浅析过电压对电力机车高压电气设备的影响

南车青岛四方机车车辆股份有限公司 赫 鹏 黄召明 邱艳春 王中明 李文夏

1.概述

近年来，我国铁路建设工作得到了长足的进步，铁路运输能力不断提升，逐渐成为国民经济发展的重要助力，尤其是以高速动车组、重载电力机车等电力牵引装备与人们生活紧密度的加强更使得人们对铁路运营能力的提高予以了更加迫切的需要。因此，如何为人们提供高效、安全、快捷的铁路电力牵引运输设备则成为相关工作者的工作目标和重要课题。

以运行在户外单相交流25kV制式供电的电力机车为例，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讲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。

2.电力机车过电压的分类

电力机车运行在单相交流额定25kV接触网下，根据GB1402—1998标准规定，铁路电力牵引系统标称电压为25kV的轨道牵引装置包括电力机车、动车组或城际铁路电力机车等，最高允许电压为27.5kV（有效值），最低允许电压为19kV（有效值），在此电压波动范围内电力机车可以正常运行，然而由于我国电气化供电区段负载不同，电网能够支撑同一时间内多车流的能力较差。

电力机车运行中的过电压主要分为以下几个类型。

2.1 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。

2.2 弓网关系产生的过电压

在电力机车的运动过程中，受电弓和接触网导线的动态接触为其提供了电能，两者的悬挂系统具有弹性，其接头线夹、定位线夹等硬点的动态接触或线路条件不好都可能导致受电弓频繁离线，进而使机车上电压互感器绕组、变压器原边绕组等产生高阶谐振过高压，同时在机车过电压和变压器的饱和作用下行程铁磁振荡，使受电弓滑板和接触网线拉弧烧损，也容易出现高压电压互感器烧毁现象。

2.3 操作过电压

操作过电压分为机车内部和外部两种，机车内部操作过电压的产生原因是由于牵引供电系统的重合闸导致的，其最高幅值与机车原边电路参数是具有关联性的。机车外部的操作过电压是相邻电力机车的过电压导致的。操作过电压会对真空断路器和牵引变压器绕组的绝缘造成十分巨大的危害。

2.4 大气过电压

大气过电压主要分为雷直击过电压和感应过电压。雷直击过电压的产生原因是雷击放电直接作用于接触网，具有较短的波长；感应过电压是雷击接触网附近产生的过电压，具有较长的波长。

电力机车在多种过电压的同时作用下，会使过电压环境较为恶劣。通常情况下，电力机车的高压电气设备分为保护性和功能性两种，主要是避雷器和支持绝缘子、受电弓、主断路器、高压隔离开关、电压互感器、电流互感器、高压电缆和牵引变压器等，其绝缘强度分别取决于对地绝缘性和外绝缘性要求。

3.电力机车的绝缘配合

绝缘配合是为了解决过电压与绝缘之间的矛盾，保证电力机车的安全、高效运行，目前在阀式避雷器的保护下，乘以相应配合系数便能得知被保护设备的绝缘水平。

绝缘水平由绝缘子和外绝缘材料决定。目前我国大部分电力机车的绝缘子或绝缘外套都采用硅橡胶复合材料，其参数符合图1所示。

图1 避雷器的伏安特性曲线

图2 基于避雷器保护的绝缘配合

高压电气设备的绝缘水平是通过伏秒特性曲线来直观反映的。在击穿实验，可以得出电力机车高压电气设备的伏秒特性曲线，如图2所示，避雷器的伏秒特性曲线低于高压设备的绝缘水平则能对其起到保护作用，对高电压进行抑制。

在避雷器保护下，电力机车的绝缘配合需要考虑的是对避雷器参数进行合理的选择，然而在电力机车的实际运行中存在气候环境和过电压产生的诸多不确定性，存在冲击波电压作用下绝缘水平无法得到保证的情况，使被保护设备存在闪络击穿的危险。

4.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。如图3所示，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。

5.结束语

通过对电力机车过电压产生的原因进行分析不难看出，只有综合考虑电力机车的运行环境以及各设备的绝缘参数，对电力机车进行最佳的绝缘配合，才能保证电力机车的安全、高效运行。

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