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        淺析高次諧波對(duì)避雷器的影響

        2022-09-23 14:05:08楊佳澎
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)壓閥片等效電路

        楊佳澎

        (中國(guó)中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412000)

        0 引言

        避雷器是電力機(jī)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(shí)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(huì)導(dǎo)致避雷器因溫升過高而炸裂。

        通過分析電力機(jī)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(duì)避雷器的影響。

        1 建立避雷器高頻特性分析及等效模型

        1.1 避雷器工作原理

        避雷器設(shè)置在與被保護(hù)設(shè)備對(duì)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(shí),避雷器就要?jiǎng)幼?,并呈低阻狀態(tài),以限制過電壓,此時(shí)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(shí)避雷器不再對(duì)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。

        1.2 避雷器的等效模型高頻特性分析

        在正常運(yùn)行和故障區(qū)間的不同運(yùn)行情況中,對(duì)避雷器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)得出的數(shù)據(jù)曲線分析避雷器的運(yùn)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(jī)車運(yùn)行時(shí),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(yùn)行工況下避雷器頻率響應(yīng)曲線圖

        由圖2可知,當(dāng)機(jī)車在高頻諧波環(huán)境運(yùn)行時(shí),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(jí)下,相角隨頻率變化而變化的規(guī)律一致。

        1.3 建立避雷器等效數(shù)學(xué)模型

        通過分析高頻諧波下的特性曲線可知,在非正實(shí)軸上有2個(gè)零點(diǎn)、2個(gè)極點(diǎn)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(duì)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(shí)域函數(shù)變換為復(fù)頻域函數(shù)。

        代入對(duì)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(duì)應(yīng)仿真參數(shù)和電器件參數(shù),并進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn),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(cè)量模塊分析該等效電路的相頻、幅頻特性,如圖5所示。對(duì)比之前實(shí)測(cè)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(shí),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(shí)測(cè)避雷器高頻諧波下的幅頻、相頻特性基本吻合,變化趨勢(shì)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

        2 故障區(qū)間避雷器網(wǎng)壓極限值分析

        2.1 故障區(qū)間避雷器極限功率分析

        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(duì)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(gè)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(gè)因素是動(dòng)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(yùn)行時(shí),其散熱曲線和功耗曲線有2個(gè)交點(diǎn),第一個(gè)交點(diǎn)是避雷器的穩(wěn)定工作溫度,第二個(gè)交點(diǎn)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(shí),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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)間常數(shù),20 ℃對(duì)應(yīng)的散熱時(shí)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(jì)算可以得出,避雷器閥片的極限功率為22.77 W。

        2.2 高次諧波極限值分析

        對(duì)機(jī)車在故障區(qū)間運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)壓和網(wǎng)流進(jìn)行測(cè)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(shì),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(shí)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(duì)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(shí),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(shí),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(hào),25 457.979為實(shí)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(duì)值。

        將公式(6)和極限功率代入公式(8),計(jì)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(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)互用性電壓的技術(shù)準(zhǔn)則方法和驗(yàn)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。

        2.3 測(cè)試期間未發(fā)生避雷器炸損的原因

        在試驗(yàn)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(yùn)行時(shí)間(公式(9))計(jì)算出機(jī)車在該區(qū)間所需的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),達(dá)到該時(shí)長(zhǎng)才會(huì)導(dǎo)致避雷器炸損,而在試驗(yàn)過程中,機(jī)車通過該區(qū)間的時(shí)間短于這個(gè)時(shí)長(zhǎng),因此試驗(yàn)機(jī)車避雷器未出現(xiàn)熱損壞故障。

        3 結(jié)語

        該文對(duì)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(jì)算公式進(jìn)行研究,得出的結(jié)論如下:當(dāng)機(jī)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(shí),避雷器的運(yùn)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(shí),避雷器就可能出現(xiàn)熱損壞故障。

        因此,建議在試運(yùn)行階段采集機(jī)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(shí)別機(jī)車在對(duì)應(yīng)區(qū)間運(yùn)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(yùn)行。

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