关节式分相烧伤机理分析及防治对策

吴晓谦,靳来生,杨 建,周国防

(郑州铁路局 郑州供电段,河南郑州450065)

在电气化铁路提速区段,为了减少接触网硬点,提高接触网弹性,普遍采用关节式电分相,以便保证高速运行中的列车取流稳定。但关节式电分相在运行中经常发生承力索烧伤甚至断线事故,例如我段管内京广、陇海线关节式分相多次发生烧伤、断股现象。为最大限度避免或减少分相烧伤带来的影响,本文对关节式分相烧伤的机理进行了仔细分析,并提出了一些预防措施。

1 关节式分相短路跳闸次数多、危害较大

机车带电闯分相,易造成关节式分相短路跳闸,且此类故障危害较大,2009年上半年管内就发生了11次关节式分相短路。相间短路时造成分相处接触悬挂设备烧伤较为严重,我段管内关节式分相处多次出现烧伤承力索、接触线、吊弦现象,见表1。

2 分相短路及烧伤原因分析

机车带电闯分相是造成分相烧伤的原因。目前,段管内京广、陇海等主要干线动车组使用地磁感应装置自动过分相,而其他电力机车使用手动为主、地磁感应为辅的过分相方式,司机误操作是机车带电过分相的直接原因。

当机车负荷电流较小时,机车进入中性区后,电弧无法长时间维持而熄灭,仅第一个断口线索烧伤。当负荷电流较大时,机车进入中性区后,电弧能长时间维持直至机车受电弓短接前方断口造成相间短路跳闸,两个断口线索均有不同程度烧伤,当相间电压差较小时,短路电流小保护不能可靠动作跳闸,线索烧伤范围及程度可能加大。

电弧的温度高达3 000℃～5 000℃,极易烧损接触网设备,特别是铜材质的承力索。

3 分相烧伤位置及过程分析

统计分析分相烧伤位置,发现分相烧伤一般发生在来车方向与中性区锚段过渡的接触悬挂区域内(即“图1”中A、B区域),有时也发生在分相离去方向中性线与离去侧有电接触悬挂过渡的区域内(即“图1”中C、D区域)。

表1 2009年上半年郑州供电段管内分相短路统计表

图1 分相烧伤部位示意图

(1)机车带电过分相,大部分未引起相间短路,仅造成A、B区域线索烧伤

机车带电过分相时,首先在分相两转换柱间A、B区域(从有电向无电转换时)受电弓与非支接触线间产生拉弧,初期电弧会跟随受电弓的移动而不断向前移动,当电弧距离加大或到达绝缘子等特定位置时,负荷电流较大足以维持两接触悬挂间的电弧时,电弧将在此附近燃烧,由于电弧加热周围空气,电弧易向上飘逸在两支承力索间燃烧,造成接触线、吊弦、承力索均有烧伤。机车继续向前但未到达C、D区域,由于电弧向上拉长,不足以维持A、B间继续燃烧,电弧熄灭,或机车电压下降电流减少,机车主断路器跳闸后电弧熄灭。该类烧伤发生在所有分相处,不易及时发现。

(2)机车带电过分相,引起相间短路,造成A、B及C、D区域线索烧伤

如2006年12月7日薛店—新郑区间上行分相烧伤,本次机车带电过分相,造成相间短路跳闸。从图中可以看到,本次分相烧伤发生在来车方向与中性区锚段接触悬挂过渡的区域内(即“图1”中A、B区域),此分相位置位于薛店变电所南侧不足2 km。

当机车越过A、B区域后,由于负荷电流较大,机车继续行进到达C、D区域前,电弧能维持A、B间的持续燃烧,机车电压下降有限能维持运行。当机车行进至离去方向的C、D区域时受电弓在C、D(前)区域导通造成两供电臂间相间短路跳闸。跳闸后A、B间及C、D(前)间的电弧随即熄灭。

该类烧伤发生时,出现相间短路跳闸,较易及时发现。由于A、B间电弧持续时间较长,所以此区域较容易发生线索烧伤现象;C、D(前)间的电弧持续时间较短相对而言烧伤程度较轻。

(3)机车带电过分相,引起相间短路,但未发生保护跳闸,造成A、B及C、D区域线索烧伤

如2009年7月20日郑州南站—小李庄区间下行分相烧伤,本次分相烧伤发生在来车方向锚段与中性区锚段过渡区域的两支悬挂及分相离去方向过渡区域的中性线铜承力索上(即“图1”中A 、B、C、D 区域),此分相位置位于郑州南分区亭南侧2 km左右。

该分相北侧由郑北变电所(直接供电方式)供电,南侧由薛店变电所(AT供电方式)供电,分相两侧电压相位相差30°,电压相差十几千伏。

当机车越过A、B区域行进至离去方向的C、D(前)区域时,受电弓在C、D(前)区域导通造成两供电臂间相间短路,由于分相两侧压差较低,短路电流较小,保护不能动作跳闸。此时,机车电流改由前方供电臂提供,相间短路电流经A、B区域电弧、中性线、C、D(前)区域电弧、受电弓及前方接触线构成通路,机车继续向前运行与非工作支可靠接触后,C、D(前)区域电弧熄灭,机车继续向前运行逐渐脱离非工作支后,在C、D(后)区域受电弓与非支接触线间再次产生拉弧,初期电弧会跟随受电弓的移动而不断向前移动,当电弧距离加大或到达绝缘子等特定位置时,相间短路电流足以维持两接触悬挂间的电弧时,电弧将在C、D(后)区域附近燃烧,由于电弧加热周围空气,电弧易向上飘逸在两支承力索间燃烧,造成A、B、C、D区域接触线、吊弦、承力索均有烧伤(C、D区域因拉弧时间相对较短,仅烧伤此处中性线铜承力索)。相间短路电流靠向上拉长及风吹自然灭弧,一旦长时间不能灭弧,有可能烧断分相线索。当分相两侧电压同相时,两侧电压因负荷不均存在较低压差,机车带电过分相造成的线索烧伤情况与此类似。该类烧伤发生在分区亭分相处,不易及时发现。

4 变电所(亭)分相短路保护动作情况分析

(1)变电所分相短路

变电所分相两侧电压存在60°或90°相位差,相间短路电流比接触网近端对地短路电流略小(2 000～3 000 A左右),短路时母线最低电压高达20 kV以上,短路负荷阻抗角在0°附近。

变电所分相短路相序图见图2。

图2 变电所分相短路相序示意图

当馈线发生相间短路时,由于电流与电压的相位角发生改变,变电所Ua相阻抗一段保护一般在保护区能动作跳闸,Ub相阻抗保护不在保护区不能动作跳闸,两侧馈线过流保护均能动作跳闸。

目前,复线区段变电所相间短路保护整定原则为:相间短路时,超前相阻抗一段保护首先动作跳闸,跳闸后故障转换为半环形相间短路,之后分区亭阻抗、过流保护动作跳闸。若超前相阻抗一段保护不能可靠动作,超前相过流保护(过流延时比另一相短一个极差)首先动作跳闸。变电所相间短路保护整定较为完善。

(2)分区亭分相短路

目前,我段部分分区亭(小宋、西阳村、孔庄、忠义、中牟、五里堡、谢集、新乡西—获嘉、郑开—广武)两侧电压存在 15°、30°、60°等相位差,相间短路电流较小(最低 500 A左右),短路时母线电压基本不变。馈线阻抗、过流保护均不能动作。部分相位相差60°的用阻抗保护二象限进行保护。电流增量保护定值较小时可能保护,但发生大树造成的高阻接地故障时易跳闸,现大部分未投入运行。分区亭分相短路缺乏有效保护,相间短路靠自然灭弧,一旦长时间不能灭弧,有烧断分相线索的可能。

5 采取措施

(1)将关节处分相中性区锚段铜承力索更换为GJ-100承力索,以提高分相中性区承力索机械强度。

(2)按照图1及以下要求在关节式分相A、B、C、D区域两支承力索加装预绞丝进行防护包裹,以提高承力索抗弧能力。

①分相两侧压差小的关节式分相预绞丝缠绕方案

A、B区域预绞丝安装位置:分相来车方向两转换柱(或中心柱与转换柱)间等高区域开始(含0.5 m等高区域)向离去侧最少4 m的范围安装预绞丝。

C、D区域预绞丝安装位置:一处为离去方向中心柱(或两转换柱间)等高区域末端开始向离去侧最少4 m的范围,即C、D(前)区域;另一处为距离去侧最后一个转换柱绝缘子2 m处向来车方向最少4 m的范围,即C、D(后)区域。

②分相两侧压差大的关节式分相预绞丝缠绕方案

A、B区域预绞丝安装位置:与①方案相同。

C、D区域预绞丝安装位置:仅按①方案C、D(前)区域执行。

(3)加强对关节式分相的日常巡视、检查。由于在两侧变电所未发生跳闸的情况下也有可能会发生分相悬挂烧伤,所以对关节式分相的巡视检查要缩短周期、重点控制。

(4)加强机供联控,尽可能的从电力机车方面得到有关分相及机车异常情况的信息。

(5)研制加装机车闯分相检测报警装置,该装置能通过检测7跨分相中的中性线上承力索上有电流通过来判定发生了机车闯分相事件,通过手机短信和计数器指示来提醒相关工区进行巡视。本装置已研制成功,目前在京广线淇县变电所分相处试运行。