陳文勝

摘要：基于大準(zhǔn)鐵路公司SS4B型電力機(jī)車阻容支路電阻燒損和電容被擊穿等現(xiàn)象，通過對(duì)大準(zhǔn)鐵路運(yùn)用電力機(jī)車出現(xiàn)的燒損現(xiàn)象研究和分析，提出了改造阻容裝置建議。同時(shí)，針對(duì)牽引供電網(wǎng)方面所采取的措施，進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集分析。希望本文能對(duì)鐵路交、直流機(jī)車混跑所帶來的阻容支路燒損影響機(jī)車正常運(yùn)用能起到一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直流機(jī)車；交流機(jī)車；阻容支路；燒損；高次諧波

隨著和諧號(hào)以及其他類型交流電力機(jī)車的普遍運(yùn)用，交流機(jī)車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)及牽引變電所牽引變壓器形成回路，使得接觸網(wǎng)存在大量不同頻率的諧波分量，對(duì)直流電力機(jī)車的正常運(yùn)用產(chǎn)生很大程度的影響，出現(xiàn)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(yán)重影響到機(jī)車的正常運(yùn)用，對(duì)正常的運(yùn)輸秩序造成嚴(yán)重的干擾。

本文基于故障現(xiàn)象，結(jié)合大準(zhǔn)鐵路公司機(jī)車實(shí)際情況，參考相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容，從優(yōu)化阻容支路電阻和電容參數(shù)出發(fā)，以增強(qiáng)阻容支路對(duì)高次諧波的抵御能力，同時(shí)給牽引變電所地面設(shè)備解決高次諧波提出建議。

1 機(jī)車運(yùn)用情況及故障統(tǒng)計(jì)

大準(zhǔn)鐵路公司電力機(jī)車運(yùn)行區(qū)段相關(guān)站點(diǎn)包括點(diǎn)岱溝站、南坪站、外西溝站、準(zhǔn)東鐵路等過個(gè)站點(diǎn)及線路區(qū)段。隨著大準(zhǔn)鐵路神華號(hào)交流電力機(jī)車在上述區(qū)段投入運(yùn)用后，大準(zhǔn)線SS4B型電力機(jī)車阻容支路的電阻和電容開始頻繁出現(xiàn)不同程度的故障現(xiàn)象，普遍表現(xiàn)為RC支路電阻接線柱焊錫熔落，電阻燒損，部分機(jī)車出現(xiàn)了RC支路電容擊穿等多種部件的損壞。

2 故障原因初步判斷

大準(zhǔn)鐵路公司燕莊站為萬噸線，有大量的機(jī)車（包括直流機(jī)車和交流機(jī)車）在站場(chǎng)處于空載等待狀態(tài)，可以認(rèn)為直流電力機(jī)車阻容支路故障發(fā)生地有多臺(tái)交流機(jī)車空載集中使用。這與自交流電力機(jī)車大量上線運(yùn)行以來，其他機(jī)務(wù)段SS系列直流機(jī)車阻容支路故障發(fā)生的情況基本相同。

為了驗(yàn)證和解決HXD型機(jī)車對(duì)SS4B的影響，2015年5月武漢北六場(chǎng)調(diào)車場(chǎng)進(jìn)行了一次試驗(yàn)測(cè)試。在直流機(jī)車RC支路燒損事故頻發(fā)的情況下，測(cè)得的RC支路電流電壓波形。測(cè)試條件：SS4B升弓合主斷但不工作，HXD多機(jī)空載工作；故障現(xiàn)象：10～30min內(nèi)RC支路電阻燒損。

分析得出，牽引網(wǎng)電壓諧波豐富（諧波頻率為2750Hz），RC支路電流的諧波含量很高，有效值為65A，峰值高達(dá)93A。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(tài)。吸收電阻是基于短時(shí)過電壓而設(shè)計(jì)的，額定電流約10A，工況的變化導(dǎo)致電阻的壽命急劇下降，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。

綜上所述，包神鐵路SS4B阻容支路的燒損，是因?yàn)闋恳W(wǎng)存在大量高次諧波，而牽引網(wǎng)電壓高次諧波源于交流機(jī)車。

3 故障原因具體分析

交流機(jī)車的牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)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(wǎng)中傳遞是造成直流機(jī)車RC支路燒損的主要原因。因此，從交流機(jī)車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性和網(wǎng)參數(shù)對(duì)交流機(jī)車諧波傳遞的影響兩個(gè)方面分析直流機(jī)車RC支路燒損的原因。

3.1交流機(jī)車牽引諧波電流在網(wǎng)中的傳遞特性分析

目前我國(guó)牽引供電網(wǎng)普遍采用分相供電技術(shù)，供電臂長(zhǎng)度相比于一個(gè)工頻波長(zhǎng)的長(zhǎng)度（6000km）而言可視為集中參數(shù)變量，因此在牽引網(wǎng)中沒有牽引電流時(shí)整個(gè)供電臂下任何一點(diǎn)的工頻電壓相位相同；由于高次諧波的波長(zhǎng)減小，又由于牽引網(wǎng)阻抗和牽引電流的存在，牽引電流將在牽引網(wǎng)感抗上形成感性壓降，導(dǎo)致不同點(diǎn)的電壓相位將出現(xiàn)偏差。

交流機(jī)車的網(wǎng)側(cè)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(yùn)行位置的牽引網(wǎng)電壓為基準(zhǔn)，當(dāng)多臺(tái)機(jī)車正線運(yùn)行在牽引網(wǎng)同一供電臂，由于位置不同、各機(jī)車工況往往有較大差異，各機(jī)車的諧波電流矢量疊加，也可能呈相互抵消的關(guān)系。但是在貨場(chǎng)、調(diào)車場(chǎng)、整備場(chǎng)等交流機(jī)車集中使用區(qū)域，各臺(tái)機(jī)車之間的距離非常小，同時(shí)處于一致的靜置工況?；诖饲闆r，分析認(rèn)為各機(jī)車的牽引網(wǎng)電壓相位完全一致，各機(jī)車所產(chǎn)生的諧波電流相位也經(jīng)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(jī)車產(chǎn)生的諧波成分較嚴(yán)重。

正線運(yùn)行的機(jī)車，同一供電臂下能同時(shí)容納的機(jī)車數(shù)量有限（例如6臺(tái)）。但對(duì)于調(diào)車場(chǎng)等樞紐區(qū)域，同一供電臂下機(jī)車數(shù)量較多（例如20臺(tái)），結(jié)合前述工況因素就不難理解，直流機(jī)車的RC支路的燒損均發(fā)生在樞紐區(qū)域而非正線運(yùn)行區(qū)段。

3.2 牽引網(wǎng)參數(shù)對(duì)交流機(jī)車諧波傳遞的影響分析

交流傳動(dòng)電力機(jī)車的牽引電流經(jīng)牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器形成回路，回路中各個(gè)部件的參數(shù)均對(duì)牽引電流諧波的傳遞具有一定影響，因此，對(duì)同一供電臂下直流車的影響也表現(xiàn)不同。

當(dāng)供電所變壓器的容量越小，離調(diào)車場(chǎng)等樞紐區(qū)域距離越遠(yuǎn)時(shí)，牽引網(wǎng)及供電所牽引變壓器等效電感越大，對(duì)高次諧波流回變電所的阻礙作用越大，這使得交流機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波流向同一供電臂下的直流機(jī)車RC支路，當(dāng)高次諧波量過多，嚴(yán)重超出RC支路允許通過的電流值，導(dǎo)致其電阻燒損，電容失效。反之，當(dāng)供電所變壓器容量越大，離樞紐區(qū)域越近，交流機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波電流多數(shù)流經(jīng)變電所，對(duì)同一供電臂下直流機(jī)車的影響較小。

4 故障解決措施

4.1 牽引供電網(wǎng)諧波方面的措施

交流傳動(dòng)電力機(jī)車高次諧波的產(chǎn)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(jī)車的功率因數(shù)，注入系統(tǒng)的諧波電流較小，但其交流側(cè)仍然會(huì)存在一定量的高次諧波，在機(jī)車起動(dòng)、爬坡、制動(dòng)等調(diào)節(jié)過程中諧波含量還會(huì)增大。

由于四象限整流器開關(guān)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(jìn)控制方法或者增加車載濾波裝置，可以優(yōu)化某個(gè)頻段的諧波含量，但不能消除全部的高次諧波。2012年某公司依托原鐵道部重大項(xiàng)目“車網(wǎng)諧波傳播機(jī)理及其抑制技術(shù)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，高通濾波器HPF裝置用于吸收13次及以上的諧波電流，同時(shí)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(dǎo)致的低頻放大，同時(shí)還兼顧動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償，吸收和阻尼機(jī)車產(chǎn)生的振蕩電流；變電所既有的濾波器來濾除3次諧波。依據(jù)諧波衰減傳遞基本原理以及以往諧波治理經(jīng)驗(yàn)，APF+LC安裝在變電所，而HPF安裝在調(diào)車場(chǎng)附近的開閉所，兩者可以同時(shí)運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行。三者相結(jié)合，綜合提高牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)有效的解決牽引供電系統(tǒng)諧波污染和直流機(jī)車RC燒毀的問題。

4.2 直流機(jī)車阻容支路改造的措施

中車公司結(jié)合交、直流電力機(jī)車共網(wǎng)運(yùn)用的情況，從RC支路參數(shù)方面進(jìn)行了優(yōu)化改造，以緩解和減少直流機(jī)車阻容支路的故障率，具體措施：

（1）增大直流機(jī)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2000W；

（2）適當(dāng)減小直流機(jī)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(dòng)電力機(jī)車運(yùn)行（重聯(lián)）等方式，增加同一供電臂下的RC支路數(shù)量，減輕單一RC支路諧波吸收壓力；

（4）在直流傳動(dòng)電力機(jī)車阻容柜上安裝冷卻風(fēng)扇，加強(qiáng)吸收電阻的冷卻能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]高云鶴.包神鐵路SS_（4B）型電力機(jī)車阻容支路燒損原因分析及措施[J].鐵道機(jī)車車輛，2015，01：92-96.

[2]吳冰.SS4改機(jī)車阻容保護(hù)電路工作原理分析[J].電氣傳動(dòng)，2009，08：74-77.

[3]袁新宇.高次諧波對(duì)SS_（6B）型機(jī)車造成的危害及改造措施[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2013，05：70-72.