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过电压对电力机车高压电气设备的影响

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发表于 2017-9-18 08:10:07 |显示全部楼层
 建议探讨过电压对电力机车高压电气设备的影响何安清(南车株洲电力机车有限公司技术中心,湖南株洲412001)车的运用现状,提出了研究抑制过电压的措施和建议。
  1概述随着近几年我国铁路建设的迅速发展,铁路运输越来越成为国民经济中的重要角色,特别是高速动车组、重载电力机车、地铁轻轨和城际列车等电力牵引装备,越来越与人们的生产生活密切相关,同时人们对铁路运营的要求和期望也越来越高,因此高效、安全、快捷已经成为铁路电力牵引运输装备最重要的发展要求。
  以运行在户外单相交流25kV制式供电的电力机车为例,车顶的高压电气设备不仅要长期面对各种恶劣环境的侵蚀,同时也承受着各种类型的过电压冲击。
  据统计,目前电力机车在运行过程中,特别是冰雪浓雾和重度污染的气候条件下,车顶设备事故发生次数较多,其中车顶电气设备的击穿闪络事故占绝大部分,这种现象己成为制约电力机车正常运行的主要瓶颈之一。车顶故障形成的原因,排除恶劣环境造成的外部原因以外,主要来自于各种类型的过电压。电力机车高压的绝缘设计涉及到电力机车的高压电气设备,同时也涉及到与之密切相关的供电接触网和地面变电站等系统,因此在电力机车的网侧电路设计中,仅仅关注于电力机车电气设备的参数是不够的,而应该把供电系统和电力机车作为整体来考虑。由于在我国供电系统与车载系统分属不同系统,各自设计采用的标准不同,难免会出现绝缘匹配失衡、顾此失彼的问题,因此有必要对于电力机车所承受的过电压环境进行的综合分析,以利于电力机车高压电气设备的绝缘设计,同时也能够有针对性地制定解决电力机车车顶故障的措施。
  2电力机车过电压的分类电力机车运行在单相交流额定25kV接触网下,根据GB1402―1998标准规定,铁路电力牵引系统标称电压为25kV的轨道牵引装置包括电力机车、动车组或城际铁路电力机车等,最高允许电压为27.5 kV(有效值),最低允许电压为19kV(有效值),这是电力机车正常条件下的电压波动范围,但在实际线路运行中,由于电气化供电区段不同的负载,特别是在重载电力牵引的电气化区段,电压范围会超出该范围,一些运输特别繁忙的电气化区段,为了保证区段内同时运行多辆电力机车时不会导致牵引供电网压过低,往往网压设置会高于标准值。
  形成电力机车在运行过程中的过电压主要有如下几种类型。
  2.1过分相产生的过电压电力机车运行在通过锚段关节式电分相时产生过电压的主要原因是:在机车进入过分相无电区的过程中,受电弓、车顶高压引线的对地电容、中性嵌入线以及高压电压互感器形成了谐振回路,由于分相无电区也会存在感应电压,电路结构由“有电”到“无电”或者由“无电”到“有电”发生的暂态变化形成高阶振荡电路,因而产生振荡过电压。其产生的原因与机车过分相时司机正常开断主断路器的操作无关,而与机车的电气设备和关节式分相器的参数结构有关。不同线路区段和不同的电力机车,过分相所产生的过电压幅值也是不相同的,据有关部门的线路试验测试,过分相产生的过电压幅值最高接近100kV,频繁的过电压对接触网线和机车的高压电气设备形成较大危害,严重时甚至会导致接触网烧线和绝缘子闪络击穿等现象。
  2.2弓网关系产生的过电压由于电力机车是通过受电弓与接触网导线的动态接触而获得电能,而受电弓和接触网的悬挂系统具有一定的弹性,受电弓与接触网线上的接头线夹、定位线夹或受电弓拉弧硬点的动态接触,或者是由于线路条件不好、受电弓接触压力偏低等原因,都将造成受电弓频繁离线现象。机车上电压互感器绕组、变压器原边绕组等感性负载在受电弓频繁离线暂态过程中形成谐振回路,从而产生高阶谐振过电压;同时由于机车电压互感器和变压器等铁磁电感的饱和作用,形成铁磁振荡。
  一般这种情况下的过电压幅值不会太高,但在严重情况下不仅会造成受电弓滑板和接触网线拉弧烧损现象,也容易造成高压电压互感器烧毁的现象。
  2.3操作过电压电力机车的操作过电压包括电力机车内部和外部的两种类型,牵引供电系统的重合闸或者同区段相邻电力机车产生的过电压会导致本机的过电压产生,同时由于电力机车原边感性负载电路,主断路器在电流过零点的小电流开断也会导致截流过电压,机车内部的操作过电压产生的最高幅值与机车原边电路参数有关。操作过电压对于真空断路器和牵引变压器绕组的绝缘危害较大,情况严重时可能会造成真空断路器的炸损。
  由于气候造成的大气过电压作用在25kV接触网上,主要分为雷直击过电压和感应过电压。雷直击过电压是雷击放电直接作用于接触网上而产生的过电压,其波长较短;感应过电压是当雷击放电发生在接触网附近而产生的感应过电压,波长相对较长。
  电力机车承受如此多种类的过电压,极端情况下过电压的同时发生会产生过电压叠加的可能,因此电力机车在运行中所承受的过电压环境是比较恶劣的。
  过电压对于车载高压电气设备的危害较大。一般单相交流供电的电力机车的高压电气设备分为保护性设备和功能性设备,保护性设备主要是避雷器,其主要功能是抑制电力机车车载系统的过电压;功能性设备主要包括支持绝缘子、受电弓、主断路器、高压隔离开关、电压互感器、电流互感器、高压电缆和牵引变压器等。功能性设备的绝缘强度主要取决于设备的外绝缘特性,而真空断路器、高压电压互感器和变压器等设备由于内部结构也存在对地绝缘要求,其绝缘强度取决于设备内部采用的绝缘材料。
  3电力机车的绝缘配合绝缘配合的目的是正确处理过电压和绝缘之间的矛盾,确定设备的绝缘水平,保证电力机车高效、安全、可靠运行。目前采用的绝缘配合模式是以阀式避雷器的保护特性作为绝缘配合的基础,被保护设备绝缘水平的选取是在此基础上乘以相应的配合系数。
  电力机车车载设备的绝缘保护水平取决于支持绝缘子和设备的外绝缘材料。在引进消化进口机车技术早期,引进国外机车基本上都采用IEC60077-1标准中OV3类过电压等级,相应的车顶设备和保护设备的绝缘水平较低,不能适应国内较为恶劣的气候环境。例如早期引进的真空断路器和高压隔离开关的外绝缘和受电弓支持绝缘子等结构高度不超过315mm,电力机车运行中经常出现车顶设备外绝缘闪络放电的现象。
  鉴于国内恶劣的气候环境的现状,目前大多数电力机车的车顶电气设备中绝缘子或绝缘外套己经普遍采用了憎水性强、低温耐候性好、耐污闪能力强的硅橡胶复合材料,同时按照TB/T3077.2―2006电力机车车顶绝缘子第2部分复合绝缘子的分类规定,己经普遍选取了结构高度400mm以及爬电距离大于1000mm的绝缘子或绝缘外套,标准雷电冲击耐受电压(峰值)不小于185kV,从避雷器的伏安特性可以看出,避雷器标称10kA的操作冲击电流下的残压一般为105~110kV,因此电气设备的绝缘配合系数K.大于1.6,符合我国标准要求的绝缘系数K.1.4的要求。
  避雷器的伏安特性曲线高压电气设备的绝缘水平可以通过伏秒特性曲线来直观地反映。伏秒特性曲线是指在冲击波或操作波电压下绝缘击穿时,冲击波的电压与电压作用时间的关系。通常通过试验采用不同冲击波电压进行绝缘的击穿试验,可以得出设备绝缘的伏秒特性曲线,如所示,避雷器作为保护类设备,其绝缘伏秒特性曲线应低于被保护的高压设备的绝缘水平,才能起到抑制过电压和保护功能性设备的作用。
  按照以避雷器的保护特性作为绝缘配合基础的过电压保护模式,电力机车高压系统绝缘配合的主要目的是选择合适的避雷器参数,以避免在过电压冲击波作用下对被保护设备的绝缘击穿。但是在电力机车实际运用过程中,由于气候环境恶劣和过电压产生的不确定性,避雷器在冲击波电压作用下动作后的残压仍有可能超过被保护设备的绝缘水平,被保护设备也会出现闪络击穿现象。
  4措施和建议通过分析国内外电力机车的网侧电路绝缘配合应用的实例,采用两级避雷器保护是行之有效的解决办法。通过分析不难看出,当在过电压冲击波下I级避雷器作用动作后,级避雷器能够有效抑制I级避雷器作用后产生的残压,从而避免被保护设备在避雷器动作后的绝缘击穿。
  例如庞巴迪公司设计的lore-Kiruna机车的网侧电路采用了两级避雷器保护,就是比较成功的范例,具体实施方案是在车顶的两个受电弓端分别设置两个避雷器,同时在真空断路器输出端设置一个避雷器,在受电弓端的避雷器选取标称放电电流5kA下残压值为120kV,在真空断路器输出端选取标称放电电流5kA下残压值为108kV.通过两级避雷器的保护可以有效抑制各种类型的过电压,特别是对于真空断路器侧产生的操作过电压具有明显的抑制作用,从而有效达到保护高压电气设备的目的。仅从电力机车上应用的真空断路器出现的故障统计来看,没有采用两级避雷器保护的电力机车出现真空断路器烧损的故障次数明显高于采用两级避雷器保护的机车。由于电力机车车型不同,网侧电路电气设备参数、变压器绕组参数和分布电容等都会不同,产生操作过电压也不同。在分析车顶真空断路器故障时发现,即使同样型号车型,由不同厂家生产,出现真空断路器烧损的次数也会有很大不同。
  目前由于缺乏针对电力机车车顶高压系统的试验数据,很难通过高压电气设备的参数的合理匹配来减小操作过电压,但是我们可以在电力机车网侧电路中采用两级避雷器保护模式来有效地降低车顶的过电压幅值。
  采取相应的措施可以降低过电压的危害,但要从根本上解决过电压的问题,达到电力机车的高压系统的最佳绝缘配合,仍然需要解决以下一些问题:供电系统和车载系统的绝缘水平的选取不应孤立起来。鉴于目前的管理体制,建议牵头部门组织两个系统的专家共同研究电力机车供电系统绝缘配合和绝缘水平的标准,达到选取合理的绝缘匹配参数的目的。
  电力机车网侧电路的绝缘水平在设计中应系统、综合地考虑各种过电压、避雷器保护参数和各种设备的绝缘水平等因素,不能仅关注于单个电气设备的参数。
  有必要进行电力机车网侧高压系统的试验测试,研究电力机车高压系统过电压产生的试验数据,为建立机车网侧高压系统模型和过电压的理论计算提供依据。
  5结束语通过对于电力机车过电压产生原因的分析,可以看出电力机车在运行过程中网侧电路的高压电气设备面临着复杂的过电压环境,在恶劣气候的外因作用下容易出现设备绝缘击穿的故障现象,给电力机车的行车安全带来较大的危害。因此在电力机车网侧电路的设计中应系统地解决电气设备的绝缘配合问题,同时应选取合理的避雷器保护参数和配置模式,这样才能够有效地抑制过电压,从而减小给高压电气设备带来的危害,保证电力机车的行车安全。



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