包神鐵路SS4B型電力機車阻容支路燒損原因分析及措施

高云鶴

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古包頭014014)

包神鐵路SS4B型電力機車阻容支路燒損原因分析及措施

高云鶴

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古包頭014014)

基于包神鐵路集團SS4B型電力機車阻容支路電阻燒損和電容被擊穿等現象，從機車和接觸網方面研究分析燒損原因，制定解決措施。

SS4B;直流機車;交流機車;阻容支路;燒損;高次諧波

隨著和諧號以及其他類型交流電力機車的普遍運用，交流機車的牽引電流經接觸網及牽引變電所牽引變壓器形成回路，使得接觸網存在大量不同頻率的諧波分量，對直流電力機車的正常運用產生很大程度的影響，出現阻容支路電阻接線柱焊錫熔落、電阻燒損和電容擊穿等故障，嚴重影響到機車的正常運用，對正常的運輸秩序造成嚴重的干擾。本文基于故障現象，結合包神鐵路集團機車實際情況，聯合南車株洲電力機車有限公司和株洲中車電力機車配件有限公司現場調研研究，從優化阻容支路電阻和電容參數出發，以增強阻容支路對高次諧波的抵御能力，同時給牽引變電所地面設備解決高次諧波提出建議。

1 機車運用情況及故障統計

1.1 機車運用情況

包神鐵路集團在包神線烏蘭木倫站區至神朔線朱蓋塔區段投入10臺SS4B型電力機車進行運營。擔當該區段萬噸列車牽引任務，日均20～25列。電力機車運行區段相關站點位置如示意圖1。其中，大柳塔至朱蓋塔是包神鐵路與神朔鐵路電力機車運行重疊交叉的區段，運行的機車類型有SS4B和SS4G直流機車以及神華號交流機車。

1.2 故障統計

2013年6月份前，在神朔鐵路神華號交流電力機車未在上述區段投入運用時，未出現過阻容支路故障現象。自2013年7月起，隨著神朔鐵路神華號交流電力機車在上述區段投入運用后，包神線SS4B型電力機車阻容支路的電阻和電容開始頻繁出現不同程度的故障現象，普遍表現為RC支路電阻接線柱焊錫熔落，電阻燒損(見圖2)，部分機車出現了RC支路電容擊穿，電阻燒熔炸裂等現象，共計造成燒損情況為:吸收電阻173個、電容49個，功率補償柜3個、同步變壓器4個、高壓接觸器24個、電壓傳感器98個、電纜線800 m、94R焊修367個。

2 故障原因初步判斷

神朔鐵路朱蓋塔站為萬噸調車場，有大量的機車(包括直流機車和交流機車)在站場處于空載等待狀態，可以認為直流電力機車阻容支路故障發生地有多臺交流機車空載集中使用。這與自交流電力機車大量上線運行以來，其他機務段SS系列直流機車阻容支路故障發生的情況基本相同。例如，從2010年下半年，襄陽機務段配屬的SS6B型機車故障發生的地點主要集中在有大量HXD型交流機車運用的武漢北六場調車場。機車故障主要發生在武漢北六場掛車、試風及等待時間段，而機車在正線運行途中則很少出現。

為了驗證和解決HXD型機車對SS6B的影響，2011年5月26日武漢北六場調車場進行了一次試驗測試。圖3為武漢北六場調車場SS6B直流機車RC支路燒損事故頻發的情況下，測得的RC支路電流電壓波形。測試條件:SS6B升弓合主斷但不工作，HXD多機空載工作;故障現象:10～30 min內RC支路電阻燒損。

圖1 電力機車運行區段相關站點位置示意圖

圖2 阻容支路故障現象

圖3 武漢北六場SS6B機車RC支路電壓(黃色)、電流(紅色)波形圖

從圖3分析，牽引網電壓諧波豐富(諧波頻率為2 750 Hz)，RC支路電流的諧波含量很高，有效值為65 A，峰值高達93 A。這種情況下RC支路電容基本變成通路，電阻工作在高頻加熱狀態。吸收電阻是基于短時過電壓而設計的，額定電流約10 A，工況的變化導致電阻的壽命急劇下降，短時間內出現燒損現象。

綜上所述，包神鐵路SS4B阻容支路的燒損，是因為牽引網存在大量高次諧波，而牽引網電壓高次諧波源于交流機車。

3 故障原因具體分析

交流機車的牽引電流經接觸網及供電所牽引變壓器形成回路，而牽引電流包含的高次諧波在網中傳遞是造成直流機車RC支路燒損的主要原因。因此，從交流機車牽引諧波電流在網中的傳遞特性和網參數對交流機車諧波傳遞的影響兩個方面分析直流機車RC支路燒損的原因。

3.1 交流機車牽引諧波電流在網中的傳遞特性分析

目前我國牽引供電網普遍采用分相供電技術，供電臂長度相比于一個工頻波長的長度(6 000 km)而言可視為集中參數變量，因此在牽引網中沒有牽引電流時整個供電臂下任何一點的工頻電壓相位相同;如圖3所示，由于高次諧波的波長減小，又由于牽引網阻抗和牽引電流的存在，牽引電流將在牽引網感抗上形成感性壓降，導致不同點的電壓相位將出現偏差。

交流機車的網側變流器均采用PWM整流器，其牽引變壓器原邊電流的基波相位及諧波相位以運行位置的牽引網電壓為基準，當多臺機車正線運行在牽引網同一供電臂，由于位置不同、各機車工況往往有較大差異，各機車的諧波電流矢量疊加，也可能呈相互抵消的關系。但是在貨場、調車場、整備場等交流機車集中使用區域，各臺機車之間的距離非常小，同時處于一致的靜置工況。基于此情況，分析認為各機車的牽引網電壓相位完全一致，各機車所產生的諧波電流相位也經常處于相近或一致，從而使得各次諧波整體呈線性疊加特性，使得交流機車產生的諧波成分較嚴重。

正線運行的機車，同一供電臂下能同時容納的機車數量有限(例如6臺)。但對于調車場等樞紐區域，同一供電臂下機車數量較多(例如20臺)，結合前述工況因素就不難理解，直流機車的RC支路的燒損均發生在樞紐區域而非正線運行區段。

3.2 牽引網參數對交流機車諧波傳遞的影響分析

交流傳動電力機車的牽引電流經牽引網及供電所牽引變壓器形成回路，回路中各個部件的參數均對牽引電流諧波的傳遞具有一定影響，因此，對同一供電臂下直流車的影響也表現不同。

當供電所變壓器的容量越小，離調車場等樞紐區域距離越遠時，牽引網及供電所牽引變壓器等效電感越大，對高次諧波流回變電所的阻礙作用越大，這使得交流機車產生的高次諧波流向同一供電臂下的直流機車RC支路，當高次諧波量過多，嚴重超出RC支路允許通過的電流值，導致其電阻燒損，電容失效。反之，當供電所變壓器容量越大，離樞紐區域越近，交流機車產生的高次諧波電流多數流經變電所，對同一供電臂下直流機車的影響較小。如表1所示。

表1 幾個典型區間牽引供電系統基本參數與RC燒損情況統計

4 故障解決措施

交流機車產生的高次諧波在牽引網中傳遞，導致直流機車阻容支路燒損。基于此，從兩個方面對直流機車阻容支路燒損故障提出解決建議和措施:

(1)抑制或消除牽引供電網中的高次諧波，從根源上解決供電網中高次諧波對直流機車的影響;

(2)優化或調整直流機車阻容支路過電壓吸收電容、電阻參數匹配，增強直流機車阻容支路對高次諧波的抵御能力。

4.1 牽引供電網諧波方面的措施

交流傳動電力機車高次諧波的產生源于四象限PWM整流器。四象限PWM整流器雖然大大提高了機車的功率因數，注入系統的諧波電流較小，但其交流側仍然會存在一定量的高次諧波，在機車起動、爬坡、制動等調節過程中諧波含量還會增大。與直流機車諧波特征不同，交流機車產生的諧波雖然消除了低頻帶的諧波，但卻產生了高頻帶的諧波，向接觸網注入，高次諧波不僅引起直流機車RC支路燒損，還引起牽引網電壓高次諧波振蕩，產生危害較大的過電壓和過電流，使得供電可靠性降低。隨著交流機車大量投入運營，接觸網高次諧波問題在各車型和和諧交流傳動電力機車和動車組均不同程度地存在。因此，抑制或消除牽引網高次諧波是當前國內軌道交通領域亟待解決的問題。

由于四象限整流器開關過程帶來的諧波頻率范圍寬，從幾次到百次均有分布，通過改進控制方法或者增加車載濾波裝置，可以優化某個頻段的諧波含量，但不能消除全部的高次諧波。某公司在交流機車上進行加裝各類濾波裝置的試驗，但收效甚微，如在牽引變壓器次邊繞組增加高通濾波裝置，網側高次諧波少量減少，但低次諧波增大。2012年某公司依托原鐵道部重大項目“車網諧波傳播機理及其抑制技術的研究”，提出了全新治理方案:研制一套基于APF+HPF+LC的諧波和無功綜合治理裝置(安裝如圖4)，高通濾波器HPF裝置用于吸收13次及以上的諧波電流，同時提供固定的容性無功功率;有源濾波裝置AFP主要功能是濾除2、4～12次諧波電流以抑制由于HPF導致的低頻放大，同時還兼顧動態無功功率補償，吸收和阻尼機車產生的振蕩電流;變電所既有的LC濾波器來濾除3次諧波。依據諧波衰減傳遞基本原理以及以往諧波治理經驗，APF +LC安裝在變電所，而HPF安裝在調車場附近的開閉所，兩者可以同時運行，也可單獨運行。三者相結合，綜合提高牽引供電系統的電能質量，經濟有效的解決牽引供電系統諧波污染和直流機車RC燒毀的問題。

圖4 某公司安裝綜合治理裝置圖

研制的接觸網諧波治理地面裝置在蘭州鐵路局蘭州西供電段投入試運行以來，實現了調車場這一牽引網受諧波污染重點區段的針對性治理，接觸網諧波畸變率從10.26%下降到2.93%，諧波治理效果顯著。圖5、圖6為蘭州西供電段地面諧波治理裝置投入前后牽引網電壓頻譜圖。

圖5 地面諧波治理裝置投入前牽引網電壓頻譜圖

圖6 地面諧波治理裝置投入后牽引網電壓頻譜圖

4.2 直流機車阻容支路改造的措施

中車公司結合交、直流電力機車共網運用的情況，從RC支路參數方面進行了優化改造，以緩解和減少直流機車阻容支路的故障率，具體措施:

(1)增大直流機車上RC支路電阻的功率，如SS8，SS9將RC支路吸收電阻功率由800 W增加到2 000 W;

(2)適當減小直流機車上RC支路電阻電容;

(3)采取在同一供電臂下增加直流傳動電力機車運行(重聯)等方式，增加同一供電臂下的RC支路數量，減輕單一RC支路諧波吸收壓力;

(4)在直流傳動電力機車阻容柜上安裝冷卻風扇，加強吸收電阻的冷卻能力。

包神鐵路SS4B型電力機車阻容支路根據其他鐵路公司的改進經驗，進行了RC支路參數匹配和調整，見表2。

表2 SS4B直流機車阻容支路優化調整參數

5 結束語

文章通過對包神鐵路運用電力機車出現的燒損現象研究和分析，提出了改造阻容裝置建議，通過實際運用，有很大程度的緩解，減少了燒損對機車運用的影響。同時，針對牽引供電網方面所采取的措施，只是進行了理論分析和試驗數據的收集分析，下一步還需深入研究探討。希望本文能對鐵路交、直流機車混跑所帶來的阻容支路燒損影響機車正常運用能起到一定的實際指導意義。

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Fault Analysis and Countermeasures of RC Branches Burning for SS4BElectric Locomotive of Baoshen Railway

GAO Yunhe
(Shenhua Baoshen Railway Group Ltd.，Baotou 014014 Neimenggu，China)

Based on the phenomenon of RC branches burning and capacitors breakdown in SS4B-type electric locomotive of Baoshen Railway Group，this paper analyzes the fault cause from the aspects of locomotive and catenary，and puts forward the countermeasures.

SS4B;DC locomotive;AC locomotive;RC branches;burning;higher harmonics

U264.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.21

1008－7842(2015)01－0092－05

5—)男，工程師(

2014－08－11)