過電壓引起電力機車放電間隙擊穿原因分析

鈕承新

0 引言

韶山型電力機車在車頂高壓側安裝有棒形保護放電間隙，作為大氣過電壓保護器件，當出現過電壓時，電力機車放電間隙擊穿，從而使機車不受過電壓影響，但直接造成牽引變電所斷路器跳閘，短路電流甚至燒損電力機車和接觸網設備。針對電力機車與接觸網之間的過電壓問題，筆者對弓網之間的過電壓現象進行現場測試，專門調查弓網關系中的過電壓問題。探討電力機車與接觸網之間過電壓導致機車放電間隙擊穿的原因，制定相應防范措施，防止過電壓損壞電力機車和接觸網設備。

1 機車通過接觸網關節式分相過電壓試驗

1.1 SS7E型機車過電壓測試

為了查找接觸網與機車之間過電壓現象，現場測量機車通過接觸網關節式分相過電壓情況，主要對蘭新線武威南至嘉峪關間接觸網關節式分相通過電力機車產生過電壓問題進行試驗，SS7E051機車牽引列車在蘭新線蘭州至嘉峪關之間運行，分別測試蘭嘉段上下行各40組分相，機車通過接觸網關節式分相時出現過電壓現象，上行過電壓出現11次，占通過總次數的 27.5%，電壓最大值為70 kV。下行機車過分相時發生過電壓次數達到19次，占通過總次數的47.5%，電壓最大值83.5 kV。過電壓全部發生在接觸網關節式分相處，占接觸網關節式分相的33.3%。

1.2 過電壓現象

電力機車通過接觸網關節式分相時，從接觸網有電區進入無電區占產生總過電壓次數的70%，從無電區到有電區占總過電壓次數的30%。圖1為現場實測接觸網關節式電壓峰值為83.5 kV。

圖1 機車通過關節式分相過電壓波形圖

1.3 SS3B型機車過電壓試驗

2007年8月4日，SS3B6034電力機車在蘭新線武嘉段通過張掖接觸網關節式分相時，試驗中實測過電壓最高達98 kV，試驗時機車未安裝機車放電間隙，圖2為該機車運行通過接觸網關節式分相過電壓波形。

1.4 機車過電壓原因分析

機車通過接觸網關節式分相造成過電壓的主要原因是電力機車運行過程中，機車互感器電感與接觸網分布電容之間構成的電氣回路參數發生變化，當感抗值與容抗值相等時，牽引網構成諧振回路，即

式中，ω為角頻率，L為電感，C為電容。將ω = 2πf代入式（1），可得：

式中，f為諧振頻率，表示外加機車電源頻率與接觸網固有自振頻率相等時，牽引網回路有可能出現電壓諧振現象。在實際電路中，由于電路中存在電感-電容效應，只要外加電源頻率與電源固有頻率相近時，可能引起諧振現象，產生過電壓。當機車進入或通過接觸網關節式分相時，機車、接觸網關節式分相電路參數發生變化，產生諧振過電壓，是電力機車產生過電壓的原因之一。

圖2 機車通過接觸網關節式分相過電壓波形圖

2 機車升降弓作業時產生的過電壓

2.1 機車升降弓過電壓試驗

針對機車升降弓作業時發生放電間隙擊穿現象，專門對機車升降弓時出現的過電壓進行試驗，選擇SS7E014、SS7E021、SS7C020等3臺電力機車進行過電壓試驗，主要試驗升弓、降弓、分合機車主斷路器、合主斷路器輔機工作、輔機工作斷開主斷路器等7種工況試驗，現場用錄波儀測試試驗作業過程產生的電壓，經過150次試驗，機車在升降弓試驗時出現過電壓95次，占63.3%。

2.1.1 機車升弓過電壓試驗

“當然這里面的企業良莠不齊，有些創業者也存在忽悠現象，拿一個PPT就準備找投資人要錢。這要進行判斷分析，考驗企業家的智慧。”辜名說。

（1）SS7E021機車試驗：機車主斷路器斷開后升弓18次，產生45 kV以上過電壓10次，占過電壓56%。其中，50 kV以上過電壓4次；64.9 kV以上過電壓1次。機車升弓時產生的過電壓典型波形見圖3。斷路器合閘后升弓12次，產生45 kV以上過電壓6次，占該工況50%，50 kV以上過電壓3次。

圖3 SS7E021機車升弓時64.9 kV過電壓波形圖

（2）SS7C020機車試驗：主斷路器分閘后升弓19次，產生45 kV以上過電壓12次，占63%。其中，50 kV以上過電壓3次。

2.1.2 機車降弓產生過電壓試驗

（1）SS7C020機車降弓試驗：機車主斷路器斷開后降弓13次，產生45 kV以上過電壓11次，占84.6%。其中，50 kV以上4次；64 kV以上1次。降弓過電壓典型波形見圖4所示。

圖4 SS7C020型機車降弓時64 kV過電壓波形圖

（2）機車SS7E021降弓試驗：機車主斷路器斷開后降弓29次，產生45 kV以上過電壓26次，占89.6%。其中，60 kV以上4次；70 kV以上2次，最高78 kV（峰值）。SS7E021機車降弓試驗時產生過電壓波形見圖5。

圖5 SS7E021型機車降弓時78 kV過電壓波形圖

2.2 機車升降弓產生過電壓案例

2.2.1 機車升弓產生過電壓典型案例

2008年8月8日12時14分，本務SS1型633機車、重聯SS3型4217機車，擔當10 464次貨物列車牽引任務。14時23分重聯SS3型4217機車換端升弓過程中，將機車放電間隙銅棒燒損，放電間隙由110 mm擴大至120 mm，同時，受電弓與導線間產生電弧光將接觸網設備燒損。

2.2.2 機車降弓產生過電壓典型案例

2010年1月9日15時20分，某變電所213#開關跳閘，重合成功，短路電流4 173 A，短路公里1.24 km。SS7E137機車擔當K621次列車在車站7道停車，停車后司機斷電后降弓，機車車頂放電間隙擊穿，檢測燒損后的間隙為154 mm，比標準值110 mm增加44 mm，且放電間隙靠近支持硅膠絕緣子有明顯放電燒傷閃絡痕跡。

2.3 機車升降弓產生過電壓原因分析

2.3.1 電路諧振產生過電壓分析

電力機車升降弓作業時，機車受電弓和接觸線進行瞬間接觸或分離，由于電力機車上電壓互感器和接觸網電路狀態發生突然變化，機車電壓互感器為帶鐵心的電感元件，在沖擊電流下電感量呈非線性變化，在電路的過渡過程發生變化，容易產生鐵磁諧振。由式（1）可知，當機車電路參數與接觸網電源固有參數產生諧振時，在機車和接觸網電路中將會產生電路諧振過電壓，諧振過電壓是導致機車放電間隙擊穿的直接原因之一。

2.3.2 電弧重燃產生過電壓分析

電力機車受電弓升降弓時，受電弓與接觸線呈現彈性接觸，在彈跳接觸或分離過程中，受電弓與接觸線之間引起多次電弧重燃現象，電弧重燃時有可能產生過電壓。

3 機車放電間隙電壓試驗

2008年6月，在蘭州宏宇變壓器廠進行機車放電間隙擊穿電壓試驗。選用機車安裝的直徑10 mm放電棒，放電棒頂端為半徑5 mm球面，試驗時取用2只放電棒，按110、118 mm的間隙進行棒對棒電壓試驗，主要進行工頻耐壓試驗和沖擊電壓試驗。

韶山1、3、7型電力機車車頂放電間隙標準值為110±1mm，在標準大氣壓下，工頻放電電壓為65 kV，全波（標準波1.5/20 μs）沖擊電壓為90 kV。蘭州地區海拔1 500 m，按照海拔高度修正的原則，上述參數在試驗中有所變化。

3.1 放電間隙工頻耐壓試驗

工頻耐壓試驗時將放電間隙距離分別設為110和118 mm，試驗儀器為YWDT-150/150型高壓試驗裝置。當放電間隙為110 mm，工頻試驗擊穿電壓分別為45，49，47，48 kV，工頻試驗擊穿電壓平均值為47.25 kV。放電間隙在118 mm時，工頻試驗電壓擊穿電壓分別為50，48.4，49 kV；工頻試驗電壓平均值為49.13 kV。

3.2 沖擊電壓試驗

放電間隙距離設為110 mm，利用CDJ - 900 /45KJ型沖擊電壓試驗裝置進行 15次沖擊電壓試驗，沖擊試驗電壓范圍 88～194 kV，沖擊電壓試驗結果表明，放電間隙在110 mm，沖擊試驗電壓值為102～103 kV時，為放電間隙擊穿的最低電壓值，也就是放電間隙擊穿的臨界沖擊電壓值。

電氣試驗表明，蘭州地區機車放電間隙工頻放電電壓低于機車出廠說明的65 kV，主要是受海拔高度等因素的影響。沖擊試驗電壓值超過理論上的數值，主要是做沖擊試驗電壓時，試驗儀器不容易抓住準確的擊穿電壓數值。

4 機車放電間隙保護存在的問題

4.1 機車放電間隙不能切斷工頻續流

韶山型電力機車在車頂上安裝的放電間隙，其設計工頻擊穿電壓為 65 kV。沖擊擊穿電壓為90 kV，當放電間隙達到擊穿電壓時，放電間隙被擊穿，放電電流通過放電間隙形成電弧放電現象，由于放電間隙沒有熄滅電弧裝置，銅棒構成的放電間隙不能切斷工頻電壓引起的續流電流（工頻續流），工頻電壓將維持工頻續流通過放電間隙。機車放電間隙擊穿后，放電間隙電弧放電引起牽引變電所跳閘。機車放電間隙放電電壓較低，成為接觸網、變電所、電力機車構成的牽引供電系統的薄弱點，過電壓出現時，機車放電間隙絕緣薄弱點被擊穿，形成電氣回路的短路點。

4.2 機車氧化鋅避雷器被閑置

機車上裝有限制過電壓的氧化鋅避雷器，其直流參考電壓大于58 kV，額定工頻電壓為42 kV，表明該避雷器在過電壓出現時所需要的工作電壓數值較高，一般操作過電壓作用時，避雷器將不會動作。由于雷電過電壓波形窄、時間短、無后續能量補充的特點，因此避雷器能起到良好的抑制雷電過電壓峰值的作用。同時，機車放電間隙擊穿電壓較低，對避雷器起到短接作用，因此，避雷器無法抑制接觸網與機車之間產生的過電壓問題。另外，由于氧化鋅避雷器殘壓太高，難以有效保護設備。

5 減少機車放電間隙擊穿的建議

5.1 拆除機車放電間隙

為了防止機車放電間隙擊穿，造成機車、接觸網設備燒損，在機車安裝氧化鋅避雷器的前提下，建議將放電間隙拆除。因為，理論上機車放電間隙工頻耐壓為65 kV，擊穿沖擊電壓為90 kV，而主斷路器、支持絕緣子等車頂設備沖擊試驗電壓為165 kV，當過電壓出現時，絕緣薄弱點仍然在放電間隙，過電壓首先擊穿放電間隙。拆除放電間隙可以避免過電壓導致放電間隙擊穿現象。

5.2 機車高壓側安裝過電壓吸收裝置

在機車高壓側安裝過電壓保護裝置，直接抑制機車產生的過電壓，是比較理想的方案。針對接觸網與機車之間的過電壓特點，蘭州鐵路安全監管室已研制復合材料過電壓保護裝置，直接抑制機車與接觸網產生的過電壓，經過一年多的運行，取得較好的效果，并通過甘肅省科技廳組織的科技成果鑒定。該單位在6臺機車上安裝復合材料過電壓保護裝置，其中，SS7E0051動作66次、SS7E 0084動作21次、SS7E 7001動作187次，機車上裝有放電間隙未發生放電擊穿現象，過電壓保護裝置可抑制機車與接觸網之間產生的過電壓，有效保護電力機車和接觸網設備安全。

6 結束語

電力機車與接觸網之間產生的過電壓主要發生在機車通過接觸網關節式分相和機車升降弓作業時，一方面，發現電力機車通過接觸網分相時產生過電壓導致電力機車放電間隙擊穿；另一方面，電力機車在車站、機務段內進行升降弓作業時，也將產生過電壓，當過電壓數值超過機車放電間隙擊穿電壓時，放電間隙被擊穿。過電壓不應該通過機車放電間隙釋放，放電間隙擊穿后，短路電流將引起牽引變電所跳閘，有時將導致機車、接觸網設備燒損。建議采用電力機車高壓抑制過電壓方案，直接削弱機車升降弓和通過接觸網關節式分相時產生的過電壓。

[1]樓修力.韶山1型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，1985.

[2]謝廣潤.過電壓保護[M].北京：電力工業出版社，1980.