HXD2型機車車頂放電的原因分析及解決方案

王 昊

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機務段，山西大同037005）

HXD2型機車車頂放電的原因分析及解決方案

王 昊

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機務段，山西大同037005）

針對HXD2機車進入五寨專用線進行裝車作業以來頻繁發生車頂放電現象，做了現場測試，找出故障原因，并制定了相應的解決方案，實際運行中取得了較好的效果。對改進機車的諧波特性提出建議。

HXD2；車頂放電；原因分析；解決方案

HXD2型電力機車自2012年開始延伸交路至五寨、岢嵐一帶。自大量HXD2機車進入五寨專用線進行裝車作業以來，五寨站頻繁發生HXD2型機車車頂放電故障，特別是2012年1月以來HXD2機車在五寨站大面積爆發車頂放電問題，嚴重影響運輸秩序和機車運用安全。為減少此類機車故障，湖東電力機務段技術人員在2012年4月份在五寨進行實地檢測，并進行了研究分析。

1 試驗

1.1 測量方式及試驗介紹

為了準確測量網壓，選擇在高壓電壓互感器次邊引線接入示波器進行檢測，記錄測量數據。圖1是HXD2機車高壓部分電路：

圖1 HXD2機車高壓電路

在高壓電壓互感器TF1－PP次邊900或901線掛接示波器進行數據記錄，HXD2機車高壓電壓互感器變比250∶1，原邊電壓25 k V時對應次邊電壓100 V。通過測量次邊電壓峰值有效值換算可以得到原邊實際電壓，也就是接觸網網壓。

HXD2機車采用瑞士ABB公司的LOT 6450牽引變壓器，牽引變壓器額定電壓25 k V，額定電流258 A，標稱容量6 450 k VA。由于五寨站地處山區，五寨站周圍專用線使用與五寨站同一個供電臂，所有五寨站周圍機車均處在同一供電臂中。

試驗利用3臺HXD2機車、1臺HXD1機車、2臺SS4機車在五寨站供電臂下進行。

1.2 典型測試波形

（1）1臺HXD2運行（見圖2）

圖2 1臺HXD2機車運行時的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網壓30 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

（2）HXD2和SS4各一臺運行（見圖3）

圖3 HXD2和SS4各1臺機車運行時的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網壓28.5 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

（3）兩臺HXD2機車運行（見圖4）

圖4 2臺HXD2機車運行時的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網壓56.5 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次、23次、25次左右。

（4）HXD1、HXD2和SS4各1臺運行（見圖5）

圖5 HXD1、HXD2和SS4各1臺機車運行時的波形輪廓圖

最高網壓28.2 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在21次左右。

（5）HXD1和SS4各1臺、HXD2機車2臺運行（見圖6）

圖6 HXD1和SS4各1臺、HXD2機車2臺運行時的波形輪廓圖

最高網壓30.1 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在21次左右。

（6）HXD1 1臺、HXD2機車兩臺運行（見圖7）

圖7 HXD1 1臺、HXD2機車2臺運行時的波形輪廓圖

最高網壓59.2 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次、23次、25次左右。

（7）3臺HXD2機車、1臺HXD1機車、2臺SS4機車運行（見圖8）

圖8 3臺HXD2機車、1臺HXD1機車、2臺SS4機車時波形輪廓圖

最高網壓32.2 k V、持續時間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

2 原因分析

（1）變電所供電臂下牽引網電壓異常現象描述

問題的主要現象為牽引網電壓出現異常，機車顯示電壓經常超過32 k V，而采用測試儀器甚至捕捉到60 k V以上的高壓。導致的后果就是HXD1機車經常牽引封鎖（可以重新復位啟動），或者HXD2機車的放電間隙放電（必須回庫檢修后方可重新使用）。此類現象在2012年從未出現過。

（2）確定變電所近期情況

經了解，牽引變電所中所有設備沒有任何變動，牽引供電網去年曾經改動過其中一處的過分相位置，但變動后也沒有出現這一故障現象。唯一的變化在于由于年度運量增加，五寨區段的機車密度比去年要稍有增加。

（3）確定原因

經統計，HXD1出現牽引封鎖40起，HXD2出現放電間隙放電故障21起，HXD1故障率高于HXD2。其根本原因在于HXD1采用高網壓軟件判斷（門檻為32 k V），而HXD2采用放電間隙硬件響應（門檻高于55 k V），同一牽引網下，很自然HXD1檢測到網壓異常的概率要遠高于HXD2型。

考慮到京滬線曾經發生過的高頻振蕩現象，分析五寨區段的現象同樣是由于牽引網高次諧波振蕩所致，牽引網電壓基波并沒有發生異常，只是由于高頻分量的疊加導致了網壓抬升到不正常范圍［2］。

此外2011年原鐵道部組織的交流機車諧波測試工作曾在湖東機務段針對HXD2做過測試，結果表明HXD2機車在空載輕載工況下的諧波特性稍差。

據頻譜分析，高次諧波豐富，主要頻帶集中在19次、21次、23次、25次等頻率段，其中21次最大。同一供電臂下只有一臺HXD2型機車時，牽引網電壓受機車牽引電流諧波的影響，已經包含較高的諧波分量，但諧波與機車疊加后的幅值尚不足以導致惡劣后果，系統能正常工作。當同一供電臂下有2臺HXD2機車時，牽引網電壓諧波進一步惡化，就有可能導致機車由于牽引網電壓異常而牽引封鎖（HXD1）或放電間隙放電（HXD2），影響正常運輸秩序。當同一供電臂下存在SS4G直流機車升弓運行時，由于RC濾波支路的存在，諧波在一定的程度上被濾除，牽引網電壓諧波分量減少，這時系統又表現為正常工作狀態。因此牽引網高次諧波振蕩是導致車頂頻繁放電的故障原因。

3 應對建議

3.1 臨時應對措施

（1）改變五寨機車運用規律

改用HXD1機車承擔五寨運輸任務。HXD2機車空載、輕載工況下諧波特性正好與五寨牽引網諧振頻率帶吻合，而HXD1機車的風險要小很多。

改變HXD2機車操作習慣。HXD2機車升弓閉合主斷后，車載四象限變流器即處于空載輕載工況，諧波特性欠佳。因此當HXD2機車一旦升弓，就應加速行駛，盡可能減少HXD2機車輕載運行的時間。

（2）改變五寨區段機車配置現狀

考慮到直流機車RC支路對高頻信號具有的濾波功能，建議在故障供電臂下人為固定配置一臺SS4直流機車并升弓運行（可以固定在某一地點無需移動）。

3.2 根本解決措施

優化HXD2機車諧波特性。通過修改HXD2機車的網側變流器控制策略，減少19～25次諧波分量，或者改變高次諧波分布區段，減少高頻諧振概率。

在牽引供電網下添加無源高通濾波器。通過濾波器濾除19～25次的高頻諧波，消除牽引網的諧振現象。該方法的優點是成本適中，但主要的問題是無源濾波器必然導致某個頻段的低次諧波被放大，存在低頻振蕩的風險。

在牽引供電網中添加有源濾波器＋無源濾波器的綜合治理裝置。高次諧波還是由無源濾波器來消除［1］，而可能的低頻放大以及無功分量則由有源濾波器來處理，從而實現全頻段的諧波治理。該方案的主要制約在于有源濾波器成本較貴，實現周期也稍長。

4 應用情況

鑒于實際情況，目前臨時采取的是在五寨站停放兩臺SS4機車擔當調車任務，同時擔負吸收HXD2機車產生的高次諧波任務。為了避免SS4機車換端作業時斷電降弓期間不能對電網高次諧波進行濾波，湖東機務段制定了五寨站換端聯控制度，即在SS4機車換端作業時聯控車站，由車站通知在站內的HXD2機車暫時斷電降弓，待SS4機車完成換端作業后再升弓合閘。自嚴格落實該措施以來，在五寨站再沒有出現HXD2機車發生車頂放電故障，效果良好。

［1］ 豐戰凱.電氣化鐵路過電壓產生的原因及對策［J］.西鐵科技，2007，（2）：14-18.

［2］ 謝廣潤.過電壓保護［M］.北京：電力工業出版社，1980.

Cause Analysis of HXD2 Locomotive High-Voltage Discharge and its Countermeasures

WANG Hao
（Hudong Electric Locomotive Depot，Daqin Railway Co.，Ltd.，Datong 037005 Shanxi，China）

High-voltage discharge frequently happened in HXD2 locomotives since going into the WuZhai station.This paper has found out the cause，formulated the appropriate solution after site testing，which has achieved good results.Some suggestion is also proposed to improve locomotive harmonic characteristics.

HXD2；high-voltage discharge；cause analysis；solution

U264

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.29

1008－7842（2014）04－0123－03

?）男，工程師（

2013－11－18）