包神铁路SS4B型电力机车阻容支路烧损原因分析及措施

高云鹤

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古包头014014)

包神铁路SS4B型电力机车阻容支路烧损原因分析及措施

高云鹤

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古包头014014)

基于包神铁路集团SS4B型电力机车阻容支路电阻烧损和电容被击穿等现象，从机车和接触网方面研究分析烧损原因，制定解决措施。

SS4B;直流机车;交流机车;阻容支路;烧损;高次谐波

随着和谐号以及其他类型交流电力机车的普遍运用，交流机车的牵引电流经接触网及牵引变电所牵引变压器形成回路，使得接触网存在大量不同频率的谐波分量，对直流电力机车的正常运用产生很大程度的影响，出现阻容支路电阻接线柱焊锡熔落、电阻烧损和电容击穿等故障，严重影响到机车的正常运用，对正常的运输秩序造成严重的干扰。本文基于故障现象，结合包神铁路集团机车实际情况，联合南车株洲电力机车有限公司和株洲中车电力机车配件有限公司现场调研研究，从优化阻容支路电阻和电容参数出发，以增强阻容支路对高次谐波的抵御能力，同时给牵引变电所地面设备解决高次谐波提出建议。

1 机车运用情况及故障统计

1.1 机车运用情况

包神铁路集团在包神线乌兰木伦站区至神朔线朱盖塔区段投入10台SS4B型电力机车进行运营。担当该区段万吨列车牵引任务，日均20～25列。电力机车运行区段相关站点位置如示意图1。其中，大柳塔至朱盖塔是包神铁路与神朔铁路电力机车运行重叠交叉的区段，运行的机车类型有SS4B和SS4G直流机车以及神华号交流机车。

1.2 故障统计

2013年6月份前，在神朔铁路神华号交流电力机车未在上述区段投入运用时，未出现过阻容支路故障现象。自2013年7月起，随着神朔铁路神华号交流电力机车在上述区段投入运用后，包神线SS4B型电力机车阻容支路的电阻和电容开始频繁出现不同程度的故障现象，普遍表现为RC支路电阻接线柱焊锡熔落，电阻烧损(见图2)，部分机车出现了RC支路电容击穿，电阻烧熔炸裂等现象，共计造成烧损情况为:吸收电阻173个、电容49个，功率补偿柜3个、同步变压器4个、高压接触器24个、电压传感器98个、电缆线800 m、94R焊修367个。

2 故障原因初步判断

神朔铁路朱盖塔站为万吨调车场，有大量的机车(包括直流机车和交流机车)在站场处于空载等待状态，可以认为直流电力机车阻容支路故障发生地有多台交流机车空载集中使用。这与自交流电力机车大量上线运行以来，其他机务段SS系列直流机车阻容支路故障发生的情况基本相同。例如，从2010年下半年，襄阳机务段配属的SS6B型机车故障发生的地点主要集中在有大量HXD型交流机车运用的武汉北六场调车场。机车故障主要发生在武汉北六场挂车、试风及等待时间段，而机车在正线运行途中则很少出现。

为了验证和解决HXD型机车对SS6B的影响，2011年5月26日武汉北六场调车场进行了一次试验测试。图3为武汉北六场调车场SS6B直流机车RC支路烧损事故频发的情况下，测得的RC支路电流电压波形。测试条件:SS6B升弓合主断但不工作，HXD多机空载工作;故障现象:10～30 min内RC支路电阻烧损。

图1 电力机车运行区段相关站点位置示意图

图2 阻容支路故障现象

图3 武汉北六场SS6B机车RC支路电压(黄色)、电流(红色)波形图

从图3分析，牵引网电压谐波丰富(谐波频率为2 750 Hz)，RC支路电流的谐波含量很高，有效值为65 A，峰值高达93 A。这种情况下RC支路电容基本变成通路，电阻工作在高频加热状态。吸收电阻是基于短时过电压而设计的，额定电流约10 A，工况的变化导致电阻的寿命急剧下降，短时间内出现烧损现象。

综上所述，包神铁路SS4B阻容支路的烧损，是因为牵引网存在大量高次谐波，而牵引网电压高次谐波源于交流机车。

3 故障原因具体分析

交流机车的牵引电流经接触网及供电所牵引变压器形成回路，而牵引电流包含的高次谐波在网中传递是造成直流机车RC支路烧损的主要原因。因此，从交流机车牵引谐波电流在网中的传递特性和网参数对交流机车谐波传递的影响两个方面分析直流机车RC支路烧损的原因。

3.1 交流机车牵引谐波电流在网中的传递特性分析

目前我国牵引供电网普遍采用分相供电技术，供电臂长度相比于一个工频波长的长度(6 000 km)而言可视为集中参数变量，因此在牵引网中没有牵引电流时整个供电臂下任何一点的工频电压相位相同;如图3所示，由于高次谐波的波长减小，又由于牵引网阻抗和牵引电流的存在，牵引电流将在牵引网感抗上形成感性压降，导致不同点的电压相位将出现偏差。

交流机车的网侧变流器均采用PWM整流器，其牵引变压器原边电流的基波相位及谐波相位以运行位置的牵引网电压为基准，当多台机车正线运行在牵引网同一供电臂，由于位置不同、各机车工况往往有较大差异，各机车的谐波电流矢量叠加，也可能呈相互抵消的关系。但是在货场、调车场、整备场等交流机车集中使用区域，各台机车之间的距离非常小，同时处于一致的静置工况。基于此情况，分析认为各机车的牵引网电压相位完全一致，各机车所产生的谐波电流相位也经常处于相近或一致，从而使得各次谐波整体呈线性叠加特性，使得交流机车产生的谐波成分较严重。

正线运行的机车，同一供电臂下能同时容纳的机车数量有限(例如6台)。但对于调车场等枢纽区域，同一供电臂下机车数量较多(例如20台)，结合前述工况因素就不难理解，直流机车的RC支路的烧损均发生在枢纽区域而非正线运行区段。

3.2 牵引网参数对交流机车谐波传递的影响分析

交流传动电力机车的牵引电流经牵引网及供电所牵引变压器形成回路，回路中各个部件的参数均对牵引电流谐波的传递具有一定影响，因此，对同一供电臂下直流车的影响也表现不同。

当供电所变压器的容量越小，离调车场等枢纽区域距离越远时，牵引网及供电所牵引变压器等效电感越大，对高次谐波流回变电所的阻碍作用越大，这使得交流机车产生的高次谐波流向同一供电臂下的直流机车RC支路，当高次谐波量过多，严重超出RC支路允许通过的电流值，导致其电阻烧损，电容失效。反之，当供电所变压器容量越大，离枢纽区域越近，交流机车产生的高次谐波电流多数流经变电所，对同一供电臂下直流机车的影响较小。如表1所示。

表1 几个典型区间牵引供电系统基本参数与RC烧损情况统计

4 故障解决措施

交流机车产生的高次谐波在牵引网中传递，导致直流机车阻容支路烧损。基于此，从两个方面对直流机车阻容支路烧损故障提出解决建议和措施:

(1)抑制或消除牵引供电网中的高次谐波，从根源上解决供电网中高次谐波对直流机车的影响;

(2)优化或调整直流机车阻容支路过电压吸收电容、电阻参数匹配，增强直流机车阻容支路对高次谐波的抵御能力。

4.1 牵引供电网谐波方面的措施

交流传动电力机车高次谐波的产生源于四象限PWM整流器。四象限PWM整流器虽然大大提高了机车的功率因数，注入系统的谐波电流较小，但其交流侧仍然会存在一定量的高次谐波，在机车起动、爬坡、制动等调节过程中谐波含量还会增大。与直流机车谐波特征不同，交流机车产生的谐波虽然消除了低频带的谐波，但却产生了高频带的谐波，向接触网注入，高次谐波不仅引起直流机车RC支路烧损，还引起牵引网电压高次谐波振荡，产生危害较大的过电压和过电流，使得供电可靠性降低。随着交流机车大量投入运营，接触网高次谐波问题在各车型和和谐交流传动电力机车和动车组均不同程度地存在。因此，抑制或消除牵引网高次谐波是当前国内轨道交通领域亟待解决的问题。

由于四象限整流器开关过程带来的谐波频率范围宽，从几次到百次均有分布，通过改进控制方法或者增加车载滤波装置，可以优化某个频段的谐波含量，但不能消除全部的高次谐波。某公司在交流机车上进行加装各类滤波装置的试验，但收效甚微，如在牵引变压器次边绕组增加高通滤波装置，网侧高次谐波少量减少，但低次谐波增大。2012年某公司依托原铁道部重大项目“车网谐波传播机理及其抑制技术的研究”，提出了全新治理方案:研制一套基于APF+HPF+LC的谐波和无功综合治理装置(安装如图4)，高通滤波器HPF装置用于吸收13次及以上的谐波电流，同时提供固定的容性无功功率;有源滤波装置AFP主要功能是滤除2、4～12次谐波电流以抑制由于HPF导致的低频放大，同时还兼顾动态无功功率补偿，吸收和阻尼机车产生的振荡电流;变电所既有的LC滤波器来滤除3次谐波。依据谐波衰减传递基本原理以及以往谐波治理经验，APF +LC安装在变电所，而HPF安装在调车场附近的开闭所，两者可以同时运行，也可单独运行。三者相结合，综合提高牵引供电系统的电能质量，经济有效的解决牵引供电系统谐波污染和直流机车RC烧毁的问题。

图4 某公司安装综合治理装置图

研制的接触网谐波治理地面装置在兰州铁路局兰州西供电段投入试运行以来，实现了调车场这一牵引网受谐波污染重点区段的针对性治理，接触网谐波畸变率从10.26%下降到2.93%，谐波治理效果显著。图5、图6为兰州西供电段地面谐波治理装置投入前后牵引网电压频谱图。

图5 地面谐波治理装置投入前牵引网电压频谱图

图6 地面谐波治理装置投入后牵引网电压频谱图

4.2 直流机车阻容支路改造的措施

中车公司结合交、直流电力机车共网运用的情况，从RC支路参数方面进行了优化改造，以缓解和减少直流机车阻容支路的故障率，具体措施:

(1)增大直流机车上RC支路电阻的功率，如SS8，SS9将RC支路吸收电阻功率由800 W增加到2 000 W;

(2)适当减小直流机车上RC支路电阻电容;

(3)采取在同一供电臂下增加直流传动电力机车运行(重联)等方式，增加同一供电臂下的RC支路数量，减轻单一RC支路谐波吸收压力;

(4)在直流传动电力机车阻容柜上安装冷却风扇，加强吸收电阻的冷却能力。

包神铁路SS4B型电力机车阻容支路根据其他铁路公司的改进经验，进行了RC支路参数匹配和调整，见表2。

表2 SS4B直流机车阻容支路优化调整参数

5 结束语

文章通过对包神铁路运用电力机车出现的烧损现象研究和分析，提出了改造阻容装置建议，通过实际运用，有很大程度的缓解，减少了烧损对机车运用的影响。同时，针对牵引供电网方面所采取的措施，只是进行了理论分析和试验数据的收集分析，下一步还需深入研究探讨。希望本文能对铁路交、直流机车混跑所带来的阻容支路烧损影响机车正常运用能起到一定的实际指导意义。

［1］ 王 奇.高速铁路牵引供电系统高次谐波谐振仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2009.

［2］ 马加明.电气化铁路谐波概述［J］.黑龙江交通科技，2013，228(02):173-175.

［3］ 杨志华，朱俐琴.交流传动电力机车网侧谐波分析与对策［J］.电力机车与城轨车辆，2003，26(02):8-11，32.

［4］ 张有松.韶山4型电力机车［M］.北京:中国铁道出版社，1998.

［5］ 李群湛.电气化铁道谐波问题的思考［J］.铁道学报，1999，21(10):1-6.

［6］ 曹建献.电气化铁路供电系统［M］.北京:中国铁道出版社，1983.

Fault Analysis and Countermeasures of RC Branches Burning for SS4BElectric Locomotive of Baoshen Railway

GAO Yunhe
(Shenhua Baoshen Railway Group Ltd.，Baotou 014014 Neimenggu，China)

Based on the phenomenon of RC branches burning and capacitors breakdown in SS4B-type electric locomotive of Baoshen Railway Group，this paper analyzes the fault cause from the aspects of locomotive and catenary，and puts forward the countermeasures.

SS4B;DC locomotive;AC locomotive;RC branches;burning;higher harmonics

U264.6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.21

1008－7842(2015)01－0092－05

5—)男，工程师(

2014－08－11)