过电压引起电力机车放电间隙击穿原因分析

钮承新

0 引言

韶山型电力机车在车顶高压侧安装有棒形保护放电间隙，作为大气过电压保护器件，当出现过电压时，电力机车放电间隙击穿，从而使机车不受过电压影响，但直接造成牵引变电所断路器跳闸，短路电流甚至烧损电力机车和接触网设备。针对电力机车与接触网之间的过电压问题，笔者对弓网之间的过电压现象进行现场测试，专门调查弓网关系中的过电压问题。探讨电力机车与接触网之间过电压导致机车放电间隙击穿的原因，制定相应防范措施，防止过电压损坏电力机车和接触网设备。

1 机车通过接触网关节式分相过电压试验

1.1 SS7E型机车过电压测试

为了查找接触网与机车之间过电压现象，现场测量机车通过接触网关节式分相过电压情况，主要对兰新线武威南至嘉峪关间接触网关节式分相通过电力机车产生过电压问题进行试验，SS7E051机车牵引列车在兰新线兰州至嘉峪关之间运行，分别测试兰嘉段上下行各40组分相，机车通过接触网关节式分相时出现过电压现象，上行过电压出现11次，占通过总次数的 27.5%，电压最大值为70 kV。下行机车过分相时发生过电压次数达到19次，占通过总次数的47.5%，电压最大值83.5 kV。过电压全部发生在接触网关节式分相处，占接触网关节式分相的33.3%。

1.2 过电压现象

电力机车通过接触网关节式分相时，从接触网有电区进入无电区占产生总过电压次数的70%，从无电区到有电区占总过电压次数的30%。图1为现场实测接触网关节式电压峰值为83.5 kV。

图1 机车通过关节式分相过电压波形图

1.3 SS3B型机车过电压试验

2007年8月4日，SS3B6034电力机车在兰新线武嘉段通过张掖接触网关节式分相时，试验中实测过电压最高达98 kV，试验时机车未安装机车放电间隙，图2为该机车运行通过接触网关节式分相过电压波形。

1.4 机车过电压原因分析

机车通过接触网关节式分相造成过电压的主要原因是电力机车运行过程中，机车互感器电感与接触网分布电容之间构成的电气回路参数发生变化，当感抗值与容抗值相等时，牵引网构成谐振回路，即

式中，ω为角频率，L为电感，C为电容。将ω = 2πf代入式（1），可得：

式中，f为谐振频率，表示外加机车电源频率与接触网固有自振频率相等时，牵引网回路有可能出现电压谐振现象。在实际电路中，由于电路中存在电感-电容效应，只要外加电源频率与电源固有频率相近时，可能引起谐振现象，产生过电压。当机车进入或通过接触网关节式分相时，机车、接触网关节式分相电路参数发生变化，产生谐振过电压，是电力机车产生过电压的原因之一。

图2 机车通过接触网关节式分相过电压波形图

2 机车升降弓作业时产生的过电压

2.1 机车升降弓过电压试验

针对机车升降弓作业时发生放电间隙击穿现象，专门对机车升降弓时出现的过电压进行试验，选择SS7E014、SS7E021、SS7C020等3台电力机车进行过电压试验，主要试验升弓、降弓、分合机车主断路器、合主断路器辅机工作、辅机工作断开主断路器等7种工况试验，现场用录波仪测试试验作业过程产生的电压，经过150次试验，机车在升降弓试验时出现过电压95次，占63.3%。

2.1.1 机车升弓过电压试验

“当然这里面的企业良莠不齐，有些创业者也存在忽悠现象，拿一个PPT就准备找投资人要钱。这要进行判断分析，考验企业家的智慧。”辜名说。

（1）SS7E021机车试验：机车主断路器断开后升弓18次，产生45 kV以上过电压10次，占过电压56%。其中，50 kV以上过电压4次；64.9 kV以上过电压1次。机车升弓时产生的过电压典型波形见图3。断路器合闸后升弓12次，产生45 kV以上过电压6次，占该工况50%，50 kV以上过电压3次。

图3 SS7E021机车升弓时64.9 kV过电压波形图

（2）SS7C020机车试验：主断路器分闸后升弓19次，产生45 kV以上过电压12次，占63%。其中，50 kV以上过电压3次。

2.1.2 机车降弓产生过电压试验

（1）SS7C020机车降弓试验：机车主断路器断开后降弓13次，产生45 kV以上过电压11次，占84.6%。其中，50 kV以上4次；64 kV以上1次。降弓过电压典型波形见图4所示。

图4 SS7C020型机车降弓时64 kV过电压波形图

（2）机车SS7E021降弓试验：机车主断路器断开后降弓29次，产生45 kV以上过电压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机车降弓试验时产生过电压波形见图5。

图5 SS7E021型机车降弓时78 kV过电压波形图

2.2 机车升降弓产生过电压案例

2.2.1 机车升弓产生过电压典型案例

2008年8月8日12时14分，本务SS1型633机车、重联SS3型4217机车，担当10 464次货物列车牵引任务。14时23分重联SS3型4217机车换端升弓过程中，将机车放电间隙铜棒烧损，放电间隙由110 mm扩大至120 mm，同时，受电弓与导线间产生电弧光将接触网设备烧损。

2.2.2 机车降弓产生过电压典型案例

2010年1月9日15时20分，某变电所213#开关跳闸，重合成功，短路电流4 173 A，短路公里1.24 km。SS7E137机车担当K621次列车在车站7道停车，停车后司机断电后降弓，机车车顶放电间隙击穿，检测烧损后的间隙为154 mm，比标准值110 mm增加44 mm，且放电间隙靠近支持硅胶绝缘子有明显放电烧伤闪络痕迹。

2.3 机车升降弓产生过电压原因分析

2.3.1 电路谐振产生过电压分析

电力机车升降弓作业时，机车受电弓和接触线进行瞬间接触或分离，由于电力机车上电压互感器和接触网电路状态发生突然变化，机车电压互感器为带铁心的电感元件，在冲击电流下电感量呈非线性变化，在电路的过渡过程发生变化，容易产生铁磁谐振。由式（1）可知，当机车电路参数与接触网电源固有参数产生谐振时，在机车和接触网电路中将会产生电路谐振过电压，谐振过电压是导致机车放电间隙击穿的直接原因之一。

2.3.2 电弧重燃产生过电压分析

电力机车受电弓升降弓时，受电弓与接触线呈现弹性接触，在弹跳接触或分离过程中，受电弓与接触线之间引起多次电弧重燃现象，电弧重燃时有可能产生过电压。

3 机车放电间隙电压试验

2008年6月，在兰州宏宇变压器厂进行机车放电间隙击穿电压试验。选用机车安装的直径10 mm放电棒，放电棒顶端为半径5 mm球面，试验时取用2只放电棒，按110、118 mm的间隙进行棒对棒电压试验，主要进行工频耐压试验和冲击电压试验。

韶山1、3、7型电力机车车顶放电间隙标准值为110±1mm，在标准大气压下，工频放电电压为65 kV，全波（标准波1.5/20 μs）冲击电压为90 kV。兰州地区海拔1 500 m，按照海拔高度修正的原则，上述参数在试验中有所变化。

3.1 放电间隙工频耐压试验

工频耐压试验时将放电间隙距离分别设为110和118 mm，试验仪器为YWDT-150/150型高压试验装置。当放电间隙为110 mm，工频试验击穿电压分别为45，49，47，48 kV，工频试验击穿电压平均值为47.25 kV。放电间隙在118 mm时，工频试验电压击穿电压分别为50，48.4，49 kV；工频试验电压平均值为49.13 kV。

3.2 冲击电压试验

放电间隙距离设为110 mm，利用CDJ - 900 /45KJ型冲击电压试验装置进行 15次冲击电压试验，冲击试验电压范围 88～194 kV，冲击电压试验结果表明，放电间隙在110 mm，冲击试验电压值为102～103 kV时，为放电间隙击穿的最低电压值，也就是放电间隙击穿的临界冲击电压值。

电气试验表明，兰州地区机车放电间隙工频放电电压低于机车出厂说明的65 kV，主要是受海拔高度等因素的影响。冲击试验电压值超过理论上的数值，主要是做冲击试验电压时，试验仪器不容易抓住准确的击穿电压数值。

4 机车放电间隙保护存在的问题

4.1 机车放电间隙不能切断工频续流

韶山型电力机车在车顶上安装的放电间隙，其设计工频击穿电压为 65 kV。冲击击穿电压为90 kV，当放电间隙达到击穿电压时，放电间隙被击穿，放电电流通过放电间隙形成电弧放电现象，由于放电间隙没有熄灭电弧装置，铜棒构成的放电间隙不能切断工频电压引起的续流电流（工频续流），工频电压将维持工频续流通过放电间隙。机车放电间隙击穿后，放电间隙电弧放电引起牵引变电所跳闸。机车放电间隙放电电压较低，成为接触网、变电所、电力机车构成的牵引供电系统的薄弱点，过电压出现时，机车放电间隙绝缘薄弱点被击穿，形成电气回路的短路点。

4.2 机车氧化锌避雷器被闲置

机车上装有限制过电压的氧化锌避雷器，其直流参考电压大于58 kV，额定工频电压为42 kV，表明该避雷器在过电压出现时所需要的工作电压数值较高，一般操作过电压作用时，避雷器将不会动作。由于雷电过电压波形窄、时间短、无后续能量补充的特点，因此避雷器能起到良好的抑制雷电过电压峰值的作用。同时，机车放电间隙击穿电压较低，对避雷器起到短接作用，因此，避雷器无法抑制接触网与机车之间产生的过电压问题。另外，由于氧化锌避雷器残压太高，难以有效保护设备。

5 减少机车放电间隙击穿的建议

5.1 拆除机车放电间隙

为了防止机车放电间隙击穿，造成机车、接触网设备烧损，在机车安装氧化锌避雷器的前提下，建议将放电间隙拆除。因为，理论上机车放电间隙工频耐压为65 kV，击穿冲击电压为90 kV，而主断路器、支持绝缘子等车顶设备冲击试验电压为165 kV，当过电压出现时，绝缘薄弱点仍然在放电间隙，过电压首先击穿放电间隙。拆除放电间隙可以避免过电压导致放电间隙击穿现象。

5.2 机车高压侧安装过电压吸收装置

在机车高压侧安装过电压保护装置，直接抑制机车产生的过电压，是比较理想的方案。针对接触网与机车之间的过电压特点，兰州铁路安全监管室已研制复合材料过电压保护装置，直接抑制机车与接触网产生的过电压，经过一年多的运行，取得较好的效果，并通过甘肃省科技厅组织的科技成果鉴定。该单位在6台机车上安装复合材料过电压保护装置，其中，SS7E0051动作66次、SS7E 0084动作21次、SS7E 7001动作187次，机车上装有放电间隙未发生放电击穿现象，过电压保护装置可抑制机车与接触网之间产生的过电压，有效保护电力机车和接触网设备安全。

6 结束语

电力机车与接触网之间产生的过电压主要发生在机车通过接触网关节式分相和机车升降弓作业时，一方面，发现电力机车通过接触网分相时产生过电压导致电力机车放电间隙击穿；另一方面，电力机车在车站、机务段内进行升降弓作业时，也将产生过电压，当过电压数值超过机车放电间隙击穿电压时，放电间隙被击穿。过电压不应该通过机车放电间隙释放，放电间隙击穿后，短路电流将引起牵引变电所跳闸，有时将导致机车、接触网设备烧损。建议采用电力机车高压抑制过电压方案，直接削弱机车升降弓和通过接触网关节式分相时产生的过电压。

[1]楼修力.韶山1型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1985.

[2]谢广润.过电压保护[M].北京：电力工业出版社，1980.