电气化铁路过电压产生的原因及对策

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摘要: 电气化铁路绝缘事故频繁已是一个不争的事实,尤其在提速区段,将分相装置由器件式改为七跨式后更为突出。本文试图利用铁磁谐振的原理,以SS7型(7C、7D、7E)机车牵引快速列车通过虢镇牵引变1#馈线七跨式分相装置时的绝缘事故为突破口,探讨电气化铁路铁磁谐振过电压产生的原因及应采取的对策。

关键词:电气化铁路铁磁谐振过电压 1概况 2005年8月25日～2007年3月12日,自从西宝段接触网分相改造后,虢镇牵引变1#馈线共发生跳闸106件,其中机车过分相跳闸103件,占总跳闸的97.2%,重合失败1次,多次击穿电力机车支持绝缘子、放电间隙等设备,两次烧伤接触网导线、吊弦、承力索,对运输生产造成了影响。 由于短路频繁、短路点距牵引变电所很近(虢变约400m)、短路电流大(实测6100A～6400A,理论计算最大超过8000A,达到牵引主变、馈线断路器额定电流的6～8倍),其电动力、热效应等对牵引主变、馈线断路器等设备危害很大。因此,查清事故原因,消灭运行隐患,成为一项紧急任务。 2原因分析 2.1跳闸现象及设备结构分析 2.1.1牵引变电所 2.1.1.1馈线保护馈线开关跳闸是由馈线保护动作引起,该保护动作是否正常成为问题的关键之一。经试验分析,保护动作正常的条件如下: (1)馈线保护动作时各种信号、指令正常; (2)馈线保护启动故障探测仪指示短路距离正常(从接触网烧伤处、机车故障、现场发现机顶电弧的距离可以得到验证); (3)电流表每次保持在满量程刻度(1200A),说明确实有短路电流存在; (4)故障录波仪每次记录的短路电流、电压波形均表示馈线有短路存在; (5)为了进一步说明问题,在该馈线加装了微机保护,跳闸时记录的短路电流、谐波、波形等与上述四条吻合。因此,完全可以排除继电保护误动。 2.1.1.2牵引变电所设备 每次跳闸巡视时没有异味,设备未有烧伤痕迹,值班人员未听到短路电弧声,可以排除因变电设备引起的原因。 2.1.2接触网 器件式电分相装置由三节绝缘体组成,受电弓通过时电流连续减小,直到为零,不会出现多次失电、带电的现象。而七跨式电分相装置则通过工作支抬高过渡为非工作支、中性线降低过渡为工作支进行机车过相转换(出时相反)。由于铁道线路不好、机车晃动、接触导线摆动等原因造成机车受电弓频繁离线,电压互感器(变压器)失电又重新得电,相当于机车先切后合,这一过程可能重复多次,使电路瞬间产生多次过渡过程。 2.1.3电力机车 与SS4型机车相比,韶山7E型电力机车将电压互感器移在主断路器之前,其带电与否只与受电弓的升降有关,与机车断路器的开断无关,而且电压互感器、变压器均是带铁芯的电感元件,在冲击电流下电感量呈非线性变化,使该电路的过渡过程不同于一般的电路变化。 2.1.4供电系统 供电系统存在大量的集中参数和分布参数元件,均以电阻、电感、电容的形式存在,尤其分布电容将空气作为介质,受气温、湿度、天气变化影响很大。事实上,上述跳闸与季节、天气有一定的关联,而它往往是造成谐振的一个主要元件。 2.2原因分析 2.2.1原因归纳 从上面的排查可以总结出: (1)电力机车的电压互感器、变压器是具有铁芯的铁磁元件; (2)当机车通过新式电分相装置时易形成多次分、合现象; (3)供电系统的分布电容在季节、气候等变化下,其参数可变。 2.2.2电路模型 由上述分析,可建立电气化铁路谐振时的电路模型: (1)将电力机车的变压器、电压互感器作为负载,它们是带铁芯的电感元件,在受到外界扰动时铁芯易饱和,成为变频元件,等效为X。假定其它元件在谐振前后均为线性元件。 (2)其它变压器,供电线路、接触网的电感等效在25kV侧很小(50000kVA牵引主变基频时每相等效电抗1.3Ω),可以忽略。 (3)机车牵引负荷是一个变量,与研究的压互相比,电抗很小,可忽略,假定过分相时机车负荷已降为零,其它机车等效为与负荷成正比的可变电阻R。 (4)将受电弓在接触网分相过渡处形成多次分、合的现象等效为高频开关KH。 (5)将供电系统的分布电容等效为一组可变电容C,牵引变电所的并电容等效为Cb,开关等效为KC。 (6)将电源电势等效为E。利用等效电源定理,做出电气化铁路等效到25kV侧的电路模型如图一。 2.2.3谐振原理 为了讨论电气化铁路铁磁谐振过电压,我们首先从上述等效电路开始。由于电路中有非线性的铁磁电感元件存在,特性曲线如图二中的UL=f(I),发生谐振时,回路不仅有基频,还有高频、分频谐波分量。我们先以基频为例,把谐振下的电压、电流仍看作正弦波,就可以用交流符号法进行求解。 因为电感上的电压和电容上的电压符号相反,且电容是线性的,即和IC的关系是一条直线,即UC=f(I)。由图二可知,当ωL>1/ωC,即UL>UC时,电路中的电流呈感性;但随着电流的增大,铁芯饱和,电感降低,两条伏安特性相交,达到谐振点;电流再增加,UC>UL,电路中电流变为容性。由电路元件上的压降与电源电势的平衡关系可得:E=UL-UC以上平衡时可用电压降总和的绝对值ΔU来表示,即E=ΔU=∣UL-UC∣可做出ΔU与I的关系曲线ΔU=f(I),如图二。电势E与ΔU相交,就是满足上述方程的点。由图二可以看出,有a1、a2、a3三个平衡点。但这三点并不都是稳定的。研究某一点是否稳定,可先假定回路中有一微小的扰动,分析此扰动是否能使回路脱离该点。例如a1点,若回路中电流稍有增加,出现ΔU>E,即电压降大于电势,则外加电势迫使回路电流减小,回到a1点。反之,若回路电流稍有减小,ΔU<E,电压降小于电势,则外加电势迫使回路电流增大,同样回到a1点。因此a1点是稳定的。用同样的方法分析a2,a3点,即可发现a3点是稳定的,a2点是不稳定的。 同时,从图中可以看出,当电势较小时,回路有两个可能的工作点a1,a3,而当E超过一定值以后,可能只有一个工作点。当有两个工作点时,若电源电势是逐渐上升的,则只能工作在非谐振工作点a1。为了能建立稳定的谐振点a3,回路必须经过强烈的扰动过程,这种经过过渡过程建立的谐振现象谓之铁磁谐振的“激发”。而且一旦“激发”起来以后,谐振状态就可以保持很长时间,不会衰减,直至绝缘击穿、设备损坏,破坏谐振条件为止。这里的激发因素就是等效的高频开关KH。 以电压互感器为例。基频时,按照二次负荷50%计算,S=10VA,"!所以X=250002/10=62.5MΩ,在扰动条件下,感抗将有从62.5MΩ往小变化的趋势。虢镇牵引变电所并电容采用两串五并,基频时每组容抗Xc=636Ω。若忽略可变电容Cb和可变电阻R,谐振前,62.5MΩ>636Ω,即符合谐振条件ωL>1/ωC,若在扰动条件下,某一时刻达到ωL=1/ωC,电路将发生谐振。 实际上,由于铁磁元件的变频作用,即使防止了基波谐振,也可能产生高次谐波或分次谐波谐振。此类谐振机理非常复杂,目前只能根据电路方程求得近似解和判断解的稳定性,以便从理论上认识非线性谐振的出现、存在及其特征。也就是说,只能做定性分析,很难做出定量分析。根据过电压的特点对电路进行综合考虑后,先假定符合铁磁谐振条件,然后再破坏谐振条件。若过电压消失,说明假设条件正确,即先理论分析,再实践验证。 2.2.4电气化铁路负荷的特点 由于单相负荷的特点,牵引供电系统正常的工作状态即处于可能谐振的状态,如严重的不同期操作(两条馈线上的机车不同时合闸或不同时有负荷),非全相运行(一相馈线停电或无机车负荷);而且扰动条件经常存在,如受电弓离线;机车的压互或变压器均是铁芯电感元件等。 2.2.5对电力机车几种运行情况的综合分析 (1)电力机车断电过分相:当SS4型机车断电过分相时不会产生过电压,而SS7型机车要产生过电压,其根源是电压互感器接在主断路器之前。 (2)电力机车带电过分相(机车负荷降为零):由于变压器、电压互感器相当于空载运行,在扰动条件,均有可能产生铁磁谐振过电压。 (3)电力机车带电过分相(机车负荷未降为零):有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素,根据铁磁谐振回路的损耗电阻小于临界电阻值的谐振条件,会产生谐振,但次数要明显减少。 (4)根据跳闸情况分析,过电压造成的机车故障远多于接触网,而且没有造成机车故障的过电压次数更多(机车上可以看到电压表猛然上升),这些没有造成绝缘事故的过电压,由于累积效应,对机车设备的绝缘同样具有危害,如果放电间隙烧伤间隙变大时,极有可能造成机车避雷器损坏、爆炸、支持绝缘子击穿、电压互感器甚至变压器烧坏。 综上所述,这种跳闸是在机车受电弓与接触网多次分、合的扰动条件下,电力机车的铁芯电感元件发生变化,与供电系统各参数在特定条件下匹配而发生铁磁(非线性)谐振过电压所引起的绝缘事故。 产生这种现象的原因在电气化区段普遍存在,造成过电压是必然的。由于系统参数匹配的程度、铁磁谐振过电压的特性、过电压使机车放电间隙、设备绝缘击穿跳闸的概率等原因,才形成了表面上的偶发性,因此,表现在有些地方严重,有些地方相对较少。 3对策 要消除谐振过电压的根源,必须将电力机车、接触网、牵引变电所、铁道线路等作为一个大系统来加以研究,然后考虑其实现的必要性和可能性。 3.1供电段和机务段由于过电压造成了两家设备的损坏,因此应在有关领导主持下,两单位有关人员互相交换信息,共同分析,达成共识,采取适当的措施,消除过电压。 3.2电力机车这类过电压是由接触网的特点、电力机车结构及运行本身存在的缺陷互相叠加而引起,因此对机车改造,是目前现场投资小、见效快的最佳方案,本文推荐采取以下措施。 (1)将机车高压电压互感器的接线改在主断路器后,即与SS4型机车设计接线相同; (2)机车司机必须严格执行操作规程,或加装自动过分相装置,确保断电过分相; (3)在电力机车设计、制造或现场改造时,应选用励磁特性较好的电磁式电压互感器,优先选用电容式电压互感器; (4)在电压互感器的二次侧加装消谐电阻; (5)采用跟随性好的受电弓,减少离线次数。 3.3接触网 (1)在接触网分相的中性区加装阀型避雷器,一方面作为过电压的保护,另一方面利用阀型避雷器的并联电阻作为中性区累积电荷的放电通路,使机车进入中性区的过渡过电压初始值尽量降低; (2)在分相装置的中性区或分相附近加装单相变压器,二次接较小的电阻,研究其在谐振时的阻尼效果;  (3)接触网参数符合规定,减少受电弓的离线次数。 3.4牵引变电所 短时撤出并电容,用以判断过电压的性质;结合在机车上的试验,在变电所进行试验、测量,以便做出综合判断。 3.5铁道线路线路质量要好,减少受电弓的离线次数。 3.6其他了解供电系统的特性,借鉴电力系统在这方面的研究成果。 参考文献： 【1】《电力系统过电压》,武汉水利电力学院,解广润主编 【2】《电气化铁道供变电工程》西南交大,贺威俊,简克良编 【3】《高电压工程》西安交大,邱毓昌,施围,张文元编 【4】《电力系统暂态分析》,西安交大,李光琦编 【5】《韶山4型电力机车》,郑州铁路局宝鸡机务段编