摘要：本文对电力机车的过电压类型进行了简单的阐述，以及过电压对电力机车的设备造成的损害进行了详细的分析，并结合实际情况，提出解决过电压的措施。
关键词：过电压；电力机车；高压；电气设备；影响
1电力机车电气系统分析
机车主电气电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电机构成。电力机车网侧电路主要由受电弓、主断路器、台避雷器、高压电压传感器、高压电流传感器、高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成。辅助电气系统是由三相输出辅助电源、充电机、辅助负载、低压电器和辅助控制单元等组成。
2电力机车电气系统过电压故障分析
由于机车长期处于户外并受到多种恶劣环境的影响，车顶的高压电气设备会受到一定程度的侵蚀，同时各种类型的过电压也对设备造成了冲击。据有关部分的调查报告显示，电力机车在冰雪浓雾和重度污染的环境中行使的事故率较高，其中绝大多数是车顶电气设备的击穿闪络事故，这也使得电力机车的运行受到了极大的影响。该事故的成因由内因和外因两个部分组成。其外因是恶劣的环境，内因则是各种类型的过电压。电力机车高压的绝缘设计不但设计到电力机车的高压电气设备，同时也涉及到供电接触网和地面变电站等，要在电力机车的网侧电路设计中将上述组成部分看做整体，才能保证电力机车的安全行驶。然而在我国，供电系统和车载系统是分属不同系统的，其设计标准不同，使得绝缘匹配失衡等问题时有发生，这就要求在设计过程中对电力机车高压电气设备的绝缘设计进行结合综合环境的考虑，使其事故率降到最低。
3电力机车过电压的种类
3.1外部过电压
外部过电压是指由机车以外产生并对机车产生影响的过电压。这类过电压有许多种，依据其产生的机理不同，可以分为雷击过电压、电网变化过电压、外部操作过电压。这些过电压都是沿接触网传入，并对机车产生影响。
3.2内部过电压
内部过电压是指机车本身工作时产生的过电压。这种过电压实际上是机车操作过电压，也是机车设备需要频繁承受的过电压。根据其产生的部位和电路形式，它可以分为有接点电路过电压和无接点电路过电压；根据电路电压等级，有接点电路过电压又可以分为主电路过电压、辅助电路过电压和控制电路过电压。
4过电压的产生
4.1雷击过电压
雷击过电压属于外部过电压，也称为大气过电压，是由于雷电产生的雷电波沿接触网传入机车引起的。雷击过电压是一种高频过电压，在机车内主要是经变压器分布电容静电传递的。这是机车过电压的一种传递方式，另一种传递方式是电感传递（电磁感应）。相对而言，后一种方式传递的过电压，其频率相应较低，雷击过电压的最大峰值电压为175kV，常见的为100~150kV。
4.2过分相产生的过电压
由于机车在进入过分相无电区时，在电弓、车顶高压引线的对地电容、中性嵌入线以及高压电压互感器的共同作用下，其形成的谐振回路与过分相无电区的感应电压形成高阶振荡电路，产生振荡过电压。这与主断路器的开关无关，而是由机车的电气设备与关节式分相器共同形成这一现象。由于不同机车在不同线路区行驶会导致电压幅值变化，甚至超过电压幅值的最高点，因而频繁的过电压会对高压电气设备造成巨大的损害。
4.3弓网关系产生的过电压
由于电力机车是通过受电弓与接触网导线的动态接触而获得电能，而受电弓和接触网的悬挂系统具有一定的弹性，受电弓与接触网线上的接头线夹、定位线夹或受电弓拉弧硬点的动态接触，或者是由于线路条件不好、受电弓接触压力偏低等原因，都将造成受电弓频繁离线现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆机车上电压互感器绕组、变压器原边绕组等感性负载在受电弓频繁离线暂态过程中形成谐振回路，从而产生高阶谐振过电压；同时由于机车电压互感器和变压器等铁磁电感的饱和作用，形成铁磁振荡。一般这种情况下的过电压幅值不会太高，但在严重情况下不仅会造成受电弓滑板和接触网线拉弧烧损现象，也容易造成高压电压互感器烧毁的现象。
4.4操作过电压
由线路故障、空载线路投切、隔离开关操作空载母线、操作空载变压器或其它原因在系统中引起的相对地或相间瞬态过电压；其波形具有缓波前、持续时间短、单极性或振荡、强衰减电压特性。利用高性能避雷器可以使操作过电压限制在较低水平。操作过电压产生的原因一般有一下几类：1）空载线路合闸和重合闸；2）空载变压器、并联电抗器和高压电动机分闸；3）线路非对称故障分闸和振荡解列；4）空载线路分闸；5）电容器组的分闸。线路合闸和重合闸过电压对电网设备绝缘配合有重要影响，应采用有合闸电阻的断路器对该过电压加以限制。避雷器可作为变电所电气设备操作过电压的后备保护装置，该避雷器同时是变电所的雷电过电压的保护装置。设计时对1）、3）类过电压，应结合电网条件加以预测。
4.5大气过电压
大气过电压又称冲击过电压。指由直击雷或雷电感应突然加到电力系统中，使电气设备所承受的电压远远超过其额定值。当雷云主放电时（放电电流为波头很陡、波幅值很高、衰减很快的冲击波）作用在物体上形成的冲击过电压。对建筑物、人身和设备绝缘有很大的危害性。为防止大气过电压，通常采取装设避雷针、避雷线、避雷器，合理提高线路绝缘水平，采用自动重合闸装置等措施。
4.6有接点电路过电压
有接点电路是相对于无接点电路（电子电路）而言的，主要是指由继电器、接触器、断路器等有明显接点的器件构成的电路。电路中有接点器件的开断与接通，都会引起构成有接点电路的电感器件电参量的变化。例如，机车内变压器、平波电抗器等电感器件，在电路通断过程中，其内部的能量需要有回路释放，否则，就会产生很高的过电压。
4.7无接点电路过电压
无接点电路也称电子电路。由于线路分布电感的存在，在开关电路通断过程中，同样会产生过电压。有些元器件，特别是大功率硅元件，其内部产生的过电压相当严重。不同的元器件，由于其工作机理不同，产生过电压的过程也不尽相同。现以我国电力机车上常用的功率元器件（二极管和晶闸管）为例作一介绍。二极管和晶闸管都有一种称为载流子存储器效应的特性，这种特性表现为元件从导通转为截止时，即元件电压反向以后的短时间内仍保持导通，并流过一个较大的反向电流。由于反向电流在一个很短的时间内从较大值降到稳态漏电流值，这样高的电流变化率d（i/dt）在回路电感上会产生很高的电压值，其值可能会远超过元件所允许的最大阻断电压，从而使元件损坏。因此，研究和解决功率器件过电压的吸收和抑制问题是提高硅机组可靠性的重要前提。
5措施和建议
在对国内外电力机车绝缘配合的研究中不难发现，采用两级避雷器保护在实际工作中具有良好的效果。如果过电压冲击波I级避雷器作用动作后，II级避雷器对I级避雷器起到抑制作用。但是从最佳绝缘配合来看，应该解决一下几个问题：1）应将供电系统与车载系统进行综合考量，使绝缘水平达到最高。2）应综合考虑电力机车多种绝缘设备的参数。3）要对电力机车网侧高压系统进行试验测试，为其理论计算提供依据。
6电力机车电气系统发展方向
电力机车电气系统应该向智能化、自动化方向发展。以电力机车目前普遍的电气控制系统结构为基础，以先进专业技术和自动控制理论为知道，对电力机车模型的软件系统、硬件系统以及上位监控系统进行科学的设计，从而达到改进和完善控制系统功能的最终目的。
参考文献：
[1]赫鹏，黄召明，邱艳春，等.浅析过电压对电力机车高压电气设备的影响[J].电子世界，2014（7）.
[2]贾岩鑫.电力机车高压电气系统过电压防护方案研究[D].北京交通大学，2016.
作者简介：
张世举（1984.4），男，甘肃榆中人，兰州理工大学经济管理，专科，单位：中车兰州机车有限公司，研究方向：电力机车
论文作者:张世举
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/14
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