浅析浩吉铁路牵引变电所电压波动的原因

摘 要：针对浩吉铁路牵引变电所电压波动的问题，通过现场调查并结合试运行期间的运行记录，分析了电压波动的原因，提出了解决方案。

关键词：浩吉；牵引变电所；电压波动；谐波

中图分类号：U223                                 文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）12-0124-05

0 引言

浩吉铁路原建设工程名为“蒙西至华中地区铁路”，简称“蒙华铁路”，是我国境内一条连接内蒙古浩勒报吉与江西吉安的国铁Ⅰ级电气化铁路，是我国“北煤南运”战略运输通道[1]。

2019年底开通的浩吉铁路，具有重大战略意义与重要现实价值，它不仅极大地缓解了中南地区的煤炭需求紧张形势，也将改变甚至重塑区域煤炭市场格局[2]。

1 浩吉铁路牵引变电所电压波动问题情况

1.1 浩吉线牵引变电所跳闸及牵引变电所内避雷器击穿爆炸

浩吉线开通前夕，靖边东牵引变电所、靖神线接触网、电力机车的避雷器相继发生击穿、爆炸故障，对浩吉线按期开通运营造成了极大的影响。

根据运行记录，浩吉线靖边东牵引变电所2019年9月27日至9月28日发生多起跳闸，其中3起跳闸信息情况为：①2019年9月27日06时01分，浩吉线靖边东变电所202断路器跳闸，2#B系统后备保护装置α相过流动作，试送成功。②2019年9月27日16时24分，浩吉线靖边东变电所202断路器跳闸，2#B系统后备保护装置α相过流动作，巡视发现巴图湾分区所的3BLT避雷器击穿并产生爆炸。靖边东牵引变电所避雷器爆炸现场照片如圖1所示。③2019年9月28日15时38分，浩吉线靖边东变电所202断路器跳闸，2#B系统后备保护装置α相过流动作，重合闸成功，接触网电压显示33 kV。

1.2 靖神线避雷器击穿

2019年9月27日，靖神铁路SS4G型6201#电力机车15时21分在黄蒿界站调车转线后，机车主断路器跳闸、机车顶部伴有响声和火花，机车顶部避雷器烧损击穿，机械间变压器室顶部击穿形成直径约4 cm孔洞。SS4G型6200电力机车19时13分运行至靖边北至黄蒿界区间时，接触网网压33 kV，机车主断路器跳闸、机车顶部伴有响声和火花。靖神铁路SS4G型电力机车顶部避雷器爆炸现场照片如图2所示。

1.3 正线列车持续发生电力机车顶部避雷器击穿

针对靖边东牵引变电所跳闸、电力机车顶部避雷器爆炸事件，各单位组织对全线牵引变电所电压进行了持续监测。监测期间，接到机务部门反馈2019年11月17日HXD11862电力机车顶部避雷器击穿；2019年11月18日HXD11828电力机车顶部避雷器击穿。浩吉铁路蒙陕段靖边东电力机车顶部击穿照片如图3所示。

观察发现，只有在机车进入牵引变电所的供电臂时，牵引变电所的电压升高，而且只有靖边东枢纽的电压波动范围大时，才出现避雷器爆炸事件。

2 针对问题进行的现场调查

2.1 对浩吉线和靖神线开通前牵引变电所供电情况的调查

按照《国铁集团关于浩吉等线开办货物运输初期运营有关事项的通知》，浩吉线及相关联络线于2019年9月28日起，开办货物运输初期运营，并与全路货运营业站输货物直通运输。

由于靖神铁路新建6座牵引变电所外电未接入，经浩吉公司专题会研究同意，2019年9月8日自浩吉线靖边东牵引变电所1#馈线、2#馈线越区送电至靖神线响水塘站，以满足开通前期运输需要。供电臂名称为浩吉线靖边东变电所至巴图湾分区上行供电臂、靖边东变电所至巴图湾分区下行供电臂。

带电范围为响水塘（不含）至黄蒿界（含 1、2、Ⅲ、Ⅳ、5 道）至靖边北（含Ⅲ、Ⅳ道），对应里程 K205+483.88 至K233+184.05。其中，黄蒿界至靖边北（含）上下行正常供电，响水塘至黄蒿界（含）、黄蒿界（含）至靖边北上下行越区供电。浩吉铁路蒙陕段及靖边地区牵引供电示意图如图4所示。

2.2 对避雷器击穿情况的调查

氧化锌避雷器因其优异的非线性特性，广泛用于发电厂、变电站、输配电线路，用以保障电力设备安全，以避免雷电过电压和操作过电压的冲击[3]。其持续运行电压即允许长期工作电压，应等于或大于系统的最高相电压。其额定电压即允许短时最大工频电压（灭弧电压），避雷器虽能在此工频电压下动作放电并熄弧，但不能在此电压下长期运行。

故障发生后，由于故障主要表征为避雷器发生击穿问题，初步判定极有可能是避雷器质量问题。2019年9月27日开始，由建设单位组织有关单位对安装在接触网上和机车上的避雷器进行了调查。主要包括产品质量、产品特性、运行状态、数据记录等方面。同时，调查了机务司乘人员和接触网巡视人员均持证上岗，应急处置程序和处置过程符合要求。

2.2.1对产品进场验收质量的调查

经查，接触网避雷器（含脱离器）安装日期2019年8月13日，该生产批次一共55 台，于2019年5月18日到货，2019年5月19日开箱验收。2019年8月11日对避雷器及基座绝缘电阻进行测量，并对避雷器直流电压和0.75倍直流参考电压下的泄漏电流实验。进场验收合格。

2.2.2对安装在电力机车上的避雷器质量的调查

经查，电力机车出厂后，避雷器由大/小修单位整体检查。其中，SS4G型6201#电力机车，分别于2018年10月23日由中车大同机车电力机车有限公司大修验收竣工，2019年9月12日由西安局集团公司新丰镇机务段小修验收竣工。SS4G型6200#电力机车，分别于2018年10月23日由中车大同机车电力机车有限公司大修验收竣工，2019年9月11日由西安局集团公司新丰镇机务段小修验收竣工。

2.2.3对安装在接触网上的避雷器运行情况的调查

经查，2019年9月27日至28日设备管理单位对靖边北至响水塘区段共计巡视5次，均未发现接触网上避雷器异常。2019年9月29日，应西安局集团公司延安综合段设备隐患排查要求，相关单位对靖边东牵引变电所至巴图湾分区所上、下行供电臂所辖区段进行联合巡视，巡视结果有如下3点。

第一，巡视靖边北站至海则滩区段未发现异常。巡视记录了黄蒿界至靖边北区间1#至360#，区段内8处避雷器计数器数据。靖边北至黄蒿界区间避雷器计数器数据如表1所示，靖边北至黄蒿界区间避雷器计数器监测情况如图5所示。

第二，巡视黄蒿界站132#至黄蒿界至响水塘区间时，发现黄蒿界站125#避雷器脱离器烧损脱落，125#避雷器计数器雷击次数为15，电流指针为0 mA。130#避雷器计数器雷击次数为7，电流指针为无限大。

第三，巡视响水塘站89#至黄蒿界至响水塘区间67#时，发现黄蒿界至响水塘区间3#、4#（大墩梁隧道进出口）避雷器脱离器烧损脱落。靖边北至黄蒿界区间接触网避雷器击穿情况如图6所示。响水塘站89#避雷器计数器雷击次数为0，电流指针为0。3#避雷器计数器雷击次数为167、电流指针为0。4#避雷器计数器雷击次数为 505。

2.3 对浩吉铁路设计技术参数的调查

2.3.1浩吉铁路设计技术参数调查

浩吉线：机车型号为HXD系列。牵引质量：浩勒报吉南-襄阳（襄州）段 10 000 t、部分 5 000 t，襄阳（襄州）-吉安段 5 000 t。采用AT供电方式。新建牵引所采用 220（330 陕西）/2×27.5 kV，三相 V 接线，100%固定备用。

相关联络线情况如下：机车型号为HXD系列（以HXD1C、HXD3为主），牵引质量为5 000 t。东乌联络线采用AT供电方式，其他联络线（例如新陶线、太中银线、陇海线）、专用线（例如靖神线）采用带回流线的直供方式。

由于本线机车类型为交直交传动电力机车，其功率因数较高（＞0.9），因此牵引变电所不设置无功补偿装置，但预留高次谐波滤除装置设置条件。可采用以下措施来降低电气化铁路产生的负序电流对电力系统的影响：牵引变压器一次侧采用相序轮换方式接入电力系统；采用 Vv 结线牵引变压器。

2.3.2动态试验期间的情况调查

接触网热滑和动态试验期间的列车编组采，用HXD3D49+内燃机车DF4D403，期间没有发现电压过高和避雷器爆炸问题。

3 原因分析

3.1 机车故障时间与牵引变电所避雷器故障记录时间不重合

具体情况如下：①2019年9月27日06时01分浩吉线靖边东变电所跳闸，9月27日8时44分6200#+6201#电力机车开51003次由黄蒿界站发车。②9月28日15時38分，浩吉线靖边东变电所202断路器跳闸，重合闸成功，接触网网压显示33 kV。在此时间段，SS4G型6200#、6201#电力机车停在黄蒿界站5道，未升弓。

3.2 避雷器设备质量符合要求

电力机车及避雷器均经过中车大同机车电力机车有限公司大修、西安局集团公司新丰镇机务段小修并鉴定合格。

接触网避雷器出厂检验、合格证及安装前试验均符合要求。脱离器作为避雷器的配套产品，与避雷器串联使用，当避雷器故障损坏时能动作脱离，将故障损坏的避雷器及时与系统隔离并做出清晰标示，从而确保系统的正常运行，以方便故障的查找及避雷器的检修更换。电力机车顶部的避雷器及牵引变电所内的避雷器未安装脱离器，也发生了击穿故障，说明靖神铁路接触网上避雷器击穿与脱离器没有直接关系。

3.3 产生问题的原因分析

3.3.1谐波共振因素影响

随着我国轨道交通的发展，电气化铁路线路不断增加，形成了枢纽地区牵引变电所同时为多条线路供电的新情况。与普通牵引供电系统不同，枢纽牵引供电系统同一母线上连接的供电线路数量（长度）大幅增加。分析认为由于每条供电线路中存在的分布电容、电感与系统中感性设备耦合，枢纽牵引供电系统产生了多个谐振，而这些谐振的存在极易造成更为复杂的多谐振点谐波谐振问题。

枢纽牵引供电系统的线路上运行着不同传动类型且数量众多的电力机车或动车组，由于列车输出的谐波频段范围差异较大，多种不同传动类型列车的交互运行造成了枢纽牵引供电系统更为复杂而丰富的谐波问题。这些因枢纽牵引供电系统多供电线路、多种不同传动类型列车交互运行而带来的新的谐振与谐波问题，极易引发供电设备损坏，严重威胁着枢纽地区的铁路行车安全[4]。枢纽牵引供电系统存在主谐振点和多谐振点构成的谐振带，系统谐波频带丰富，极易造成高次谐波放大，进而造成谐波畸变率增大[5]。

经调查，当日靖边东牵引变电所至巴图湾分区所供电臂上，除了靖神线SS4G型6200#、6201#电力机车外，还有HXDD1型电力机车运行。经对比分析发现，在和谐、韶山两种型号电力机车在同一供电臂上运行时产生谐波，使电压瞬间升高。

3.3.2谐波引起持续过电压的影响

国家电网规定，牵引变电所进线电压误差要求±10%。为保证牵引变电所供电臂末端电压，牵引变电所进线电压一般都为正误差，牵引变电所变压器二次侧的电压一般都高于27.5 kV。机车通过时由于谐波作用，造成供电臂首端（或所内）网压叠加升高，超出了避雷器允许工作范围。

TB10009-2016规定：电力牵引变电所牵引侧母线的额定电压为27.5 kV，自耦变压器供电方式为2×27.5 kV；电力机车、电动车组受电弓和接触网的标称电压为25 kV，短时（5 min）最高电压为29 kV；高速铁路、城际铁路接触网最低工作电压为20 kV，其他铁路接触网最低工作电压为19 kV[6]。

根据运行记录判断，接触网持续网压已经明显超过设计规范规定的29 kV的要求和避雷器额定电压。高次谐波会降低电容的容抗，提高电感的感抗。对牵引网的影响主要是提高整体线路的阻抗，同時降低电缆线路的容抗，导致线路参数发生较大变化，使车网耦合参数出现不匹配现象，从而引发高次谐波振荡。如果在机车运行期间发生接地故障可能导致故障范围的进一步扩大。谐波可使通过电容器的电流幅值增大且电容值变小几倍甚至几十倍，因此谐波通过电容器时，会使电容器的温度升高，长期使用将可能导致电容器热击穿。系统发生铁磁谐振时，PT将产生过电压使电流激增。此时除了造成一次侧熔断器熔断外，还将导致PT烧毁。个别情况下，还会引起避雷器、变压器、断路器的套管发生闪络或爆炸。

3.3.3供电臂过长因素影响

靖边东牵引变电所至巴图湾分区所供电臂，负责浩吉线纳林河（不含）至海则滩（含）至靖边北（含）至靖边东（含）至建华（含）172.33 km、靖神线靖边北（含）至黄蒿界（含）至响水塘（不含）区段32.7 km供电设备，供电臂过长影响机车取流。

结合调查情况，初步判定设备质量符合要求，机车没有非正常操作。初步判断电力机车避雷器击穿、接触网避雷器脱离器烧损脱落，均由浩吉线靖边东牵引变电所靖边东至巴图湾分区所上、下行供电臂网压、电流过高造成。根据经验判断，谐波是直接原因。

4 采取的措施

4.1 技术措施

具体有以下4点技术措施：①将牵引变压器档位调低，并持续监控无车运行状况和有车运行状况下电压的数据。挡位调到最低后，浩吉线拉通试验和万吨试验期间，对牵引变电所电压和电流监测发现，网压升高电压均在29 kV以下，电流在600 A左右，没有出现避雷器击穿和爆炸的情况。②车务部门了解掌握供电臂上行车信息，并及时向机务乘务员通报，避开和谐、韶山电力机车在同一供电臂运行情况。③在电力机车上设置宽频动态补偿装置，确保浩吉线正常运行。④根据情况决定后续是否在牵引变电所内安装滤波装置。电能净化装置对高次谐波具有明显减少和消除的作用，可进一步保障铁路牵引变电所安全运行[7]。

4.2 管理措施

具体有以下4点整改措施：①靖神铁路公司需督促国电公司，加快牵引变电所外电的施工进度，尽快解除浩吉线向靖神线接触网越区供电。②机务乘务员应严格按照操作规程作业，发现异常情况及时向供电调度汇报，对于机车运行过程中出现网压过高问题要果断采取措施，经供电调度同意后应立即停车。③供电部门应加强接触网越区供电区段接触网设备的巡视检查，对于安全隐患问题及时上报并安排处理。④建立对外联系沟通机制，供电部门应积极与延安综合段对接，现场确认牵引供电设备安全管理分界细节问题，明确责任并签订设备运行维护分界协议。

5 结束语

任何三相不平衡谐波电流均由谐波正序电流和负序电流组成，由于电力机车为非线性载体，而且各类电力机车的特性不同，对牵引供电系统产生的影响也不同，由此产生的高次谐波广泛分布于供电系统中。当系统参数满足一定条件时可能发生系统谐振，进一步加剧高次谐波的形成。对牵引供电系统进行谐波综合治理非常必要[8]。抑制牵引供电系统高次谐波可以从在电力机车上设置宽频动态补偿装置、采用有源和无源滤波相结合的方式滤波两个方面采取有效措施。

参考文献

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[2] 何建委.浩吉铁路对区域煤炭市场影响探析[J].能源科技， 2022，20（2）：13-16.

[3] 拜姝羽，郑亭亭，陶鹏杰，等.变电站氧化锌避雷器接线故障分析[J].通讯世界，2022，29（11）：73-75.

[4] 邵洋.枢纽牵引供电系统谐振与谐波特性分析及治理研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[5] 侯文玉.枢纽牵引供电系统谐波问题探讨[J].电气化铁道， 2016（6）：7-13.

[6] TB 10009-2016，铁路电力牵引供电设计规范[S].

[7] 文稳利.牵引变电所27.5kV所用变压器电能净化研究[J].铁路技术创新，2022（2）：30-34.

[8] 刘胜勋，饶洪伟，沈建红，等.京沪高铁固镇变电所直挂式高压有源滤波器测试分析[J].电气化铁道，2021，32（5）：91-97.

收稿日期：2023-10-17

作者简介：李晋（1975—），男，湖北孝感人，本科，高级工程师，研究方向：铁路四电施工。