淺析浩吉鐵路牽引變電所電壓波動(dòng)的原因

摘 要：針對(duì)浩吉鐵路牽引變電所電壓波動(dòng)的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合試運(yùn)行期間的運(yùn)行記錄，分析了電壓波動(dòng)的原因，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：浩吉；牽引變電所；電壓波動(dòng)；諧波

中圖分類號(hào)：U223? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）12-0124-05

0 引言

浩吉鐵路原建設(shè)工程名為“蒙西至華中地區(qū)鐵路”，簡(jiǎn)稱“蒙華鐵路”，是我國(guó)境內(nèi)一條連接內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉與江西吉安的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，是我國(guó)“北煤南運(yùn)”戰(zhàn)略運(yùn)輸通道[1]。

2019年底開通的浩吉鐵路，具有重大戰(zhàn)略意義與重要現(xiàn)實(shí)價(jià)值，它不僅極大地緩解了中南地區(qū)的煤炭需求緊張形勢(shì)，也將改變甚至重塑區(qū)域煤炭市場(chǎng)格局[2]。

1 浩吉鐵路牽引變電所電壓波動(dòng)問題情況

1.1 浩吉線牽引變電所跳閘及牽引變電所內(nèi)避雷器擊穿爆炸

浩吉線開通前夕，靖邊東牽引變電所、靖神線接觸網(wǎng)、電力機(jī)車的避雷器相繼發(fā)生擊穿、爆炸故障，對(duì)浩吉線按期開通運(yùn)營(yíng)造成了極大的影響。

根據(jù)運(yùn)行記錄，浩吉線靖邊東牽引變電所2019年9月27日至9月28日發(fā)生多起跳閘，其中3起跳閘信息情況為：①2019年9月27日06時(shí)01分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護(hù)裝置α相過流動(dòng)作，試送成功。②2019年9月27日16時(shí)24分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護(hù)裝置α相過流動(dòng)作，巡視發(fā)現(xiàn)巴圖灣分區(qū)所的3BLT避雷器擊穿并產(chǎn)生爆炸。靖邊東牽引變電所避雷器爆炸現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。③2019年9月28日15時(shí)38分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，2#B系統(tǒng)后備保護(hù)裝置α相過流動(dòng)作，重合閘成功，接觸網(wǎng)電壓顯示33 kV。

1.2 靖神線避雷器擊穿

2019年9月27日，靖神鐵路SS4G型6201#電力機(jī)車15時(shí)21分在黃蒿界站調(diào)車轉(zhuǎn)線后，機(jī)車主斷路器跳閘、機(jī)車頂部伴有響聲和火花，機(jī)車頂部避雷器燒損擊穿，機(jī)械間變壓器室頂部擊穿形成直徑約4 cm孔洞。SS4G型6200電力機(jī)車19時(shí)13分運(yùn)行至靖邊北至黃蒿界區(qū)間時(shí)，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓33 kV，機(jī)車主斷路器跳閘、機(jī)車頂部伴有響聲和火花。靖神鐵路SS4G型電力機(jī)車頂部避雷器爆炸現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

1.3 正線列車持續(xù)發(fā)生電力機(jī)車頂部避雷器擊穿

針對(duì)靖邊東牽引變電所跳閘、電力機(jī)車頂部避雷器爆炸事件，各單位組織對(duì)全線牽引變電所電壓進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)期間，接到機(jī)務(wù)部門反饋2019年11月17日HXD11862電力機(jī)車頂部避雷器擊穿；2019年11月18日HXD11828電力機(jī)車頂部避雷器擊穿。浩吉鐵路蒙陜段靖邊東電力機(jī)車頂部擊穿照片如圖3所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，只有在機(jī)車進(jìn)入牽引變電所的供電臂時(shí)，牽引變電所的電壓升高，而且只有靖邊東樞紐的電壓波動(dòng)范圍大時(shí)，才出現(xiàn)避雷器爆炸事件。

2 針對(duì)問題進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2.1 對(duì)浩吉線和靖神線開通前牽引變電所供電情況的調(diào)查

按照《國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于浩吉等線開辦貨物運(yùn)輸初期運(yùn)營(yíng)有關(guān)事項(xiàng)的通知》，浩吉線及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線于2019年9月28日起，開辦貨物運(yùn)輸初期運(yùn)營(yíng)，并與全路貨運(yùn)營(yíng)業(yè)站輸貨物直通運(yùn)輸。

由于靖神鐵路新建6座牽引變電所外電未接入，經(jīng)浩吉公司專題會(huì)研究同意，2019年9月8日自浩吉線靖邊東牽引變電所1#饋線、2#饋線越區(qū)送電至靖神線響水塘站，以滿足開通前期運(yùn)輸需要。供電臂名稱為浩吉線靖邊東變電所至巴圖灣分區(qū)上行供電臂、靖邊東變電所至巴圖灣分區(qū)下行供電臂。

帶電范圍為響水塘（不含）至黃蒿界（含 1、2、Ⅲ、Ⅳ、5 道）至靖邊北（含Ⅲ、Ⅳ道），對(duì)應(yīng)里程 K205+483.88 至K233+184.05。其中，黃蒿界至靖邊北（含）上下行正常供電，響水塘至黃蒿界（含）、黃蒿界（含）至靖邊北上下行越區(qū)供電。浩吉鐵路蒙陜段及靖邊地區(qū)牽引供電示意圖如圖4所示。

2.2 對(duì)避雷器擊穿情況的調(diào)查

氧化鋅避雷器因其優(yōu)異的非線性特性，廣泛用于發(fā)電廠、變電站、輸配電線路，用以保障電力設(shè)備安全，以避免雷電過電壓和操作過電壓的沖擊[3]。其持續(xù)運(yùn)行電壓即允許長(zhǎng)期工作電壓，應(yīng)等于或大于系統(tǒng)的最高相電壓。其額定電壓即允許短時(shí)最大工頻電壓（滅弧電壓），避雷器雖能在此工頻電壓下動(dòng)作放電并熄弧，但不能在此電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行。

故障發(fā)生后，由于故障主要表征為避雷器發(fā)生擊穿問題，初步判定極有可能是避雷器質(zhì)量問題。2019年9月27日開始，由建設(shè)單位組織有關(guān)單位對(duì)安裝在接觸網(wǎng)上和機(jī)車上的避雷器進(jìn)行了調(diào)查。主要包括產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品特性、運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄等方面。同時(shí)，調(diào)查了機(jī)務(wù)司乘人員和接觸網(wǎng)巡視人員均持證上崗，應(yīng)急處置程序和處置過程符合要求。

2.2.1對(duì)產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收質(zhì)量的調(diào)查

經(jīng)查，接觸網(wǎng)避雷器（含脫離器）安裝日期2019年8月13日，該生產(chǎn)批次一共55 臺(tái)，于2019年5月18日到貨，2019年5月19日開箱驗(yàn)收。2019年8月11日對(duì)避雷器及基座絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)避雷器直流電壓和0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流實(shí)驗(yàn)。進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格。

2.2.2對(duì)安裝在電力機(jī)車上的避雷器質(zhì)量的調(diào)查

經(jīng)查，電力機(jī)車出廠后，避雷器由大/小修單位整體檢查。其中，SS4G型6201#電力機(jī)車，分別于2018年10月23日由中車大同機(jī)車電力機(jī)車有限公司大修驗(yàn)收竣工，2019年9月12日由西安局集團(tuán)公司新豐鎮(zhèn)機(jī)務(wù)段小修驗(yàn)收竣工。SS4G型6200#電力機(jī)車，分別于2018年10月23日由中車大同機(jī)車電力機(jī)車有限公司大修驗(yàn)收竣工，2019年9月11日由西安局集團(tuán)公司新豐鎮(zhèn)機(jī)務(wù)段小修驗(yàn)收竣工。

2.2.3對(duì)安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器運(yùn)行情況的調(diào)查

經(jīng)查，2019年9月27日至28日設(shè)備管理單位對(duì)靖邊北至響水塘區(qū)段共計(jì)巡視5次，均未發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)上避雷器異常。2019年9月29日，應(yīng)西安局集團(tuán)公司延安綜合段設(shè)備隱患排查要求，相關(guān)單位對(duì)靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所上、下行供電臂所轄區(qū)段進(jìn)行聯(lián)合巡視，巡視結(jié)果有如下3點(diǎn)。

第一，巡視靖邊北站至海則灘區(qū)段未發(fā)現(xiàn)異常。巡視記錄了黃蒿界至靖邊北區(qū)間1#至360#，區(qū)段內(nèi)8處避雷器計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。靖邊北至黃蒿界區(qū)間避雷器計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)如表1所示，靖邊北至黃蒿界區(qū)間避雷器計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)情況如圖5所示。

第二，巡視黃蒿界站132#至黃蒿界至響水塘區(qū)間時(shí)，發(fā)現(xiàn)黃蒿界站125#避雷器脫離器燒損脫落，125#避雷器計(jì)數(shù)器雷擊次數(shù)為15，電流指針為0 mA。130#避雷器計(jì)數(shù)器雷擊次數(shù)為7，電流指針為無限大。

第三，巡視響水塘站89#至黃蒿界至響水塘區(qū)間67#時(shí)，發(fā)現(xiàn)黃蒿界至響水塘區(qū)間3#、4#（大墩梁隧道進(jìn)出口）避雷器脫離器燒損脫落。靖邊北至黃蒿界區(qū)間接觸網(wǎng)避雷器擊穿情況如圖6所示。響水塘站89#避雷器計(jì)數(shù)器雷擊次數(shù)為0，電流指針為0。3#避雷器計(jì)數(shù)器雷擊次數(shù)為167、電流指針為0。4#避雷器計(jì)數(shù)器雷擊次數(shù)為 505。

2.3 對(duì)浩吉鐵路設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的調(diào)查

2.3.1浩吉鐵路設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)調(diào)查

浩吉線：機(jī)車型號(hào)為HXD系列。牽引質(zhì)量：浩勒?qǐng)?bào)吉南-襄陽（襄州）段 10 000 t、部分 5 000 t，襄陽（襄州）-吉安段 5 000 t。采用AT供電方式。新建牽引所采用 220（330 陜西）/2×27.5 kV，三相 V 接線，100%固定備用。

相關(guān)聯(lián)絡(luò)線情況如下：機(jī)車型號(hào)為HXD系列（以HXD1C、HXD3為主），牽引質(zhì)量為5 000 t。東烏聯(lián)絡(luò)線采用AT供電方式，其他聯(lián)絡(luò)線（例如新陶線、太中銀線、隴海線）、專用線（例如靖神線）采用帶回流線的直供方式。

由于本線機(jī)車類型為交直交傳動(dòng)電力機(jī)車，其功率因數(shù)較高（＞0.9），因此牽引變電所不設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，但預(yù)留高次諧波濾除裝置設(shè)置條件。可采用以下措施來降低電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響：牽引變壓器一次側(cè)采用相序輪換方式接入電力系統(tǒng)；采用 Vv 結(jié)線牽引變壓器。

2.3.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間的情況調(diào)查

接觸網(wǎng)熱滑和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間的列車編組采，用HXD3D49+內(nèi)燃機(jī)車DF4D403，期間沒有發(fā)現(xiàn)電壓過高和避雷器爆炸問題。

3 原因分析

3.1 機(jī)車故障時(shí)間與牽引變電所避雷器故障記錄時(shí)間不重合

具體情況如下：①2019年9月27日06時(shí)01分浩吉線靖邊東變電所跳閘，9月27日8時(shí)44分6200#+6201#電力機(jī)車開51003次由黃蒿界站發(fā)車。②9月28日15時(shí)38分，浩吉線靖邊東變電所202斷路器跳閘，重合閘成功，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓顯示33 kV。在此時(shí)間段，SS4G型6200#、6201#電力機(jī)車停在黃蒿界站5道，未升弓。

3.2 避雷器設(shè)備質(zhì)量符合要求

電力機(jī)車及避雷器均經(jīng)過中車大同機(jī)車電力機(jī)車有限公司大修、西安局集團(tuán)公司新豐鎮(zhèn)機(jī)務(wù)段小修并鑒定合格。

接觸網(wǎng)避雷器出廠檢驗(yàn)、合格證及安裝前試驗(yàn)均符合要求。脫離器作為避雷器的配套產(chǎn)品，與避雷器串聯(lián)使用，當(dāng)避雷器故障損壞時(shí)能動(dòng)作脫離，將故障損壞的避雷器及時(shí)與系統(tǒng)隔離并做出清晰標(biāo)示，從而確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以方便故障的查找及避雷器的檢修更換。電力機(jī)車頂部的避雷器及牽引變電所內(nèi)的避雷器未安裝脫離器，也發(fā)生了擊穿故障，說明靖神鐵路接觸網(wǎng)上避雷器擊穿與脫離器沒有直接關(guān)系。

3.3 產(chǎn)生問題的原因分析

3.3.1諧波共振因素影響

隨著我國(guó)軌道交通的發(fā)展，電氣化鐵路線路不斷增加，形成了樞紐地區(qū)牽引變電所同時(shí)為多條線路供電的新情況。與普通牽引供電系統(tǒng)不同，樞紐牽引供電系統(tǒng)同一母線上連接的供電線路數(shù)量（長(zhǎng)度）大幅增加。分析認(rèn)為由于每條供電線路中存在的分布電容、電感與系統(tǒng)中感性設(shè)備耦合，樞紐牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生了多個(gè)諧振，而這些諧振的存在極易造成更為復(fù)雜的多諧振點(diǎn)諧波諧振問題。

樞紐牽引供電系統(tǒng)的線路上運(yùn)行著不同傳動(dòng)類型且數(shù)量眾多的電力機(jī)車或動(dòng)車組，由于列車輸出的諧波頻段范圍差異較大，多種不同傳動(dòng)類型列車的交互運(yùn)行造成了樞紐牽引供電系統(tǒng)更為復(fù)雜而豐富的諧波問題。這些因樞紐牽引供電系統(tǒng)多供電線路、多種不同傳動(dòng)類型列車交互運(yùn)行而帶來的新的諧振與諧波問題，極易引發(fā)供電設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅著樞紐地區(qū)的鐵路行車安全[4]。樞紐牽引供電系統(tǒng)存在主諧振點(diǎn)和多諧振點(diǎn)構(gòu)成的諧振帶，系統(tǒng)諧波頻帶豐富，極易造成高次諧波放大，進(jìn)而造成諧波畸變率增大[5]。

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)日靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所供電臂上，除了靖神線SS4G型6200#、6201#電力機(jī)車外，還有HXDD1型電力機(jī)車運(yùn)行。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在和諧、韶山兩種型號(hào)電力機(jī)車在同一供電臂上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生諧波，使電壓瞬間升高。

3.3.2諧波引起持續(xù)過電壓的影響

國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定，牽引變電所進(jìn)線電壓誤差要求±10%。為保證牽引變電所供電臂末端電壓，牽引變電所進(jìn)線電壓一般都為正誤差，牽引變電所變壓器二次側(cè)的電壓一般都高于27.5 kV。機(jī)車通過時(shí)由于諧波作用，造成供電臂首端（或所內(nèi)）網(wǎng)壓疊加升高，超出了避雷器允許工作范圍。

TB10009-2016規(guī)定：電力牽引變電所牽引側(cè)母線的額定電壓為27.5 kV，自耦變壓器供電方式為2×27.5 kV；電力機(jī)車、電動(dòng)車組受電弓和接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25 kV，短時(shí)（5 min）最高電壓為29 kV；高速鐵路、城際鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為20 kV，其他鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為19 kV[6]。

根據(jù)運(yùn)行記錄判斷，接觸網(wǎng)持續(xù)網(wǎng)壓已經(jīng)明顯超過設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的29 kV的要求和避雷器額定電壓。高次諧波會(huì)降低電容的容抗，提高電感的感抗。對(duì)牽引網(wǎng)的影響主要是提高整體線路的阻抗，同時(shí)降低電纜線路的容抗，導(dǎo)致線路參數(shù)發(fā)生較大變化，使車網(wǎng)耦合參數(shù)出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象，從而引發(fā)高次諧波振蕩。如果在機(jī)車運(yùn)行期間發(fā)生接地故障可能導(dǎo)致故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。諧波可使通過電容器的電流幅值增大且電容值變小幾倍甚至幾十倍，因此諧波通過電容器時(shí)，會(huì)使電容器的溫度升高，長(zhǎng)期使用將可能導(dǎo)致電容器熱擊穿。系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，PT將產(chǎn)生過電壓使電流激增。此時(shí)除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致PT燒毀。個(gè)別情況下，還會(huì)引起避雷器、變壓器、斷路器的套管發(fā)生閃絡(luò)或爆炸。

3.3.3供電臂過長(zhǎng)因素影響

靖邊東牽引變電所至巴圖灣分區(qū)所供電臂，負(fù)責(zé)浩吉線納林河（不含）至海則灘（含）至靖邊北（含）至靖邊東（含）至建華（含）172.33 km、靖神線靖邊北（含）至黃蒿界（含）至響水塘（不含）區(qū)段32.7 km供電設(shè)備，供電臂過長(zhǎng)影響機(jī)車取流。

結(jié)合調(diào)查情況，初步判定設(shè)備質(zhì)量符合要求，機(jī)車沒有非正常操作。初步判斷電力機(jī)車避雷器擊穿、接觸網(wǎng)避雷器脫離器燒損脫落，均由浩吉線靖邊東牽引變電所靖邊東至巴圖灣分區(qū)所上、下行供電臂網(wǎng)壓、電流過高造成。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，諧波是直接原因。

4 采取的措施

4.1 技術(shù)措施

具體有以下4點(diǎn)技術(shù)措施：①將牽引變壓器檔位調(diào)低，并持續(xù)監(jiān)控?zé)o車運(yùn)行狀況和有車運(yùn)行狀況下電壓的數(shù)據(jù)。擋位調(diào)到最低后，浩吉線拉通試驗(yàn)和萬噸試驗(yàn)期間，對(duì)牽引變電所電壓和電流監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)壓升高電壓均在29 kV以下，電流在600 A左右，沒有出現(xiàn)避雷器擊穿和爆炸的情況。②車務(wù)部門了解掌握供電臂上行車信息，并及時(shí)向機(jī)務(wù)乘務(wù)員通報(bào)，避開和諧、韶山電力機(jī)車在同一供電臂運(yùn)行情況。③在電力機(jī)車上設(shè)置寬頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，確保浩吉線正常運(yùn)行。④根據(jù)情況決定后續(xù)是否在牽引變電所內(nèi)安裝濾波裝置。電能凈化裝置對(duì)高次諧波具有明顯減少和消除的作用，可進(jìn)一步保障鐵路牽引變電所安全運(yùn)行[7]。

4.2 管理措施

具體有以下4點(diǎn)整改措施：①靖神鐵路公司需督促國(guó)電公司，加快牽引變電所外電的施工進(jìn)度，盡快解除浩吉線向靖神線接觸網(wǎng)越區(qū)供電。②機(jī)務(wù)乘務(wù)員應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)向供電調(diào)度匯報(bào)，對(duì)于機(jī)車運(yùn)行過程中出現(xiàn)網(wǎng)壓過高問題要果斷采取措施，經(jīng)供電調(diào)度同意后應(yīng)立即停車。③供電部門應(yīng)加強(qiáng)接觸網(wǎng)越區(qū)供電區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)備的巡視檢查，對(duì)于安全隱患問題及時(shí)上報(bào)并安排處理。④建立對(duì)外聯(lián)系溝通機(jī)制，供電部門應(yīng)積極與延安綜合段對(duì)接，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)牽引供電設(shè)備安全管理分界細(xì)節(jié)問題，明確責(zé)任并簽訂設(shè)備運(yùn)行維護(hù)分界協(xié)議。

5 結(jié)束語

任何三相不平衡諧波電流均由諧波正序電流和負(fù)序電流組成，由于電力機(jī)車為非線性載體，而且各類電力機(jī)車的特性不同，對(duì)牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不同，由此產(chǎn)生的高次諧波廣泛分布于供電系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時(shí)可能發(fā)生系統(tǒng)諧振，進(jìn)一步加劇高次諧波的形成。對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波綜合治理非常必要[8]。抑制牽引供電系統(tǒng)高次諧波可以從在電力機(jī)車上設(shè)置寬頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置、采用有源和無源濾波相結(jié)合的方式濾波兩個(gè)方面采取有效措施。

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收稿日期：2023-10-17

作者簡(jiǎn)介：李晉（1975—），男，湖北孝感人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：鐵路四電施工。