接触网过电压引发电力机车车顶闪络问题分析及对策

闪络问题分析及对策

摘要：针对电力机车车顶瓷绝缘子频繁发生闪络击穿造成电气设备损坏、牵引变电所跳闸的问题进行分析，认为网侧存在的过电压是产生瓷绝缘子闪络击穿的根本原因，绝缘子表面污染、覆冰、遇雨雾雪天气等是产生闪络击穿的辅助原因。据此，提出了抑制接触网过电压，防止闪络的一系列建议措施。

关键词：电力机车；闪络；过电压；故障分析

0 问题的提出

电力机车车顶绝缘子闪络击穿造成电气设备损坏、牵引变电所跳闸，是目前国内电气化铁路区段机务系统共同面临的一项难题。包兰铁路迎水桥—惠农区段1999年电气化以来，先后共发生机车车项瓷绝缘子闪络击穿和避雷器放电间隙放电故障652件，给正常的运输秩序带来了严重的影响。

为此，我段多次组织技术人员对故障原因进行分析，曾认为发

生闪络击穿故障是由车顶瓷绝缘子表面积污引发的，并采取了诸如给绝缘子加防尘帽、表面喷涂绝缘涂料、加强机车入库绝缘子清洁工作等措施，但是故障仍然频繁发生。例如2009年4月20日，SS3B4133机车在迎水桥车站发生主断路器转动瓷瓶顶部对车顶放电，造成变电所跳闸，延误行车。经过对机车车顶各设备认真检查后，确认各瓷绝缘子表面清洁完好，不存在积污绝缘能力下降的情况，说明故障另有原因。

通过对此类故障的深入分析，我们认为发生电力机车车顶瓷绝缘子闪络击穿的根本原因是网侧存在高于额定工作电压几倍的过电压，已经超出

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了车顶绝缘子绝缘耐受能力造成闪络击穿，而绝缘子表面污染、覆冰、遇雨雾雪天气等只是该类故障发生的辅助原因。

1 接触网产生过电压原因分析

过电压是电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。过电压分外部过电压和内部过电压两大类。 外部过电压又称雷电过电压、大气过电压。内部过电压是电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压，有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。

在牵引供电系统中接触网产生的过电压主要是操作过电压。

1.1 电力机车运行中受电弓离线产生过电压。

众所周知，电力机车运行中是依靠受电弓与接触线滑动摩擦来传导电流的。在机车的高速运动中，要保证可靠地受流，就要求接触网一定的机械稳定性和适度的弹性。接触网质量最终反映在接触线和受电弓滑板之间的动态接触力上。接触力过大或过小的点都影响着受电弓和接触线相互追随性和受流质量。接触力过大，超过200

N ，即形成所谓的“硬点”，受

图1表示了SS3型电力机车主电路网侧电路。网侧电流从接触网流入受电弓，经主断路器、高压电流互感器送至主变压器一次侧绕组，经低压电流互感器接向车体，再经机车接地装置到车轮，通过钢轨向变电所回流。当受电弓离线时，由于机车主变压器一次侧电流的瞬间突变，将会在一次侧绕组A-X上产生自感电动势E,阻碍网侧电流的变化，其方向与电流方向相同。

E=L·di/dt

（其中L为一次侧绕组的自感系数，di/dt为绕组电流的变化率。）如图2所示，当受电弓与接触网重新接触时，由于自感电动势还未消除，与网压叠加将形成过电压。图中i为机车一次侧电流，e为一次侧产生的自感电动势，u1为网压，u2为叠加后形成的过电压。有资料表明：当机车作高速运行时，离线使主变一次侧绕组电流突变，产生的自感电动势将达到最高工作电压的2.5～3倍以上，当主变空载时，甚至达到7倍以上。这部分过电压除对本机车构成胁外还将沿接触网向外传递，当同一供电区间内同时有多台机车发生离线时，网上的过电压瞬间将更高。

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1.2 牵引变电所运行方式改变产生过电压。

牵引变电所运行方式发生改变也将在接触网上形成过电压。这种过电压有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。

暂态过电压是由于断路器操作或三相不对称短路故障，使供电系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压 ，又称工频电压升高。常见的有：①空载长线电容效应（费兰梯效应）。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。②不对称短路接地。三相输电线路一相短路接地时

，另

操作过电压是由于进行断路器操作而引起的过电压，常见的有：空载线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、切断空载变压器过电压、弧光接地过电压等。对于牵引变电所来说，当闭合或开断牵引供电回路时，供电系统内的工作状态突然改变，在电磁能量相互转换的过渡过程中会形成瞬间的过电压，其幅值随着系统的参数不同而变，对接触网而言，可达最高工作电压的2.5~3倍以上,即最高可达90kV以上。

1.3 牵引供电负载回路的突然开路产生过电压。

牵引供电负载回路的突然开路有以下几种情况：

（1）为当机车运行在不平顺的线路上时，轮轨冲击振动加大，导致轮轨瞬间脱离；

（2）接触网回流线虚接或突然断开；

（3）机车受电弓的离线等。

牵引供电感性负载回路的突然开路，除了使机车网侧电流突变，在主变上形成很高的自感电动势，形成截流过电压外，还将引起牵引变电所相应供电臂供电电流的突变，在变电所变压器二次线圈上也将形成很高的自感电动势，并在接触网上产生过电压。

2 接触网过电压的危害

根据电力机车车顶绝缘子耐压试验值75KV的设计参数，要确保机车能真正安全可靠地运行，就要求接触网上过电压必须在最高运行电压的2.5倍以下，即必须在U≤2.5×29＝72.5KV以下。但是，实际情况是接触网上产生的过电压往往会远高于这一要求。例如2009年4～5月间，在包兰线K431～K451区间频繁发生机车车顶高压对地110mm放电间隙放电击穿，引起变电所跳闸的故障。而该放电间隙的正常击穿电压是90KV，足以证明在该区段接触网经常出现高于90KV的过电压。

-5-当过电压过高时，最容易发生闪络击穿故障的是绝缘能力较弱的部位。电力机车车顶绝缘子的表面爬电距离较小的是受电弓拉杆绝缘子（520mm）和受电弓支持绝缘子（700mm），最大的为氧化锌避雷器瓷套（850mm），而接触网绝缘子的爬电距离一般为1200mm，较车顶绝缘子大。可见在整个牵引供电系统中电力机车车顶绝缘子尤其是受电弓支持绝缘子在设计上是最薄弱的环节，即使表面清洁度较好，在接触网产生远高于其耐受能力的过电压时，也将首先发生闪络击穿故障。比如，我段在机车整备作业时有专人负责检查车顶绝缘子清洁状况，确保每台机车车顶绝缘子表面清洁良好的情况下，仍然频繁发生闪络击穿故障，就说明了这一点。若遇到小雨、雾、雪天气时，将在绝缘子表面形成动态导电介质，就更容易发生闪络击穿故障。

3 针对接触网过电压建议采取的措施

（1）最大可能地消除接触网硬点，减少因硬点造成的受电弓离线。针对在定位、分段、分相等处由于悬挂质量集中而产生的固有硬点，可通过一定的调整来降低。针对施工中在接触线的展放和调整过程中，线索受外力产生的应力变形形成的硬点，也可以采取相应措施避免。

（2）加强受电弓的日常检查、保养工作，提高工作可靠性。可根据接触网、线路实际状态及机车运行速度，确定更合适的受电弓滑板和接触线间的压力，并在日常整备作业时加强检查调整。受电弓各铰接处的摩擦力在弓头向上运动时起减少接触压力作用，应保证各关节润滑良好，活动自如。弓头支架弹簧应保证无破损，弹力适当，滑板转动灵活。

（3）在牵引变电所供电回路和电力机车网侧加装过电压吸收装置，抑制和吸收过电压。

（4）研制一种接触网过电压实时监测装置。通过实时检测机车网侧或接触网上的过电压幅值，可对过电压过高地点进行定位，方便供电部门

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查找故障点。

（5）研制车顶绝缘子状态监测装置车顶绝缘子监测装置，检测机车车顶各绝缘子表面污秽状态，及时提醒机车乘务员清洁。

（6）建议机务部门将机车车顶电瓷绝缘子更换为硅橡胶复合绝缘子，以提高耐污性能。

4 总结

通过以上分析可知，接触网上存在的过高的过电压是造成电力机车车顶绝缘子闪络击穿故障的根本原因。要消除绝缘子闪络击穿故障，除了要在提高车顶绝缘子绝缘能力方面采取必要措施外，更重要的是要解决接触网过电压的问题。怎样抑制接触网过电压的产生是个复杂的问题，需要供电和机务部门共同来研究完成。

参考文献

1.刘友梅，《SS3型4000系电力机车》.中国铁道出版社；

2.阎永革，《机车乘务员通用知识》.中国铁道出版社；

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