SS4G機車開關(guān)柜電阻燒損的原因分析及改進措施

郝 鵬

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機務(wù)段技術(shù)科，山西大同037300）

SS4G機車開關(guān)柜電阻燒損的原因分析及改進措施

郝 鵬

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機務(wù)段技術(shù)科，山西大同037300）

SS4G機車主變壓器次級繞組的過壓吸收電阻頻繁出現(xiàn)燒損，存在嚴重的火災(zāi)隱患。通過對故障原因分析，提出了整改措施。

SS4G機車；開關(guān)柜電阻；燒損；改進措施

隨著大秦線貨運量的不斷增長，2萬t列車日開行達到90對，400臺和諧型交流機車全部上線牽引萬噸列車，由于交流機車反饋給電網(wǎng)大量的諧波，造成了在線上運行的SS4G機車主變壓器次級繞組的過壓吸收電路嚴重超負荷運行，過電壓吸收電阻經(jīng)常出現(xiàn)燒損，極易造成火災(zāi)事故。同時由于大秦線線路復(fù)雜，環(huán)境惡劣，其中共有52座隧道，隧道總延長67.197 km，長度在2 000 m以上的隧道13座，其中最長的是位于北京市延慶縣境內(nèi)的軍都山隧道，全長8 460 m，隧道內(nèi)煤塵不能散發(fā)，列車通過時，隧道的煤塵被機車風機吸附到機車內(nèi)，極易被吹起落在電器部件上，影響散熱效果，特別是SS4G機車擔當組合列車中部時，機車沖動大，極易造成短路、斷路、接地燒損故障。

1　故障信息

2012年1月份SS4G機車開關(guān)柜電阻燒損發(fā)生12件（見表1）。

表1　2012年1月份開關(guān)柜故障信息表

2　開關(guān)柜電阻的功能

當機車主斷路器4QF打開或接通主變壓器空載電流時機車將產(chǎn)生操作過電壓，此時網(wǎng)側(cè)避雷器5F和牽引繞組上的R C吸收器可以對操作過電壓起到限制作用。SS4G機車主變壓器4個牽引繞組過電壓吸收電阻（73R、74R、83R、84R）采用RXG800A，6.2Ω，800W兩根電阻并聯(lián)的形式，分別安裝于開關(guān)柜后。過電壓吸收電阻與吸收電容串聯(lián)后組成阻容保護電路，R C吸收電路由71C與73R、72C與74 R、81C與83 R、82C與84 R構(gòu)成。如圖1是牽引繞組部分電路圖，利用電容能吸收能量、電容兩端電壓不能突變以及電阻能消耗能量的特性進行工作的，分別并聯(lián)在主變壓器4個牽引繞組上，主要用來吸收或限制機車的過電壓。

3　原因分析

3.1開關(guān)柜電阻結(jié)構(gòu)原因

SS4G機車PFC開關(guān)柜在較小的空間內(nèi)裝配著主變次級繞組的過壓吸收的電阻電容、負載電阻、功補電阻、壓敏電阻、同步變壓器、電壓傳感器、電流互感器等許多電氣部件及導(dǎo)線。機車運行過程中，流過過電壓吸收電阻的電流造成該電阻持續(xù)過熱，將固定膠木板烤焦、碳化，絕緣值降低；由于長期環(huán)境溫度太高，電源線極易老化，造成短路，甚至燒斷；電阻下方是同步變壓器，當電阻被燒熔后，熔化的金屬液體滴到同步變壓器上，造成短路、接地，甚至同步變壓器的外殼著火，將周圍的布線和配件燒壞。

圖1　SS4G型機車牽引繞組部分電路圖

3.2網(wǎng)壓原因

通過近年來故障統(tǒng)計分析對比發(fā)現(xiàn)，自2010年2月開通1.5萬t DP組合列車以來，SS4G機車開關(guān)柜電阻燒損故障突然增加，我們初步分析與交直流機車在同一個供電臂下運行有關(guān)。

為了準確測量網(wǎng)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(shù)據(jù)。如圖2是2012年4月25日在北同蒲線五寨站測得的網(wǎng)壓波形，峰值最高291.189，網(wǎng)壓平穩(wěn)持續(xù)值約為180。圖3是2012年4月26日在大秦線湖東一場所檢測網(wǎng)壓波形。當網(wǎng)壓出現(xiàn)波動時可達到260。通過采集數(shù)據(jù)分析，交流機車產(chǎn)生的諧波反饋給接觸網(wǎng)，這些諧波進入直流機車SS4G機車開關(guān)柜阻容吸收回路，引起電阻超負荷工作、嚴重過熱，是燒損的一個重要因素。

圖2　北同蒲線五寨站測得的網(wǎng)壓波形

圖3　大秦線湖東一場所檢測網(wǎng)壓波形

4　改進方案

4.1阻容吸收電路分析

根據(jù)阻容保護是在整流變壓器二次側(cè)并聯(lián)R C電路中的電阻電容的計算公式。計算單相變壓器交流側(cè)過電壓保護電容C和電阻R的公式是：

式中S為變壓器每相平均計算容量，kVA；U2為變比器二次側(cè)相電壓有效值，V；if為變壓器勵磁電流百分比；uk為變壓器的短路電壓百分比；C為電容，μF；F為電阻，Ω。

根據(jù)SS4G電力機車相關(guān)資料：變壓器每段繞組的計算容量S=1 168.25 kVA，次邊繞組標稱電壓U2= 695.4 V，變壓器空載勵磁電流if=0.4，變壓器次邊短路電壓百分比uk=0.132，將參數(shù)代入上述公式計算可得C≥5.8μF，R≥5.47 Ω。

在通常情況下，通過增大電容量能使過電壓的電壓變化率變小，但電容器的體積增大，而且會增加電阻的損耗，使電阻的體積加大，造成整個阻容保護裝置的體積過大。減小電容容量可降低電阻的損耗，可避免電阻、電容的燒損，同時也降低了阻容保護對過電壓的吸收效果。

通過增大電阻值有利于抑制振蕩，但電阻值太大，反而影響電容抑制過電壓的效果，并使正常工作時電阻損耗增大。一般電阻為幾歐母到幾十歐母，以不導(dǎo)致振蕩為宜。

4.2改進吸收電路的性能

SS4型機車的阻容吸收電路選擇的電容器容量為6μF，SS4G機車選擇的電容器容量為18μF。根據(jù)前面的計算，應(yīng)選擇電容C≥5.8μF。當電容較大時，電容充放電能力變大，電阻功耗變大，對SS4G機車阻容保護裝置，選擇6μF的電容器，可有效地降低電阻的損耗，避免電阻過熱。若選擇12μF的電容器，將更有利于降低作用于器件的過電壓和電壓上升率，但是對電阻的功耗要求將比選擇6μF的電容器提高一倍。根據(jù)前面的計算，應(yīng)選擇電阻R≥5.47 Ω。根據(jù)時間常數(shù)t=RC的關(guān)系，為抑制振蕩，電阻值應(yīng)選大一些。綜合以上計算及分析，可選取6μF、1.7 kV的電容，兩根24 Ω、1 200 W的電阻并聯(lián)。

4.3改善散熱環(huán)境

將開關(guān)柜內(nèi)主變壓器次邊繞組過壓吸收電阻全部移到柜外，用角鋼制作骨架；在骨架下部安裝有接盤，防止熔化的金屬電阻落到主變殼體上；骨架周圍安裝有隔熱云母板，防止金屬電阻高溫燒烤柜體側(cè)面的導(dǎo)線。

電器支架、電阻并聯(lián)板和導(dǎo)線連接板均使用銅質(zhì)材料，電阻絕緣支撐是用耐高溫1 000℃的95高頻瓷柱組成。而且導(dǎo)線與電阻連接的連接板安裝有散熱器，能降低連接板上的溫度，解決了電阻連接導(dǎo)線因高溫造成虛接打火的問題。外移后的開關(guān)柜電阻如圖4所示。

圖4　改進后的開關(guān)柜電阻

4.4安裝防火報警系統(tǒng)

大秦線SS4G機車均裝有防火視頻裝置，在整流柜背面安裝防火攝像頭，并安裝溫度傳感器，調(diào)整為防火視頻第3通道，將該通道攝像頭調(diào)整為垂直方向為18℃，水平方向為85℃，使其拍攝畫面中心為開關(guān)柜電阻。同時可以將該通道煙霧傳感器及溫度傳感器安置在開關(guān)柜電阻后側(cè)，并合理調(diào)整煙霧傳感器、溫度傳感器的靈敏度，機車乘務(wù)人員能通過防火裝置語言報警及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜變化情況。

4.5加強日常檢修管理

開關(guān)柜電阻改進前，檢修、整備檢查人員必須進入到機械室里、開關(guān)柜后面才能對過電壓吸收電阻進行檢查、測量。改進后，檢查人員可以在走廊里直接觀察到各電阻外觀情況，并可以直接進行測量。不僅降低了檢修人員工作量，而且很大程度上提高了日常檢修質(zhì)量。

此外，檢修人員也可以通過下載防火裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜有無煙霧、燒損情況，目前湖東電力機務(wù)段機車入庫時由檢修專人下載防火數(shù)據(jù)，由安全科進行日常數(shù)據(jù)分析，并按規(guī)定填寫報警記錄信息，反饋給技術(shù)部門鑒定。

5　改進效果

開關(guān)柜電阻外移改進使R C吸收回路電阻功耗明顯降低，第1臺改進后的機車SS4-925機車運行一年時間沒有發(fā)現(xiàn)電阻變形、過熱、接線老化現(xiàn)象。

此外，開關(guān)柜電阻外移改善了過電壓吸收電阻的散熱環(huán)境，有利于金屬電阻散熱，并使其遠離柜體，將電器間距離拉大，大大減少電器間的短路現(xiàn)象。

湖東電力機務(wù)段配屬SS4G機車138臺，截止2012年5月31日已對67臺機車開關(guān)柜進行了改進，并進行了近6個月的跟蹤、統(tǒng)計（見表2），改進后的機車開關(guān)柜電阻及相關(guān)故障下降了93.4%，發(fā)生的3件電阻燒損及1件線路老化接地故障，機車乘務(wù)員都及時發(fā)現(xiàn)，故障未擴大，均能維持運行。

表2　2012年開關(guān)柜電阻故障統(tǒng)計表

6　結(jié)束語

并聯(lián)在變壓器次邊繞組的吸收電路主要是為了吸收諧波、穩(wěn)定變壓器輸出性能，改變電阻、電容值會改變開關(guān)柜吸收回路的穩(wěn)定性。由于改變了RC回路的參數(shù)，理論上會影響整流裝置的使用效率，特別是整流二極管的使用壽命。但是在改造后的機車運行一年多沒有出現(xiàn)過整流裝置的故障，因此，對RC回路的改造符合目前大秦鐵路的實際情況。

在不影響變壓器次邊運行的情況下，選RC吸收電路中的電容為6μF、1.7 kV，使過電壓吸收電阻的功耗降低。并通過電阻外移改善開關(guān)柜電阻散熱環(huán)境。考慮到日常檢查，設(shè)計了合理的箱體體積，消除開關(guān)柜電阻帶來的火災(zāi)隱患，方便維修與檢查。

［1］ 張有松，朱龍駒.韶山4型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［2］ 大連機車車輛廠.韶山4型電力機車檢修手冊［Z］.2003.

［3］ 徐薇莉，田作華，等.自動控制理論與設(shè)計［M］.上海：上海交大出版社，2007.

Analysis of the Causes of SS4GLocomotive Switchgear Resistance Burn and Improvement Measures

HAO Peng
（Hudong Electric Loco motive Depot，Daqin Railway Co.，Ltd.，Datong 037005 Shanxi，China）

SS4Gloco motive main transformer secondary windings over-voltage absorption resistance is frequently burned，and there exist serious fire hazards.Through analyzing the cause of the problem，the improvement measures are put forward.

SS4Glocomotive；switchgear resistance；burning；improvement measures

U269.6

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.27

1008-7842（2015）04-0116-03

?）男，工程師（

2015-01-31）