淺析浩吉鐵路牽引變電所電壓波動的原因

摘 要：針對浩吉鐵路牽引變電所電壓波動的問題，通過現(xiàn)場調(diào)查并結(jié)合試運行期間的運行記錄，分析了電壓波動的原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：浩吉；牽引變電所；電壓波動；諧波

中圖分類號：U223? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）12-0124-05

0 引言

浩吉鐵路原建設(shè)工程名為“蒙西至華中地區(qū)鐵路”，簡稱“蒙華鐵路”，是我國境內(nèi)一條連接內(nèi)蒙古浩勒報吉與江西吉安的國鐵Ⅰ級電氣化鐵路，是我國“北煤南運”戰(zhàn)略運輸通道[1]。

2019年底開通的浩吉鐵路，具有重大戰(zhàn)略意義與重要現(xiàn)實價值，它不僅極大地緩解了中南地區(qū)的煤炭需求緊張形勢，也將改變甚至重塑區(qū)域煤炭市場格局[2]。

1 浩吉鐵路牽引變電所電壓波動問題情況

1.1 浩吉線牽引變電所跳閘及牽引變電所內(nèi)避雷器擊穿爆炸

浩吉線開通前夕，靖邊東牽引變電所、靖神線接觸網(wǎng)、電力機車的避雷器相繼發(fā)生擊穿、爆炸故障，對浩吉線按期開通運營造成了極大的影響。

根據(jù)運行記錄，浩吉線靖邊東牽引變電所2019年9月27日至9月28日發(fā)生多起跳閘，其中3起跳閘信息情況為：①2019年9月27日06時01分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護裝置α相過流動作，試送成功。②2019年9月27日16時24分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護裝置α相過流動作，巡視發(fā)現(xiàn)巴圖灣分區(qū)所的3BLT避雷器擊穿并產(chǎn)生爆炸。靖邊東牽引變電所避雷器爆炸現(xiàn)場照片如圖1所示。③2019年9月28日15時38分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護裝置α相過流動作，重合閘成功，接觸網(wǎng)電壓顯示33 kV。

1.2 靖神線避雷器擊穿

2019年9月27日，靖神鐵路SS4G型6201#電力機車15時21分在黃蒿界站調(diào)車轉(zhuǎn)線后，機車主斷路器跳閘、機車頂部伴有響聲和火花，機車頂部避雷器燒損擊穿，機械間變壓器室頂部擊穿形成直徑約4 cm孔洞。SS4G型6200電力機車19時13分運行至靖邊北至黃蒿界區(qū)間時，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓33 kV，機車主斷路器跳閘、機車頂部伴有響聲和火花。靖神鐵路SS4G型電力機車頂部避雷器爆炸現(xiàn)場照片如圖2所示。

1.3 正線列車持續(xù)發(fā)生電力機車頂部避雷器擊穿

針對靖邊東牽引變電所跳閘、電力機車頂部避雷器爆炸事件，各單位組織對全線牽引變電所電壓進行了持續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測期間，接到機務(wù)部門反饋2019年11月17日HXD11862電力機車頂部避雷器擊穿；2019年11月18日HXD11828電力機車頂部避雷器擊穿。浩吉鐵路蒙陜段靖邊東電力機車頂部擊穿照片如圖3所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，只有在機車進入牽引變電所的供電臂時，牽引變電所的電壓升高，而且只有靖邊東樞紐的電壓波動范圍大時，才出現(xiàn)避雷器爆炸事件。

2 針對問題進行的現(xiàn)場調(diào)查

2.1 對浩吉線和靖神線開通前牽引變電所供電情況的調(diào)查

按照《國鐵集團關(guān)于浩吉等線開辦貨物運輸初期運營有關(guān)事項的通知》，浩吉線及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線于2019年9月28日起，開辦貨物運輸初期運營，并與全路貨運營業(yè)站輸貨物直通運輸。

由于靖神鐵路新建6座牽引變電所外電未接入，經(jīng)浩吉公司專題會研究同意，2019年9月8日自浩吉線靖邊東牽引變電所1#饋線、2#饋線越區(qū)送電至靖神線響水塘站，以滿足開通前期運輸需要。供電臂名稱為浩吉線靖邊東變電所至巴圖灣分區(qū)上行供電臂、靖邊東變電所至巴圖灣分區(qū)下行供電臂。

帶電范圍為響水塘（不含）至黃蒿界（含 1、2、Ⅲ、Ⅳ、5 道）至靖邊北（含Ⅲ、Ⅳ道），對應(yīng)里程 K205+483.88 至K233+184.05。其中，黃蒿界至靖邊北（含）上下行正常供電，響水塘至黃蒿界（含）、黃蒿界（含）至靖邊北上下行越區(qū)供電。浩吉鐵路蒙陜段及靖邊地區(qū)牽引供電示意圖如圖4所示。

2.2 對避雷器擊穿情況的調(diào)查

氧化鋅避雷器因其優(yōu)異的非線性特性，廣泛用于發(fā)電廠、變電站、輸配電線路，用以保障電力設(shè)備安全，以避免雷電過電壓和操作過電壓的沖擊[3]。其持續(xù)運行電壓即允許長期工作電壓，應(yīng)等于或大于系統(tǒng)的最高相電壓。其額定電壓即允許短時最大工頻電壓（滅弧電壓），避雷器雖能在此工頻電壓下動作放電并熄弧，但不能在此電壓下長期運行。

故障發(fā)生后，由于故障主要表征為避雷器發(fā)生擊穿問題，初步判定極有可能是避雷器質(zhì)量問題。2019年9月27日開始，由建設(shè)單位組織有關(guān)單位對安裝在接觸網(wǎng)上和機車上的避雷器進行了調(diào)查。主要包括產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品特性、運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄等方面。同時，調(diào)查了機務(wù)司乘人員和接觸網(wǎng)巡視人員均持證上崗，應(yīng)急處置程序和處置過程符合要求。

2.2.1對產(chǎn)品進場驗收質(zhì)量的調(diào)查

經(jīng)查，接觸網(wǎng)避雷器（含脫離器）安裝日期2019年8月13日，該生產(chǎn)批次一共55 臺，于2019年5月18日到貨，2019年5月19日開箱驗收。2019年8月11日對避雷器及基座絕緣電阻進行測量，并對避雷器直流電壓和0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流實驗。進場驗收合格。

2.2.2對安裝在電力機車上的避雷器質(zhì)量的調(diào)查

經(jīng)查，電力機車出廠后，避雷器由大/小修單位整體檢查。其中，SS4G型6201#電力機車，分別于2018年10月23日由中車大同機車電力機車有限公司大修驗收竣工，2019年9月12日由西安局集團公司新豐鎮(zhèn)機務(wù)段小修驗收竣工。SS4G型6200#電力機車，分別于2018年10月23日由中車大同機車電力機車有限公司大修驗收竣工，2019年9月11日由西安局集團公司新豐鎮(zhèn)機務(wù)段小修驗收竣工。

2.2.3對安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器運行情況的調(diào)查

經(jīng)查，2019年9月27日至28日設(shè)備管理單位對靖邊北至響水塘區(qū)段共計巡視5次，均未發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)上避雷器異常。2019年9月29日，應(yīng)西安局集團公司延安綜合段設(shè)備隱患排查要求，相關(guān)單位對靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所上、下行供電臂所轄區(qū)段進行聯(lián)合巡視，巡視結(jié)果有如下3點。

第一，巡視靖邊北站至海則灘區(qū)段未發(fā)現(xiàn)異常。巡視記錄了黃蒿界至靖邊北區(qū)間1#至360#，區(qū)段內(nèi)8處避雷器計數(shù)器數(shù)據(jù)。靖邊北至黃蒿界區(qū)間避雷器計數(shù)器數(shù)據(jù)如表1所示，靖邊北至黃蒿界區(qū)間避雷器計數(shù)器監(jiān)測情況如圖5所示。

第二，巡視黃蒿界站132#至黃蒿界至響水塘區(qū)間時，發(fā)現(xiàn)黃蒿界站125#避雷器脫離器燒損脫落，125#避雷器計數(shù)器雷擊次數(shù)為15，電流指針為0 mA。130#避雷器計數(shù)器雷擊次數(shù)為7，電流指針為無限大。

第三，巡視響水塘站89#至黃蒿界至響水塘區(qū)間67#時，發(fā)現(xiàn)黃蒿界至響水塘區(qū)間3#、4#（大墩梁隧道進出口）避雷器脫離器燒損脫落。靖邊北至黃蒿界區(qū)間接觸網(wǎng)避雷器擊穿情況如圖6所示。響水塘站89#避雷器計數(shù)器雷擊次數(shù)為0，電流指針為0。3#避雷器計數(shù)器雷擊次數(shù)為167、電流指針為0。4#避雷器計數(shù)器雷擊次數(shù)為 505。

2.3 對浩吉鐵路設(shè)計技術(shù)參數(shù)的調(diào)查

2.3.1浩吉鐵路設(shè)計技術(shù)參數(shù)調(diào)查

浩吉線：機車型號為HXD系列。牽引質(zhì)量：浩勒報吉南-襄陽（襄州）段 10 000 t、部分 5 000 t，襄陽（襄州）-吉安段 5 000 t。采用AT供電方式。新建牽引所采用 220（330 陜西）/2×27.5 kV，三相 V 接線，100%固定備用。

相關(guān)聯(lián)絡(luò)線情況如下：機車型號為HXD系列（以HXD1C、HXD3為主），牽引質(zhì)量為5 000 t。東烏聯(lián)絡(luò)線采用AT供電方式，其他聯(lián)絡(luò)線（例如新陶線、太中銀線、隴海線）、專用線（例如靖神線）采用帶回流線的直供方式。

由于本線機車類型為交直交傳動電力機車，其功率因數(shù)較高（＞0.9），因此牽引變電所不設(shè)置無功補償裝置，但預(yù)留高次諧波濾除裝置設(shè)置條件?？刹捎靡韵麓胧﹣斫档碗姎饣F路產(chǎn)生的負序電流對電力系統(tǒng)的影響：牽引變壓器一次側(cè)采用相序輪換方式接入電力系統(tǒng)；采用 Vv 結(jié)線牽引變壓器。

2.3.2動態(tài)試驗期間的情況調(diào)查

接觸網(wǎng)熱滑和動態(tài)試驗期間的列車編組采，用HXD3D49+內(nèi)燃機車DF4D403，期間沒有發(fā)現(xiàn)電壓過高和避雷器爆炸問題。

3 原因分析

3.1 機車故障時間與牽引變電所避雷器故障記錄時間不重合

具體情況如下：①2019年9月27日06時01分浩吉線靖邊東變電所跳閘，9月27日8時44分6200#+6201#電力機車開51003次由黃蒿界站發(fā)車。②9月28日15時38分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，重合閘成功，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓顯示33 kV。在此時間段，SS4G型6200#、6201#電力機車停在黃蒿界站5道，未升弓。

3.2 避雷器設(shè)備質(zhì)量符合要求

電力機車及避雷器均經(jīng)過中車大同機車電力機車有限公司大修、西安局集團公司新豐鎮(zhèn)機務(wù)段小修并鑒定合格。

接觸網(wǎng)避雷器出廠檢驗、合格證及安裝前試驗均符合要求。脫離器作為避雷器的配套產(chǎn)品，與避雷器串聯(lián)使用，當(dāng)避雷器故障損壞時能動作脫離，將故障損壞的避雷器及時與系統(tǒng)隔離并做出清晰標(biāo)示，從而確保系統(tǒng)的正常運行，以方便故障的查找及避雷器的檢修更換。電力機車頂部的避雷器及牽引變電所內(nèi)的避雷器未安裝脫離器，也發(fā)生了擊穿故障，說明靖神鐵路接觸網(wǎng)上避雷器擊穿與脫離器沒有直接關(guān)系。

3.3 產(chǎn)生問題的原因分析

3.3.1諧波共振因素影響

隨著我國軌道交通的發(fā)展，電氣化鐵路線路不斷增加，形成了樞紐地區(qū)牽引變電所同時為多條線路供電的新情況。與普通牽引供電系統(tǒng)不同，樞紐牽引供電系統(tǒng)同一母線上連接的供電線路數(shù)量（長度）大幅增加。分析認為由于每條供電線路中存在的分布電容、電感與系統(tǒng)中感性設(shè)備耦合，樞紐牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生了多個諧振，而這些諧振的存在極易造成更為復(fù)雜的多諧振點諧波諧振問題。

樞紐牽引供電系統(tǒng)的線路上運行著不同傳動類型且數(shù)量眾多的電力機車或動車組，由于列車輸出的諧波頻段范圍差異較大，多種不同傳動類型列車的交互運行造成了樞紐牽引供電系統(tǒng)更為復(fù)雜而豐富的諧波問題。這些因樞紐牽引供電系統(tǒng)多供電線路、多種不同傳動類型列車交互運行而帶來的新的諧振與諧波問題，極易引發(fā)供電設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅著樞紐地區(qū)的鐵路行車安全[4]。樞紐牽引供電系統(tǒng)存在主諧振點和多諧振點構(gòu)成的諧振帶，系統(tǒng)諧波頻帶豐富，極易造成高次諧波放大，進而造成諧波畸變率增大[5]。

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)日靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所供電臂上，除了靖神線SS4G型6200#、6201#電力機車外，還有HXDD1型電力機車運行。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，在和諧、韶山兩種型號電力機車在同一供電臂上運行時產(chǎn)生諧波，使電壓瞬間升高。

3.3.2諧波引起持續(xù)過電壓的影響

國家電網(wǎng)規(guī)定，牽引變電所進線電壓誤差要求±10%。為保證牽引變電所供電臂末端電壓，牽引變電所進線電壓一般都為正誤差，牽引變電所變壓器二次側(cè)的電壓一般都高于27.5 kV。機車通過時由于諧波作用，造成供電臂首端（或所內(nèi)）網(wǎng)壓疊加升高，超出了避雷器允許工作范圍。

TB10009-2016規(guī)定：電力牽引變電所牽引側(cè)母線的額定電壓為27.5 kV，自耦變壓器供電方式為2×27.5 kV；電力機車、電動車組受電弓和接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25 kV，短時（5 min）最高電壓為29 kV；高速鐵路、城際鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為20 kV，其他鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為19 kV[6]。

根據(jù)運行記錄判斷，接觸網(wǎng)持續(xù)網(wǎng)壓已經(jīng)明顯超過設(shè)計規(guī)范規(guī)定的29 kV的要求和避雷器額定電壓。高次諧波會降低電容的容抗，提高電感的感抗。對牽引網(wǎng)的影響主要是提高整體線路的阻抗，同時降低電纜線路的容抗，導(dǎo)致線路參數(shù)發(fā)生較大變化，使車網(wǎng)耦合參數(shù)出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象，從而引發(fā)高次諧波振蕩。如果在機車運行期間發(fā)生接地故障可能導(dǎo)致故障范圍的進一步擴大。諧波可使通過電容器的電流幅值增大且電容值變小幾倍甚至幾十倍，因此諧波通過電容器時，會使電容器的溫度升高，長期使用將可能導(dǎo)致電容器熱擊穿。系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時，PT將產(chǎn)生過電壓使電流激增。此時除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致PT燒毀。個別情況下，還會引起避雷器、變壓器、斷路器的套管發(fā)生閃絡(luò)或爆炸。

3.3.3供電臂過長因素影響

靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所供電臂，負責(zé)浩吉線納林河（不含）至海則灘（含）至靖邊北（含）至靖邊東（含）至建華（含）172.33 km、靖神線靖邊北（含）至黃蒿界（含）至響水塘（不含）區(qū)段32.7 km供電設(shè)備，供電臂過長影響機車取流。

結(jié)合調(diào)查情況，初步判定設(shè)備質(zhì)量符合要求，機車沒有非正常操作。初步判斷電力機車避雷器擊穿、接觸網(wǎng)避雷器脫離器燒損脫落，均由浩吉線靖邊東牽引變電所靖邊東至巴圖灣分區(qū)所上、下行供電臂網(wǎng)壓、電流過高造成。根據(jù)經(jīng)驗判斷，諧波是直接原因。

4 采取的措施

4.1 技術(shù)措施

具體有以下4點技術(shù)措施：①將牽引變壓器檔位調(diào)低，并持續(xù)監(jiān)控?zé)o車運行狀況和有車運行狀況下電壓的數(shù)據(jù)。擋位調(diào)到最低后，浩吉線拉通試驗和萬噸試驗期間，對牽引變電所電壓和電流監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)壓升高電壓均在29 kV以下，電流在600 A左右，沒有出現(xiàn)避雷器擊穿和爆炸的情況。②車務(wù)部門了解掌握供電臂上行車信息，并及時向機務(wù)乘務(wù)員通報，避開和諧、韶山電力機車在同一供電臂運行情況。③在電力機車上設(shè)置寬頻動態(tài)補償裝置，確保浩吉線正常運行。④根據(jù)情況決定后續(xù)是否在牽引變電所內(nèi)安裝濾波裝置。電能凈化裝置對高次諧波具有明顯減少和消除的作用，可進一步保障鐵路牽引變電所安全運行[7]。

4.2 管理措施

具體有以下4點整改措施：①靖神鐵路公司需督促國電公司，加快牽引變電所外電的施工進度，盡快解除浩吉線向靖神線接觸網(wǎng)越區(qū)供電。②機務(wù)乘務(wù)員應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時向供電調(diào)度匯報，對于機車運行過程中出現(xiàn)網(wǎng)壓過高問題要果斷采取措施，經(jīng)供電調(diào)度同意后應(yīng)立即停車。③供電部門應(yīng)加強接觸網(wǎng)越區(qū)供電區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)備的巡視檢查，對于安全隱患問題及時上報并安排處理。④建立對外聯(lián)系溝通機制，供電部門應(yīng)積極與延安綜合段對接，現(xiàn)場確認牽引供電設(shè)備安全管理分界細節(jié)問題，明確責(zé)任并簽訂設(shè)備運行維護分界協(xié)議。

5 結(jié)束語

任何三相不平衡諧波電流均由諧波正序電流和負序電流組成，由于電力機車為非線性載體，而且各類電力機車的特性不同，對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不同，由此產(chǎn)生的高次諧波廣泛分布于供電系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時可能發(fā)生系統(tǒng)諧振，進一步加劇高次諧波的形成。對牽引供電系統(tǒng)進行諧波綜合治理非常必要[8]。抑制牽引供電系統(tǒng)高次諧波可以從在電力機車上設(shè)置寬頻動態(tài)補償裝置、采用有源和無源濾波相結(jié)合的方式濾波兩個方面采取有效措施。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-17

作者簡介：李晉（1975—），男，湖北孝感人，本科，高級工程師，研究方向：鐵路四電施工。