南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 赫 鵬 黃召明 邱艷春 王中明 李文夏

1.概述

近年來(lái)，我國(guó)鐵路建設(shè)工作得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，鐵路運(yùn)輸能力不斷提升，逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要助力，尤其是以高速動(dòng)車組、重載電力機(jī)車等電力牽引裝備與人們生活緊密度的加強(qiáng)更使得人們對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)能力的提高予以了更加迫切的需要。因此，如何為人們提供高效、安全、快捷的鐵路電力牽引運(yùn)輸設(shè)備則成為相關(guān)工作者的工作目標(biāo)和重要課題。

以運(yùn)行在戶外單相交流25kV制式供電的電力機(jī)車為例，由于機(jī)車長(zhǎng)期處于戶外并受到多種惡劣環(huán)境的影響，車頂?shù)母邏弘姎庠O(shè)備會(huì)受到一定程度的侵蝕，同時(shí)各種類型的過(guò)電壓也對(duì)設(shè)備造成了沖擊。據(jù)有關(guān)部分的調(diào)查報(bào)告顯示，電力機(jī)車在冰雪濃霧和重度污染的環(huán)境中行使的事故率較高，其中絕大多數(shù)是車頂電氣設(shè)備的擊穿閃絡(luò)事故，這也使得電力機(jī)車的運(yùn)行受到了極大的影響。該事故的成因由內(nèi)因和外因兩個(gè)部分組成。其外因是惡劣的環(huán)境，內(nèi)因則是各種類型的過(guò)電壓。電力機(jī)車高壓的絕緣設(shè)計(jì)不但設(shè)計(jì)到電力機(jī)車的高壓電氣設(shè)備，同時(shí)也涉及到供電接觸網(wǎng)和地面變電站等，要在電力機(jī)車的網(wǎng)側(cè)電路設(shè)計(jì)中講上述組成部分看做整體，才能保證電力機(jī)車的安全行駛。然而在我國(guó)，供電系統(tǒng)和車載系統(tǒng)是分屬不同系統(tǒng)的，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，使得絕緣匹配失衡等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電力機(jī)車高壓電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合綜合環(huán)境的考慮，使其事故率降到最低。

2.電力機(jī)車過(guò)電壓的分類

電力機(jī)車運(yùn)行在單相交流額定25kV接觸網(wǎng)下，根據(jù)GB1402—1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鐵路電力牽引系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為25kV的軌道牽引裝置包括電力機(jī)車、動(dòng)車組或城際鐵路電力機(jī)車等，最高允許電壓為27.5kV（有效值），最低允許電壓為19kV（有效值），在此電壓波動(dòng)范圍內(nèi)電力機(jī)車可以正常運(yùn)行，然而由于我國(guó)電氣化供電區(qū)段負(fù)載不同，電網(wǎng)能夠支撐同一時(shí)間內(nèi)多車流的能力較差。

電力機(jī)車運(yùn)行中的過(guò)電壓主要分為以下幾個(gè)類型。

2.1 過(guò)分相產(chǎn)生的過(guò)電壓

由于機(jī)車在進(jìn)入過(guò)分相無(wú)電區(qū)時(shí)，在電弓、車頂高壓引線的對(duì)地電容、中性嵌入線以及高壓電壓互感器的共同作用下，其形成的諧振回路與過(guò)分相無(wú)電區(qū)的感應(yīng)電壓形成高階振蕩電路，產(chǎn)生振蕩過(guò)電壓。這與主斷路器的開關(guān)無(wú)關(guān)，而是由機(jī)車的電氣設(shè)備與關(guān)節(jié)式分相器共同形成這一現(xiàn)象。由于不同機(jī)車在不同線路區(qū)行駛會(huì)導(dǎo)致電壓幅值變化，甚至超過(guò)電壓幅值的最高點(diǎn)，因而頻繁的過(guò)電壓會(huì)對(duì)高壓電氣設(shè)備造成巨大的損害。

2.2 弓網(wǎng)關(guān)系產(chǎn)生的過(guò)電壓

在電力機(jī)車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)接觸為其提供了電能，兩者的懸掛系統(tǒng)具有彈性，其接頭線夾、定位線夾等硬點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接觸或線路條件不好都可能導(dǎo)致受電弓頻繁離線，進(jìn)而使機(jī)車上電壓互感器繞組、變壓器原邊繞組等產(chǎn)生高階諧振過(guò)高壓，同時(shí)在機(jī)車過(guò)電壓和變壓器的飽和作用下行程鐵磁振蕩，使受電弓滑板和接觸網(wǎng)線拉弧燒損，也容易出現(xiàn)高壓電壓互感器燒毀現(xiàn)象。

2.3 操作過(guò)電壓

操作過(guò)電壓分為機(jī)車內(nèi)部和外部?jī)煞N，機(jī)車內(nèi)部操作過(guò)電壓的產(chǎn)生原因是由于牽引供電系統(tǒng)的重合閘導(dǎo)致的，其最高幅值與機(jī)車原邊電路參數(shù)是具有關(guān)聯(lián)性的。機(jī)車外部的操作過(guò)電壓是相鄰電力機(jī)車的過(guò)電壓導(dǎo)致的。操作過(guò)電壓會(huì)對(duì)真空斷路器和牽引變壓器繞組的絕緣造成十分巨大的危害。

2.4 大氣過(guò)電壓

大氣過(guò)電壓主要分為雷直擊過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電壓。雷直擊過(guò)電壓的產(chǎn)生原因是雷擊放電直接作用于接觸網(wǎng)，具有較短的波長(zhǎng)；感應(yīng)過(guò)電壓是雷擊接觸網(wǎng)附近產(chǎn)生的過(guò)電壓，具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

電力機(jī)車在多種過(guò)電壓的同時(shí)作用下，會(huì)使過(guò)電壓環(huán)境較為惡劣。通常情況下，電力機(jī)車的高壓電氣設(shè)備分為保護(hù)性和功能性兩種，主要是避雷器和支持絕緣子、受電弓、主斷路器、高壓隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、高壓電纜和牽引變壓器等，其絕緣強(qiáng)度分別取決于對(duì)地絕緣性和外絕緣性要求。

3.電力機(jī)車的絕緣配合

絕緣配合是為了解決過(guò)電壓與絕緣之間的矛盾，保證電力機(jī)車的安全、高效運(yùn)行，目前在閥式避雷器的保護(hù)下，乘以相應(yīng)配合系數(shù)便能得知被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平。

絕緣水平由絕緣子和外絕緣材料決定。目前我國(guó)大部分電力機(jī)車的絕緣子或絕緣外套都采用硅橡膠復(fù)合材料，其參數(shù)符合圖1所示。

圖1 避雷器的伏安特性曲線

圖2 基于避雷器保護(hù)的絕緣配合

高壓電氣設(shè)備的絕緣水平是通過(guò)伏秒特性曲線來(lái)直觀反映的。在擊穿實(shí)驗(yàn)，可以得出電力機(jī)車高壓電氣設(shè)備的伏秒特性曲線，如圖2所示，避雷器的伏秒特性曲線低于高壓設(shè)備的絕緣水平則能對(duì)其起到保護(hù)作用，對(duì)高電壓進(jìn)行抑制。

在避雷器保護(hù)下，電力機(jī)車的絕緣配合需要考慮的是對(duì)避雷器參數(shù)進(jìn)行合理的選擇，然而在電力機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行中存在氣候環(huán)境和過(guò)電壓產(chǎn)生的諸多不確定性，存在沖擊波電壓作用下絕緣水平無(wú)法得到保證的情況，使被保護(hù)設(shè)備存在閃絡(luò)擊穿的危險(xiǎn)。

4.措施和建議

在對(duì)國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車絕緣配合的研究中不難發(fā)現(xiàn)，采用兩級(jí)避雷器保護(hù)在實(shí)際工作中具有良好的效果。如圖3所示，如果過(guò)電壓沖擊波I級(jí)避雷器作用動(dòng)作后，II級(jí)避雷器對(duì)I級(jí)避雷器起到抑制作用。

但是從最佳絕緣配合來(lái)看，應(yīng)該解決一下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)應(yīng)將供電系統(tǒng)與車載系統(tǒng)進(jìn)行綜合考量，使絕緣水平達(dá)到最高。

(2)應(yīng)綜合考慮電力機(jī)車多種絕緣設(shè)備的參數(shù)。

(3)要對(duì)電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)高壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，為其理論計(jì)算提供依據(jù)。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電力機(jī)車過(guò)電壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析不難看出，只有綜合考慮電力機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境以及各設(shè)備的絕緣參數(shù)，對(duì)電力機(jī)車進(jìn)行最佳的絕緣配合，才能保證電力機(jī)車的安全、高效運(yùn)行。

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