SS4B型电力机车阻容支路烧损原因分析及措施

陈文胜

摘要：基于大准铁路公司SS4B型电力机车阻容支路电阻烧损和电容被击穿等现象，通过对大准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。同时，针对牵引供电网方面所采取的措施，进行了理论分析和试验数据的收集分析。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。

关键词：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，结合大准铁路公司机车实际情况，参考相关文献内容，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

大准铁路公司电力机车运行区段相关站点包括点岱沟站、南坪站、外西沟站、准东铁路等过个站点及线路区段。随着大准铁路神华号交流电力机车在上述区段投入运用后，大准线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，部分机车出现了RC支路电容击穿等多种部件的损坏。

2 故障原因初步判断

大准铁路公司燕庄站为万吨线，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。

为了验证和解决HXD型机车对SS4B的影响，2015年5月武汉北六场调车场进行了一次试验测试。在直流机车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：SS4B升弓合主断但不工作，HXD多机空载工作；故障现象：10～30min内RC支路电阻烧损。

分析得出，牵引网电压谐波丰富（谐波频率为2750Hz），RC支路电流的谐波含量很高，有效值为65A，峰值高达93A。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10A，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（6000km）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；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。

4 故障解决措施

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機车的功率因数，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。

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。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，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。

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2000W；

（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。

参考文献：

[1]高云鹤.包神铁路SS_（4B）型电力机车阻容支路烧损原因分析及措施[J].铁道机车车辆，2015，01：92-96.

[2]吴冰.SS4改机车阻容保护电路工作原理分析[J].电气传动，2009，08：74-77.

[3]袁新宇.高次谐波对SS_（6B）型机车造成的危害及改造措施[J].电力机车与城轨车辆，2013，05：70-72.