淺析過電壓對電力機車高壓電氣設(shè)備的影響

南車青島四方機車車輛股份有限公司 赫 鵬 黃召明 邱艷春 王中明 李文夏

1.概述

近年來，我國鐵路建設(shè)工作得到了長足的進步，鐵路運輸能力不斷提升，逐漸成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要助力，尤其是以高速動車組、重載電力機車等電力牽引裝備與人們生活緊密度的加強更使得人們對鐵路運營能力的提高予以了更加迫切的需要。因此，如何為人們提供高效、安全、快捷的鐵路電力牽引運輸設(shè)備則成為相關(guān)工作者的工作目標和重要課題。

以運行在戶外單相交流25kV制式供電的電力機車為例，由于機車長期處于戶外并受到多種惡劣環(huán)境的影響，車頂?shù)母邏弘姎庠O(shè)備會受到一定程度的侵蝕，同時各種類型的過電壓也對設(shè)備造成了沖擊。據(jù)有關(guān)部分的調(diào)查報告顯示，電力機車在冰雪濃霧和重度污染的環(huán)境中行使的事故率較高，其中絕大多數(shù)是車頂電氣設(shè)備的擊穿閃絡(luò)事故，這也使得電力機車的運行受到了極大的影響。該事故的成因由內(nèi)因和外因兩個部分組成。其外因是惡劣的環(huán)境，內(nèi)因則是各種類型的過電壓。電力機車高壓的絕緣設(shè)計不但設(shè)計到電力機車的高壓電氣設(shè)備，同時也涉及到供電接觸網(wǎng)和地面變電站等，要在電力機車的網(wǎng)側(cè)電路設(shè)計中講上述組成部分看做整體，才能保證電力機車的安全行駛。然而在我國，供電系統(tǒng)和車載系統(tǒng)是分屬不同系統(tǒng)的，其設(shè)計標準不同，使得絕緣匹配失衡等問題時有發(fā)生，這就要求在設(shè)計過程中對電力機車高壓電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計進行結(jié)合綜合環(huán)境的考慮，使其事故率降到最低。

2.電力機車過電壓的分類

電力機車運行在單相交流額定25kV接觸網(wǎng)下，根據(jù)GB1402—1998標準規(guī)定，鐵路電力牽引系統(tǒng)標稱電壓為25kV的軌道牽引裝置包括電力機車、動車組或城際鐵路電力機車等，最高允許電壓為27.5kV（有效值），最低允許電壓為19kV（有效值），在此電壓波動范圍內(nèi)電力機車可以正常運行，然而由于我國電氣化供電區(qū)段負載不同，電網(wǎng)能夠支撐同一時間內(nèi)多車流的能力較差。

電力機車運行中的過電壓主要分為以下幾個類型。

2.1 過分相產(chǎn)生的過電壓

由于機車在進入過分相無電區(qū)時，在電弓、車頂高壓引線的對地電容、中性嵌入線以及高壓電壓互感器的共同作用下，其形成的諧振回路與過分相無電區(qū)的感應(yīng)電壓形成高階振蕩電路，產(chǎn)生振蕩過電壓。這與主斷路器的開關(guān)無關(guān)，而是由機車的電氣設(shè)備與關(guān)節(jié)式分相器共同形成這一現(xiàn)象。由于不同機車在不同線路區(qū)行駛會導致電壓幅值變化，甚至超過電壓幅值的最高點，因而頻繁的過電壓會對高壓電氣設(shè)備造成巨大的損害。

2.2 弓網(wǎng)關(guān)系產(chǎn)生的過電壓

在電力機車的運動過程中，受電弓和接觸網(wǎng)導線的動態(tài)接觸為其提供了電能，兩者的懸掛系統(tǒng)具有彈性，其接頭線夾、定位線夾等硬點的動態(tài)接觸或線路條件不好都可能導致受電弓頻繁離線，進而使機車上電壓互感器繞組、變壓器原邊繞組等產(chǎn)生高階諧振過高壓，同時在機車過電壓和變壓器的飽和作用下行程鐵磁振蕩，使受電弓滑板和接觸網(wǎng)線拉弧燒損，也容易出現(xiàn)高壓電壓互感器燒毀現(xiàn)象。

2.3 操作過電壓

操作過電壓分為機車內(nèi)部和外部兩種，機車內(nèi)部操作過電壓的產(chǎn)生原因是由于牽引供電系統(tǒng)的重合閘導致的，其最高幅值與機車原邊電路參數(shù)是具有關(guān)聯(lián)性的。機車外部的操作過電壓是相鄰電力機車的過電壓導致的。操作過電壓會對真空斷路器和牽引變壓器繞組的絕緣造成十分巨大的危害。

2.4 大氣過電壓

大氣過電壓主要分為雷直擊過電壓和感應(yīng)過電壓。雷直擊過電壓的產(chǎn)生原因是雷擊放電直接作用于接觸網(wǎng)，具有較短的波長；感應(yīng)過電壓是雷擊接觸網(wǎng)附近產(chǎn)生的過電壓，具有較長的波長。

電力機車在多種過電壓的同時作用下，會使過電壓環(huán)境較為惡劣。通常情況下，電力機車的高壓電氣設(shè)備分為保護性和功能性兩種，主要是避雷器和支持絕緣子、受電弓、主斷路器、高壓隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、高壓電纜和牽引變壓器等，其絕緣強度分別取決于對地絕緣性和外絕緣性要求。

3.電力機車的絕緣配合

絕緣配合是為了解決過電壓與絕緣之間的矛盾，保證電力機車的安全、高效運行，目前在閥式避雷器的保護下，乘以相應(yīng)配合系數(shù)便能得知被保護設(shè)備的絕緣水平。

絕緣水平由絕緣子和外絕緣材料決定。目前我國大部分電力機車的絕緣子或絕緣外套都采用硅橡膠復合材料，其參數(shù)符合圖1所示。

圖1 避雷器的伏安特性曲線

圖2 基于避雷器保護的絕緣配合

高壓電氣設(shè)備的絕緣水平是通過伏秒特性曲線來直觀反映的。在擊穿實驗，可以得出電力機車高壓電氣設(shè)備的伏秒特性曲線，如圖2所示，避雷器的伏秒特性曲線低于高壓設(shè)備的絕緣水平則能對其起到保護作用，對高電壓進行抑制。

在避雷器保護下，電力機車的絕緣配合需要考慮的是對避雷器參數(shù)進行合理的選擇，然而在電力機車的實際運行中存在氣候環(huán)境和過電壓產(chǎn)生的諸多不確定性，存在沖擊波電壓作用下絕緣水平無法得到保證的情況，使被保護設(shè)備存在閃絡(luò)擊穿的危險。

4.措施和建議

在對國內(nèi)外電力機車絕緣配合的研究中不難發(fā)現(xiàn)，采用兩級避雷器保護在實際工作中具有良好的效果。如圖3所示，如果過電壓沖擊波I級避雷器作用動作后，II級避雷器對I級避雷器起到抑制作用。

但是從最佳絕緣配合來看，應(yīng)該解決一下幾個問題：

(1)應(yīng)將供電系統(tǒng)與車載系統(tǒng)進行綜合考量，使絕緣水平達到最高。

(2)應(yīng)綜合考慮電力機車多種絕緣設(shè)備的參數(shù)。

(3)要對電力機車網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)進行試驗測試，為其理論計算提供依據(jù)。

5.結(jié)束語

通過對電力機車過電壓產(chǎn)生的原因進行分析不難看出，只有綜合考慮電力機車的運行環(huán)境以及各設(shè)備的絕緣參數(shù)，對電力機車進行最佳的絕緣配合，才能保證電力機車的安全、高效運行。

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