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。
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a
1、a
2、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
