宋安東,高生嵐,賈流棡
(中車大同電力機車有限公司 技術中心,山西大同037038)
我國鐵路運營里程逐年增加,鐵路牽引供電系統(tǒng)變得越來越龐大,同時新的車型不斷涌現(xiàn),運營過程中出現(xiàn)了一些新的問題。諧波引起的網(wǎng)壓波動是由于機車/動車組和供電系統(tǒng)電氣耦合參數(shù)匹配不合理造成的,通常與高次諧波含量較高及系統(tǒng)容性設備有關,會降低設備使用壽命或造成供電設備的損壞。
自2017年7月以來,HXD2C型電力機車在新鄉(xiāng)機務段隴海線運用時多次出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高及網(wǎng)壓異常引起主斷路器斷開故障,對機車正常運行造成影響。為此,技術人員對該段線路進行實際網(wǎng)壓測試和分析處理,網(wǎng)壓測試試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機車出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障確實由于網(wǎng)壓超限造成,與機車保護功能設置一致,故障多發(fā)生在鄭州—商丘段下行區(qū)間,通過對網(wǎng)壓數(shù)據(jù)分析處理提出了解決該故障具體措施,在段實施驗證后證明措施可行。
從實際測試網(wǎng)壓、變流器控制以及網(wǎng)壓計算方法,對網(wǎng)壓異常故障及處理措施進行研究分析。
HXD2C型機車主要通過高壓電壓互感器檢測接觸網(wǎng)電壓,網(wǎng)壓信號通過硬線傳輸給牽引變流器控制單元,控制單元進行判斷,當網(wǎng)壓值≥32 kV持續(xù)40 s以上或瞬時值≥35 kV時,機車報接觸網(wǎng)電壓高故障,斷開主斷路器,牽引四象限封鎖脈沖,斷開工作接觸器;當網(wǎng)壓值低于31.5 kV時故障自動恢復。
牽引變流器控制單元計算接觸網(wǎng)電壓有效值方法如圖1所示,網(wǎng)壓取絕對值,經(jīng)過低通濾波運算,計算平均值再換算為網(wǎng)壓有效值。
圖1 牽引控制單元計算接觸網(wǎng)電壓有效值過程
圖1 中接觸網(wǎng)電壓有效值計算方法存在一定問題,即隨著網(wǎng)壓諧波含量的提高,網(wǎng)壓有效計算值與實際網(wǎng)壓有效值產(chǎn)生較大偏差,如圖2所示,圖中接觸網(wǎng)電壓有效值倍率=計算有效值/實際有效值;高次諧波相對基波比率=高次諧波幅值/基波幅值。
圖2 計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓偏差分析圖
網(wǎng)壓有效值隨著疊加高次諧波的增加而增加,當諧波相對基波的比率在60%以下時,計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓有效值基本一致,當比率增加到80%時,計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓產(chǎn)生了約3%的誤差,計算網(wǎng)壓大于實際網(wǎng)壓[1]。
對故障多發(fā)的鄭州—商丘段下行區(qū)間進行網(wǎng)壓測試,機車出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障確實由于網(wǎng)壓超限造成,實際網(wǎng)壓測試中出現(xiàn)最高約44 kV有效值網(wǎng)壓,嚴重超出正常網(wǎng)壓范圍。鄭州—商丘段下行區(qū)間某時段網(wǎng)壓波形如圖3所示,示波器監(jiān)測網(wǎng)壓波形畸變嚴重,顯示峰峰值達到370 V(50 V/div),有效值達到260 V。接觸網(wǎng)電壓通過變換比為25 kV∶100 V的高壓電壓互感器接入示波器,示波器電壓換算為實際網(wǎng)壓值為32.5 kV有效值。經(jīng)分析網(wǎng)壓中主要存在1.8~2.0 kHz諧波,考慮該頻段諧波與接觸網(wǎng)發(fā)生共振。
圖3 某時段網(wǎng)壓測試波形
高次諧波的疊加直接導致接觸網(wǎng)電壓升高,模擬接觸網(wǎng)中高次諧波電壓分布在Matlab軟件中,設置25 kV網(wǎng)壓中注入1.8 kHz到2 kHz諧波進行分析。疊加高次諧波與網(wǎng)壓有效值比率曲線如圖4所示,基波電壓(25 kV/50 Hz),倍率1.0表示不含有高次諧波成分。當高次諧波疊加程度達到80%基波分量時,有效值會變成基波的1.28倍左右,接觸網(wǎng)電壓有效值由25 kV提高到32 kV[2]。
圖4 疊加高次諧波與網(wǎng)壓有效值上升曲線
機車多個四象限變流器一般采用載波移相控制方式,可以有效降低網(wǎng)側電壓諧波,機車在切軸狀態(tài)下運行時載波移相控制被打破,會帶來較多網(wǎng)側諧波電壓。單個軸切除時載波移相控制被打破時網(wǎng)側諧波頻譜分布如圖5所示,此時1.8 kHz附近含有較多諧波,變流器產(chǎn)生的網(wǎng)側諧波與供電網(wǎng)原本含有的高次諧波疊加導致網(wǎng)壓諧波更多,網(wǎng)壓有效值更高。軸切除時載波優(yōu)化處理后網(wǎng)側諧波頻譜分布如圖6所示,1.8 kHz附近高次諧波受到有效抑制[3]。
圖5 單軸切除移相控制被打破時網(wǎng)側諧波頻譜分布
圖6 單軸切除移相控制優(yōu)化處理時網(wǎng)側諧波頻譜分布
綜上所述,接觸網(wǎng)過電壓原因:
(1)該線路上的接觸網(wǎng)電壓在特定頻段容易發(fā)生共振,從而使該線路上電壓的高次諧波容易變大,機車如果在軸切除狀態(tài)下運行的話,接觸網(wǎng)高次諧波疊加導致網(wǎng)壓諧波更高。
(2)接觸網(wǎng)電壓波形疊加諧波增大到80%程度時,接觸網(wǎng)電壓有效值的計算值會出現(xiàn)3%的誤差,真實值加上3%的誤差導致更容易檢測到接觸網(wǎng)過電壓。
針對網(wǎng)壓檢測方法存在的問題,計算網(wǎng)壓有效值方法變更為有效值定義計算法,如圖7所示。采用有效值定義計算法以電阻熱效應等效為依據(jù)可以準確計算網(wǎng)壓有效值,不受網(wǎng)壓中諧波含量影響。
圖7 網(wǎng)壓二乘積分計算法
機車在切除單個軸情況下運行時,采取重新計算載波移相角度進行控制的方案,不會使網(wǎng)側高次諧波疊加。
對在段運行機車采取整改措施,更改變流器控制軟件運行9個月,未再發(fā)生類似的接觸網(wǎng)電壓高相關故障。
針對新鄉(xiāng)機務段的HXD2C型機車在隴海線運行期間頻繁出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障,通過數(shù)據(jù)采集和故障原理分析確定變流器控制程序優(yōu)化方案,優(yōu)化程序在段裝車并在故障高發(fā)的隴海線投入運用,沒有再發(fā)生網(wǎng)壓高相關故障,網(wǎng)壓高故障得到有效解決。