過電壓引起電力機車放電間隙擊穿原因分析

鈕承新

0 引言

韶山型電力機車在車頂高壓側(cè)安裝有棒形保護放電間隙，作為大氣過電壓保護器件，當(dāng)出現(xiàn)過電壓時，電力機車放電間隙擊穿，從而使機車不受過電壓影響，但直接造成牽引變電所斷路器跳閘，短路電流甚至燒損電力機車和接觸網(wǎng)設(shè)備。針對電力機車與接觸網(wǎng)之間的過電壓問題，筆者對弓網(wǎng)之間的過電壓現(xiàn)象進行現(xiàn)場測試，專門調(diào)查弓網(wǎng)關(guān)系中的過電壓問題。探討電力機車與接觸網(wǎng)之間過電壓導(dǎo)致機車放電間隙擊穿的原因，制定相應(yīng)防范措施，防止過電壓損壞電力機車和接觸網(wǎng)設(shè)備。

1 機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相過電壓試驗

1.1 SS7E型機車過電壓測試

為了查找接觸網(wǎng)與機車之間過電壓現(xiàn)象，現(xiàn)場測量機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相過電壓情況，主要對蘭新線武威南至嘉峪關(guān)間接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相通過電力機車產(chǎn)生過電壓問題進行試驗，SS7E051機車牽引列車在蘭新線蘭州至嘉峪關(guān)之間運行，分別測試蘭嘉段上下行各40組分相，機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，上行過電壓出現(xiàn)11次，占通過總次數(shù)的 27.5%，電壓最大值為70 kV。下行機車過分相時發(fā)生過電壓次數(shù)達(dá)到19次，占通過總次數(shù)的47.5%，電壓最大值83.5 kV。過電壓全部發(fā)生在接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相處，占接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相的33.3%。

1.2 過電壓現(xiàn)象

電力機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時，從接觸網(wǎng)有電區(qū)進入無電區(qū)占產(chǎn)生總過電壓次數(shù)的70%，從無電區(qū)到有電區(qū)占總過電壓次數(shù)的30%。圖1為現(xiàn)場實測接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式電壓峰值為83.5 kV。

圖1 機車通過關(guān)節(jié)式分相過電壓波形圖

1.3 SS3B型機車過電壓試驗

2007年8月4日，SS3B6034電力機車在蘭新線武嘉段通過張掖接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時，試驗中實測過電壓最高達(dá)98 kV，試驗時機車未安裝機車放電間隙，圖2為該機車運行通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相過電壓波形。

1.4 機車過電壓原因分析

機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相造成過電壓的主要原因是電力機車運行過程中，機車互感器電感與接觸網(wǎng)分布電容之間構(gòu)成的電氣回路參數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)感抗值與容抗值相等時，牽引網(wǎng)構(gòu)成諧振回路，即

式中，ω為角頻率，L為電感，C為電容。將ω = 2πf代入式（1），可得：

式中，f為諧振頻率，表示外加機車電源頻率與接觸網(wǎng)固有自振頻率相等時，牽引網(wǎng)回路有可能出現(xiàn)電壓諧振現(xiàn)象。在實際電路中，由于電路中存在電感-電容效應(yīng)，只要外加電源頻率與電源固有頻率相近時，可能引起諧振現(xiàn)象，產(chǎn)生過電壓。當(dāng)機車進入或通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時，機車、接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相電路參數(shù)發(fā)生變化，產(chǎn)生諧振過電壓，是電力機車產(chǎn)生過電壓的原因之一。

圖2 機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相過電壓波形圖

2 機車升降弓作業(yè)時產(chǎn)生的過電壓

2.1 機車升降弓過電壓試驗

針對機車升降弓作業(yè)時發(fā)生放電間隙擊穿現(xiàn)象，專門對機車升降弓時出現(xiàn)的過電壓進行試驗，選擇SS7E014、SS7E021、SS7C020等3臺電力機車進行過電壓試驗，主要試驗升弓、降弓、分合機車主斷路器、合主斷路器輔機工作、輔機工作斷開主斷路器等7種工況試驗，現(xiàn)場用錄波儀測試試驗作業(yè)過程產(chǎn)生的電壓，經(jīng)過150次試驗，機車在升降弓試驗時出現(xiàn)過電壓95次，占63.3%。

2.1.1 機車升弓過電壓試驗

“當(dāng)然這里面的企業(yè)良莠不齊，有些創(chuàng)業(yè)者也存在忽悠現(xiàn)象，拿一個PPT就準(zhǔn)備找投資人要錢。這要進行判斷分析，考驗企業(yè)家的智慧。”辜名說。

（1）SS7E021機車試驗：機車主斷路器斷開后升弓18次，產(chǎn)生45 kV以上過電壓10次，占過電壓56%。其中，50 kV以上過電壓4次；64.9 kV以上過電壓1次。機車升弓時產(chǎn)生的過電壓典型波形見圖3。斷路器合閘后升弓12次，產(chǎn)生45 kV以上過電壓6次，占該工況50%，50 kV以上過電壓3次。

圖3 SS7E021機車升弓時64.9 kV過電壓波形圖

（2）SS7C020機車試驗：主斷路器分閘后升弓19次，產(chǎn)生45 kV以上過電壓12次，占63%。其中，50 kV以上過電壓3次。

2.1.2 機車降弓產(chǎn)生過電壓試驗

（1）SS7C020機車降弓試驗：機車主斷路器斷開后降弓13次，產(chǎn)生45 kV以上過電壓11次，占84.6%。其中，50 kV以上4次；64 kV以上1次。降弓過電壓典型波形見圖4所示。

圖4 SS7C020型機車降弓時64 kV過電壓波形圖

（2）機車SS7E021降弓試驗：機車主斷路器斷開后降弓29次，產(chǎn)生45 kV以上過電壓26次，占89.6%。其中，60 kV以上4次；70 kV以上2次，最高78 kV（峰值）。SS7E021機車降弓試驗時產(chǎn)生過電壓波形見圖5。

圖5 SS7E021型機車降弓時78 kV過電壓波形圖

2.2 機車升降弓產(chǎn)生過電壓案例

2.2.1 機車升弓產(chǎn)生過電壓典型案例

2008年8月8日12時14分，本務(wù)SS1型633機車、重聯(lián)SS3型4217機車，擔(dān)當(dāng)10 464次貨物列車牽引任務(wù)。14時23分重聯(lián)SS3型4217機車換端升弓過程中，將機車放電間隙銅棒燒損，放電間隙由110 mm擴大至120 mm，同時，受電弓與導(dǎo)線間產(chǎn)生電弧光將接觸網(wǎng)設(shè)備燒損。

2.2.2 機車降弓產(chǎn)生過電壓典型案例

2010年1月9日15時20分，某變電所213#開關(guān)跳閘，重合成功，短路電流4 173 A，短路公里1.24 km。SS7E137機車擔(dān)當(dāng)K621次列車在車站7道停車，停車后司機斷電后降弓，機車車頂放電間隙擊穿，檢測燒損后的間隙為154 mm，比標(biāo)準(zhǔn)值110 mm增加44 mm，且放電間隙靠近支持硅膠絕緣子有明顯放電燒傷閃絡(luò)痕跡。

2.3 機車升降弓產(chǎn)生過電壓原因分析

2.3.1 電路諧振產(chǎn)生過電壓分析

電力機車升降弓作業(yè)時，機車受電弓和接觸線進行瞬間接觸或分離，由于電力機車上電壓互感器和接觸網(wǎng)電路狀態(tài)發(fā)生突然變化，機車電壓互感器為帶鐵心的電感元件，在沖擊電流下電感量呈非線性變化，在電路的過渡過程發(fā)生變化，容易產(chǎn)生鐵磁諧振。由式（1）可知，當(dāng)機車電路參數(shù)與接觸網(wǎng)電源固有參數(shù)產(chǎn)生諧振時，在機車和接觸網(wǎng)電路中將會產(chǎn)生電路諧振過電壓，諧振過電壓是導(dǎo)致機車放電間隙擊穿的直接原因之一。

2.3.2 電弧重燃產(chǎn)生過電壓分析

電力機車受電弓升降弓時，受電弓與接觸線呈現(xiàn)彈性接觸，在彈跳接觸或分離過程中，受電弓與接觸線之間引起多次電弧重燃現(xiàn)象，電弧重燃時有可能產(chǎn)生過電壓。

3 機車放電間隙電壓試驗

2008年6月，在蘭州宏宇變壓器廠進行機車放電間隙擊穿電壓試驗。選用機車安裝的直徑10 mm放電棒，放電棒頂端為半徑5 mm球面，試驗時取用2只放電棒，按110、118 mm的間隙進行棒對棒電壓試驗，主要進行工頻耐壓試驗和沖擊電壓試驗。

韶山1、3、7型電力機車車頂放電間隙標(biāo)準(zhǔn)值為110±1mm，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，工頻放電電壓為65 kV，全波（標(biāo)準(zhǔn)波1.5/20 μs）沖擊電壓為90 kV。蘭州地區(qū)海拔1 500 m，按照海拔高度修正的原則，上述參數(shù)在試驗中有所變化。

3.1 放電間隙工頻耐壓試驗

工頻耐壓試驗時將放電間隙距離分別設(shè)為110和118 mm，試驗儀器為YWDT-150/150型高壓試驗裝置。當(dāng)放電間隙為110 mm，工頻試驗擊穿電壓分別為45，49，47，48 kV，工頻試驗擊穿電壓平均值為47.25 kV。放電間隙在118 mm時，工頻試驗電壓擊穿電壓分別為50，48.4，49 kV；工頻試驗電壓平均值為49.13 kV。

3.2 沖擊電壓試驗

放電間隙距離設(shè)為110 mm，利用CDJ - 900 /45KJ型沖擊電壓試驗裝置進行 15次沖擊電壓試驗，沖擊試驗電壓范圍 88～194 kV，沖擊電壓試驗結(jié)果表明，放電間隙在110 mm，沖擊試驗電壓值為102～103 kV時，為放電間隙擊穿的最低電壓值，也就是放電間隙擊穿的臨界沖擊電壓值。

電氣試驗表明，蘭州地區(qū)機車放電間隙工頻放電電壓低于機車出廠說明的65 kV，主要是受海拔高度等因素的影響。沖擊試驗電壓值超過理論上的數(shù)值，主要是做沖擊試驗電壓時，試驗儀器不容易抓住準(zhǔn)確的擊穿電壓數(shù)值。

4 機車放電間隙保護存在的問題

4.1 機車放電間隙不能切斷工頻續(xù)流

韶山型電力機車在車頂上安裝的放電間隙，其設(shè)計工頻擊穿電壓為 65 kV。沖擊擊穿電壓為90 kV，當(dāng)放電間隙達(dá)到擊穿電壓時，放電間隙被擊穿，放電電流通過放電間隙形成電弧放電現(xiàn)象，由于放電間隙沒有熄滅電弧裝置，銅棒構(gòu)成的放電間隙不能切斷工頻電壓引起的續(xù)流電流（工頻續(xù)流），工頻電壓將維持工頻續(xù)流通過放電間隙。機車放電間隙擊穿后，放電間隙電弧放電引起牽引變電所跳閘。機車放電間隙放電電壓較低，成為接觸網(wǎng)、變電所、電力機車構(gòu)成的牽引供電系統(tǒng)的薄弱點，過電壓出現(xiàn)時，機車放電間隙絕緣薄弱點被擊穿，形成電氣回路的短路點。

4.2 機車氧化鋅避雷器被閑置

機車上裝有限制過電壓的氧化鋅避雷器，其直流參考電壓大于58 kV，額定工頻電壓為42 kV，表明該避雷器在過電壓出現(xiàn)時所需要的工作電壓數(shù)值較高，一般操作過電壓作用時，避雷器將不會動作。由于雷電過電壓波形窄、時間短、無后續(xù)能量補充的特點，因此避雷器能起到良好的抑制雷電過電壓峰值的作用。同時，機車放電間隙擊穿電壓較低，對避雷器起到短接作用，因此，避雷器無法抑制接觸網(wǎng)與機車之間產(chǎn)生的過電壓問題。另外，由于氧化鋅避雷器殘壓太高，難以有效保護設(shè)備。

5 減少機車放電間隙擊穿的建議

5.1 拆除機車放電間隙

為了防止機車放電間隙擊穿，造成機車、接觸網(wǎng)設(shè)備燒損，在機車安裝氧化鋅避雷器的前提下，建議將放電間隙拆除。因為，理論上機車放電間隙工頻耐壓為65 kV，擊穿沖擊電壓為90 kV，而主斷路器、支持絕緣子等車頂設(shè)備沖擊試驗電壓為165 kV，當(dāng)過電壓出現(xiàn)時，絕緣薄弱點仍然在放電間隙，過電壓首先擊穿放電間隙。拆除放電間隙可以避免過電壓導(dǎo)致放電間隙擊穿現(xiàn)象。

5.2 機車高壓側(cè)安裝過電壓吸收裝置

在機車高壓側(cè)安裝過電壓保護裝置，直接抑制機車產(chǎn)生的過電壓，是比較理想的方案。針對接觸網(wǎng)與機車之間的過電壓特點，蘭州鐵路安全監(jiān)管室已研制復(fù)合材料過電壓保護裝置，直接抑制機車與接觸網(wǎng)產(chǎn)生的過電壓，經(jīng)過一年多的運行，取得較好的效果，并通過甘肅省科技廳組織的科技成果鑒定。該單位在6臺機車上安裝復(fù)合材料過電壓保護裝置，其中，SS7E0051動作66次、SS7E 0084動作21次、SS7E 7001動作187次，機車上裝有放電間隙未發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象，過電壓保護裝置可抑制機車與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生的過電壓，有效保護電力機車和接觸網(wǎng)設(shè)備安全。

6 結(jié)束語

電力機車與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生的過電壓主要發(fā)生在機車通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相和機車升降弓作業(yè)時，一方面，發(fā)現(xiàn)電力機車通過接觸網(wǎng)分相時產(chǎn)生過電壓導(dǎo)致電力機車放電間隙擊穿；另一方面，電力機車在車站、機務(wù)段內(nèi)進行升降弓作業(yè)時，也將產(chǎn)生過電壓，當(dāng)過電壓數(shù)值超過機車放電間隙擊穿電壓時，放電間隙被擊穿。過電壓不應(yīng)該通過機車放電間隙釋放，放電間隙擊穿后，短路電流將引起牽引變電所跳閘，有時將導(dǎo)致機車、接觸網(wǎng)設(shè)備燒損。建議采用電力機車高壓抑制過電壓方案，直接削弱機車升降弓和通過接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式分相時產(chǎn)生的過電壓。

[1]樓修力.韶山1型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，1985.

[2]謝廣潤.過電壓保護[M].北京：電力工業(yè)出版社，1980.