重載區段接觸網電氣設備燒損原因分析

張金勝

(大秦鐵路公司 大同西供電段,山西大同037005)

大秦線是我國第一條雙線電氣化重載運煤專線。近年來,隨著國民經濟持續增長的需要,大秦線的重載運輸得到空前的發展。

隨著運量逐年大幅度增長,接觸網電氣設備燒損問題尤為突出,因設備燒損造成的故障也居高不下,成為影響運輸的主要干擾源。雖然2004—2005年進行了2億t、2007—2008年進行了4億t電氣化擴能改造,但設備燒損問題仍時有發生。經過進行現場調查,認真分析,確定原因并制定了有效的設備加強和監控措施,切實提高了供電設備的穩定性。

1 大秦線重載機車的特點

1.1 機車牽引功率大

目前大秦線重載運輸采用HXD1和HXD2型大功率交流傳動電力機車,機車單軸功率達 1 200 kW,HXD1型機車額定功率達9 600 kW、HXD2型機車的額定功率達10 000 kW。開行單元1萬 t、2萬 t列車是雙機牽引,機車額定功率高達20 000 kW。

1.2 機車牽引電流大

一列2×HXD1(HXD2)型交流傳動牽引萬噸列車的機車牽引電流約達710 A,使接觸網的載流能力和導流能力成為牽引供電系統的關鍵環節。

2 大秦線接觸網導線的配置

大秦線采用AT供電方式,正線和站線均采用銅銀合金接觸線和銅鎂合金承力索。正饋線采用大截面鋼芯鋁絞線。

2.1 重載區段導線配置標準(見表1)

表1 大秦線導線配置表

2.2 重載區段導線載流量(見表2)

表2 大秦線導線載流量表 A

3 大秦線近年來設備燒損情況

大秦線雖然進行了 2億t、4億t擴能改造,各機車牽引電流大,使得部分區段供電薄弱點設備燒損線索配置也采用目前國內性能最好、截面最大、導流性能最佳的銅合金線索。但由于機車功率大、燒損問題凸顯。其中部分上網點電連接線夾有過熱現象;供電線、正饋線接頭線夾有過熱燒損現象;軟橫跨處定位環線夾與定位器的定位鉤燒損斷裂現象;承力索在電連接線夾內燒損斷股、斷線現象;菱形分段絕緣器主絕緣滑道燒損斷裂現象等相對較為突出。主要故障統計如表3所示。

4 設備燒損原因分析

通過對近年來大秦線設備燒損故障進行綜合分析,主要存在以下幾個方面的原因。

4.1 電化設計中不足造成設備燒損

在電氣化設計中,雖然針對大秦線大運量、大負荷的特性,從變電所內母線至接觸網導線配置均能夠滿足2萬t列車的取流要求,但仍存在部分薄弱環節。

表3 大秦線設備燒損故障統計表

(1)大秦線變電所出所饋線采用2×LGJ300線索,正線承力索、接觸線均采用銅合金150線索。但變電所、亭上網點處設計采用2×TRJ120線索,與設計的饋線和接觸網線索的載流量不匹配。

(2)站場的股道電連接設計中采用站場兩端機車起動位置和站場中部各裝設一組,由于大秦線開行2萬t列車,站場到發線長度達2 800 m,每個站場僅有的3組股道電連接根本無法滿足2萬t機車的取流要求,造成部分非導流設備參與導流。

(3)變電所出所饋線、供電線、正饋線接頭處設計采用單線夾接頭方式,造成大電流時接頭處單線夾過載運行。

4.2 主導電回路不暢造成設備燒損

接觸網主導電回路由饋線、隔開、隔開引線、承力索、接觸線、電連接等組成。主導電回路的各部分間由各種線夾(如并溝線夾、電連接線夾、接觸線接頭線夾、設備線夾等)進行連接。主導電回路必須良好,才能保證牽引電流的暢通。若存有缺陷,將引起局部載流過大,從而燒損接觸網設備。

(1)站場側線接觸懸掛取流時根據來電方向可以確定主導電回路的路徑與各電氣關鍵接點,若關鍵接點存在缺陷和不足,將造成主導電回路不暢,直接影響正常取流。如圖1所示為一站場下行線部分示意圖,當機車在第1取流區域時,主導電回路中的關鍵電氣接點是1#,3#線岔電連接以及股道電連接2;當機車在第2取流區域時,主導電回路中的關鍵電氣接點是1#,3#線岔電連接以及股道電連接1,2;當機車在第3取流區域時,主導電回路中的關鍵電氣接點是:1#,3#,2#,4#線岔電連接以及股道電連接1,2。

(2)電氣連接部分因連接不良或長時間運行松動等原因引起的電、化學腐蝕,造成主導電回路的截面不足,電氣連接阻抗加大,從而導流不暢,燒損接觸網設備。如不等徑線索連接時,線夾大小槽裝反,使得線夾與線索不密貼,造成間隙放電;銅線與鋁線連接時銅鋁過渡線夾、設備線夾使用不當,銅鋁氧化造成電腐蝕燒損設備;線索氧化后接觸不良造成導流不良過熱等。

圖1 機車站場取流示意圖

4.3 零部件分流現象造成設備燒損

站場接觸網結構比較復雜,在進行電氣連接時,由于種種原因造成迂回供電,引起接觸網零部件分流而燒損設備。

(1)變電所出所饋線上網點處,通常饋線上網直接通過引線與正線接觸網連接,未對其他股道進行上網,致使機車在未設饋線上網的站線股道取流時,電流要從饋線上網的股道中部分設備迂回到站線,致使部分電流通過軟橫跨到達機車受電弓。軟橫跨的上下部定位繩、斜拉線、定位環線夾和定位器等設備參與導流,使得這些非導流設備中有部分牽引電流通過,極易造成斜拉線、定位環線夾、定位器的定位鉤等設備燒損。

(2)軟橫跨中定位環線夾與定位器為環狀鉸接方式,當電力機車通過時,受電弓的抬升力使定位器瞬時減載,導致定位器與定位環線夾間拉力減小,兩者接觸電阻加大,分流電流通過時會造成發熱現象;當直線區段拉出值較小時,受電弓通過時的振動和抬升力會使定位器與定位環線夾瞬間分離,分流電流引起拉弧,長時間也會造成定位環線夾與定位器的定位鉤連接處燒損。

(3)部分股道電連接設置距軟橫跨較遠,由于電力機車起動電流大,使得大起動電流通過較近的軟橫跨進行分流,使得軟橫跨零部件燒損問題較為突出。

4.4 電流非正常轉換造成設備燒損

(1)兩同相不同供電臂銜接處的常開絕緣錨段關節處,因供電臂的長短以及機車取流情況,常開絕緣錨段關節的兩側往往會形成較大的壓差,電力機車通過時會引發拉弧現象。如大秦線湖東站大同縣方向的絕緣關節,拉弧現象尤為突出。前期大秦線2萬t列車均由4輛SS4型電力機車組合牽引,采用1+2+1的機車牽引模式。這樣2萬t通過時,當前面的3臺機車已經通過錨段關節進入下一個供電臂而末臺機車未通過絕緣關節仍在站場供電臂運行,由于相鄰供電臂在3臺機車的取流下網壓極速下降與相鄰供電臂形成較大壓差,在末臺機車通過時由于壓差會形成較大的拉弧現象,對絕緣關節處接觸網設備造成較大的影響。

(2)兩同相不同供電臂銜接處的分段絕緣器,由于不同供電臂之間的壓差,造成機車通過時在轉換點處分段主絕緣滑道燒損嚴重。大秦線發生了多起FHL菱形分段絕緣器主絕緣滑道燒損斷裂的設備故障,嚴重影響正常供電。

5 設備改進措施

5.1 加強設備導流能力,消除設計不足

(1)在大秦線變電所、分區亭上網點處采用 4×TRJ120線索,使得 2×LGJ300的出所饋線與 150型銅接觸網線索連接部位的載流量相匹配。

(2)增設站場股道電連接,大秦線目前站場按照600 m一組的標準設置股道電連接。

(3)變電所出所饋線、供電線、正饋線接頭處采用雙線夾接頭方式,增加線索接觸面積,增強線索接頭、線夾處的大電流通過能力。

5.2 加強主導電回路,減小零部件分流

(1)變電所、分區亭供電線上網點電連接裝在正線接觸網上,站場上網點處站線必須裝設股道電連接與正線連接。

(2)在取流的關鍵處所增加股道電連接,減小零部件分流。如圖2所示,當機車在站場支線(或機車走行線)取流時,在軟橫跨001#～002#處,Ⅰ、Ⅲ道間的橫承力索與上下部固定繩參及連接零部件的導流,容易燒損設備,須在軟橫跨的電源側增設1組股道電連接。

(3)股道電連接安裝位置距離軟橫跨懸掛點5 m處。

圖2 站場增設股道電連接示意圖

5.3 加強設備改造,減小電流轉換造成的設備燒損

(1)對絕緣錨段關節進行局部調整改造,將中心柱處等高點距離延長,即在錨段關節中心柱處定位點兩側第一根吊弦之間(10 m范圍內)將兩接觸線調整至相對于軌平面等高。同時在中心柱兩側距離第一根吊弦200 mm處增設4組橫向電連接,通過橫向電連接加強該處承力索的分流能力,使得在受電弓同時接觸兩條接觸線產生電弧時,電弧通過橫向電連接引向承力索時,極大的減小了接觸線因拉弧造成的燒損現象。

(2)對大秦線使用的菱形分段絕緣器(FHL型消弧分段絕緣器)進行更新,目前大秦線全線更新為XTK消弧分段絕緣器,有效的提高了分段絕緣器的可靠性。

6 設備監控措施

(1)加強夜間設備巡視。每月由供電段工程技術人員和車間干部組織一次夜間巡視,重點檢查接觸網主導電回路各電氣接點有無過熱、發紅、放電、閃絡現象。對晝間有放電聲、接觸不良的處所進行重點檢查。

(2)通過測溫片進行實時監控。在主導電回路上網點、電連接器、隔開引線、供電線、正饋線接頭線夾等關鍵位置粘貼測溫貼片。晝間巡視時重點觀察測溫貼片顏色是否發生變化。粘貼測溫貼片處設備達到60℃變為黑色,達到70℃變為綠色,80℃變為紅色。

(3)通過紅外線測溫儀進行全面監控。用紅外線測溫儀對主導電回路關鍵位置每季進行一次全面測量。所有測溫必須在負荷電流突出的時段進行,即每次測溫前電話與相應變電所聯系,在單條饋線負荷電流大于450 A,以及該供電臂上、下行負荷電流累加超過700 A時進行測溫。

(4)通過紅外熱成像儀進行重點監控。對測溫片變色和紅外線測溫儀測量溫度超標的設備,用紅外線熱成像儀進行重點監控,分析該設備的內部溫度分布狀況,便于準確掌握該設備的發熱點和薄弱點。

7 結束語

隨著大秦線運量的增加,供電負荷逐年增大,接觸網電氣設備燒損的新問題、新情況將會不斷涌現。只有通過按周期進行設備巡視,用高科技手段進行設備監控分析,找準問題的真正原因。針對性的進行設備加強、改造和日常精細化的設備檢修,就能夠從根本上避免設備燒損問題的發生。

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都:西南交通大學出版社,2003.

[2] 中鐵電氣化局集團有限公司譯.電氣化鐵道接觸網[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3] 馬時達.牽引供電中接觸網電氣設備燒傷及防治措施淺析[J].上海鐵道科技,2008,(2):45-46.