鐵路10kv電力系統(tǒng)故障與防范分析對(duì)策

張向群

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段,山西太原 030013)

鐵路10kv電力系統(tǒng)故障與防范分析對(duì)策

張向群

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段,山西太原 030013)

我國(guó)的鐵路系統(tǒng)運(yùn)行中1Okv電力系統(tǒng)起著重要作用,1Okv電力系統(tǒng)被廣泛使用于鐵路行車信號(hào)、客貨票系統(tǒng)、紅外線探測(cè)、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、無(wú)線列調(diào)、車站站場(chǎng)及隧道照明、機(jī)車車輛運(yùn)用檢修、通信設(shè)備、調(diào)度管理系統(tǒng)等多種用途,而不同大小和類型的變壓器在鐵路供電系統(tǒng)中使用數(shù)量較多,一旦變壓器發(fā)生故障。不僅停電影響范圍大、時(shí)間長(zhǎng)、而且會(huì)嚴(yán)重干擾鐵路運(yùn)輸?shù)恼Ｖ刃颉?zhǔn)確分析電力系統(tǒng)的故障區(qū)域,及時(shí)解決問(wèn)題是保證1Okv電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段。如何去對(duì)鐵路自閉貫通線路進(jìn)行快速的故障判斷,是當(dāng)前我們面臨的問(wèn)題,本文將簡(jiǎn)述鐵路自閉貫通線路的特點(diǎn),對(duì)于鐵路自閉貫通線路的常見(jiàn)故障以及故障原因進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的防范措施,希望對(duì)我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)有所裨益。

電力系統(tǒng) 鐵路線路 常見(jiàn)故障 原因分析

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展讓我國(guó)的鐵路線路向著全國(guó)延伸，而鐵路的延伸也意味著10KV電力系統(tǒng)的建設(shè)。由于其特殊的功能，10kv電力線路可以說(shuō)遍布全國(guó)，線路極長(zhǎng)，再者我國(guó)大多數(shù)的10kv的鐵路電力線路都處在戶外的條件下，受外部條件的影響，鐵路電力線路容易出現(xiàn)故障，而鐵路電力系統(tǒng)線路一旦出現(xiàn)故障，會(huì)影響旅客的出行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此針對(duì)不同的鐵路輸電線路的故障快速判斷故障發(fā)生的原因和地點(diǎn)就成為了現(xiàn)在要解決的當(dāng)務(wù)之急。

1　電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概述

電力系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括電力設(shè)備、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測(cè)量和計(jì)量?jī)x表以及通訊和控制設(shè)備組成。在我國(guó)因電壓的不同而將電力系統(tǒng)網(wǎng)分為不同的種類，110kv和35kv的稱為為高壓電力系統(tǒng)網(wǎng)，10kv的則為中壓電力系統(tǒng)網(wǎng)，0.4kv為低壓電力系統(tǒng)網(wǎng)。所謂的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要功能是把發(fā)電廠發(fā)出的電經(jīng)過(guò)降壓之后運(yùn)輸給用戶使用。

而隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，鐵路配套的網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越復(fù)雜，用戶對(duì)于供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高，僅僅憑借人力來(lái)監(jiān)控整個(gè)鐵路線路的運(yùn)行已經(jīng)變得不再現(xiàn)實(shí)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化的概念應(yīng)運(yùn)而生。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，現(xiàn)在所使用的計(jì)費(fèi)自動(dòng)化以及通斷電的管理均屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)化的范疇，電力系統(tǒng)自動(dòng)化還包括對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，能夠隨時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)于異常情況可以及時(shí)進(jìn)行反饋。鐵路系統(tǒng)涉及的范圍極大，一旦發(fā)生供電故障，勢(shì)必影響大量旅客的出行，采用電力系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行定位，甚至能夠及時(shí)的故障進(jìn)行自我修復(fù)，顯著提高鐵路線路的供電質(zhì)量和供電可靠性。

2　10kv自閉貫通電網(wǎng)的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

2.11Okv自閉貫通電網(wǎng)概述

自閉貫通電網(wǎng)就是專門為鐵路自動(dòng)閉塞信號(hào)裝置、駝峰信號(hào)等I級(jí)負(fù)荷提供電源。10kV自閉貫通線路是指對(duì)自動(dòng)閉塞區(qū)段信號(hào)設(shè)備供電的專用電力線路。鐵路系統(tǒng)所使用的10kv自閉貫通電網(wǎng)的供電距離一般條件下為四十至六十千米，因此，當(dāng)10kV自閉貫通線路或向該線路供電的配電所一旦發(fā)生故障時(shí)，影響的范圍將會(huì)非常的巨大，而且故障也難以排查，因而肯定會(huì)嚴(yán)重影響鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)輸計(jì)劃，造成難以估計(jì)的巨大經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)目前也無(wú)法對(duì)電力系統(tǒng)線路的故障進(jìn)行及時(shí)的定位，對(duì)于鐵路電力系統(tǒng)線路故障檢測(cè)缺乏有效的方法，目前采用最多的方式是監(jiān)測(cè)10kv母線零序電壓是否超過(guò)了整定值，以此來(lái)判斷整個(gè)線路中是否出現(xiàn)了故障，但是對(duì)于故障發(fā)生的具體地點(diǎn)則難以監(jiān)測(cè)，只能夠提醒相關(guān)工作人員出現(xiàn)了障礙。

2.2鐵路1Okv自閉貫通電網(wǎng)的特點(diǎn)

鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)與日常所用的生活電力系統(tǒng)線路有所不同，為了保證鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)輸，鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)更加可靠，經(jīng)濟(jì)上也更加合理，相較于日常生活用電的電力系統(tǒng)線路，鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)具有以下特點(diǎn):(1)供電線路較長(zhǎng)。鐵路線路遍布全國(guó)，而很多鐵路輸電線路都存在于崇山峻嶺之中，日常生活用電的電力系統(tǒng)線路供電臂一般是四十到六十千米，但是很多鐵路輸電線路的供電臂已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)七十至八十千米，這就無(wú)形之中為故障的定位增加了困難。(2)供電點(diǎn)少，供電負(fù)荷小。鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)僅供鐵路使用，也就是只有停靠的站點(diǎn)才有接入點(diǎn)，因而電網(wǎng)的相較于生活用電的電力系統(tǒng)線路，鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)接入的用戶較少，供電線路的負(fù)荷很小。(3)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，維護(hù)上有難度。無(wú)論是地上輸電線路和地下輸電線路，多線路都是存在于荒郊野外，不僅對(duì)相關(guān)工作人員的日常維護(hù)造成的困難，其本身也容易受到復(fù)雜自然環(huán)境的損壞，受到氣候、地質(zhì)的影響較大。(4)電壓等級(jí)低，配電所結(jié)構(gòu)單一。由于鐵路線路屬于唯一的用電終端，因而鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)不需要進(jìn)行二次變電即可直接使用。由于鐵路對(duì)于功能的要求和應(yīng)用范圍基本一致，因而鐵路電力系統(tǒng)線路的電力系統(tǒng)所硬件配置上基本相同，功能也相似。(5)具有高度的可靠性。由于鐵路自閉貫通電網(wǎng)中使用的供電設(shè)備較少，更多的是輸電設(shè)備，其組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而具有更高的可靠性。(6)接線形式簡(jiǎn)單。鐵路10kv自閉貫通電網(wǎng)是一個(gè)單獨(dú)為鐵路服務(wù)的內(nèi)部電網(wǎng)，各電力系統(tǒng)所沿線基本均勻分布且互相連接，構(gòu)成手拉手供電方式。連接線有兩種:一是自閉線，為主運(yùn)行方式;二是貫通線，為備用方式。

3　10kv自閉貫通線路的線路故障分析

3.1自閉貫通電網(wǎng)相間短路故障分析

由相間短路而引起的自閉貫通電網(wǎng)的故障類型主要有三種:三相接地短路、三相相間短路、兩相接地短路、兩相相間短路。

兩相相間短路時(shí)電路主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)故障相間電壓降低，故障相有短路電流，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)零序電流和零序電壓。(2)故障區(qū)靠近電源測(cè)各分段都能夠監(jiān)測(cè)到短路電流，二，遠(yuǎn)離電源側(cè)則無(wú)法檢測(cè)到電流。

兩相接地時(shí)，無(wú)論故障出現(xiàn)在相同區(qū)間還是不同區(qū)間，電路均呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)故障區(qū)段靠近電源側(cè)的線路都能夠監(jiān)測(cè)到相同的短路電流，故障區(qū)遠(yuǎn)離電源側(cè)的線路無(wú)短路電流(2)整個(gè)輸電線路中有零序電壓和零序電流。

三相短路時(shí)電路呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)故障相電壓降低，且可以監(jiān)測(cè)到短路電流，整個(gè)系統(tǒng)中無(wú)零序電流和零序電壓。(2)故障區(qū)靠近電源側(cè)的線路能夠檢測(cè)到相同的短路電流，遠(yuǎn)離電源側(cè)的線路則檢測(cè)不到短路電流。

三相接地時(shí)電路呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)故障相電壓降低，故障相可以監(jiān)測(cè)到短路電流，但是整個(gè)系統(tǒng)中無(wú)零序電流和零序電壓(2)故障區(qū)靠近電源側(cè)的區(qū)域能夠監(jiān)測(cè)到短路電流，遠(yuǎn)離電源側(cè)的區(qū)域則監(jiān)測(cè)不到短路電流。

3.2自閉貫通線路單相接地故障分析

金屬性接地時(shí)整個(gè)線路呈現(xiàn)以下的特點(diǎn):(1)非故障線路零序電流的大小等于本線路的接地電容電流;故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。(2)非故障線路的零序電流超前零序電壓90°;故障線路的零序電流滯后零序電壓90°;故障線路的零序電流與非故障的零序電流相位差為180°。(3)接地故障處的電流大小等于所有線路(包括故障線路和非故障線路)的接地電容電流的總和，并且超前零序電壓90°。

非金屬性接地時(shí)整個(gè)電路呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)當(dāng)10KV自閉貫通線路發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相始端的零序電流超前零序電壓90°;故障相始端的零序電流滯后零序電壓90°;而接地電阻不影響零序電流與零序電壓之間的相位差，只影響幅值與初相角。(2)10KV自閉貫通線路發(fā)生單相單點(diǎn)接地時(shí)，故障區(qū)段前端的各分段處零序電流滯后零序電壓90°;故障區(qū)段后端的零序電流超前零序電壓90°。

4　10kv自閉貫通線路的硬件故障分析

變壓器是10kv自閉貫通線路常用的硬件設(shè)備，而由變壓器引起的線路故障也是常見(jiàn)的故障之一。常見(jiàn)變壓器故障主要有以下幾種:

4.1變壓器油溫不斷升高

一般來(lái)說(shuō)變壓器的溫度應(yīng)該維持在穩(wěn)定值，但是有時(shí)候變壓器的油溫會(huì)不斷升高，這就說(shuō)明變壓器內(nèi)部出現(xiàn)了問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)變壓器的油溫升高都是由于穿芯螺絲的絕緣被破壞，而鐵路供電線路中的電流本來(lái)就較大，較大的電流通過(guò)穿芯螺絲時(shí)，使得螺絲嚴(yán)重發(fā)熱，影響變壓器的正常工作。

4.2變壓器絕緣油變質(zhì)

一般來(lái)說(shuō)變壓器的內(nèi)部與外部隔離，因而變壓器內(nèi)部的絕緣油不會(huì)輕易變質(zhì)，但是各種嚴(yán)峻的氣候很可能讓變壓器絕緣油與空氣接觸，由于變壓器的溫度較高，使得絕緣油與空氣的反應(yīng)更加劇烈，生成的各種雜質(zhì)能夠腐蝕變壓器內(nèi)部的金屬材料以及絕緣材料，使得大電流經(jīng)過(guò)變壓器時(shí)變壓器的發(fā)熱現(xiàn)象更加嚴(yán)重，絕緣油與空氣的反應(yīng)也就越快，由此形成了一個(gè)惡性循環(huán)。

4.3絕緣套磁管閃絡(luò)或者爆炸

由于密封橡膠圈本身質(zhì)量的原因，或者是惡劣天氣的影響，水分進(jìn)入變壓器內(nèi)，使得絕緣受潮，引起擊穿放電，這樣就會(huì)導(dǎo)致套管爆炸事故，而套管碎片或者是套管本身存在裂紋都會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象。

5　鐵路10kv電力系統(tǒng)線路故障原因分析

一般來(lái)說(shuō)鐵路10kv電力系統(tǒng)線路出現(xiàn)故障都是由于硬件上的故障引起的，因此這里著重討論鐵路10kv電力系統(tǒng)變壓器故障分析。

(1)自然條件是引起電力系統(tǒng)線路故障的重要因素，而雷擊又是經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害之一，變壓器遭受雷擊的主要原因如下:變壓器配套的避雷裝置沒(méi)有起到作用，可能是避雷裝置質(zhì)量有問(wèn)題，或者長(zhǎng)期沒(méi)有維護(hù)而損壞;接地裝置達(dá)不到技術(shù)要求，接地導(dǎo)線的電阻過(guò)大，無(wú)法快速將電流傳遞到地上，有可能是長(zhǎng)期的風(fēng)吹日曬使接地裝置銹蝕嚴(yán)重，影響了其導(dǎo)電的性能。(2)絕緣老化。變壓器的使用年限過(guò)長(zhǎng)很可能導(dǎo)致變壓器的絕緣老化，而變壓器的絕緣老化，會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題，甚至還會(huì)增大雷擊的幾率。(3)過(guò)載。鐵路系統(tǒng)的工作量較大，因而鐵路10kv電力系統(tǒng)線路的變壓器很容易出現(xiàn)過(guò)載的現(xiàn)象，頻繁的過(guò)載導(dǎo)致變壓器溫度升高，溫度的反復(fù)變化能夠?qū)е陆^緣的過(guò)早老化，一旦變壓器絕緣老化到一定的程度，就可能發(fā)生故障。(4)受潮。電氣裝備最害怕的就是水，一旦變壓器進(jìn)水，有極大可能導(dǎo)致變壓器運(yùn)行的障礙，因此在野外的變壓器一定要做好良好的防護(hù)措施。(5)蓄意破壞。鐵路供電線路有很多故障都是供電設(shè)備被人蓄意破壞所導(dǎo)致的，這也與鐵路輸電線路供電臂過(guò)長(zhǎng)有關(guān)。而施工導(dǎo)致的鐵路供電線路受損的情況也時(shí)有發(fā)生。

6　鐵路電力系統(tǒng)線路故障預(yù)防措施

6.1變壓器的安裝以及運(yùn)行

變壓器安裝的時(shí)候應(yīng)該對(duì)安裝的環(huán)境進(jìn)行選擇，保持變壓器在良好的環(huán)境下運(yùn)行。對(duì)于配套的防雷擊設(shè)施和防盜設(shè)施要齊全，避免雷擊事故以及人為損壞導(dǎo)致鐵路輸電線路的故障。再者在變壓器運(yùn)行的時(shí)候首先要保證變壓器所承載的負(fù)荷在變壓器設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，這樣才能盡可能延長(zhǎng)變壓器的使用壽命。

6.2變壓器的維護(hù)保養(yǎng)

想要保證變壓器的正常運(yùn)行，應(yīng)該保證瓷套管和絕緣子的完整和清潔，保證各個(gè)接頭的穩(wěn)固，定期對(duì)變壓器的絕緣油、避雷設(shè)施、導(dǎo)電電阻進(jìn)行檢查，保證絕緣油的絕緣效果、避雷設(shè)施的有效性、接地線的導(dǎo)電性能。在油冷卻系統(tǒng)中。檢查散熱器有無(wú)滲漏、生銹、污垢淤積以及任何限制變壓器油自由流動(dòng)的機(jī)械損傷。

6.3常規(guī)線路的監(jiān)測(cè)

鐵路10kv電力系統(tǒng)線路雖然擁有眾多的保護(hù)措施，但是均需要耗費(fèi)大量的人力物力來(lái)維持，鐵路越長(zhǎng)需要耗費(fèi)用來(lái)管理的人力物力就越多，這是不劃算的。而如今電腦技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)，利用探頭來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)是很容易的事情，因此在輸電線路中設(shè)置多個(gè)探頭來(lái)檢測(cè)整個(gè)線路的進(jìn)行也并非是不可能做到的。通過(guò)探頭進(jìn)行整個(gè)鐵路線路的監(jiān)測(cè)，不僅能夠提高對(duì)于鐵路電力系統(tǒng)線路故障發(fā)生的效率，節(jié)約解決故障的時(shí)間，更重要的是能夠節(jié)約人力和物理，相關(guān)工作人員不必翻山越嶺去一段段檢查輸電線路是否存在障礙，保障了相關(guān)工作人員的生命安全。當(dāng)然，利用探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠幫助管理人員及時(shí)了解整個(gè)電力系統(tǒng)線路的運(yùn)行情況，如果有人蓄意破壞鐵路電力系統(tǒng)線路，可以迅速進(jìn)行修復(fù)，避免了重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，使得供電線路的穩(wěn)定性更強(qiáng)，能夠更好地為人民服務(wù)。

7　結(jié)語(yǔ)

10kv電力系統(tǒng)線路是我國(guó)鐵路的主要輸電線路，是構(gòu)成我國(guó)鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)極為重要的設(shè)備，一旦電力系統(tǒng)線路出現(xiàn)問(wèn)題，鐵路行車信號(hào)、客貨票系統(tǒng)、紅外線探測(cè)、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、無(wú)線列調(diào)、車站站場(chǎng)及隧道照明、機(jī)車車輛運(yùn)用檢修、通信設(shè)備、調(diào)度管理系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)障礙，甚至整個(gè)鐵路系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)癱瘓。本文對(duì)鐵路10kv電力系統(tǒng)線路的線路故障進(jìn)行了分析，相關(guān)工作者可以通過(guò)發(fā)生不同故障時(shí)電路所表現(xiàn)出的特點(diǎn)來(lái)確定故障發(fā)生的位置。再者針對(duì)變壓器的故障，可以裝變壓器的安裝、運(yùn)行以及日常的維護(hù)和保養(yǎng)入手，保證變壓器運(yùn)行的環(huán)境、運(yùn)行的狀態(tài)。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新的技術(shù)將會(huì)不斷被應(yīng)用到鐵路電力系統(tǒng)線路之中，屆時(shí)鐵路電力系統(tǒng)線路的運(yùn)行將會(huì)更為穩(wěn)定，為人們提供更大的便利。

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