HXD2型機(jī)車車頂放電的原因分析及解決方案

王 昊

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機(jī)務(wù)段，山西大同037005）

HXD2型機(jī)車車頂放電的原因分析及解決方案

王 昊

（大秦鐵路股份有限公司 湖東電力機(jī)務(wù)段，山西大同037005）

針對(duì)HXD2機(jī)車進(jìn)入五寨專用線進(jìn)行裝車作業(yè)以來(lái)頻繁發(fā)生車頂放電現(xiàn)象，做了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，找出故障原因，并制定了相應(yīng)的解決方案，實(shí)際運(yùn)行中取得了較好的效果。對(duì)改進(jìn)機(jī)車的諧波特性提出建議。

HXD2；車頂放電；原因分析；解決方案

HXD2型電力機(jī)車自2012年開(kāi)始延伸交路至五寨、岢嵐一帶。自大量HXD2機(jī)車進(jìn)入五寨專用線進(jìn)行裝車作業(yè)以來(lái)，五寨站頻繁發(fā)生HXD2型機(jī)車車頂放電故障，特別是2012年1月以來(lái)HXD2機(jī)車在五寨站大面積爆發(fā)車頂放電問(wèn)題，嚴(yán)重影響運(yùn)輸秩序和機(jī)車運(yùn)用安全。為減少此類機(jī)車故障，湖東電力機(jī)務(wù)段技術(shù)人員在2012年4月份在五寨進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，并進(jìn)行了研究分析。

1 試驗(yàn)

1.1 測(cè)量方式及試驗(yàn)介紹

為了準(zhǔn)確測(cè)量網(wǎng)壓，選擇在高壓電壓互感器次邊引線接入示波器進(jìn)行檢測(cè)，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。圖1是HXD2機(jī)車高壓部分電路：

圖1 HXD2機(jī)車高壓電路

在高壓電壓互感器TF1－PP次邊900或901線掛接示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，HXD2機(jī)車高壓電壓互感器變比250∶1，原邊電壓25 k V時(shí)對(duì)應(yīng)次邊電壓100 V。通過(guò)測(cè)量次邊電壓峰值有效值換算可以得到原邊實(shí)際電壓，也就是接觸網(wǎng)網(wǎng)壓。

HXD2機(jī)車采用瑞士ABB公司的LOT 6450牽引變壓器，牽引變壓器額定電壓25 k V，額定電流258 A，標(biāo)稱容量6 450 k VA。由于五寨站地處山區(qū)，五寨站周圍專用線使用與五寨站同一個(gè)供電臂，所有五寨站周圍機(jī)車均處在同一供電臂中。

試驗(yàn)利用3臺(tái)HXD2機(jī)車、1臺(tái)HXD1機(jī)車、2臺(tái)SS4機(jī)車在五寨站供電臂下進(jìn)行。

1.2 典型測(cè)試波形

（1）1臺(tái)HXD2運(yùn)行（見(jiàn)圖2）

圖2 1臺(tái)HXD2機(jī)車運(yùn)行時(shí)的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網(wǎng)壓30 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

（2）HXD2和SS4各一臺(tái)運(yùn)行（見(jiàn)圖3）

圖3 HXD2和SS4各1臺(tái)機(jī)車運(yùn)行時(shí)的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網(wǎng)壓28.5 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

（3）兩臺(tái)HXD2機(jī)車運(yùn)行（見(jiàn)圖4）

圖4 2臺(tái)HXD2機(jī)車運(yùn)行時(shí)的波形輪廓（100 V/25 k V）

最高網(wǎng)壓56.5 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次、23次、25次左右。

（4）HXD1、HXD2和SS4各1臺(tái)運(yùn)行（見(jiàn)圖5）

圖5 HXD1、HXD2和SS4各1臺(tái)機(jī)車運(yùn)行時(shí)的波形輪廓圖

最高網(wǎng)壓28.2 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在21次左右。

（5）HXD1和SS4各1臺(tái)、HXD2機(jī)車2臺(tái)運(yùn)行（見(jiàn)圖6）

圖6 HXD1和SS4各1臺(tái)、HXD2機(jī)車2臺(tái)運(yùn)行時(shí)的波形輪廓圖

最高網(wǎng)壓30.1 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在21次左右。

（6）HXD1 1臺(tái)、HXD2機(jī)車兩臺(tái)運(yùn)行（見(jiàn)圖7）

圖7 HXD1 1臺(tái)、HXD2機(jī)車2臺(tái)運(yùn)行時(shí)的波形輪廓圖

最高網(wǎng)壓59.2 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次、23次、25次左右。

（7）3臺(tái)HXD2機(jī)車、1臺(tái)HXD1機(jī)車、2臺(tái)SS4機(jī)車運(yùn)行（見(jiàn)圖8）

圖8 3臺(tái)HXD2機(jī)車、1臺(tái)HXD1機(jī)車、2臺(tái)SS4機(jī)車時(shí)波形輪廓圖

最高網(wǎng)壓32.2 k V、持續(xù)時(shí)間2 min、諧波含量主要分布在19次、21次左右。

2 原因分析

（1）變電所供電臂下?tīng)恳W(wǎng)電壓異常現(xiàn)象描述

問(wèn)題的主要現(xiàn)象為牽引網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常，機(jī)車顯示電壓經(jīng)常超過(guò)32 k V，而采用測(cè)試儀器甚至捕捉到60 k V以上的高壓。導(dǎo)致的后果就是HXD1機(jī)車經(jīng)常牽引封鎖（可以重新復(fù)位啟動(dòng)），或者HXD2機(jī)車的放電間隙放電（必須回庫(kù)檢修后方可重新使用）。此類現(xiàn)象在2012年從未出現(xiàn)過(guò)。

（2）確定變電所近期情況

經(jīng)了解，牽引變電所中所有設(shè)備沒(méi)有任何變動(dòng)，牽引供電網(wǎng)去年曾經(jīng)改動(dòng)過(guò)其中一處的過(guò)分相位置，但變動(dòng)后也沒(méi)有出現(xiàn)這一故障現(xiàn)象。唯一的變化在于由于年度運(yùn)量增加，五寨區(qū)段的機(jī)車密度比去年要稍有增加。

（3）確定原因

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，HXD1出現(xiàn)牽引封鎖40起，HXD2出現(xiàn)放電間隙放電故障21起，HXD1故障率高于HXD2。其根本原因在于HXD1采用高網(wǎng)壓軟件判斷（門檻為32 k V），而HXD2采用放電間隙硬件響應(yīng)（門檻高于55 k V），同一牽引網(wǎng)下，很自然HXD1檢測(cè)到網(wǎng)壓異常的概率要遠(yuǎn)高于HXD2型。

考慮到京滬線曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的高頻振蕩現(xiàn)象，分析五寨區(qū)段的現(xiàn)象同樣是由于牽引網(wǎng)高次諧波振蕩所致，牽引網(wǎng)電壓基波并沒(méi)有發(fā)生異常，只是由于高頻分量的疊加導(dǎo)致了網(wǎng)壓抬升到不正常范圍［2］。

此外2011年原鐵道部組織的交流機(jī)車諧波測(cè)試工作曾在湖東機(jī)務(wù)段針對(duì)HXD2做過(guò)測(cè)試，結(jié)果表明HXD2機(jī)車在空載輕載工況下的諧波特性稍差。

據(jù)頻譜分析，高次諧波豐富，主要頻帶集中在19次、21次、23次、25次等頻率段，其中21次最大。同一供電臂下只有一臺(tái)HXD2型機(jī)車時(shí)，牽引網(wǎng)電壓受機(jī)車牽引電流諧波的影響，已經(jīng)包含較高的諧波分量，但諧波與機(jī)車疊加后的幅值尚不足以導(dǎo)致惡劣后果，系統(tǒng)能正常工作。當(dāng)同一供電臂下有2臺(tái)HXD2機(jī)車時(shí)，牽引網(wǎng)電壓諧波進(jìn)一步惡化，就有可能導(dǎo)致機(jī)車由于牽引網(wǎng)電壓異常而牽引封鎖（HXD1）或放電間隙放電（HXD2），影響正常運(yùn)輸秩序。當(dāng)同一供電臂下存在SS4G直流機(jī)車升弓運(yùn)行時(shí)，由于RC濾波支路的存在，諧波在一定的程度上被濾除，牽引網(wǎng)電壓諧波分量減少，這時(shí)系統(tǒng)又表現(xiàn)為正常工作狀態(tài)。因此牽引網(wǎng)高次諧波振蕩是導(dǎo)致車頂頻繁放電的故障原因。

3 應(yīng)對(duì)建議

3.1 臨時(shí)應(yīng)對(duì)措施

（1）改變五寨機(jī)車運(yùn)用規(guī)律

改用HXD1機(jī)車承擔(dān)五寨運(yùn)輸任務(wù)。HXD2機(jī)車空載、輕載工況下諧波特性正好與五寨牽引網(wǎng)諧振頻率帶吻合，而HXD1機(jī)車的風(fēng)險(xiǎn)要小很多。

改變HXD2機(jī)車操作習(xí)慣。HXD2機(jī)車升弓閉合主斷后，車載四象限變流器即處于空載輕載工況，諧波特性欠佳。因此當(dāng)HXD2機(jī)車一旦升弓，就應(yīng)加速行駛，盡可能減少HXD2機(jī)車輕載運(yùn)行的時(shí)間。

（2）改變五寨區(qū)段機(jī)車配置現(xiàn)狀

考慮到直流機(jī)車RC支路對(duì)高頻信號(hào)具有的濾波功能，建議在故障供電臂下人為固定配置一臺(tái)SS4直流機(jī)車并升弓運(yùn)行（可以固定在某一地點(diǎn)無(wú)需移動(dòng)）。

3.2 根本解決措施

優(yōu)化HXD2機(jī)車諧波特性。通過(guò)修改HXD2機(jī)車的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，減少19～25次諧波分量，或者改變高次諧波分布區(qū)段，減少高頻諧振概率。

在牽引供電網(wǎng)下添加無(wú)源高通濾波器。通過(guò)濾波器濾除19～25次的高頻諧波，消除牽引網(wǎng)的諧振現(xiàn)象。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本適中，但主要的問(wèn)題是無(wú)源濾波器必然導(dǎo)致某個(gè)頻段的低次諧波被放大，存在低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

在牽引供電網(wǎng)中添加有源濾波器＋無(wú)源濾波器的綜合治理裝置。高次諧波還是由無(wú)源濾波器來(lái)消除［1］，而可能的低頻放大以及無(wú)功分量則由有源濾波器來(lái)處理，從而實(shí)現(xiàn)全頻段的諧波治理。該方案的主要制約在于有源濾波器成本較貴，實(shí)現(xiàn)周期也稍長(zhǎng)。

4 應(yīng)用情況

鑒于實(shí)際情況，目前臨時(shí)采取的是在五寨站停放兩臺(tái)SS4機(jī)車擔(dān)當(dāng)調(diào)車任務(wù)，同時(shí)擔(dān)負(fù)吸收HXD2機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波任務(wù)。為了避免SS4機(jī)車換端作業(yè)時(shí)斷電降弓期間不能對(duì)電網(wǎng)高次諧波進(jìn)行濾波，湖東機(jī)務(wù)段制定了五寨站換端聯(lián)控制度，即在SS4機(jī)車換端作業(yè)時(shí)聯(lián)控車站，由車站通知在站內(nèi)的HXD2機(jī)車暫時(shí)斷電降弓，待SS4機(jī)車完成換端作業(yè)后再升弓合閘。自嚴(yán)格落實(shí)該措施以來(lái)，在五寨站再?zèng)]有出現(xiàn)HXD2機(jī)車發(fā)生車頂放電故障，效果良好。

［1］ 豐戰(zhàn)凱.電氣化鐵路過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及對(duì)策［J］.西鐵科技，2007，（2）：14-18.

［2］ 謝廣潤(rùn).過(guò)電壓保護(hù)［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1980.

Cause Analysis of HXD2 Locomotive High-Voltage Discharge and its Countermeasures

WANG Hao
（Hudong Electric Locomotive Depot，Daqin Railway Co.，Ltd.，Datong 037005 Shanxi，China）

High-voltage discharge frequently happened in HXD2 locomotives since going into the WuZhai station.This paper has found out the cause，formulated the appropriate solution after site testing，which has achieved good results.Some suggestion is also proposed to improve locomotive harmonic characteristics.

HXD2；high-voltage discharge；cause analysis；solution

U264

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.29

1008－7842（2014）04－0123－03

?）男，工程師（

2013－11－18）