扼流變中性點相連的絕緣節(jié)過電壓拉弧的機理研究

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內(nèi)蒙 鄂爾多斯 017000)

0 引言

絕緣節(jié)在電氣化鐵路中發(fā)揮著重要作用，但是絕緣節(jié)過電壓拉弧燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。國內(nèi)絕緣節(jié)過電壓拉弧一般發(fā)生在高速鐵路站場中的回流切斷點處[1-4]，在扼流變相連的絕緣節(jié)處也存在過電壓拉弧現(xiàn)象[5]。在重載鐵路站場預告信號機處，還存在著一類絕緣節(jié)，該絕緣節(jié)僅一端鋼軌有扼流變，本文稱之為單扼流變絕緣節(jié)，其另一端鋼軌是通過等阻線連接至扼流變中性點，溝通牽引電流。2017年11月份，在內(nèi)蒙某重載鐵路站場發(fā)生一起列車經(jīng)過單扼流變絕緣節(jié)時發(fā)生電弧并灼傷絕緣節(jié)及鋼軌的事故，而且本側(cè)的吸上線還被燒毀。

國內(nèi)外的學者在絕緣節(jié)過電壓拉弧方面開展了很多的研究工作，文獻[6]提出了牽引電流切斷是損傷機械絕緣節(jié)的直接原因，驗證了列車以低牽引檔位啟動過絕緣節(jié)時可以有效的減小電弧的強度緩解燒損程度；文獻[7-8]研究了絕緣節(jié)兩端的工頻電壓及影響因素；文獻[9-10]從理論上研究了列車穩(wěn)態(tài)運行時絕緣節(jié)兩端電壓計算公式，并且提出了絕緣節(jié)燒毀的解決方案；文獻[11]通過現(xiàn)場試驗研究了京滬高鐵線路上絕緣節(jié)拉弧燒熔的問題。

上述研究工作主要是針對回流切斷點處的絕緣節(jié)，文獻[5]中用現(xiàn)場測試的方法檢測到正線上第二類絕緣節(jié)處也存在著絕緣節(jié)拉弧現(xiàn)象，但也并沒有分析研究其產(chǎn)生機理。因此本文以內(nèi)蒙某站場事故為依托，此站場事故與高鐵站場兩端鋼軌相連的絕緣節(jié)電弧產(chǎn)生機理類似，但目前尚沒有學者研究。因此本文研究單扼流變絕緣節(jié)過電壓產(chǎn)生機理，具有代表性，將根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料建立仿真模型，仿真分析其產(chǎn)生機理。然后進行現(xiàn)場實地測量，驗證仿真結(jié)果，比較相關(guān)差異性。單扼流變絕緣節(jié)見圖1。

圖1 單扼流變絕緣節(jié)Fig.1 Single chock insulation section

1 列車過絕緣節(jié)的仿真模型研究

1.1 絕緣節(jié)仿真模型

下面就將建立單扼流變絕緣節(jié)站場模型，探討在此種條件下絕緣節(jié)過電壓產(chǎn)生的機理。某單扼流變絕緣節(jié)站場的牽引回流等效電路圖見圖2。

圖2 列車經(jīng)過單扼流變絕緣節(jié)的站場仿真模型Fig.2 Station simulation model of the locomotive through the single-choke rheological insulation section

圖2中AB段為絕緣節(jié)，扼流變安裝在絕緣節(jié)左側(cè)，通過3、4號等阻線連接至鋼軌，右側(cè)從扼流變中性點引出1、2號等阻線至鋼軌，忽略同一股道兩根鋼軌之間的不平衡電流。列車是通過輪對將牽引電流泄流到鋼軌上，因此本文將列車的牽引電流等效成兩個幅值、相位均相同電源，并且只考慮一根鋼軌上的絕緣節(jié)兩端電壓即可。軌道的鋼軌采用LCC模型，初始長度為1 km，根據(jù)文獻[9]中鋼軌參數(shù)，建模仿真選用P60型鋼軌，其中鋼軌等效半徑設(shè)置為1.285 cm,電阻為0.135 Ω·km-1，兩根鋼軌之間的距離設(shè)置為標準的1.435 m，水平高度設(shè)置為0.2 m，土壤電阻率為100 Ω·m?；亓骶€與等阻線采用電纜模型[12]，R=0.099 Ω/km,L=7.691 H /km,C=0.519 F/km。模型中電源AC用于模型列車的牽引回流，頻率為50 HZ，兩個電流源的峰值均為50 A，初始相位為0°。考慮到列車的車載變壓器電感遠大于軌道電感，而列車通過絕緣節(jié)的時間遠小于工頻電流的波長，因此假設(shè)列車通過絕緣節(jié)時，總牽引電流不會發(fā)生突變。

為了模擬區(qū)間軌道，消除末端折反射的干擾，本模型在兩端增加了末端電阻Z，通過前期研究，發(fā)現(xiàn)軌道的波阻抗為235.5 Ω,因此Z的取值為235.5 Ω。牽引變電所的接地網(wǎng)接地電阻Z0為0.1 Ω。圖中R表示鋼軌對地的泄漏電阻，初始設(shè)定為每百公里10 Ω。

1.2 列車過絕緣節(jié)仿真方法

列車通過絕緣節(jié)分為幾個階段，本模型通過開關(guān)K1、K2和K3的切換模擬列車輪對通過絕緣節(jié)的過程：

1)列車在圖2中絕緣節(jié)左側(cè)線路運行；仿真時首先將開關(guān)K1閉合，仿真時間前置2 s以消除過渡過程，使電路達到穩(wěn)態(tài)。

2)列車輪對到達A點時，并將絕緣節(jié)短接，此時模型中開關(guān)K2閉合，左側(cè)軌道的牽引電流通過開關(guān)K2續(xù)流。

3)列車輪對脫離B點，根據(jù)文獻[9]的研究結(jié)果，設(shè)定列車經(jīng)過絕緣節(jié)的時間為0.5 ms，因此K2閉合0.5 ms后，列車輪對離開B點，開關(guān)K3閉合，開關(guān)K2斷開，完成了牽引電流回流從絕緣節(jié)左側(cè)到絕緣節(jié)右側(cè)的轉(zhuǎn)換。

1.3 絕緣節(jié)過電壓機理仿真分析

模擬列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，兩端等阻線上的電流變化，仿真結(jié)果見圖3。1號電纜與2號電纜電流波形相同，3號電纜與4號電纜電流波形相同，這是因為通過設(shè)置相同的參數(shù)，消除了不平衡電流的影響。同時發(fā)現(xiàn)列車經(jīng)過絕緣節(jié)之前，有部分牽引電流通過扼流變中性點流通至另一側(cè)鋼軌，但是在列車駛離絕緣節(jié)的瞬間，3、4號等阻線上的電流由于泄流輪對行駛到絕緣節(jié)另一側(cè)鋼軌而迅速減小。而1、2號等阻線則由于回流路徑的切換而換向，大部分牽引電流通過鋼軌繼續(xù)向前傳播，少部分通過等阻線流至回流線。

圖3 兩端等阻線電流仿真波形Fig.3 Cable current simulation waveform at both ends

列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，其兩端鋼軌對地電位的波形見圖4。由圖4可看出，在列車泄流輪對駛離絕緣節(jié)的瞬間，其兩側(cè)的鋼軌對地電位均產(chǎn)生了尖脈沖。其中A點產(chǎn)生正脈沖是由于牽引電流在絕緣節(jié)左側(cè)突然截斷，而由于有等阻線感抗及扼流變感抗的存在會阻止牽引電流的突變，因此會有大量電子延續(xù)原來的電流方向，以至于在A點產(chǎn)生大量正電荷，形成正脈沖。而B點產(chǎn)生負脈沖是由于列車牽引電流路徑的切換，1、2號等阻線上的牽引電流被強制換向，而其本身的感抗會阻止電流突變，因此會有大量電子延續(xù)等阻線原來的牽引電流，在B點積累大量負電荷，形成負脈沖。因此由于兩側(cè)鋼軌對地電位的突變，會在絕緣節(jié)兩端形成過電壓，從圖4也可以看出，即使絕緣節(jié)兩端只有一個扼流變，其兩端鋼軌通過等阻線連接至扼流變中性點，在列車泄流輪對駛離絕緣節(jié)的瞬間，仍然會產(chǎn)生極高的暫態(tài)過電壓，其幅值達到87.4 V。

圖4 絕緣節(jié)兩端鋼軌對地電位Fig.4 The potentialof steel rail at both ends of the insulated joint

通過上面分析可知，車輪離開絕緣節(jié)的過程類似于開關(guān)分閘過程，因此絕緣節(jié)的燒損不能僅僅看作絕緣擊穿，而是在大電流下開關(guān)分閘拉弧。該情況滿足電弧的出現(xiàn)條件[8]，當截斷的牽引電流很大時，將產(chǎn)生明顯的電弧，燒損絕緣節(jié)。絕緣節(jié)兩端電壓波形見圖5。

圖5 絕緣節(jié)兩端電壓波形Fig.5 Voltage waveform at both ends of the insulation section

2 現(xiàn)場實驗

因為高鐵站場中只存在兩種類型的絕緣節(jié)，而且高鐵站場在運行時間段不允許進站測量。為了驗證仿真結(jié)果，課題組選擇內(nèi)蒙某重載線路站場進行現(xiàn)場測試。為了降低列車經(jīng)過此處時鋼軌上電流的大小，在此扼流變的中性點上用電纜設(shè)置成吸上線，并連接至架空回流線。某站場示意圖見圖6。

圖6 某站場示意圖Fig.6 A station sketch

課題組在內(nèi)蒙某重載鐵路站場預告信號機處做了現(xiàn)場測量，測量之前已經(jīng)將燒毀的絕緣節(jié)及電纜更換，所以本次測量旨在測量當列車正常行駛經(jīng)過絕緣節(jié)時，牽引電流的分配規(guī)律及絕緣節(jié)兩端的電壓大小，由此來反推本站絕緣節(jié)過電壓拉弧事故是如何發(fā)生的以及驗證仿真結(jié)果。

2.1 測量方案

本次測量錄波儀器采用四川拓普測控科技有限公司開發(fā)的虛擬儀器軟件，TOPVIEW000軟件，它集控制采集、讀取數(shù)據(jù)、顯示波形、數(shù)據(jù)處理、存盤、打印及通訊等功能于一體，操作直觀、便捷。它主要是用來錄制列車經(jīng)過此絕緣節(jié)時各處的電流及絕緣節(jié)兩端的電壓。另有電流互感器及測量探頭若干，測量示意圖見圖7。

圖7 測量示意圖Fig.7 Measurement diagram

每一條連接至扼流變觸頭的電纜上均裝設(shè)電流互感器，并用探頭連接至數(shù)據(jù)采集器上，另外用電壓衰減探頭連接至絕緣節(jié)兩側(cè)，測量絕緣節(jié)兩端電壓，將采集器與電腦相連接，在列車經(jīng)過預告信號機時，開啟錄波軟件。現(xiàn)場測試接線圖見圖8。

圖8 現(xiàn)場接線圖Fig.8 Field wiring diagram

2.2 測量結(jié)果

兩端等阻線電流實測波形見圖9。

圖9 兩端等阻線電流實測波形Fig.9 Current measured waveform of the resistance wire at both ends

根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，牽引電流的流通路徑確實發(fā)生了變化。在列車經(jīng)過扼流變中性點相連的絕緣節(jié)的時候，1號、2號電纜的電流有明顯的升高，3號、4號電纜的電流明顯降低，進一步說明了列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，牽引電流的流通路徑發(fā)生變化，并且存在著牽引電流的切斷，這樣就給產(chǎn)生電弧創(chuàng)造了條件。絕緣節(jié)兩端電壓測量波形見圖10。

從圖10可看到絕緣節(jié)兩端電壓波形在列車列車與車輛經(jīng)過絕緣節(jié)的時候不僅有明顯的過電壓脈沖，還存在振蕩過渡過程，上述波形受采集卡量程限制，脈沖的頂部被削平，但按照放大后波形推測，在列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，其最大電壓值在90 V左右。因此可以推測出在列車帶負載經(jīng)過此類絕緣節(jié)時，依然會產(chǎn)生過電壓，以至引起拉弧現(xiàn)象[1]。

圖10 絕緣節(jié)兩端電壓測量波形Fig.10 Voltage measurement waveform at both ends of the insulation section

2.3 結(jié)果分析

從測量結(jié)果可看出，在列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，信號軌等阻線的電流會急劇下降，同時走行軌等阻線的電流會急劇上升，雖然牽引電流可以通過絕緣節(jié)兩側(cè)的等阻線及扼流變流通，但是在絕緣節(jié)兩端依然出現(xiàn)了尖端過電壓脈沖。因此可以判斷，即使絕緣節(jié)兩端通過扼流變及等阻線相連，在重載列車經(jīng)過絕緣節(jié)的時候依然會有牽引電流的切斷，以至于產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。

3 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

在重載鐵路站場，即使絕緣節(jié)兩端的鋼軌通過扼流變及等阻線相連，在重載列車經(jīng)過絕緣節(jié)時，絕緣節(jié)兩端依然會出現(xiàn)過電壓，該過電壓受列車牽引電流的影響，當牽引電流較大時，絕緣節(jié)兩端過電壓將達到90 V左右，將引起絕緣節(jié)處拉弧。

列車輪對通過絕緣節(jié)的瞬間，部分牽引電流將從絕緣節(jié)一側(cè)鋼軌轉(zhuǎn)換到另一側(cè)鋼軌，導致兩側(cè)電流發(fā)生突變是造成絕緣節(jié)兩端過電壓的主要原因。

最后，對某站場的絕緣節(jié)兩側(cè)電流與電壓進行了實測，實測數(shù)據(jù)證實列車經(jīng)過絕緣節(jié)的瞬間，絕緣節(jié)兩側(cè)牽引電流發(fā)生突變，并產(chǎn)生了暫態(tài)過電壓。