楊佳澎
(中國中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412000)
避雷器是電力機車過電壓保護(hù)的主要設(shè)備。由于牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境較差,因此導(dǎo)致牽引網(wǎng)時常發(fā)生過電壓故障,主要包括雷電過電壓和諧振過電壓等。嚴(yán)重的過電壓會導(dǎo)致避雷器因溫升過高而炸裂。
通過分析電力機車避雷器炸損可知,在故障區(qū)間牽引網(wǎng)發(fā)生了明顯的高頻諧振,為了預(yù)防類似故障再次發(fā)生,須深入研究高次諧波對避雷器的影響。
避雷器設(shè)置在與被保護(hù)設(shè)備對地并聯(lián)的位置,其工作原理是在低電壓作用下呈高阻狀態(tài),在過電壓作用下呈低阻狀態(tài),當(dāng)過電壓沿著線路傳輸?shù)奖芾灼鲿r,避雷器就要動作,并呈低阻狀態(tài),以限制過電壓,此時將過電壓引起的大電流泄入大地,避免與避雷器并聯(lián)的電氣設(shè)備受過電壓的影響。在過電壓波消失后,線路上即恢復(fù)工頻電壓,避雷器將恢復(fù)為高阻狀態(tài)——近似于開路,此時避雷器不再對線路上正常電壓的傳輸造成影響。避雷器的工作環(huán)境要求如下:1) 環(huán)境溫度為-40 ℃~+40 ℃。2) 太陽光輻射。3) 海拔不超過1 000 m。4) 交流電源的頻率為48 Hz~62 Hz。
在正常運行和故障區(qū)間的不同運行情況中,對避雷器進(jìn)行對比試驗。根據(jù)得出的數(shù)據(jù)曲線分析避雷器的運行特性,以建立避雷器的電路等效模型。
由圖1可知,在電力機車運行時,流過避雷器的電流較小,均小于10 mA。在恒定電壓作用下,其電流隨頻率的提高而增大。功率損耗也隨著頻率的提高而增加,頻率越高,功耗增加得越多,特別是在頻率大于1 kHz后,避雷器有功損耗增加得更快。
圖1 正常運行工況下避雷器頻率響應(yīng)曲線圖
由圖2可知,當(dāng)機車在高頻諧波環(huán)境運行時,避雷器的幅頻、相頻特性不隨電壓的變化而變化。隨著頻率的提高,阻抗值逐漸變小。其在不同電壓等級下,相角隨頻率變化而變化的規(guī)律一致。
通過分析高頻諧波下的特性曲線可知,在非正實軸上有2個零點、2個極點交替出現(xiàn),因此可用RC網(wǎng)絡(luò)近似等效避雷器的等值電路。
二階RC等效電路如圖3所示,對應(yīng)各電阻和電容值為=350 000 000 Ω,=24 970 Ω,=2.000 nF,=0.125 nF。
圖3 避雷器等效電路
建立避雷器的等效數(shù)學(xué)模型,其輸入量為網(wǎng)側(cè)電壓值(),輸出量為避雷器電流值(s)。利用拉氏變換后的電路,求解可得公式(1)。
式中:G()為拉氏變換后的等效電路模型;為拉氏變換,由時域函數(shù)變換為復(fù)頻域函數(shù)。
代入對應(yīng)參數(shù)值,得傳遞函數(shù),如公式(2)所示。
利用MATLAB軟件搭建Simulink仿真模塊,設(shè)定對應(yīng)仿真參數(shù)和電器件參數(shù),并進(jìn)行模擬仿真試驗,避雷器仿真模型如圖4所示。
圖4 避雷器仿真模型圖
采用MATLAB阻抗測量模塊分析該等效電路的相頻、幅頻特性,如圖5所示。對比之前實測避雷器高頻諧波下的幅頻、相頻特性圖(圖2)可知,當(dāng)頻率為3 000 Hz~4 000 Hz時,避雷器的阻抗和相角變化幅度較小,可以認(rèn)為在該頻率范圍內(nèi)的阻抗特性不發(fā)生變化。1 kHz以內(nèi)避雷器的幅頻、相頻特性與實測避雷器高頻諧波下的幅頻、相頻特性基本吻合,變化趨勢基本一致,因此采用的避雷器高頻下等值電路建模是有效的。
圖2 高頻諧波下避雷器特性曲線圖
圖5 避雷器幅頻、相頻仿真波形
熱穩(wěn)定性是ZnO避雷器的重要參數(shù)之一,其主要說明溫升對避雷器性能的影響。從能量守衡的角度分析,避雷器溫度升高有以下2個方面的因素:1) ZnO閥片的電-熱性能。2) 閥片的工作環(huán)境及散熱能力。2個因素是動態(tài)加成的,如果電發(fā)熱量大于散熱量,那么熱量累積,溫度升高。當(dāng)避雷器在電壓與環(huán)境溫度基本穩(wěn)定的情況下運行時,其散熱曲線和功耗曲線有2個交點,第一個交點是避雷器的穩(wěn)定工作溫度,第二個交點是避雷器的極限工作溫度。當(dāng)避雷器溫度超過極限工作溫度時,避雷器將出現(xiàn)熱破壞的故障,如圖6所示。
在制造完成后,電力機車氧化鋅避雷器的散熱性能基本穩(wěn)定,可以認(rèn)為避雷器是在無散熱的條件下吸收了大電流沖擊能量。在工頻情況下的能量吸收則是放熱和吸熱同時進(jìn)行的,避雷器的散熱指數(shù)近似指數(shù)函數(shù),如公式(3)所示。
式中:()為時刻的溫度,℃;為避雷器散熱起始溫度,=62 ℃;為環(huán)境溫度,=20 ℃;為避雷器散熱時間常數(shù),20 ℃對應(yīng)的散熱時間常數(shù)為64.3 min。
可近似認(rèn)為避雷器散熱呈線性變化,每分鐘散熱W如公式(4)所示。
式中:C為避雷器閥片比熱容,J/(kg·℃);為避雷器閥片密度,kg/m;為避雷器閥片體積,m。
避雷器閥片體積為(52×24)mm,避雷器閥片密度為5.6 g/cm3,避雷器閥片比熱容C為0.5 J/(g·℃),避雷器閥片的極限功率如公式(5)所示。
經(jīng)過計算可以得出,避雷器閥片的極限功率為22.77 W。
對機車在故障區(qū)間運行時的網(wǎng)壓和網(wǎng)流進(jìn)行測量和諧波分析可知,在故障發(fā)生區(qū)間網(wǎng)壓幅值有明顯上升的趨勢,單次諧波電壓含量并不高,但諧波總畸變率偏高。展開故障區(qū)間的網(wǎng)壓波形發(fā)現(xiàn),含高次諧波的網(wǎng)壓波形不具備標(biāo)準(zhǔn)的周期性。單次諧波幅值并不能代表發(fā)生高頻諧振時真正作用在網(wǎng)側(cè)高壓部件上的諧波電壓幅值。
根據(jù)對避雷器等效電路阻抗的分析可知,當(dāng)頻率為3 000 Hz~3 500 Hz時,避雷器阻抗基本維持不變。因此,如圖3所示的呈帶寬分布的高次諧波可以等效為單一的高次諧波,例如頻率為3 250 Hz的高次諧波作用在避雷器上,利用求出的避雷器的極限功率(22.77 W)可以求解單一的高次諧波的極限值。
圖 6 避雷器熱平衡分析圖
當(dāng)頻率為3 250 Hz時,避雷器的等效電路阻抗如公式(6)所示。
式中:為避雷器的等效電路阻抗,Ω;j為復(fù)數(shù)部符號,25 457.979為實數(shù)部,410 721.832 8為復(fù)數(shù)部。
用已知避雷器的極限功率(22.77 W)求解導(dǎo)致避雷器炸損的諧波有效值,如公式(7)、公式(8)所示。
式中:為避雷器的等效電路阻抗,Ω;為避雷器極限功率,W;為避雷器炸損的諧波有效值,V;為功率因數(shù)相位角;為避雷器等效電路阻抗的絕對值。
將公式(6)和極限功率代入公式(8),計算得出極限諧波有效值為12 311.08 V。假設(shè)網(wǎng)壓基波有效值為27.5 kV,將極限諧波疊加到基波有效值上可以得出,會導(dǎo)致避雷器炸損的網(wǎng)壓峰值為56 379.00 V。
綜上所述,如果區(qū)間的平均網(wǎng)壓峰值大于56.0 kV,那么避雷器會達(dá)到極限功率,可能出現(xiàn)熱損壞故障。
根據(jù)鐵路在供電系統(tǒng)(變電所)與軌道車輛之間實現(xiàn)互用性電壓的技術(shù)準(zhǔn)則方法和驗收標(biāo)準(zhǔn)要求為25.0 kV可知,電網(wǎng)最高電壓不超過50.0 kV。
在試驗數(shù)據(jù)中,選取故障區(qū)間的一段網(wǎng)壓作為仿真模型的電壓源,得出其平均功率。
根據(jù)避雷器安全運行時間(公式(9))計算出機車在該區(qū)間所需的運行時長,達(dá)到該時長才會導(dǎo)致避雷器炸損,而在試驗過程中,機車通過該區(qū)間的時間短于這個時長,因此試驗機車避雷器未出現(xiàn)熱損壞故障。
該文對避雷器故障高發(fā)區(qū)間隨車采集的網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合避雷器等效電路模型和極限熱負(fù)荷計算公式進(jìn)行研究,得出的結(jié)論如下:當(dāng)機車向牽引網(wǎng)注入諧波電流引起的系統(tǒng)高頻諧振電壓達(dá)到一定幅值時,避雷器的運行處于非安全狀態(tài)。當(dāng)區(qū)間的平均網(wǎng)壓峰值大于56 kV時,避雷器就可能出現(xiàn)熱損壞故障。
因此,建議在試運行階段采集機車的網(wǎng)壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,根據(jù)諧波幅值和網(wǎng)壓峰值來識別機車在對應(yīng)區(qū)間運行過程中避雷器是否安全,并通過采取合適的措施避免避雷器在幅值過高的高次諧波環(huán)境中運行。