过电压对电力机车高压电气设备的影响分析

过电压对电力机车高压电气设备的影响分析

苏允飞

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063000

摘要：近年来，随着我国铁路建设的快速发展，四通八达的铁路运输网络日益完善，大大提高了我国的铁路运输能力。铁路也成为我国区域交流以及经济发展的重要推动力。尤其是高速动车组、市域动车组、城市轨道车辆及有轨电车等轨道车辆近些年的的大规模建设发展和投入运营，为国内不同地区注入了全新的发展活力，也使得人们对铁路及轨道交通运营能力的提高予以了更加迫切的需要。因此，如何提高电力机车的高压电气设备的安全性，可靠性以及经济性就成为了相关单位研究工作的重要课题。本文从过电压对电力机车高压电气设备产生的影响进行深度的探究和分析。

关键词：过电压；电力机车；高压电气设备

过电压是影响电力机车高压电气设备可靠运行的重要因素，在运行的过程中，过电压的存在会对高压电气设备产生一定的冲击和破坏作用。因此，必须进行高压电气设备过电压的分析工作，充分考虑内外条件,对所有具有一定关联性的影响因素进行深层次的分析，尤其要对电力机车高压电气设备中涉及的过电压类型进行深入分析和研究，实现全生命周期的安全可靠设计。

1.电力机车运行过程中过电压及其对设备产生的影响

大多数时候，我国电力机车主要运行于供电制式为单向交流电，额定电压为25kV的接触网线路。同时，由于地域跨度大，导致南北方的雨雪温湿度和东西部海拔风沙均存在差异，致使电力机车长期运行的环境较为恶劣，往往处于各种不稳定的户外环境，如风、沙、雨、雪、雾霾天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等恶劣气候条件，这种行车环境加剧了位于车辆顶部的高压电气设备的累积破坏和损伤，如果长期运营过程中保养和维护检查不到位以及过电压对电气设备产生的破坏作用，就会引发设备出现故障，造成功能失效，故障频发。铁路部门在进行线路及车辆设计时，相关部门都会对高压电气设备，尤其户外产品进行严格绝缘设计和绝缘匹配研究，但不同部门在标准化建设及实施上有一定程度的时空差异性，而且供电部门和车辆部门不在同一个组织架构内，因此双方的绝缘设计和匹配无可避免地存在差异性问题和绝缘匹配不良的风险。这种绝缘匹配不良，在车辆运行过程中过电压的作用下，严重时会导致高压电气设备绝缘失效或线路损坏。因此，机车车辆高压电气设备的安全可靠运行必须要充分考虑内外条件，对所有关联的影响因素进行分析。尤其要充分考虑机车车辆全生命周期运行中可能产生的过电压的类型，以及其他内外因素对电气设备产生损伤的情况进行预测和分析。

1.1过分相形成的过电压及其对设备的影响

当电力机车经过分相区的无电区时，机车会在多种因素的影响下产生谐振回路，如:受电弓振动、对地电容震荡、中性线嵌入、电压感应器互感等。一般情况下，这些相互作用还会与过分相无电区的感应电压发生进一步的电磁作用，并最终形成高阶震荡电路，导致震荡过电压的产生。很多时候这些震荡过电压的存在不会对高压电气设备造成直接的损坏和影响，但是当电力机车进入到不同的线路区域时，就会导致电压的变化在单位时间内迅速加大，一旦变化的幅度超过了预设的最高点，就会导致震荡过电压的出现，进而影响到高压电气设备的工作性能，甚至导致车辆误报警情况发生。

1.2弓网关系形成的过电压及其对设备的影响

目前，我国大部分电力机车在运行时通过受电弓和接触网导线的动态接触获取电能，电力机车在运行的过程中需要大量的电能供应。在整个系统的运行过程中，二者的悬挂系统具有较强的弹性，其接头线夹、定位线夹子等硬点的动态接触或者是线路条件不好时会导致受电弓频繁发生离线的情况。因此这也将进一步导致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，还会在机车过电压和变压器的饱和作用下形成铁磁震荡，对电力机车的互感器、接触网导线等产生较大的破坏作用，严重时会发生受电弓滑板烧蚀或接触网拉弧等问题。

1.3操作过电压及其对设备的影响

操作过电压可以分为外部操作过电压和内部操作过电压两种形式。外部操作过电压主要由相邻电力机车产生的过电压导致的。内部操作过电压产生的主要原因是机车车辆的主电路供电系统的真空断路器重合闸导致的。无论是内部操作过电压，还是外部操作过电压，都会导致牵引变压器绕组的绝缘性降低、真空断路器损坏等异常问题发生。

1.4大气过电压及其对设备的影响

根据大气过电压产生原因不同，其分为感应过电压以及雷直击过电压两种形式。感应过电压主要是雷击接触网附近产生的过电压，表现为波长较长，电力机车在多种过电压的同时作用下会使电压环境变得更加恶劣，而雷直击过电压产生的原因主要是雷击放电直接作用于接触网，具有较短的波长。

雷              直击过电压对电力机车的影响是能够影响电气设备的绝缘性，感应过电压则是产生巨大的破坏作用。

2.不良影响的抑制措施

无论是何种类型过电压，频繁的过电压，必然会对电力机车的高压电气设备产生破坏作用和不良影响，从而影响电力机车的正常稳定运行。因此，必须要采取一定的措施，减少过电压对高压电气设备的破坏。

2.1提升设备绝缘性能

绝缘性能的提高是保障高压电气设备正常运行的重要安全措施，而提高高压电气系统的绝缘防护效果的关键在于加强绝缘配合。从技术层面来讲，绝缘配合是应用于电力机车高压电气系统的抑制过电压的关键性措施，其平衡绝缘和过电压间的矛盾。绝缘配合技术手段的应用，应保证高压电气设备的绝缘性能符合相关标准要求。大多数情况，绝缘性能主要受到绝缘子以及绝缘外套等组件的影响。目前，我国在进行绝缘设计时采用的绝缘子以及绝缘外套大多由硅胶复合材料制成。在避雷器的保护下进行绝缘水平的计算，乘以相应的绝缘配合参数计算得出相应的数值并通过伏秒特性曲线进行表达，如果该曲线高于保护设备的绝缘水平，则说明绝缘配合实现了保护和抑制过电压的预期目标。

除此之外，绝缘配合中应充分考虑以下两个问题。第一，在避雷器的保护下，避雷器的参数选择应严格按照国家的相关标准以及预期设定的目标执行，否则无法充分确保伏秒特性曲线的科学性以及有效性。第二，外界环境的影响是一项难以预料的问题，其会导致绝缘水平持续下降，当到达特定的范围内，就无法对高压电气设备产生良好的保护作用。因此，为了防止绝缘失效，在开展绝缘设计时，可以采用两级避雷绝缘防护，提高绝缘可靠性。

2.2优化弓网关系

弓网结构是电力机车的传输节点，优化弓网关系是提升高压电气设备安全性的重要举措。弓网关系中要提高导线、悬挂点弹性，有效应对电力机车在特殊条件下接触点的连续和衔接，预防其离线状态发生，消除因供电系统接触不良带来的过电压。同时结合设备运行状态采取不同方法提升接触稳定性和连续性，必要情况下对设备及线路接触网进行检修维护，提升受电弓、触点、导线的受流质量消除受电弓产生的高频过电压，从而保证受电弓、电力线安全运行。

2.3规范高压电气设备操作

人是电力机车高压电气设备运行中最重要的不可控因素，因人的行为失误、认知错误、思维疏漏会出现操作错误，影响电气设备稳定运行，这些因素都在可控范围内，因此规范高压电气操作应从预防为主。对操作人员的工作方式和操作习惯进行规范，防止其错误行为发生，并建立高效监管机制，不仅保护电力机车高压设备，也确保了操作人员的人身安全。

2.4预防雷击对高压电气设备的影响

              铁路部门的预警系统应充分利用沿线地方气象台信息，作为调度指挥必须掌握的内容之一。必须随时掌握地方气象台站的预警信息，特别是汛期、雷雨季、台风季节恶劣天气频发期间，部门之间的协作配合尤其显得重要。在雷电灾害造成的损失中，大部分雷电灾害都可以通过完善防雷措施和定期进行防雷检测检验来避免。

结束语：

电力机车在运行的过程中，过电压出现的频率过高必然会对高压电气设备产生破坏作用和不良影响，因此必须要采取绝缘配合的手段对其进行抑制。高压电气设备是电力机车运行的功能装置和基础设备，如果保护措施不当，必然会导致安全事故的发生，技术人员要从实际情况出发，从线路条件、车辆运行、设备维护以及环境因素控制等方面进行深层次的研究，并探索新技术实现电力机车高压电气设备的全生命周期安全可靠运行。

参考文献：

[1] 贾岩鑫. 电力机车高压电气系统过电压防护方案研究[D]. 北京:北京交通大学,2016.

[2] 刘文莉. 基于电力机车高压电气系统过电压防护方案分析[J]. 内燃机与配件,2020(11):91-92.

[3] 赫鹏,黄召明,邱艳春,等. 浅析过电压对电力机车高压电气设备的影响[J]. 电子世界,2014(7):97-97.

[4] 周涛. 过电压对电力机车高压电气设备的影响评价[J]. 数字化用户,2018,24(1):111.