關(guān)節(jié)式電分相過電壓致線索燒損分析及對(duì)策

裴 濤

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)電氣化鐵路的飛速發(fā)展，為了減少接觸網(wǎng)硬點(diǎn)，提高接觸網(wǎng)彈性，電分相處普遍采用關(guān)節(jié)式電分相裝置，以便保證高速運(yùn)行列車的取流穩(wěn)定。在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中，電力機(jī)車通過電分相裝置時(shí)未斷電（或未嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，僅將級(jí)位手柄回“0位”）而產(chǎn)生的過電壓多次導(dǎo)致牽引變電所跳閘、接觸網(wǎng)電分相處線索燒損等故障發(fā)生。以襄樊供電段為例，僅2010年，就先后發(fā)生機(jī)車過電分相故障26起，導(dǎo)致牽引變電所跳閘21次，電分相線索燒損11次，嚴(yán)重干擾了鐵路正常運(yùn)輸秩序。因此，對(duì)電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相過電壓的產(chǎn)生機(jī)理及線索燒損原因進(jìn)行分析，并提出防治對(duì)策，對(duì)保證電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)和燒損現(xiàn)象

電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，受電弓首先由一供電臂接觸線帶電支逐漸過渡到中性區(qū)接觸線（有電到無電），進(jìn)而由中性區(qū)接觸線過渡到另一供電臂接觸線帶電支（無電到有電），從而完成過電分相全過程。下面以八跨關(guān)節(jié)式電分相為例進(jìn)行分析。

1.1 八跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)

八跨關(guān)節(jié)式電分相由 2個(gè)四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)組成，如圖1所示（圖中曲線為受電弓運(yùn)行接觸接觸線的軌跡）。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，主要是將絕緣錨段關(guān)節(jié)延長(zhǎng)下錨，在電分相中性區(qū)工作范圍內(nèi)通過2支懸掛進(jìn)行工作支與非工作支的過渡，在非工作支加裝絕緣子，采用相間空氣絕緣的裝配形式，從而達(dá)到分相的目的。

圖1 八跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)平面示意圖

1.2 電分相燒損現(xiàn)場(chǎng)狀況

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行觀察，電力機(jī)車在通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，分別會(huì)在4個(gè)起弧區(qū)形成4次拉弧放電現(xiàn)象。在第1起弧區(qū)是由于機(jī)車運(yùn)行迅速接近中心柱，導(dǎo)致工作支（有電）與非工作支（無電）通過受電弓短接；而在第 4起弧區(qū)是由于工作支（有電）與非工作支（無電）迅速漸行漸遠(yuǎn)，而且在上述2個(gè)起弧區(qū)內(nèi)，受電弓始終良好接觸在工作支（有電）側(cè)，不需拉弧維持取流，故而拉弧時(shí)間極短。在第2、第3起弧區(qū)，由于受電弓接觸在工作支（無電）側(cè)，與有電側(cè)非工作支有一個(gè)漸行漸遠(yuǎn)（近）的過程，機(jī)車取流可以通過過電壓擊穿引起的拉弧較長(zhǎng)時(shí)間維持，故而拉弧時(shí)間較長(zhǎng)。線索燒損現(xiàn)象全部集中在第2、第3起弧區(qū)，且第2起弧區(qū)線索燒損多于第3起弧區(qū)。線索燒損區(qū)域外在表征為工作支與非工作支承力索各有斷股，斷面處呈金屬熔化后凝固的半球面形；2條接觸線表面有大量的電灼燒焊麻點(diǎn)；部分布置基本對(duì)稱的吊弦燒傷（斷）。在電力機(jī)車駛?cè)耄ǔ觯╆P(guān)節(jié)式電分相時(shí)，受電弓接觸有電側(cè)供電臂發(fā)生跳閘故障（2條供電臂跳閘時(shí)會(huì)有時(shí)間差）。

2 機(jī)車過電分相過電壓的理論分析

通過過電分相過電壓的理論計(jì)算（理論計(jì)算過程略）可以發(fā)現(xiàn)，中性線上過電壓最大值與電力機(jī)車駛?cè)耄ǔ觯╇姺窒鄷r(shí)的相角有關(guān)；與電力機(jī)車是否將主斷路器斷開，而不僅僅是將級(jí)位手柄回“0位”有關(guān)；與電力機(jī)車不同車型簡(jiǎn)化電路參數(shù)有關(guān)，這就很好地解釋了電力機(jī)車過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)拉弧的必然性，以及由此引起牽引變電所供電臂跳閘的偶然性。當(dāng)機(jī)車在上述4個(gè)區(qū)域拉弧時(shí)，由于區(qū)域內(nèi)工作支與非工作支、有電側(cè)與無電側(cè)的不同對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終導(dǎo)致拉弧在第2、第3起弧區(qū)內(nèi)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。第2起弧區(qū)內(nèi)受電弓與有電非工作支是一個(gè)漸遠(yuǎn)的過程，而在第3起弧區(qū)內(nèi)則是一個(gè)漸近的過程，故而第2起弧區(qū)線索燒損多于第3起弧區(qū)。由于電弧的溫度高達(dá)3 000～5 000℃，銅接觸線和銅承力索線型不同，承力索采用多股銅線絞制而成，在同一拉弧區(qū)域，承力索較接觸線脆弱，所以首先斷股。同時(shí)，通過理論計(jì)算也可以發(fā)現(xiàn)，由于電力機(jī)車駛?cè)耄ǔ觯╆P(guān)節(jié)式分相時(shí)的相角不同，所產(chǎn)生的過電壓也不盡相同，當(dāng)牽引變電所有關(guān)保護(hù)定值設(shè)置的無法躲過該過電壓極值時(shí)，必然發(fā)生跳閘。通過大量當(dāng)電力機(jī)車通過電分相時(shí)發(fā)生跳閘，而供電工區(qū)巡檢結(jié)果為不明原因跳閘的現(xiàn)象實(shí)例證明，其跳閘原因應(yīng)引起牽引變電所保護(hù)定值設(shè)置工作方面的高度重視。

3 防止過電壓燒損線索的措施

通過以上分析，為防止電分相處過電壓引起拉弧燒損線索，需從以下幾個(gè)方面采取措施：

（1）在機(jī)車沒有安裝自動(dòng)過電分相裝置前，加強(qiáng)對(duì)機(jī)車司乘人員的管理，防止出現(xiàn)帶電闖電分相的現(xiàn)象。同時(shí)，機(jī)車過電分相時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，在手柄回“0位”，斷輔助機(jī)組后，必須斷開機(jī)車主斷路器。建議將機(jī)車主斷路器斷、合操作接入機(jī)車運(yùn)行記錄，便于故障分析，或者在關(guān)節(jié)式電分相電化區(qū)段運(yùn)行機(jī)車上全部安裝自動(dòng)過分相裝置。

（2）優(yōu)化氧化鋅避雷器的安裝位置，利用氧化鋅避雷器的吸收性能，抑制過電壓。通過在中性線上接入氧化鋅避雷器，改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果保護(hù)電路的電容取值較大，則電路的振蕩頻率將會(huì)下降，同時(shí)由于加入了電阻，電路將由欠阻尼狀態(tài)變?yōu)榕R界阻尼或者過阻尼狀態(tài)，電路的過電壓將會(huì)變小或者為0。

（3）改進(jìn)電分相結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗拉弧能力。通過局部改變電分相處接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，抑制拉弧的產(chǎn)生或者增強(qiáng)承力索抗電弧燒損的能力。鑒于電分相處拉弧主要集中在第2、第3起弧區(qū)的實(shí)際，第1方案可以考慮提高該區(qū)域的絕緣強(qiáng)度，從而避免絕緣擊穿產(chǎn)生拉弧。在保證 2支線索間距不小于500 mm的情況下，可以在上述區(qū)域2支接觸線高度差50～300 mm內(nèi)工作支及非工作支的承力索上加裝絕緣護(hù)套，同時(shí)調(diào)整該區(qū)域內(nèi)吊弦，采取非對(duì)稱布置方式，避免該區(qū)域絕緣擊穿產(chǎn)生電弧燒損線索。該措施由于增強(qiáng)了上述區(qū)域絕緣強(qiáng)度，能夠有效抑制拉弧的產(chǎn)生，但存在絕緣護(hù)套內(nèi)承力索線條無法直觀檢查的缺陷。第2方案，通過增強(qiáng)該區(qū)域線索的強(qiáng)度，從而緩解線索斷股影響安全的緊迫性。在上述區(qū)域2支接觸線高度差50～300 mm內(nèi)工作支及非工作支的承力索上加裝預(yù)絞絲保護(hù)條，并接一段等長(zhǎng)的導(dǎo)弧承力索，兩端各用承力索中心錨節(jié)線夾連接，導(dǎo)弧承力索與工作支（非工作支）承力索間每相距200 mm處用單股承力索線條綁扎3～5圈，同時(shí)保證 2支工作支線索在并接導(dǎo)弧承力索后任何情況下間距不小于500 mm。該措施比較直觀，易于日常巡檢發(fā)現(xiàn)缺陷，但引起上述區(qū)域線索燒損的根本原因仍然存在，有一定的局限性。

4 結(jié)束語

襄樊供電段于2010年4月開始對(duì)接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式電分相進(jìn)行綜合改造，在改進(jìn)電分相結(jié)構(gòu)處采取了上述2種方案對(duì)比運(yùn)行。一年來，通過觀察記錄加裝絕緣護(hù)套與并接承力索2種方案的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)加裝絕緣護(hù)套方案能夠有效抑制過電壓擊穿絕緣產(chǎn)生拉弧，且電分相處供電臂發(fā)生不明原因跳閘的次數(shù)也明顯減少，鑒于此，對(duì)關(guān)節(jié)式電分相改造推薦采用該方案。防止關(guān)節(jié)式電分相過電壓引起的線索燒損和變電所跳閘，涉及到電力機(jī)車、接觸網(wǎng)、牽引變電所3個(gè)專業(yè)結(jié)合部，只有采取多種措施綜合治理，才能有效防范關(guān)節(jié)式電分相過電壓引起的故障，提高關(guān)節(jié)式電分相的安全運(yùn)行性能。

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1984.

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

[3]劉明光，路延安，魏宏偉，等.關(guān)節(jié)式電分相過電壓試驗(yàn)研究[J].電氣化鐵道，2007，（4）：15-17.

[4]朱學(xué)輝，陳玉泉，張虎年，等.關(guān)節(jié)式電分相線索燒損原因及防范措施[J].電氣化鐵道，2007，（4）：32-35.

[5]李宗智.電力機(jī)車過電分相跳閘分析及預(yù)防措施的研究[J].電氣化鐵道，2008，（4）：10-12.

[6]趙峰，張?zhí)﹤ィ瑥堉?接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式電分相過電壓的研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（1）：52-55.

[7]劉孟愷，武文星，張永祥.關(guān)節(jié)式電分相過電壓的分析與研究[J].電氣化鐵道，2010，（4）：25-27.