機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損故障改進(jìn)

彭劍波

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機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損故障改進(jìn)

彭劍波

隨著近年來(lái)我國(guó)電力機(jī)車在鐵路上的廣泛應(yīng)用，貨運(yùn)量的增長(zhǎng)對(duì)承擔(dān)牽引任務(wù)的SS4G機(jī)車運(yùn)行的質(zhì)量、速度、穩(wěn)定性及可靠性提出了更高的要求。SS4G機(jī)車在安全情況下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行顯得尤為重要。而由于交流機(jī)車對(duì)電網(wǎng)大量的諧波反饋，致使線上運(yùn)行的SS4G機(jī)車因過(guò)壓吸收電路嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行而造成SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻經(jīng)常出現(xiàn)燒損故障，對(duì)鐵路交流機(jī)車存在著嚴(yán)重的火災(zāi)隱患。本文以神朔鐵路貨運(yùn)隧道為研究環(huán)境，以2012年在神朔鐵路部分隧道內(nèi)實(shí)際發(fā)生的SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損故障為研究對(duì)象，結(jié)合對(duì)故障原因的分析，對(duì)其故障整改對(duì)策措施進(jìn)行探討。

在神朔鐵路貨運(yùn)量不斷增加的貨運(yùn)形勢(shì)下，對(duì)SS4G交流機(jī)車的運(yùn)行效率要求相應(yīng)提高。同時(shí)，神朔鐵路本身線路環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性使得經(jīng)過(guò)的SS4G機(jī)車內(nèi)部電器器件受到不同程度的影響，其中，尤其是神朔鐵路中最長(zhǎng)的位于黃羊城至新城川區(qū)段的蛇口峁隧道，列車經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)吸附隧道內(nèi)的煤塵，這些煤塵對(duì)機(jī)車內(nèi)部的電器部件的散熱效果產(chǎn)生影響，而SS4G機(jī)車作為組合列車的中間部分，其帶動(dòng)運(yùn)行速率和沖擊較大，很容易產(chǎn)生機(jī)車開關(guān)柜的斷路、短路和電阻燒損故障。

SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻的功能

SS4G機(jī)車的主斷路器在4QF打開或者與主變壓器的空載電流接通的情況下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電壓，而此時(shí)牽引繞組上的RC和網(wǎng)側(cè)避雷器5F將對(duì)過(guò)量電壓起到限制的作用。在SS4G機(jī)車內(nèi)，一共有73R、74R、83R、84R這4個(gè)主變壓器牽引繞組，采用RXG800A，6.2Ω，800W的兩根并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓的吸收，且這兩根電阻安裝于SS4G機(jī)車的開關(guān)柜后方。開關(guān)柜后的吸收電阻與吸收電容串聯(lián)組成一個(gè)保護(hù)電路，即RC吸收電路，它分別由71C/73R，72C/74R，81C/83R以及82C/84R組成。其中部分的牽引繞組電路圖如圖1所示。整個(gè)牽引繞組是利用電容兩端電壓不可突變、電容能吸收能量及電阻能消耗能量的原理來(lái)操作的，4個(gè)牽引繞組在主變壓器中并聯(lián)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)限制機(jī)車運(yùn)行中過(guò)量電壓的吸收。

SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損的故障原因分析

開關(guān)電阻結(jié)構(gòu)上的原因

PFC開關(guān)柜在SS4G機(jī)車內(nèi)是處于一個(gè)很狹小的空間位置，在這較小的空間內(nèi)裝配有負(fù)責(zé)吸收過(guò)量電壓的負(fù)載電阻、功補(bǔ)電阻、壓敏電阻、電阻電容、電流互感器、同步變壓器及電壓傳感器等導(dǎo)線和電氣部件。SS4G機(jī)車在神朔鐵路較復(fù)雜的貨運(yùn)隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，吸收過(guò)量電壓的電阻會(huì)產(chǎn)生持續(xù)發(fā)熱現(xiàn)象，過(guò)分發(fā)熱將使固定膠木板被燒焦，發(fā)生碳化，絕緣值也大大降低。同時(shí)，在溫度長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高的情況下，電源線會(huì)產(chǎn)生老化、短路甚至被高溫?zé)龜嗟默F(xiàn)象。位于電阻下方的是同步變壓器，電阻燒壞后熔化的金屬液體將對(duì)同步變壓器造成接地及短路故障，嚴(yán)重情況下，將使同步變壓器的外殼著火，引燃布線及配件。

電阻超負(fù)荷運(yùn)行的原因

根據(jù)近年來(lái)SS4G機(jī)車的運(yùn)行故障對(duì)比分析來(lái)看，SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損的故障數(shù)量呈明顯的上漲趨勢(shì)。在專業(yè)人員的初步分析中，其中一個(gè)重要的故障原因很有可能是與直流機(jī)車在同一個(gè)電動(dòng)臂下運(yùn)行有關(guān)。同一個(gè)電動(dòng)臂下，筆者通過(guò)在高壓電壓互感器邊引接示波器的方法對(duì)網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量。其中，在神朔鐵路中測(cè)得的網(wǎng)壓峰值最高為291，平穩(wěn)值為180；次日在神朔鐵路東一場(chǎng)測(cè)得的網(wǎng)壓波動(dòng)達(dá)到260。通過(guò)對(duì)這些測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在交流機(jī)車這些給諧波反饋給接觸網(wǎng)后，進(jìn)入直流機(jī)車的諧波致使SS4G機(jī)車開關(guān)柜阻容將回路吸收，導(dǎo)致電阻在超負(fù)荷的情況下工作，這是引起機(jī)車嚴(yán)重過(guò)熱，開關(guān)柜電阻燒損的一個(gè)重要原因。

制動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻時(shí)間不足

在SS4G機(jī)車中，其電阻制動(dòng)屬于加饋電阻制動(dòng)，其運(yùn)作原理是準(zhǔn)恒速限流控制，電阻制動(dòng)是通過(guò)4個(gè)軸流式的風(fēng)機(jī)采用，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)制動(dòng)電阻柜的冷卻工作。在列車行駛中，電阻發(fā)揮制動(dòng)作用時(shí)，本節(jié)制一、制二及后節(jié)制一、制二在乘務(wù)員的開啟狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)軸流通風(fēng)，但在實(shí)際操作中，部分乘務(wù)員在完成電阻制動(dòng)后就立即停止投入制動(dòng)風(fēng)機(jī)。在這樣的情況下，溫度較高的制動(dòng)電阻帶就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低、線路震動(dòng)加大的現(xiàn)象，這樣很容易致使電阻帶焊接部分?jǐn)嗔?，最后造成制?dòng)電阻柜燒損。

電空聯(lián)合制動(dòng)過(guò)于頻繁

圖1　SS4G機(jī)車部分牽引繞組電路圖

隨著神朔鐵路上貨物運(yùn)輸量的增加，投入使用的SS4G機(jī)車的運(yùn)作效率會(huì)越來(lái)越高，牽引的貨物重量通常情況下為5600t左右，隨著SS4G機(jī)車萬(wàn)噸工程的改造完成，由5600t的牽引噸位上升至11600t。尤其是在線路較長(zhǎng)的蛇口峁隧道，機(jī)車牽引噸位大，行駛的坡度長(zhǎng)，對(duì)電阻聯(lián)合制動(dòng)使用較為頻繁，隨著電阻制動(dòng)力的提高，會(huì)對(duì)制動(dòng)電阻柜內(nèi)的電阻帶造成一定程度損害，諸如會(huì)降低制動(dòng)電阻帶的強(qiáng)度，使固定電阻帶的小瓷瓶破裂，小瓷瓶穿軸會(huì)發(fā)生燒紅、彎曲、變軟現(xiàn)象，久而久之將致使電阻帶框架整體出現(xiàn)變形，造成電阻短路的后果。

SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損故障的整改對(duì)策

改進(jìn)吸收電路的性能

由于SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻結(jié)構(gòu)的原因致使的電阻燒損故障，需要及時(shí)對(duì)吸收電路的性能進(jìn)行改進(jìn)。一般情況下，SS4型號(hào)機(jī)車的電阻容對(duì)電路吸收的電容器容量選擇為6μF，而SS4G機(jī)車通常選擇的電容器容量為18μF。根據(jù)有關(guān)計(jì)算方法得出適宜的電容取值C應(yīng)該在5.8μF以上，當(dāng)電容量較大時(shí)，它的充電放電能力就會(huì)變大，從而電阻功耗也會(huì)變大，這不僅有利于保護(hù)SS4G機(jī)車的阻容裝置，在電容器在6μF的取值情況下，還能有效降低電阻的損耗，降低電阻的溫度，避免再出現(xiàn)電阻過(guò)熱、燒損的現(xiàn)象。此外，如果現(xiàn)則12μF的電容器也會(huì)大大降低電阻器件上的過(guò)量電壓和電壓上升率，但這種情形下對(duì)于電阻的功耗要求較高，將是在6μF電容器功耗的一倍。從前面的計(jì)算可得出電阻R的取值，即5.47Ω以上，由t=RC的時(shí)間常數(shù)運(yùn)算關(guān)系可得出電阻值越大，抑制震蕩的效果也會(huì)越明顯的結(jié)論。綜上計(jì)算分析得出，選取6μF、1.7kV的電容器，將24Ω與1200W的兩根電阻并聯(lián)的方式可以在一定程度上改進(jìn)呢吸收電路的性能。

改善電阻散熱的環(huán)境

為了改善電阻超負(fù)荷的運(yùn)行環(huán)境，采取將SS4G機(jī)車開關(guān)柜內(nèi)的主變壓器過(guò)量電壓吸收電阻全部轉(zhuǎn)移到開關(guān)柜以外的做法，同時(shí)采用在四角鋼制作的骨架之下安裝接盤的方法防止金屬電阻熔化后降落到主變殼上，避免電阻燒壞。此外，在骨架周圍安裝好有隔熱功能的云母板，可以有效防止高溫情況下金屬電阻柜體側(cè)面的導(dǎo)線被燒損。電阻絕緣支撐的使用也可以降低電阻溫度，電器支架、導(dǎo)線連接板及電阻并聯(lián)板都是采用的銅質(zhì)材料，電阻絕緣支撐是由1000℃的95高頻瓷柱構(gòu)成，連接導(dǎo)線與電阻連接的連接板也一并安裝有散熱器，可以明顯降低連接板上的溫度，從何解決電阻工作中因電阻連接導(dǎo)線高溫致使的虛接打火問(wèn)題。

制動(dòng)風(fēng)機(jī)回路的改造

在SS4G機(jī)車處于電阻制動(dòng)的情況下，經(jīng)位置轉(zhuǎn)換開關(guān)會(huì)轉(zhuǎn)移到制動(dòng)位置，主級(jí)繞組與牽引電動(dòng)機(jī)的電樞發(fā)生脫離，制動(dòng)電阻串聯(lián)后，兩臺(tái)同一轉(zhuǎn)向架的電動(dòng)機(jī)電樞進(jìn)行支路并聯(lián)，和主整流器串聯(lián)構(gòu)成回路。在使用電阻制動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)制動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻，制動(dòng)結(jié)束后，采取一段時(shí)間內(nèi)不關(guān)斷制動(dòng)風(fēng)機(jī)電源的方法，可以讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶去電阻帶的余熱，避免制動(dòng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下電阻溫度過(guò)高的現(xiàn)象，也保護(hù)小瓷瓶及其穿軸免受高溫?fù)p壞。為了達(dá)到制動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻作用，筆者建議將一個(gè)制動(dòng)風(fēng)機(jī)延時(shí)繼電器（700KT）加入制動(dòng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和斷開的控制電路中，在電路中將繼電器700KT安置在并聯(lián)一組常開接點(diǎn)處，當(dāng)繼電器700KT的主司機(jī)控制器換向手柄處于“制動(dòng)”位置時(shí)，此時(shí)供電電源中的402、403、405處于有電狀態(tài)，其中的405導(dǎo)線制動(dòng)位需要提供電線。當(dāng)操作人員依次按下“制動(dòng)風(fēng)機(jī)”的按鍵時(shí)，導(dǎo)線連接使制動(dòng)風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2的電源接觸器依次帶電，此時(shí)本節(jié)制一風(fēng)機(jī)（5MA）、二風(fēng)機(jī)（6MA）依次啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電阻制動(dòng)。最后，當(dāng)操作員將主司機(jī)控制器的換向手柄在“制動(dòng)”位置上轉(zhuǎn)移后，700KT失去電源產(chǎn)生40s以上的釋放，這可以使制動(dòng)風(fēng)機(jī)接觸器保持繼續(xù)得電一段時(shí)間，最終使冷卻的風(fēng)機(jī)有效吹去電阻帶中的余熱。除了對(duì)制動(dòng)風(fēng)機(jī)的改造，電阻改造方案中，還可采取安裝風(fēng)扇的方法，加入了熔斷器保險(xiǎn)保護(hù)增大的電阻，熔斷器保險(xiǎn)將在電阻燒損之前發(fā)生跳動(dòng)，防止電阻進(jìn)一步的燒損。

電空聯(lián)合制動(dòng)注意事項(xiàng)

為了改善電空聯(lián)合制動(dòng)頻繁，減少電制動(dòng)力提高對(duì)機(jī)車開關(guān)柜電器部件造成損害，特別提出了SS4G機(jī)車電空聯(lián)合制動(dòng)操作的相關(guān)注意事項(xiàng)：一是在進(jìn)行機(jī)車電阻制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，要將機(jī)車制動(dòng)力缸壓力控制在100～150Kpa之間；二是在電阻運(yùn)行中要注意不能通過(guò)使用電阻制動(dòng)來(lái)停車；三是在機(jī)車行駛速度未達(dá)到預(yù)控速度之前，要將調(diào)速手柄移至“制動(dòng)”位置，在出現(xiàn)初制動(dòng)電流后要稍作停頓，接著將手柄位置移至10km/h刻度上，最后再緩慢將手柄移至預(yù)控速度刻度上。同時(shí)注意制動(dòng)的電流不宜過(guò)高，要在電流穩(wěn)定的前提下進(jìn)行更低速度的手柄操作，保持列車平穩(wěn)降速；四是在退電阻操作中，采取先退一半的做法，禁止直接退零；五是在停止電阻制動(dòng)后，禁止立即關(guān)閉制動(dòng)風(fēng)機(jī)，需要保持足夠的通風(fēng)冷卻時(shí)間通常情況下應(yīng)保持在2min以上；六是在面臨列車進(jìn)入彎道、道岔等容易發(fā)生空轉(zhuǎn)的情況下，使用電阻制動(dòng)時(shí)要防止滑行，采取必要的制動(dòng)電流降低措施以此配合空氣制動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著貨運(yùn)任務(wù)的加重，SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻因?yàn)殡娮杞Y(jié)構(gòu)、電阻過(guò)熱等原因會(huì)產(chǎn)生燒損的故障，需要采取電阻電路改造、制動(dòng)風(fēng)機(jī)的改良及保障充足的制動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻時(shí)間等措施手段對(duì)SS4G機(jī)車開關(guān)柜電阻燒損故障進(jìn)行整改，減少因開關(guān)柜電阻柜燒損引起的安全事故，提高SS4G機(jī)車的運(yùn)行效率，保證機(jī)車的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

彭劍波

中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司鐵路電力運(yùn)輸分公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.041