗和容抗是相互抵消的。從串補電容裝置投入情況下則為串聯(lián)RLC電路，多臺機車在串補電容裝置投入情況下運行，則可看成混聯(lián)RLC電路運行。機車內(nèi)的單相變壓器一次線圈一端同鋼軌相聯(lián)，另一端通過受電弓接在接觸網(wǎng)上。

圖1 未投入串補時

圖2 網(wǎng)絡(luò)阻抗向量圖

1.2 等效電路分析 設(shè)接觸網(wǎng)首端網(wǎng)壓為U，接觸網(wǎng)線路阻抗為Z＝R+jx，單臺機車阻抗為Z1＝r+jx1，多臺機車運行時負載等效阻抗Zn′=Z1‖Z2‖…，顯然多臺機車的并聯(lián)等效阻抗小于單臺機車阻抗，串補容抗為Zc=-j Xc=-j1/ωc。

則未投入串補時線路中總阻抗Z、電流I、機車兩端電壓U′1分別為

串補投入后線路中總阻抗Z′、電流ì′、機車兩端電壓U′1′（如圖3）。

圖3 投入串補時

顯然，由于電容的存在，使Z′＜Z（如圖2），ì′＞ì，因此U′1′＞U′1，這正是串補電容裝置能夠消減網(wǎng)絡(luò)感抗，在電源電壓不變的情況下提高回路電流，進而提高網(wǎng)壓的原理。當(dāng)串補末端有2 臺以上機車取流時，并聯(lián)負荷等效阻抗將進一步減小，由于串補-j Xc 的存在，線路總阻抗會變得更小，線路中電流進一步增大，加在機車兩端的網(wǎng)壓進一步提高。如果負荷端機車數(shù)量繼續(xù)增多，或者提高串補容量，可能會導(dǎo)致網(wǎng)路中感抗容抗幾乎完全抵消，即x+x1+…xn-1/ωc=0，出現(xiàn)串聯(lián)諧振的情況，此時回路中呈現(xiàn)純電阻狀態(tài)，巨大的電流對機車和整個牽引供電系統(tǒng)會帶來災(zāi)難性的破壞，因此對電容容量的選擇和末端允許牽引負荷的大小必須統(tǒng)籌考慮。

2 電路參數(shù)變化對相關(guān)設(shè)備的影響

2.1 對串補裝置的影響 串補電容器串接于接觸網(wǎng)提高網(wǎng)壓，加在串補兩端的電壓U′c=ì·Xc，電流增加電容電壓會隨之增大。為了避免電壓的升高損壞電容器，串補兩端并聯(lián)了放電間隙FJ和旁路開關(guān)K（見圖4），當(dāng)串補兩端電壓超過額定電壓2.5 倍時（整定值要求小于3 倍），放電間隙擊穿并啟動閉合旁路開關(guān)，放電間隙滅弧，這時相當(dāng)于串聯(lián)電容補償退出，路中的負荷電流降低到一定值時，旁路開關(guān)又返回恢復(fù)斷開狀態(tài)，重新投入串補裝置。負載變化較多時，放電間隙和旁路開關(guān)頻繁動作，容易導(dǎo)致開關(guān)燒損使裝置失效。特別是供電臂下機車在一定數(shù)量時刻，電路感抗與容抗相等，接觸網(wǎng)電路發(fā)生的諧振電流造成旁路開關(guān)嚴重?zé)龘p。串補裝置退出對運輸能力有很大影響，串補裝置過電壓保護失效，對機車設(shè)備造成損傷。

圖4 接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)串補裝置

2.2 對機車的影響

2.2.1 機車運行不正常 若串補裝置未投，當(dāng)末端機車運行數(shù)量多、機車取流較大時，并聯(lián)負載阻抗相對于線路阻抗將變小，機車網(wǎng)壓降低，將直接導(dǎo)致機車動力不足而發(fā)生運緩甚至不能啟動而坡停。因此串補裝置退出，供電段必須向局調(diào)度所報告，調(diào)度所必須減少列車在該區(qū)間的運行對數(shù)。

牽引網(wǎng)絡(luò)中還有一種補償容抗被旁路導(dǎo)致末端網(wǎng)壓突降的情況。當(dāng)串補末端有機車在運行時，剛好有另一臺機車經(jīng)過串補裝置所在的接觸網(wǎng)四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)3#中心柱處，其受電弓短接該處兩支接觸線，其效果也相當(dāng)于短時間退出串補裝置，致使在串補末端運行的機車感覺到網(wǎng)壓突然變低（如圖4），電容兩端電壓迫降為零。機車在接近四跨中心柱的過程中，由于兩錨段接觸線的高差越來越小，串補的電壓差將導(dǎo)致非支接觸線離受電弓距離過近而放電，接觸網(wǎng)出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，造成機車乘務(wù)員誤認為接觸網(wǎng)故障。

2.2.2 機車輔機燒損 在潞城鄉(xiāng)—巖龍區(qū)段機車輔機經(jīng)常燒損，機車輔機是三相的異步電機，其輸入電源電壓波動范圍在270～460 V，相當(dāng)于接觸網(wǎng)網(wǎng)壓19～29 kV〔1〕。如果網(wǎng)壓降低時，根據(jù)磁路歐姆定律Φ＝F/Rm（Φ是磁路中通過的磁通，F(xiàn) 是磁路上的磁動勢，Rm 是磁阻）和磁動勢F＝ΣN·Ⅰ（N 是線圈匝數(shù)，Ⅰ是線圈中通過的電流）可知，磁動勢降低，線圈中磁通減少，對于輔機定子繞組中的主磁通減少。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩T的表達式：T＝CzΦIzcosφ式中T為電磁轉(zhuǎn)矩，Cz 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為氣隙每極磁通量，Iz 為轉(zhuǎn)子繞組相電流，cosφ為轉(zhuǎn)子功率因素。牽引負荷較大時，線路電流增大，線路壓降較多，使輔機主磁通大為下降，在同樣的負載轉(zhuǎn)矩下，根據(jù)磁通勢平衡方程，定子電流也將大為增加，長期超過額定值就會導(dǎo)致輔機繞組過流嚴重，繞組的絕緣因為過熱而損壞〔2〕。因此可以說供電臂末端網(wǎng)壓低是造成機車輔機燒損的重要原因之一。

2.2.3 機車避雷器擊穿 機車避雷器擊穿后若乘務(wù)員處理不當(dāng)，容易造成接觸網(wǎng)燒斷對運輸影響嚴重。避雷器擊穿前提條件是必須有足夠高的電壓使避雷器擊穿放電，接觸網(wǎng)加入串補裝置后，末端網(wǎng)壓升高不超10 kV，不至于使避雷器擊穿放電。結(jié)合2012年10月份以來，潞城鄉(xiāng)均無雷擊過電壓天氣的情況分析，能使避雷器擊穿的只有內(nèi)部過電壓。而根據(jù)10月份以來只在該處頻繁出現(xiàn)避雷器燒損的情況分析，也可以排除人為操作導(dǎo)致內(nèi)部過電壓的可能性。從近期潞城串補末端發(fā)生機車避雷器爆炸時，均伴隨串補放電間隙持續(xù)放電燒損的情況以及該供電臂呈容性的特點分析，可初步判斷為放電間隙頻繁的電弧熄滅與重燃導(dǎo)致內(nèi)部過電壓，引起機車避雷器擊穿短路燒損、變電所跳閘。

下面利用高電壓技術(shù)行波理論分析電弧熄滅與重燃導(dǎo)致內(nèi)部過電壓過程：當(dāng)下行機車通過潞城分相后重新閉合主斷路器，假設(shè)此時刻正處于放電間隙電弧第一次過零熄弧、間隙兩端電壓為牽引變電所電源電壓下半周峰值（即U=-Umax）的時刻，即t=0時。此刻串補末端網(wǎng)壓為-Umax〔3〕。當(dāng)電壓波形到達半個周期（t=T/2）時，電源電壓變?yōu)?Umax，放電間隙電弧再次過零熄弧，因而作用在放電間隙兩端的電壓差將達到+2Umax，，此電壓幅值傳到串補末端，與原來末端的+Umax 疊加，造成+3Umax的對地電壓。此時旁路開關(guān)應(yīng)閉合，將電容短接消除電容過電壓，串補裝置退出。若此時串補旁路開關(guān)不能短接電容當(dāng)電壓波形到達一個周期（t=T）時，電源電壓又再一次變?yōu)?Umax，放電間隙電弧再一次過零熄弧，間隙兩端電壓增大為+4Umax。而過零后間隙電弧將再次重燃，線路的對地電壓由+3Umax 變?yōu)?Umax，相當(dāng)于一個-4Umax 的電壓波傳至串補末端，末端合成網(wǎng)壓將變?yōu)?5Umax（-Umax+（-4Umax）=-5Umax）。在一個電壓周期內(nèi)電壓絕對值達到原來的5 倍，下一個電壓周期開始還將繼續(xù)增大。顯然串補的旁路開關(guān)失靈或動作時間較長，不能及時短接放電間隙使之熄弧，快速增高的電壓必然要擊穿機車避雷器〔3〕。

3 應(yīng)對措施

一是減少串補裝置放電間隙在正常的網(wǎng)壓下放電，使串補裝置非正常退出。二是要保證串補電容電壓高保護正常，在高電壓下使串補裝置能及時的退出。具體措施有以下4種。

3.1 適當(dāng)提高串補放電間隙動作電壓 根據(jù)供電臂最大牽引負荷，計算電容承受的實際電壓，再根據(jù)串補電容的耐壓值適當(dāng)調(diào)大放電間隙距離，提高動作電壓以增大動作門檻，從而減少放電間隙和旁路開關(guān)動作次數(shù)以避免燒損的同時，也可保證機車正常取流時電壓穩(wěn)定。按照放電間隙動作電壓不高于串補電容額定電壓（5 kV）3 倍的要求，可把間隙啟動電壓整定為15 kV，比原整定值提高2.5 kV。

3.2 縮短串補裝置至供電臂末端的距離 縮短串補裝置至供電臂末端的距離以減少裝置末端列車數(shù)量。如潞城-巖龍間，目前最大負荷下可允許2 列車分別在巖龍站和潞城站內(nèi)啟動，一列在潞城-巖龍區(qū)間運行，另外一列從潞城站開出，這樣串補裝置末端共有4 臺機車取流，其并聯(lián)等效阻抗只有單臺機車阻抗的1/4，牽引回路中的感性阻抗進一步減小，在有串補容抗的共同作用下，整個牽引回路阻抗變得更小后產(chǎn)生電路諧振，這將導(dǎo)致線路電流過大而使串補裝置保護動作后串補電容退出，致使機車主變上電壓降低，造成坡?；驘龤C車輔機。若將目前串補裝置用引線轉(zhuǎn)接至潞城站西側(cè)，并在西側(cè)增設(shè)四跨錨段關(guān)節(jié)，則串補末端最多只有2 列車取流（即最大負荷下只有潞城至巖龍區(qū)間的1 臺機車加上巖龍站內(nèi)1 臺機車），則機車等效阻抗較大，牽引回路中電流將適當(dāng)變小而不使串補保護動作，極大增強了串補裝置運行的可靠性。

3.3 將串補裝置處四跨絕緣錨段改為七跨 將串四跨絕緣錨段改為七跨后可避免機車通過時造成接觸網(wǎng)拉弧。這是因為七跨錨段關(guān)節(jié)有一段無電的中性區(qū)，機車從一個錨段過渡到另一錨段時，要先通過中性區(qū)后才過渡，可有效避免通過四跨錨段關(guān)節(jié)中心柱處旁路串補裝置導(dǎo)致接觸網(wǎng)拉弧的現(xiàn)象。

3.4 確保串補裝置旁路開關(guān)動作準(zhǔn)確可靠 從前面分析可知，放電間隙處電弧的多次熄弧與重燃，將導(dǎo)致過電壓，只有旁路開關(guān)及時閉合才能永久熄弧。因此必須加強對旁路開關(guān)檢查校核，確保間隙電流超400 A時能及時閉合，通過電流低于200 A時能及時分開。

4 結(jié)束語

隨著南昆線運輸任務(wù)的進一步加重，圍繞擴能增運的更新改造項目增多，而新設(shè)備、新技術(shù)的運用又不可避免帶來一些新問題。本文通過對南昆線潞城鄉(xiāng)串補裝置提高網(wǎng)壓滿足運行的原理進行闡述，并分析指出了運行中存在的問題和應(yīng)對措施，為今后對串補裝置進行運行檢修管理提供了一定依據(jù)。

〔1〕劉友梅.韶山3型4000系列電力機車〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2006年12月出版

〔2〕李浚源，秦憶.電力拖動原理〔M〕.華中工學(xué)院出版社，武漢：1983年12月出版

〔3〕趙智大.高電壓技術(shù)〔M〕.中國電力出版社，北京：2006年8月出版