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1、电气化铁路过电压产生的原因及对策摘要: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。关键词:电气化铁路铁磁谐振过电压第一章概况2005年8月25日～2007年3月12日,自从西宝段接触网分相改造后,虢镇牵引变1#馈线共发生跳闸106件,其中机车过分相跳闸103件,占总跳闸的97.2%,重合失败1次,
2、多次击穿电力机车支持绝缘子、放电间隙等设备,两次烧伤接触网导线、吊弦、承力索,对运输生产造成了影响。由于短路频繁、短路点距牵引变电所很近(虢变约400m)、短路电流大(实测6100A～6400A,理论计算最大超过8000A,达到牵引主变、馈线断路器额定电流的6～8倍),其电动力、热效应等对牵引主变、馈线断路器等设备危害很大。因此,查清事故原因,消灭运行隐患,成为一项紧急任务。第二章原因分析2.1跳闸现象及设备结构分析2.1.1牵引变电所2.1.1.1馈线保护馈线开关跳闸是由馈线保护动作引起,该保护动作是否正常成为问题的关键之一。经试
3、验分析,保护动作正常的条件如下:(1)馈线保护动作时各种信号、指令正常;(2)馈线保护启动故障探测仪指示短路距离正常(从接触网烧伤处、机车故障、现场发现机顶电弧的距离可以得到验证);(3)电流表每次保持在满量程刻度(1200A),说明确实有短路电流存在;(4)故障录波仪每次记录的短路电流、电压波形均表示馈线有短路存在;(5)为了进一步说明问题,在该馈线加装了微机保护,跳闸时记录的短路电流、谐波、波形等与上述四条吻合。因此,完全可以排除继电保护误动。2.1.1.2牵引变电所设备每次跳闸巡视时没有异味,设备未有烧伤痕迹,值班人员未听到短
4、路电弧声,可以排除因变电设备引起的原因。2.1.2接触网器件式电分相装置由三节绝缘体组成,受电弓通过时电流连续减小,直到为零,不会出现多次失电、带电的现象。而七跨式电分相装置则通过工作支抬高过渡为非工作支、中性线降低过渡为工作支进行机车过相转换(出时相反)。由于铁道线路不好、机车晃动、接触导线摆动等原因造成机车受电弓频繁离线,电压互感器(变压器)失电又重新得电,相当于机车先切后合,这一过程可能重复多次,使电路瞬间产生多次过渡过程。2.1.3电力机车与SS4型机车相比,韶山7E型电力机车将电压互感器移在主断路器之前,其带电与否只与受电
5、弓的升降有关,与机车断路器的开断无关,而且电压互感器、变压器均是带铁芯的电感元件,在冲击电流下电感量呈非线性变化,使该电路的过渡过程不同于一般的电路变化。2.1.4供电系统供电系统存在大量的集中参数和分布参数元件,均以电阻、电感、电容的形式存在,尤其分布电容将空气作为介质,受气温、湿度、天气变化影响很大。事实上,上述跳闸与季节、天气有一定的关联,而它往往是造成谐振的一个主要元件。2.2原因分析2.2.1原因归纳从上面的排查可以总结出:(1)电力机车的电压互感器、变压器是具有铁芯的铁磁元件;(2)当机车通过新式电分相装置时易形成多次分
6、、合现象;(3)供电系统的分布电容在季节、气候等变化下,其参数可变。2.2.2电路模型由上述分析,可建立电气化铁路谐振时的电路模型:(1)将电力机车的变压器、电压互感器作为负载,它们是带铁芯的电感元件,在受到外界扰动时铁芯易饱和,成为变频元件,等效为X。假定其它元件在谐振前后均为线性元件。(2)其它变压器,供电线路、接触网的电感等效在25kV侧很小(50000kVA牵引主变基频时每相等效电抗1.3Ω),可以忽略。(3)机车牵引负荷是一个变量,与研究的压互相比,电抗很小,可忽略,假定过分相时机车负荷已降为零,其它机车等效为与负荷成正比
7、的可变电阻R。(4)将受电弓在接触网分相过渡处形成多次分、合的现象等效为高频开关KH。(5)将供电系统的分布电容等效为一组可变电容C,牵引变电所的并电容等效为Cb,开关等效为KC。(6)将电源电势等效为E。利用等效电源定理,做出电气化铁路等效到25kV侧的电路模型如图一。2.2.3谐振原理为了讨论电气化铁路铁磁谐振过电压,我们首先从上述等效电路开始。由于电路中有非线性的铁磁电感元件存在,特性曲线如图二中的UL=f(I),发生谐振时,回路不仅有基频,还有高频、分频谐波分量。我们先以基频为例,把谐振下的电压、电流仍看作正弦波,就可以用交
8、流符号法进行求解。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
