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浅谈电力机车高压电气设备过电压的影响及防护

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：阎孝鑫刘凌寒

[导读] 摘要：在电力机车高压电气设备运行的过程中，会遇到许多种类的过电压，它们分别由不同的原因产生而成。

        中车大连机车车辆有限公司辽宁大连 116000
        摘要：在电力机车高压电气设备运行的过程中，会遇到许多种类的过电压，它们分别由不同的原因产生而成。本文对其进行简要分析，探寻得出过电压对电力机车高压电气设备运行产生的影响，并根据现有的情况总结得出了相关的措施，从而对过电压起到一个预防的作用，进一步保障电气设备运行的安全性与稳定性。
        关键词：过电压；电力机车；高压电气设备
        一、研究背景及意义
        我国经济实力不断增长，铁路交通运输水平的提高起到了极为重要的作用。自1975年全国首条电气化铁路--宝成铁路的问世，直至《中长期铁路网规划》对全国铁路2020年发展状况的规划要求，我国铁路的主要技术装备以可喜的状态朝国际先进水平靠拢。“和谐号”动车组及中国标准化动车组的投入使用，标志着我国的铁路技术已到达了新的高度。
        铁路系统的高速发展同样面临着挑战，其中电力机车的过电压防护就是需要长期解决的重要问题。自新型交直交传动电力机车在我国投入运用以来，多次发生高次谐波电流引发的牵引供电系统谐振现象，基波的基础上叠加了谐波电压造成网压升高，造成避雷器炸损，接触网跳闸等事故，对铁路正常运行产生不好的影响。研究过电压对电力机车高压电气设备的影响具有十分重要的意义。
        二、过电压对电力机车高压电气设备影响
        我国的大部分牵引供电系统会选择25KV、50Hz的供电方式，首先由机车受电弓接收电流，经主断路器、高压电流互感器等输入牵引变压器当中，牵引变压器将25KV电压变比后传送给变流器模块，通过变流器的整流、中间直流、逆变环节后将电力输入牵引电机，产生牵引力。如何在电力机车运行过程中避免或减轻过电压影响是一个长期面临的问题。譬如雷击过电压、谐振过电压、操作过电压等一系列过电压引起的机车高压设备击穿闪络现象，在不同程度地阻碍着电力机车的正常运行。
        以下为过电压具体事例：
        2019年8月21日，一组HXD30101+0124重联机车，与其他4台机车在洛阳机务段一起进行调车转线作业过程中，HXD30124机车车外有闪光和异响，检查后发现Ⅰ端避雷器被击穿，受电弓上方接触网断线，车顶周边有放电痕迹。

        原因分析：上图所示是 HXD3型电力机车网侧高压电路部分拓扑图。由于当时多台机车重联，并且对每台机车多轴牵引系统进行了人工隔离，网压出现了严重畸变，存在高次谐波。HXD30124机车的避雷器一定时间内承受高次谐波引起的暂态过电压，吸收了一定能量后避雷器发生热崩溃，电阻片中间被击穿，内部压力从压力释放口处释放。避雷器放电炸损后，绝缘击穿，导致接触网经受电弓碳滑板通过避雷器发生接地，接地电流路径如图所示，导致接触网跳闸。当接触网2s后重合闸时，机车主断未及时断开，接触网通过避雷器二次放电，且机车位置没有移动，弓网接触处电阻增大，发热量较大，接触网烧断。
        由上面例子可知，过电压会对电力机车的运行造成叫较大的安全隐患，降低机车高压设备的使用寿命，甚至会直接损坏电力机车高压电器设备或其他相关电气部件，造成机破事故，同时对25KV接触网产生破坏。
        针对过电压，应从实际情况出发，全面考察影响电力机车高压电气设备正常运行的内外因素。既要重视外界环境可能对电力机车高压电气设备正常运行的影响，同时也不能忽视不同类型的过电压可能会带来的不同状况，针对实际问题制定符合问题需求的解决措施，使得电力机车高压电气设备能正常有序的运行。
        三、降低过电压对电力机车高压电气设备影响的有效措施
        3.1 规范人为操作，维护设备稳定
        在电力机车高压电气设备的运行过程中，由于操作人员行为、判断、思维等一系列因素出现偏颇而导致的各种错误是十分常见的。对此，我们可以采取以下措施来进行有效的防控：首先，在电力机车高压设备处贴出醒目警示牌、相关操作规范。比如电力机车实行的高压互锁措施就比较合理化，即高压接地开关与机车钥匙箱连锁控制，可以实现机车的高压安全互锁，确保只有在网侧回路完全接地的情况下才可打开机车的其他电器柜门，实现高压安全互锁；第二，对相关操作人员进行定期的培训及检查，全方位规范操作人员的工作模式，防止出现错误行为。最后，在机车到段与出发前需进行整备作业，相关操作人员进行高压设备的外观、功能检查，确保没有问题。
        3.2 提高抗干扰能力，严防谐振影响
        我国铁路线牵引供电系统中各个主机厂的机车产品混合使用现象使得牵引供电系统中的谐波较为常见，产生的谐振过电压将对牵引供电系统尤其是电力机车高压电气系统的安全稳定运行产生危害。如上面提到的例子，机车采取了多轴隔离措施进行牵引作业，交流电力机车正常工况下变流器采用移相载波控制方式，每个轴的载波相位平均分布，实现谐波互相抵消。如果进行隔轴操作，载波相位不平衡，网侧谐波成分会增大。若同一供电臂下隔轴机车数目较多，将使网压畸变严重。
        我们可以对高压电气系统进行一定程度的调整，也可以进一步优化传统的操作技术，具体措施参考如下：第一，从电力机车高压电气设备的实际运行情况出发，为其制定科学、合理的保护动作措施，比如对电力机车TCMS软件进行合理化改进，优化网压保护策略、相关保护限值调整，使之可以在过电压时使机车采取有效的保护动作；第二，优化电气元件，对高压设备的选型进行优化，减小谐振波对高压电气设备的影响，例如避雷器相关参数；第三，规范电力车操作规程，尽量避免产生网侧高次谐波的操作。比如上述事例事故中，避免多台机车多轴隔离的现象产生。
        3.3 防控外界因素，保障设备稳定
        电力机车高压电气设备的电流变化情况复杂，恶劣自然环境是不可忽视的一项内容，影响最为剧烈的当属来自于大气的雷击过电压。雷直击过电压是雷击放电直接作用于接触网，具有较短的波长；感应过电压是雷击接触网附近产生的过电压，具有较长的波长。无论是何种雷击方式，都会对电力机车高压电气设备的稳定运行产生一定程度的危害。
        如何抵御这样的雷击呢？首先，车顶装置采用绝缘外壳、涂抹防护层、绝缘漆；各个高压设备之间位置符合爬电距离、电气间隙要求等防护方式，比如车顶高压电缆接头外皮设计为绝缘伞裙、高压绝缘套管等措施。可以有效地增强抗雷击能力，保证电力机车在雷暴天气或其他极端天气中仍能稳定的运行；此外，在车顶安装避雷器也是极其有效的手段，当遭受雷击时避雷器会被击穿直接与地相连，将雷电导入地下避免了高压电气设备受损。其次，对于一些电力机车高压电气设备，应提前对其进行出厂试验以及送至第三方检验，在机车设计之初就对高压部件的质量进行严格把关。
        四、结束语
        高压电器设备的稳定程度对于电力机车的运行有着重大的作用，然而在电力机车实际的运行过程中，电力机车的高压电气设备常常会受到外部以及内部的影响，从而产生不同程度的过电压，作用于电力机车的高压电气设备，使其受到震荡的影响，降低了电力机车的安全性能以及工作质量。在机车的设计生产到用户的操作使用，各个环节都应严格把控，规范设计，规范操作。从电力机车实际的运用条件反馈、各种极端环境出发，逐步对机车高压电气设备进行优化和改进，从细节处入手，全方面的降低过电压的影响，从而使得电力机车得以稳定的运行。
        参考文献
        [1]王长华.过电压对电力机车高压电气设备的影响[J].黑龙江科学,2018,9(24):114-115.