牵引供电系统过电压产生的原因及对策

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摘要： 牵引供电系统中绝缘事故频繁，尤其在电力机车快速通过关节式分相时更为突出。本文试图利用铁磁谐振的原理，以电力机车快速通过七跨式分相装置时的绝缘故障为突破口，探讨铁磁谐振过电压产生的原因及应采取的对策。

关键词：牵引供电系统；绝缘故障；关节式分相；铁磁谐振；过电压

Abstract： the insulation frequently in traction， especially when the electric locomotives through joint type points stand out. Paper based on the principle of ferromagnetic resonance， electric locomotives through the seven cross-neutral section of insulation fault as breach， investigate the causes of ferromagnetic resonance over-voltage and countermeasures that should be taken.

Key words： traction； insulation failure； joint type points； ferroresonance； overvoltage

中图分类号：U223 文献标识码： A

京沪线电气化改造后，伴随着铁路提速，机车过分相引起跳闸的故障频发，多次击穿电力机车支持绝缘子、放电间隙等设备，同时烧伤接触网导线、吊弦、承力索，对铁路运输造成了不利影响。其中以机车通过牵引变电所附近分相时烧伤最为严重，因短路点距离牵引变电所很近、短路电流大，其电动力、热效应等对牵引变电所主变压器、馈线断路器等设备危害很大。因此，找出故障原因，消除运行隐患极为迫切。

1 原因分析

1.1故障现象及设备结构分析

1.1.1牵引变电所

牵引变电所馈线断路器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）馈线保护启动故障测距指示故障距离正常（从接触网烧伤处、机车故障处、现场发现机顶电弧的公里标可以得到验证）；

（3）电流表每次测得的实际电流值较大（在1200A以上），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继电保护测试仪，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。

（6）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。

1.1.2接触网

七跨式电分相装置是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）。由于轨道线路不好、机车晃动、接触导线摆动等原因造成机车受电弓频繁离线，机车电压互感器（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。

1.1.3电力机车

部分机型的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。

1.1.4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。

1.2原因分析

1.2.1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）当机车通过关节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。

1.2.2电路模型

由上述分析，可建立牵引供电系统谐振时的电路模型：

（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。

1.2.3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=OUL-UCO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

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=25000?/10=62.5MΩ，在扰动条件下，感抗将有从62.5MΩ往小变化的趋势。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。

1.2.4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。

1.2.5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（电压互感器的接在主断路器后），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。

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。

2 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、轨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。

2.1电力机车过电压。

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且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。

2.2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）接触网参数符合规定，减少受电弓的离线次数。

2.3轨道线路质量要好，减少受电弓的离线次数。

结束语：

据统计，电力系统中的绝缘事故占总事故次数的一半以上，其中由于过电压导致的绝缘破坏情况尤为突出，因此，过电压问题是关系到电器设备安全的重要问题，总体而言，牵引变电所的过电压问题同电力系统变电所的过电压问题基本相同，但是，由于牵引变压器接线方式、负荷特点、运行条件等与电力系统差别很大，因此在具体应用中，应对这些特殊问题细致分析，重点考虑。

电力系统

参考文献：

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