梁斌
包神铁路集团公司安全质量部 014014
摘要：随着神华八轴交流电力机车陆续投入使用，来自牵引网的高次谐波造成在同一供电臂内参与运输牵引的SS4B型直流电力机车阻容支路大量烧损，给运输生产带来严重的安全隐患。本文分析了造成SS4B直流电力机车阻容支路烧损的主要原因并提出了改进措施。
关键词：电力机车；高次谐波；阻容烧损；措施
引言
神华包神铁路集团有限责任公司（以下简称包神铁路集团）组建于2013年6月20日，由原神华包神铁路有限责任公司、神华甘泉铁路有限责任公司、神华新准铁路有限责任公司整合而成，所辖包神、甘泉、巴准、塔韩4条铁路线合纵连横，南北贯通，东西相向，正线总里程将近750公里。目前公司年货物运输量已达两亿吨左右，干线牵引动力主要依靠SS4B型电力机车，随着神华八轴交流大功率电力机车的投入使用，从2013年7月1日以来，公司担当牵引万吨列车任务的SS4B型机车陆续发生阻容支路电阻烧损、电容击穿、94R熔焊、功补柜着火等故障共101台次，其中烧损电阻116个，电容19个，功补柜3台，电阻熔焊97台次，严重影响了机车运用安全，打乱了正常的运输生产秩序。解决高次谐波对直流电力机车造成危害的问题成为了刻不容缓的事情。
一、高次谐波烧损SS4B机车阻容支路的原因分析
（一）SS4B机车阻容支路的工作原理：（以一组整流供电单元为例）
图1：SS4B机车主电路阻容支路示意图
图2：SS4B机车整流调压简化电路（牵引工况）
SS4B型电力机车是由各自独立且又互相联系的两节车组成，每节车均为一个完整的系统，机车整流调压方式采用不等分三段半控整流调压电路。在机车主变压器的各次边绕组上均设置了阻容支路，也叫RC吸收器。如图1所示在变压器牵引绕组a1-x1两侧并联了一组阻容支路72C-74R（牵引绕组上的阻容支路还有71C-73R、81C-83R、82C-84R，励磁绕组上的阻容支路由93C-94R构成）。同时在整流器的输出端还分别并联了电阻75R和76R（如图2）其作用有两个：一是机车空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。当机车投入工作后，阻容电路的一个工作周期可分为五个过程，即主断合闸过程、晶闸管开通换向过程、网压过零换向过程、持续平稳工作过程、主断分闸过程。这些工作过程会产生不同大小的操作过电压或整流换向过电压，阻容支路的作用就是利用电容两端电压不能突变的特性，有效地抑制操作过电压和整流换向过电压。
（二）高次谐波的产生
机车在工作过程中，主断路器分合闸、整流换向过程都会产生瞬间的突变电流使阻容回路中的电感产生大电压，这一电压与输入的工频电压叠加在一起产生操作过电压和换向过电压，尽管神华八轴交流电力机车在设计上已经考虑对接触网的影响尽量降到最低，但是由于韶山型机车网侧变流器的控制特性，仍会出现与接触网不匹配问题，主要是低频振荡和高次谐波谐振对同一供电系统其他机车的影响。随着交流电力机车运用数量增加，整流器可控硅等非线性负荷不断增多，大量高次谐波注入电网，致使供电系统的电压波形、电流波形发生严重畸变。被污染的谐波对电力系统安全、稳定运行构成潜在的威胁，对接入电网的直流电力机车带来危害，导致的直接结果就是烧损直流机车阻容保护电路。
（三）阻容支路烧损的原因
1.高次谐波是烧损阻容支路的主要原因
SS4B电力机车阻容支路采用两个阻值为6.2Ω、额定功率为600W的电阻并联（相当于一个电阻3.1Ω、1200W），和18μF电容串联并跨接在主变压器牵引绕组上，每车4套。在接触网为标准网压25KV时，机车主变压器牵引绕组额定电压值为695.4 V，所以得出如下结果：
经过计算发现，正常情况下电阻功率仅为97.2W，而SS4B型电力机车阻容支路电阻的额定功率为1200W，远远超过97.2W，在没有交流机车投入使用的情况下，说明直流机车的过电压吸收电路是可以满足机车日常运用安全需要的。
当同一供电臂内有交流机车运用时，尤其是在乌兰木伦站、神木北站、朱盖塔等站有多台交流机车频繁出现或通过时，对SS4B型电力机车高压互感器次边线圈进行测量发现电压波形有畸变，并且随着交流机车使用台数的增加产生的高次谐波越多越复杂。由于机车实际运用过程中，同一区段有多少台交流机车无法确定，造成接触网内的高次谐波极其复杂，无法真实的、详细的进行计算。可以假定某时刻在接触网中只存在一种频率高次谐波，其频率值在10次（基波为50HZ，10次谐波频率为500HZ）到50次（谐波频率为2500HZ）之间，查阅相关技术资料，接触网中高次谐波约占谐波总量的10%-20%，取15%进行计算。
当电网中高次谐波为10次时，按（式1）计算得出，容抗Z=17.693Ω；按（式2）计算得出过电压吸收电路阻值R′=17.963Ω，按（式3）计算得出电流I=54.72A，按10 次谐波占谐波总量的15%计算，I=54.72*15%+5.6*85%=12.968A，通过单个电阻电流为I/2=6.484A，产生的功率按（式4）计算得出P=521.32W，同理计算出10次谐波到50次谐波区间内的电流、功率值，并制定下表1：
表1：
通过上表可以看出，随着谐波频次的升高，回路中的电流增大，电阻消耗的功率也不断加大，远远超过了额定功率1200W（2个600W电阻并联）很容易烧损电阻，造成机车阻容支路故障，由此可见接触网的高次谐波是烧损直流电力机车的主要因素。
2.设计缺陷是机车阻容支路烧损的间接原因
SS4B型电力机车阻容支路电阻结构为电阻丝缠绕在陶瓷上，外部为铝壳结构（如图3），中间用石英砂填充，随着高次谐波的增加，电阻丝的温度可以达到1000℃以上，而铝壳的熔点为600℃左右，电阻丝的热量通过石英砂（熔点1700℃左右）不断传递到铝壳上，因此会引发电阻变色烧损。
另外直流机车的阻容吸收装置、空载电阻、大功率的功补电阻属于高压设备。为了节省空间，这些元件设计时往往安装在一个阻容柜或功补柜上，电阻排之间距离狭小，上下层电阻安装时不对称，影响了通风和散热。绕线电阻率随着温度升高而线性增大，吸收电阻温度升高，电阻发热增大。实际检测阻容柜或功补柜的环境温度并观察，当低于200℃时电阻工作正常，当高于200℃时电阻开始慢慢发红，当电阻高于350℃左右时电阻融化漏沙，最终被烧损，造成机车阻容支路故障而影响正常运行。
图3：阻容支路电阻结构外观图
二、改进措施
方案一：增设地面高通滤波器
综上所述交流机车的投入，造成电网谐波放大，这个频率一般在20-50 次之间，由于以前交-直机车的谐波一般都在10次以下，所以线路谐波问题没有体现，随着现在交-直-交机车的投入运用，在20-50次之间存在较大谐波，所以使得本来就存在的谐波放大问题得到体现，交流机车集中使用的区段越发明显，最终造成烧损机车阻容支路，为了防止这样谐波放大造成机车故障，建议在交流机车集中、频繁出入的地方设置地面高通滤波器，主要用于对接触网供电系统进行综合滤波，抑制接触网中的高次谐波，提高电能的质量，同时保护其他用电设备的安全，避免事故发生。地面高通滤波装置主要由电容器、电容器专用熔断器、滤波电抗器、放电线圈、氧化锌避雷器、隔离接地开关、电阻器、支柱绝缘器、连接母线和电容器构架等设备组成。下面根据实例探讨一下高通滤波器对接触网电能质量产生的作用。如图4所示：
图4：A方向牵引回路图
1.探讨条件：电源侧阻抗（%的值以10MVA 为基础）；电源短路容量500MVA 时：（10/500）*100*2=j 2.00%*2（单相换算）；电源短路容量：800MVA 时：（10/800）*100*2=j 1.25%*2（单相换算）；牵引变压器阻抗（%的值以10MVA 为基础）（10/40）*8.4=j2.1%；机车谐波产生电流：谐波产生电流最大负荷容量：9600KW（功率因数假定为100%），算出的基波电流（9600KW/27.5KV=349A at27.5KV）与表3中的含有率相乘。
表2：牵引线路阻抗（%的值以10MVA 为基础）
图6：A 方向的谐波扩大率（电源短路容量：500MVA）
由图6所见，若未安装地面高通滤波装置，共振点在37 次附近，扩大率为16倍左右，若安装了设备，那么共振点靠近10 次，扩大率为2 倍左右。
3.流入高通滤波装置的谐波电流
根据条件算出流入高通滤波装置的谐波电流，结果如下表所：
表4：电源短路容量800MVA时，流入高通滤波装置的谐波电流（27.5KV）
（以上计算数据为所给条件下的仿真结果，实际情况会因现场谐波大小而有所变化）
综上所述，安装高通滤波器分流了谐波电流，抑制了接触网中的高次谐波，使谐波共振点始终维持在10次左右，达到了对牵引供电系统进行综合滤波的目的，从而避免了高次谐波对接入接触网中的直流机车的危害。
方案二：改造直流机车阻容支路
1．改造原理
前述SS4B电力机车阻容支路的原有电阻、电容不足以满足接触网高次谐波带来的冲击，电阻阻值小、功率低、电容容量小，最终造成烧损阻容支路现象的发生。针对这种缺陷，在不改变原有阻容支路组成的情况下，增大电阻阻值、电容容量，改变电阻、电容参数匹配值，重新优化直流机车阻容支路，增强安装空间散热通风，使其尽可能抵御来自接触网高次谐波的冲击，降低被烧损的机率，从而维护正常的运行秩序。
2．改造方案说明
（1）主电路说明
阻容支路电阻参数如下：
额定功率：2000瓦
电阻阻值：6.2欧姆
过负载能力：依据GB5729.4.13
通过180A可持续5秒（10倍额定电流）
通过36A可持续1分钟（2倍额定电流）
两个电阻并联后可以通过72A的电流并持续1分钟，满足机车谐波试验时60A持续1分钟的要求。
电阻接线端由过渡铜排进行过渡连接，之后连接6mm?/3000V机车专用线，并套上高温套管保护以避免以往其导线被烧损的普遍现象。
电阻独立安装在10mm环氧板上，提高其电气绝缘性能。
（2）辅助电路说明
该电路中的风机箱采用四个特制由四片叶扇组成的进口高效风机，对工作电阻吹风散热，该风机技术参数如下：
风量：8.1—10.0m?/mim
功率：38瓦。
转速：2800—3100R/mim。
工作条件：>50000小时；在40C°时，连续工作时间>3200小时。
工作温度：-25C—85C°
风机箱内有稳压电源、自动开关、直流继电器和箱体等五部分组成，具有自我欠压、欠流、短路等保护功能。
风机箱进线有220AC空气开关进行电路保护，确保能手动自动切换，保证风机箱故障时机车仍能安全运行。
（3）布线说明
风机箱的电源线采用1mm?/750V的机车专用线。在机车A节低压柜接线端子中561端子引线（561-1），连接至接触器205KM的一对常开空触点一端，另一端引线（561-2）连接到风机箱1的输入端子排110V+端；在机车低压柜接线端子中400端子引线（400-1）连接到风机箱1的输入端子排110V-端；在主变压器接线端子中的b6端子引线（b6-1）直接连接到A节硅整流柜的风机箱1的输入端子排AC1端；在主变压器接线端子中的x6端子引线（x6-1）直接连接到A节硅整流柜的风机箱1的输入端子排AC2端。
（4）电阻架组装说明
牵引风机工作时，由机车本身通风机吹风散热，让其周围的空气产生对流，达到降温作用。牵引风机停止工作时，风机箱的风机进行工作，对电阻提供吹风散热。
3.安装具体方案
（1）取消原有SS4B柜中4组（每组2个6.2欧姆×600瓦并联，相当一个3.1欧姆×1200瓦）的铝壳电阻，换成4组（每组2个6.2欧姆×2000瓦，相当一个3.1欧姆×4000瓦）机车特制线绕电阻。
（2）该机车特制线绕电阻的表面喷涂一种专用散热的纳米涂料，它能增加电阻表面热量25%以上的辐射。
（3）机车特制线绕电阻并联安装在一块绝缘板上，以每组2个6.2欧姆、2000瓦机车特制线绕电阻并联安装在一块绝缘板上，并将每个绝缘块均匀分布地安装一个新电阻柜中，把电阻柜安装在电屏柜侧。
（4）在新电阻的右侧安装散热风机箱，其散热风机箱使用电源（220VAC），从低压柜用1.0mm2机车专用电缆接到风机组的输入端子排，该特种交流散热风机箱当机车处在升弓整备状态时，对RC电路的电阻进行通风散热，加强其环境空气的对流，增强电阻散热功能；当机车行驶时，因牵引风机工作，则该风机箱自动停机。该风机箱有自我保护系统，如发生故障，会自行保护，也可以人为断开，不会影响机车安全行驶。安装使用散热风机箱后，RC电路的电阻表面温度显著降低，温度在100～120摄氏度之间，极大的改善了工作环境和条件，保证了机车的安全运行。
（5）在每组RC回路中增加带有触头的快速熔断器。快速熔断器的主要作用为：一旦电容出现击穿发生短路，RC回路中电流陡然增大时，熔断器能够在短时内将电路断开，保护电阻不被烧损或烧断或引起火灾，并且有醒目标示，以提醒机车司机。
三、取得的效果
包神铁路集团公司结合目前投入交流电力机车台数少（只有9台），没有规模使用的实际情况，自2013年8月以来利用机车小、辅修入库检修的机会，按照方案二的改造方式，先后对30台电力机车阻容柜进行了全面的技术改造。通过对改造后机车一年多的跟踪监控，没有发现机车阻容支路烧损故障及功补柜着火的现象，减少了机车机故临修率，大大降低了机车的检修成本，从根本上避免了机车火灾事故的发生，达到了改造的预期目的。
四、结束语
随着包神铁路集团公司新线逐步投入使用，运量逐年攀升，交流机车使用数量将不断增加，同时包神、神朔、朔黄、大准四条线的贯通，不同机型的交流电力机车和直流电力机车在大型编组站同时作业的机率增加，高次谐波烧损直流机车阻容支路的现象还会进一步暴露。直流机车阻容保护支路改造后，电阻、电容烧损问题虽然有改观，但谐波对机车高压互感器、主变压器的影响依然存在，从不同程度上对机车运行质量仍构成威胁。目前包神铁路集团公司从机车调度、运用检修等方面制定了一定的补强措施。但要从根本上解决高次谐波的影响，必须从源头着手，在机车出入库频繁及大型编组站合适的位置加装高通滤波装置，保证牵引供电品质，这样才能彻底解决高次谐波对直流机车造成危害的问题，从而保证正常的安全运行秩序。
参考文献：
[1]刘友梅主编：《SS4B型电力机车》中国铁道出版社，1999年；
[2]范荣华，SS改机车过电压吸收电路烧损的原因及改进措施《科技创新与应用》2014年第32期；
[3]袁新宇，高次谐波对SS6B型机车造成的危害及改造措施，《电力机车与城轨车辆》2013年9月
[4]《高电压试验技术》，GB/T16927.1-16927.2。
论文作者:梁斌
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：机车论文; 谐波论文; 电阻论文; 支路论文; 电力机车论文; 过电压论文; 风机论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;