关节式电分相过电压致线索烧损分析及对策

裴 涛

0 引言

随着国内电气化铁路的飞速发展，为了减少接触网硬点，提高接触网弹性，电分相处普遍采用关节式电分相装置，以便保证高速运行列车的取流稳定。在运营实践中，电力机车通过电分相装置时未断电（或未严格执行操作规程，仅将级位手柄回“0位”）而产生的过电压多次导致牵引变电所跳闸、接触网电分相处线索烧损等故障发生。以襄樊供电段为例，仅2010年，就先后发生机车过电分相故障26起，导致牵引变电所跳闸21次，电分相线索烧损11次，严重干扰了铁路正常运输秩序。因此，对电力机车通过关节式电分相过电压的产生机理及线索烧损原因进行分析，并提出防治对策，对保证电气化铁路接触网设备安全稳定运行具有重要意义。

1 关节式电分相结构和烧损现象

电力机车通过关节式电分相时，受电弓首先由一供电臂接触线带电支逐渐过渡到中性区接触线（有电到无电），进而由中性区接触线过渡到另一供电臂接触线带电支（无电到有电），从而完成过电分相全过程。下面以八跨关节式电分相为例进行分析。

1.1 八跨关节式电分相结构

八跨关节式电分相由 2个四跨绝缘锚段关节组成，如图1所示（图中曲线为受电弓运行接触接触线的轨迹）。其结构简单，调整方便，主要是将绝缘锚段关节延长下锚，在电分相中性区工作范围内通过2支悬挂进行工作支与非工作支的过渡，在非工作支加装绝缘子，采用相间空气绝缘的装配形式，从而达到分相的目的。

图1 八跨关节式电分相结构平面示意图

1.2 电分相烧损现场状况

通过大量的现场运行观察，电力机车在通过关节式电分相时，分别会在4个起弧区形成4次拉弧放电现象。在第1起弧区是由于机车运行迅速接近中心柱，导致工作支（有电）与非工作支（无电）通过受电弓短接；而在第 4起弧区是由于工作支（有电）与非工作支（无电）迅速渐行渐远，而且在上述2个起弧区内，受电弓始终良好接触在工作支（有电）侧，不需拉弧维持取流，故而拉弧时间极短。在第2、第3起弧区，由于受电弓接触在工作支（无电）侧，与有电侧非工作支有一个渐行渐远（近）的过程，机车取流可以通过过电压击穿引起的拉弧较长时间维持，故而拉弧时间较长。线索烧损现象全部集中在第2、第3起弧区，且第2起弧区线索烧损多于第3起弧区。线索烧损区域外在表征为工作支与非工作支承力索各有断股，断面处呈金属熔化后凝固的半球面形；2条接触线表面有大量的电灼烧焊麻点；部分布置基本对称的吊弦烧伤（断）。在电力机车驶入（出）关节式电分相时，受电弓接触有电侧供电臂发生跳闸故障（2条供电臂跳闸时会有时间差）。

2 机车过电分相过电压的理论分析

通过过电分相过电压的理论计算（理论计算过程略）可以发现，中性线上过电压最大值与电力机车驶入（出）电分相时的相角有关；与电力机车是否将主断路器断开，而不仅仅是将级位手柄回“0位”有关；与电力机车不同车型简化电路参数有关，这就很好地解释了电力机车过关节式电分相时拉弧的必然性，以及由此引起牵引变电所供电臂跳闸的偶然性。当机车在上述4个区域拉弧时，由于区域内工作支与非工作支、有电侧与无电侧的不同对应关系，最终导致拉弧在第2、第3起弧区内持续时间较长。第2起弧区内受电弓与有电非工作支是一个渐远的过程，而在第3起弧区内则是一个渐近的过程，故而第2起弧区线索烧损多于第3起弧区。由于电弧的温度高达3 000～5 000℃，铜接触线和铜承力索线型不同，承力索采用多股铜线绞制而成，在同一拉弧区域，承力索较接触线脆弱，所以首先断股。同时，通过理论计算也可以发现，由于电力机车驶入（出）关节式分相时的相角不同，所产生的过电压也不尽相同，当牵引变电所有关保护定值设置的无法躲过该过电压极值时，必然发生跳闸。通过大量当电力机车通过电分相时发生跳闸，而供电工区巡检结果为不明原因跳闸的现象实例证明，其跳闸原因应引起牵引变电所保护定值设置工作方面的高度重视。

3 防止过电压烧损线索的措施

通过以上分析，为防止电分相处过电压引起拉弧烧损线索，需从以下几个方面采取措施：

（1）在机车没有安装自动过电分相装置前，加强对机车司乘人员的管理，防止出现带电闯电分相的现象。同时，机车过电分相时应严格执行操作规程，在手柄回“0位”，断辅助机组后，必须断开机车主断路器。建议将机车主断路器断、合操作接入机车运行记录，便于故障分析，或者在关节式电分相电化区段运行机车上全部安装自动过分相装置。

（2）优化氧化锌避雷器的安装位置，利用氧化锌避雷器的吸收性能，抑制过电压。通过在中性线上接入氧化锌避雷器，改变电路的结构参数。如果保护电路的电容取值较大，则电路的振荡频率将会下降，同时由于加入了电阻，电路将由欠阻尼状态变为临界阻尼或者过阻尼状态，电路的过电压将会变小或者为0。

（3）改进电分相结构，增强抗拉弧能力。通过局部改变电分相处接触网的结构，抑制拉弧的产生或者增强承力索抗电弧烧损的能力。鉴于电分相处拉弧主要集中在第2、第3起弧区的实际，第1方案可以考虑提高该区域的绝缘强度，从而避免绝缘击穿产生拉弧。在保证 2支线索间距不小于500 mm的情况下，可以在上述区域2支接触线高度差50～300 mm内工作支及非工作支的承力索上加装绝缘护套，同时调整该区域内吊弦，采取非对称布置方式，避免该区域绝缘击穿产生电弧烧损线索。该措施由于增强了上述区域绝缘强度，能够有效抑制拉弧的产生，但存在绝缘护套内承力索线条无法直观检查的缺陷。第2方案，通过增强该区域线索的强度，从而缓解线索断股影响安全的紧迫性。在上述区域2支接触线高度差50～300 mm内工作支及非工作支的承力索上加装预绞丝保护条，并接一段等长的导弧承力索，两端各用承力索中心锚节线夹连接，导弧承力索与工作支（非工作支）承力索间每相距200 mm处用单股承力索线条绑扎3～5圈，同时保证 2支工作支线索在并接导弧承力索后任何情况下间距不小于500 mm。该措施比较直观，易于日常巡检发现缺陷，但引起上述区域线索烧损的根本原因仍然存在，有一定的局限性。

4 结束语

襄樊供电段于2010年4月开始对接触网关节式电分相进行综合改造，在改进电分相结构处采取了上述2种方案对比运行。一年来，通过观察记录加装绝缘护套与并接承力索2种方案的运行情况，发现加装绝缘护套方案能够有效抑制过电压击穿绝缘产生拉弧，且电分相处供电臂发生不明原因跳闸的次数也明显减少，鉴于此，对关节式电分相改造推荐采用该方案。防止关节式电分相过电压引起的线索烧损和变电所跳闸，涉及到电力机车、接触网、牵引变电所3个专业结合部，只有采取多种措施综合治理，才能有效防范关节式电分相过电压引起的故障，提高关节式电分相的安全运行性能。

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