SS4B型電力機車阻容支路燒損原因分析及措施

陳文勝

摘要：基于大準(zhǔn)鐵路公司SS4B型電力機車阻容支路電阻燒損和電容被擊穿等現(xiàn)象，通過對大準(zhǔn)鐵路運用電力機車出現(xiàn)的燒損現(xiàn)象研究和分析，提出了改造阻容裝置建議。同時，針對牽引供電網(wǎng)方面所采取的措施，進行了理論分析和試驗數(shù)據(jù)的收集分析。希望本文能對鐵路交、直流機車混跑所帶來的阻容支路燒損影響機車正常運用能起到一定的實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直流機車；交流機車；阻容支路；燒損；高次諧波

隨著和諧號以及其他類型交流電力機車的普遍運用，交流機車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)及牽引變電所牽引變壓器形成回路，使得接觸網(wǎng)存在大量不同頻率的諧波分量，對直流電力機車的正常運用產(chǎn)生很大程度的影響，出現(xiàn)阻容支路電阻接線柱焊錫熔落、電阻燒損和電容擊穿等故障，嚴(yán)重影響到機車的正常運用，對正常的運輸秩序造成嚴(yán)重的干擾。

本文基于故障現(xiàn)象，結(jié)合大準(zhǔn)鐵路公司機車實際情況，參考相關(guān)文獻內(nèi)容，從優(yōu)化阻容支路電阻和電容參數(shù)出發(fā)，以增強阻容支路對高次諧波的抵御能力，同時給牽引變電所地面設(shè)備解決高次諧波提出建議。

1 機車運用情況及故障統(tǒng)計

大準(zhǔn)鐵路公司電力機車運行區(qū)段相關(guān)站點包括點岱溝站、南坪站、外西溝站、準(zhǔn)東鐵路等過個站點及線路區(qū)段。隨著大準(zhǔn)鐵路神華號交流電力機車在上述區(qū)段投入運用后，大準(zhǔn)線SS4B型電力機車阻容支路的電阻和電容開始頻繁出現(xiàn)不同程度的故障現(xiàn)象，普遍表現(xiàn)為RC支路電阻接線柱焊錫熔落，電阻燒損，部分機車出現(xiàn)了RC支路電容擊穿等多種部件的損壞。

2 故障原因初步判斷

大準(zhǔn)鐵路公司燕莊站為萬噸線，有大量的機車（包括直流機車和交流機車）在站場處于空載等待狀態(tài)，可以認(rèn)為直流電力機車阻容支路故障發(fā)生地有多臺交流機車空載集中使用。這與自交流電力機車大量上線運行以來，其他機務(wù)段SS系列直流機車阻容支路故障發(fā)生的情況基本相同。

為了驗證和解決HXD型機車對SS4B的影響，2015年5月武漢北六場調(diào)車場進行了一次試驗測試。在直流機車RC支路燒損事故頻發(fā)的情況下，測得的RC支路電流電壓波形。測試條件：SS4B升弓合主斷但不工作，HXD多機空載工作；故障現(xiàn)象：10～30min內(nèi)RC支路電阻燒損。

分析得出，牽引網(wǎng)電壓諧波豐富（諧波頻率為2750Hz），RC支路電流的諧波含量很高，有效值為65A，峰值高達93A。這種情況下RC支路電容基本變成通路，電阻工作在高頻加熱狀態(tài)。吸收電阻是基于短時過電壓而設(shè)計的，額定電流約10A，工況的變化導(dǎo)致電阻的壽命急劇下降，短時間內(nèi)出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。

綜上所述，包神鐵路SS4B阻容支路的燒損，是因為牽引網(wǎng)存在大量高次諧波，而牽引網(wǎng)電壓高次諧波源于交流機車。

3 故障原因具體分析

交流機車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)及供電所牽引變壓器形成回路，而牽引電流包含的高次諧波在網(wǎng)中傳遞是造成直流機車RC支路燒損的主要原因。因此，從交流機車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性和網(wǎng)參數(shù)對交流機車諧波傳遞的影響兩個方面分析直流機車RC支路燒損的原因。

3.1交流機車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性分析

目前我國牽引供電網(wǎng)普遍采用分相供電技術(shù)，供電臂長度相比于一個工頻波長的長度（6000km）而言可視為集中參數(shù)變量，因此在牽引網(wǎng)中沒有牽引電流時整個供電臂下任何一點的工頻電壓相位相同；由于高次諧波的波長減小，又由于牽引網(wǎng)阻抗和牽引電流的存在，牽引電流將在牽引網(wǎng)感抗上形成感性壓降，導(dǎo)致不同點的電壓相位將出現(xiàn)偏差。

交流機車的網(wǎng)側(cè)變流器均采用PWM整流器，其牽引變壓器原邊電流的基波相位及諧波相位以運行位置的牽引網(wǎng)電壓為基準(zhǔn)，當(dāng)多臺機車正線運行在牽引網(wǎng)同一供電臂，由于位置不同、各機車工況往往有較大差異，各機車的諧波電流矢量疊加，也可能呈相互抵消的關(guān)系。但是在貨場、調(diào)車場、整備場等交流機車集中使用區(qū)域，各臺機車之間的距離非常小，同時處于一致的靜置工況?；诖饲闆r，分析認(rèn)為各機車的牽引網(wǎng)電壓相位完全一致，各機車所產(chǎn)生的諧波電流相位也經(jīng)常處于相近或一致，從而使得各次諧波整體呈線性疊加特性，使得交流機車產(chǎn)生的諧波成分較嚴(yán)重。

正線運行的機車，同一供電臂下能同時容納的機車數(shù)量有限（例如6臺）。但對于調(diào)車場等樞紐區(qū)域，同一供電臂下機車數(shù)量較多（例如20臺），結(jié)合前述工況因素就不難理解，直流機車的RC支路的燒損均發(fā)生在樞紐區(qū)域而非正線運行區(qū)段。

3.2 牽引網(wǎng)參數(shù)對交流機車諧波傳遞的影響分析

交流傳動電力機車的牽引電流經(jīng)牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器形成回路，回路中各個部件的參數(shù)均對牽引電流諧波的傳遞具有一定影響，因此，對同一供電臂下直流車的影響也表現(xiàn)不同。

當(dāng)供電所變壓器的容量越小，離調(diào)車場等樞紐區(qū)域距離越遠時，牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器等效電感越大，對高次諧波流回變電所的阻礙作用越大，這使得交流機車產(chǎn)生的高次諧波流向同一供電臂下的直流機車RC支路，當(dāng)高次諧波量過多，嚴(yán)重超出RC支路允許通過的電流值，導(dǎo)致其電阻燒損，電容失效。反之，當(dāng)供電所變壓器容量越大，離樞紐區(qū)域越近，交流機車產(chǎn)生的高次諧波電流多數(shù)流經(jīng)變電所，對同一供電臂下直流機車的影響較小。

4 故障解決措施

4.1 牽引供電網(wǎng)諧波方面的措施

交流傳動電力機車高次諧波的產(chǎn)生源于四象限PWM整流器。四象限PWM整流器雖然大大提高了機車的功率因數(shù)，注入系統(tǒng)的諧波電流較小，但其交流側(cè)仍然會存在一定量的高次諧波，在機車起動、爬坡、制動等調(diào)節(jié)過程中諧波含量還會增大。

由于四象限整流器開關(guān)過程帶來的諧波頻率范圍寬，從幾次到百次均有分布，通過改進控制方法或者增加車載濾波裝置，可以優(yōu)化某個頻段的諧波含量，但不能消除全部的高次諧波。2012年某公司依托原鐵道部重大項目“車網(wǎng)諧波傳播機理及其抑制技術(shù)的研究”，提出了全新治理方案：研制一套基于APF+HPF+LC的諧波和無功綜合治理裝置，高通濾波器HPF裝置用于吸收13次及以上的諧波電流，同時提供固定的容性無功功率；有源濾波裝置AFP主要功能是濾除2、4～12次諧波電流以抑制由于HPF導(dǎo)致的低頻放大，同時還兼顧動態(tài)無功功率補償，吸收和阻尼機車產(chǎn)生的振蕩電流；變電所既有的濾波器來濾除3次諧波。依據(jù)諧波衰減傳遞基本原理以及以往諧波治理經(jīng)驗，APF+LC安裝在變電所，而HPF安裝在調(diào)車場附近的開閉所，兩者可以同時運行，也可單獨運行。三者相結(jié)合，綜合提高牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，經(jīng)濟有效的解決牽引供電系統(tǒng)諧波污染和直流機車RC燒毀的問題。

4.2 直流機車阻容支路改造的措施

中車公司結(jié)合交、直流電力機車共網(wǎng)運用的情況，從RC支路參數(shù)方面進行了優(yōu)化改造，以緩解和減少直流機車阻容支路的故障率，具體措施：

（1）增大直流機車上RC支路電阻的功率，如SS8，SS9將RC支路吸收電阻功率由800 W增加到2000W；

（2）適當(dāng)減小直流機車上RC支路電阻電容；

（3）采取在同一供電臂下增加直流傳動電力機車運行（重聯(lián)）等方式，增加同一供電臂下的RC支路數(shù)量，減輕單一RC支路諧波吸收壓力；

（4）在直流傳動電力機車阻容柜上安裝冷卻風(fēng)扇，加強吸收電阻的冷卻能力。

參考文獻：

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