南昆线潞城乡区间串补装置故障分析及对策

2013-11-12唐永海谭益杰唐培丰

铁道运营技术 2013年4期

唐永海，谭益杰，唐培丰

（南宁铁路安全监管办，1.工程师；2.助理工程师，广西南宁 530003）

南昆线牵引供电设计时为了降低建设造价，减少了牵引变电所的设置，使得南昆线供电能力先天不足，因此在扩能改造中部分区段增设了区间串补装置，以解决供电臂末端网压低问题，而铁路牵引供电采用串补装置存在很多的弊端，降低了供电的可靠性，在国内外使用极少。

南昆线潞城乡接触网区间串补装置投入运营以来，较好地解决了接触网末端网压偏低影响运输能力的问题。但随着南昆线运量增加，串补装置故障频繁发生，网压大幅度波动影响运输秩序的问题逐步暴露出来，特别是2012年10～11月，该区段就发生了变电所电流保护跳闸14次，主要原因是机车避雷器因高压击穿接地（共发生9 次）；其次是电力机车高压保护放电间隙高电压放电。此外，机车在此区段运行经常发生因网压低造成辅机烧损。可见串补装置性能不良对运输能力和安全有很大的影响。现从机车在串补末端取流运行中的网压变化情况进行析并提出初步应对措施。

1 在串补末端取流时网压变化分析

1.1 机车与供电系统形成的等效电路机车与接触网形成的一个电路可以看成是一个串联RL 电路（见图1），图1 中R、jx 为供电系统的等效电阻和电感，r、jx1为机车等效电阻和电感。可见电路负载呈感性（见图2），图2 中纵坐标是感抗和容抗之和，而感抗和容抗是相互抵消的。从串补电容装置投入情况下则为串联RLC电路，多台机车在串补电容装置投入情况下运行，则可看成混联RLC电路运行。机车内的单相变压器一次线圈一端同钢轨相联，另一端通过受电弓接在接触网上。

图1 未投入串补时

图2 网络阻抗向量图

1.2 等效电路分析设接触网首端网压为U，接触网线路阻抗为Z＝R+jx，单台机车阻抗为Z1＝r+jx1，多台机车运行时负载等效阻抗Zn′=Z1‖Z2‖…，显然多台机车的并联等效阻抗小于单台机车阻抗，串补容抗为Zc=-j Xc=-j1/ωc。

则未投入串补时线路中总阻抗Z、电流I、机车两端电压U′1分别为

串补投入后线路中总阻抗Z′、电流Ì′、机车两端电压U′1′（如图3）。

图3 投入串补时

显然，由于电容的存在，使Z′＜Z（如图2），Ì′＞Ì，因此U′1′＞U′1，这正是串补电容装置能够消减网络感抗，在电源电压不变的情况下提高回路电流，进而提高网压的原理。当串补末端有2 台以上机车取流时，并联负荷等效阻抗将进一步减小，由于串补-j Xc 的存在，线路总阻抗会变得更小，线路中电流进一步增大，加在机车两端的网压进一步提高。如果负荷端机车数量继续增多，或者提高串补容量，可能会导致网路中感抗容抗几乎完全抵消，即x+x1+…xn-1/ωc=0，出现串联谐振的情况，此时回路中呈现纯电阻状态，巨大的电流对机车和整个牵引供电系统会带来灾难性的破坏，因此对电容容量的选择和末端允许牵引负荷的大小必须统筹考虑。

2 电路参数变化对相关设备的影响

2.1 对串补装置的影响串补电容器串接于接触网提高网压，加在串补两端的电压U′c=Ì·Xc，电流增加电容电压会随之增大。为了避免电压的升高损坏电容器，串补两端并联了放电间隙FJ和旁路开关K（见图4），当串补两端电压超过额定电压2.5 倍时（整定值要求小于3 倍），放电间隙击穿并启动闭合旁路开关，放电间隙灭弧，这时相当于串联电容补偿退出，路中的负荷电流降低到一定值时，旁路开关又返回恢复断开状态，重新投入串补装置。负载变化较多时，放电间隙和旁路开关频繁动作，容易导致开关烧损使装置失效。特别是供电臂下机车在一定数量时刻，电路感抗与容抗相等，接触网电路发生的谐振电流造成旁路开关严重烧损。串补装置退出对运输能力有很大影响，串补装置过电压保护失效，对机车设备造成损伤。

图4 接触网锚段关节串补装置

2.2 对机车的影响

2.2.1 机车运行不正常若串补装置未投，当末端机车运行数量多、机车取流较大时，并联负载阻抗相对于线路阻抗将变小，机车网压降低，将直接导致机车动力不足而发生运缓甚至不能启动而坡停。因此串补装置退出，供电段必须向局调度所报告，调度所必须减少列车在该区间的运行对数。

牵引网络中还有一种补偿容抗被旁路导致末端网压突降的情况。当串补末端有机车在运行时，刚好有另一台机车经过串补装置所在的接触网四跨绝缘锚段关节3#中心柱处，其受电弓短接该处两支接触线，其效果也相当于短时间退出串补装置，致使在串补末端运行的机车感觉到网压突然变低（如图4），电容两端电压迫降为零。机车在接近四跨中心柱的过程中，由于两锚段接触线的高差越来越小，串补的电压差将导致非支接触线离受电弓距离过近而放电，接触网出现拉弧现象，造成机车乘务员误认为接触网故障。

2.2.2 机车辅机烧损在潞城乡—岩龙区段机车辅机经常烧损，机车辅机是三相的异步电机，其输入电源电压波动范围在270～460 V，相当于接触网网压19～29 kV〔1〕。如果网压降低时，根据磁路欧姆定律Φ＝F/Rm（Φ是磁路中通过的磁通，F 是磁路上的磁动势，Rm 是磁阻）和磁动势F＝ΣN·Ⅰ（N 是线圈匝数，Ⅰ是线圈中通过的电流）可知，磁动势降低，线圈中磁通减少，对于辅机定子绕组中的主磁通减少。

根据电磁转矩T的表达式：T＝CzΦIzcosφ式中T为电磁转矩，Cz 为转矩常数，Φ为气隙每极磁通量，Iz 为转子绕组相电流，cosφ为转子功率因素。牵引负荷较大时，线路电流增大，线路压降较多，使辅机主磁通大为下降，在同样的负载转矩下，根据磁通势平衡方程，定子电流也将大为增加，长期超过额定值就会导致辅机绕组过流严重，绕组的绝缘因为过热而损坏〔2〕。因此可以说供电臂末端网压低是造成机车辅机烧损的重要原因之一。

2.2.3 机车避雷器击穿机车避雷器击穿后若乘务员处理不当，容易造成接触网烧断对运输影响严重。避雷器击穿前提条件是必须有足够高的电压使避雷器击穿放电，接触网加入串补装置后，末端网压升高不超10 kV，不至于使避雷器击穿放电。结合2012年10月份以来，潞城乡均无雷击过电压天气的情况分析，能使避雷器击穿的只有内部过电压。而根据10月份以来只在该处频繁出现避雷器烧损的情况分析，也可以排除人为操作导致内部过电压的可能性。从近期潞城串补末端发生机车避雷器爆炸时，均伴随串补放电间隙持续放电烧损的情况以及该供电臂呈容性的特点分析，可初步判断为放电间隙频繁的电弧熄灭与重燃导致内部过电压，引起机车避雷器击穿短路烧损、变电所跳闸。

下面利用高电压技术行波理论分析电弧熄灭与重燃导致内部过电压过程：当下行机车通过潞城分相后重新闭合主断路器，假设此时刻正处于放电间隙电弧第一次过零熄弧、间隙两端电压为牵引变电所电源电压下半周峰值（即U=-Umax）的时刻，即t=0时。此刻串补末端网压为-Umax〔3〕。当电压波形到达半个周期（t=T/2）时，电源电压变为+Umax，放电间隙电弧再次过零熄弧，因而作用在放电间隙两端的电压差将达到+2Umax，，此电压幅值传到串补末端，与原来末端的+Umax 叠加，造成+3Umax的对地电压。此时旁路开关应闭合，将电容短接消除电容过电压，串补装置退出。若此时串补旁路开关不能短接电容当电压波形到达一个周期（t=T）时，电源电压又再一次变为-Umax，放电间隙电弧再一次过零熄弧，间隙两端电压增大为+4Umax。而过零后间隙电弧将再次重燃，线路的对地电压由+3Umax 变为-Umax，相当于一个-4Umax 的电压波传至串补末端，末端合成网压将变为-5Umax（-Umax+（-4Umax）=-5Umax）。在一个电压周期内电压绝对值达到原来的5 倍，下一个电压周期开始还将继续增大。显然串补的旁路开关失灵或动作时间较长，不能及时短接放电间隙使之熄弧，快速增高的电压必然要击穿机车避雷器〔3〕。

3 应对措施

一是减少串补装置放电间隙在正常的网压下放电，使串补装置非正常退出。二是要保证串补电容电压高保护正常，在高电压下使串补装置能及时的退出。具体措施有以下4种。

3.1 适当提高串补放电间隙动作电压根据供电臂最大牵引负荷，计算电容承受的实际电压，再根据串补电容的耐压值适当调大放电间隙距离，提高动作电压以增大动作门槛，从而减少放电间隙和旁路开关动作次数以避免烧损的同时，也可保证机车正常取流时电压稳定。按照放电间隙动作电压不高于串补电容额定电压（5 kV）3 倍的要求，可把间隙启动电压整定为15 kV，比原整定值提高2.5 kV。

3.2 缩短串补装置至供电臂末端的距离缩短串补装置至供电臂末端的距离以减少装置末端列车数量。如潞城-岩龙间，目前最大负荷下可允许2 列车分别在岩龙站和潞城站内启动，一列在潞城-岩龙区间运行，另外一列从潞城站开出，这样串补装置末端共有4 台机车取流，其并联等效阻抗只有单台机车阻抗的1/4，牵引回路中的感性阻抗进一步减小，在有串补容抗的共同作用下，整个牵引回路阻抗变得更小后产生电路谐振，这将导致线路电流过大而使串补装置保护动作后串补电容退出，致使机车主变上电压降低，造成坡停或烧毁机车辅机。若将目前串补装置用引线转接至潞城站西侧，并在西侧增设四跨锚段关节，则串补末端最多只有2 列车取流（即最大负荷下只有潞城至岩龙区间的1 台机车加上岩龙站内1 台机车），则机车等效阻抗较大，牵引回路中电流将适当变小而不使串补保护动作，极大增强了串补装置运行的可靠性。

3.3 将串补装置处四跨绝缘锚段改为七跨将串四跨绝缘锚段改为七跨后可避免机车通过时造成接触网拉弧。这是因为七跨锚段关节有一段无电的中性区，机车从一个锚段过渡到另一锚段时，要先通过中性区后才过渡，可有效避免通过四跨锚段关节中心柱处旁路串补装置导致接触网拉弧的现象。

3.4 确保串补装置旁路开关动作准确可靠从前面分析可知，放电间隙处电弧的多次熄弧与重燃，将导致过电压，只有旁路开关及时闭合才能永久熄弧。因此必须加强对旁路开关检查校核，确保间隙电流超400 A时能及时闭合，通过电流低于200 A时能及时分开。