电力机车过电分相跳闸分析及预防措施的探究.doc

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1、 毕业设计（论文）中文题目：电力机车过电分相跳闸分析及预防措施的探究专 业： 电气化铁道技术 班 级： 电气化3102班 姓 名： 王力伟 学 号： 100130212 指导教师： 陈洪军 完成日期：2013年3月8日吉林铁道职业技术学院毕业设计（论文）成绩评议专业班级姓名学号题目教师评阅意见成绩评定 指导教师 年 月 日评阅教师意见评阅教师 年 月 日答辩小组意见 答辩小组负责人 年 月 日摘 要随着电气化铁路的飞速发展，电力机车的速度大幅度提高。因此，器件式电分相对电力机车受电弓冲击大成为困扰我国电气化铁路提速改造的主要问题之一。锚段关节式电分相是由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相

2、存在硬点大的问题。通过对绝缘锚段关节式电分相结构、技术标准，产生交流电弧的原理及特性的研究对电力机车主断路器断开经过分相过程产生的截流过电压、合闸过电压、空载合闸涌流和辅助电机系统的过流产生的机理进行了探讨，分析出变电所馈线保护不正常动作的原因。其次，对电力机车带电过分相时电弧形成过程进行了理论分析。在我国电气化铁道接触网采用单相供电，为了使电气化铁道从电力系统三相电网取流基本对称，电气化铁道采用了分相分段取流的方法。所以在由不同相位供电区段的交界点，必须装设电分相装置。随着列车速度的大幅度提高，由于绝缘锚段关节式电分相能够消除器件式电分相存在的硬点大的问题，因此目前世界大多数国家的高速电气化

3、铁路电分相均采用该种型式。在我国，无论是新线建设还是既有线改造，都将大量采用关节式电分相装置。正是由于关节式电分相的大量采用，所以电力机车经过电分相这一过程出现的电气问题就引起了广大科研工作者和工程技术人员高度重视。本文对电力机车经过电分相时的电气过程机理进行详细研究分析，主要包括电力机车主断路器断开时经过电分相的过电压、过电流产生机理，电力机车带电闯分相时产生的电弧烧损电分相的机理分析。提出机车带电过电分相造成跳闸的主要原因为过电压和涌流。通过对新型机车断电过电分相时造成过电压的分析，从接触网、牵引变电所和机车结合部提出了防止跳闸和烧伤接触网的安全预防措施。关键词: 牵引供电系统 绝缘锚段关

4、节式电分相 过电压 过电流 电弧目 录第一章 绪 论6第二章 牵引供电系统与绝缘锚段关节式电分相72.1本章简述72.2电气化铁道的牵引供电系统72.3电力机车82.3.1主电路82.3.2辅助电路92.4绝缘锚段关节式电分相92.4.1绝缘锚段关节式电分相结构102.4.2绝缘锚段关节式电分相技术标准102.5电弧产生的原理及特性11第三章 电力机车通过电分相电气过程的分析123.1本章简述123.2电力机车断开主路器通过电分相的分析123.2.1放电间隙、避雷器的过电压保护机理和存在的问题123.2.2截流过电压133.2.3合闸过电压133.2.4空载合闸电流143.3断电过电分相造成变

5、电所跳闸的原因143.3.1跳闸事例现场特征分析143.4电力机车带电过电分相153.4.1电磁感应163.4.2电力机车带电过分相的电气过程163.5带电过电分相造成短路跳闸的原因183.5.1电弧说观点存在的问题183.5.2实际原因分析193.5.3 过电压193.5.4合闸涌流19第四章 电分相的改进及解决措施204.1本章简述204.2改进中性段的五种方法204.2.1改进中性段结构204.2.2交替分流204.2.3在电力机车驶入中性段前强制减少其耗用的电流214.2.4在电力机车驶进中性段时强行切断车上的电流214.2.5接触网上安装电力机车行近中性段的传感器214.3采取措施2

6、24.3.1司乘人员的管理224.3.2提高避雷器的性能224.3.3抑制过电压224.3.4削弱磁场能量22结 论23致 谢24参考文献25第一章 绪 论随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相对电力机车受电弓冲击大成为困扰我国电气化铁路提速改造的主要问题之一。由于锚段关节式电分相是由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在硬点大的问题，所以，无论是新线建设还是既有线改造，都将采用关节式电分相装置。但根据现场情况反馈，当交流电力机车在牵引状态下进入中性段后，在运行方向的第一个空气间隙处会产生电弧，而且往往在受电弓进入中性段后不能自行熄灭，它会烧毁接触线或产生飞弧烧损承力索，甚至即使机车断开

7、主断路器进入电分相时，也会出现变电所馈线保护不正确动作情况。为了避免烧损导线，目前国内及一些国外都规定了电力机车行进中性段时，司机必须逐渐退级到零位，切断牵引负荷，然后再切断辅助电路负荷，最后关断主开关，使机车惰行通过绝缘区。因此随着铁路提速，特别是在高速铁路上，当牵引变电所之间的距离大约50一60km、行车速度300km/h时，司机每隔10min就得切断一次牵引电流。由于这种过电分相防止烧损导线的方法要依靠司机的主观因素来确定。因此，在现场运营过程中，经常会出现电力机车带电闯分相情况，严重时电弧会把承力索烧损。甚至即使电力机车断开主断路器过分相时，经常出现变电所馈线保护不正确动作情况，给电力

8、机车的正常运行和运营部门的工作造成巨大的困难。但是目前对于电力机车过分相存在问题的解决，除了对分相装置加以改造外，从电气过程角度来分析这一过程的相关资料还很少。其主要原因是这个过程原因十分复杂，不仅跟电力机车类型、电弧的复杂变化过程有关，因而形成了电力机车过分相出现的问题是一个客观存在但又无从下手的技术难题。因此对电力机车过电分相的电气过程的分析研究势在必行。第二章 牵引供电系统与绝缘锚段关节式电分相2.1本章简述首先分析牵引供电系统的组成及其工作原理同时介绍电力机车主、辅电路的内部器件的构成以及各元件的操作与作用。重点介绍电分相的定义，分析传统的器件式电分相的结构、组成以及工作中出现过的不利

9、的一方面因素从而重点突出绝缘锚段关节式电分相结构克服硬点大的问题。总结七跨绝缘锚段关节式电分相对空气间隙的绝缘距离提出较高要求的技术标准，交流电弧产生的原理及特性。2.2电气化铁道的牵引供电系统电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所(包括分区亭、开闭所、AT所)、牵引网(馈电线、接触网、钢轨和回流线)、电力机车等组成。所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件”。如图21所示。图21电气化铁道牵引供电系统图我国电气化铁路采用工频单相交流制。电气化铁路供电的牵引供电系统由分布在铁路沿线的牵引变电所及沿铁路架设的牵引网组成，为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所的高压输

10、电线路均为双回路。(1)牵引变电所:主要是将电力系统传送的220kV或 110kV的三相电源转换成牵引网额定电压27.5kV工频单相交流电，然后向铁路沿线架设的牵引网供电。(2) 分区亭:主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。(3)开闭所:实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引母线上引出的一路馈线按需要向分组接触网供电。一般设置在需要送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近。(4)接触网:是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持一定距离的链形或单导线的输电网。牵引电力机车能量获取是通过机车受电弓和接触网的滑动接

11、触来实现的。(5)馈电线:是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所转换完备的牵引用电能送给接触网。(6)轨道:在电气化铁道系统中，轨道除了作为列车的导轨外，还与接触网组成通道，完成导通回流的任务。(7)回流线:连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路电流导入牵引变电所。(8)牵引网:牵引供电回路的构成是:牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地、回流线。在这个闭合回路中，通常将馈电线、接触网、钢轨与大地回流线统称为牵引网。2.3电力机车电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为主电路、控制电路和辅助电路三大部分。牵引电动机及其相联接的电器设备和导线组成了机车主电路。电传动设备主电

12、路中流过的电流为牵引负载电流，主电路电压为牵引电动机的电压，或者是接触网的网压，故机车主电路是电力机车上的高电压、大电流的大功率动力回路。通过主电路的功率传输，将变电所的电能转变成适用于列车牵引所需要的牵引力。因此机车主电路应满足机车起动、调速和制动三个基本工作状态的要求，起动、调速及制动是机车运行的基本规律，它们是通过机车主电路、控制电路及辅助电路共同作用实现的。2.3.1主电路电力机车的主电路由主变压器、牵引变流器、牵引电动机构成。27.5kV牵引网压经受电弓、主断路器、电流互感器、主变压器原边绕组接地。主变压器次边绕组有若干抽头，由组合调压开关进行切换，实现逐级改变交流输出电压。接触网的

13、单相电流转换成牵引供电的整流电流，是通过牵引变压器和整流装置实现的。主电路设有转换开关，在一组四象限变流器或逆变器故障时可作相应的切除和转换，机车可以降低功率继续运行。当主电路主要电气设备发生短路、过载、接地、过电压四类故障时，相应的保护电气动作，以避免电气设备因上述故障而损坏。各类交直型电力机车的主电路保护措施大致相同，其主断路器是机车的主要保护装置，当主电路发生短路、过载、接地故障时，主断路器作为主要执行开关，担当了分断网侧电路的作用。当车顶母线、瓷瓶对地放电或短路时，短路电流不流过电流互感器，主断路器不会跳闸，由牵引变电所执行保护。2.3.2辅助电路电力机车辅助电路主要为电力机车主电路提

14、供冷却，为空气制动系统提供风源，调节司乘人员环境以及给客车提供合适的电源。辅助电路的正常工作与否直接影响到主电路的工作状态，是机车稳定、安全运行的关键。一般国内电力机车辅助电路系统分两大部分:一是传统的单一三相供电系统;一是列车供电回路。为了保证电力机车正常运行，机车上设有三相交流辅助电路和辅助机械装置，这是由于平波电抗器、主变压器的油散热器、整流装置、牵引电动机、硅风机和制动风机等，他们在运行时发出大量的热量，需要通风机进行强迫风冷;主变压器需要设置油泵强迫变压器油循环，空调等;机车和列车的制动、受电弓以及车上各种气动机械要装置压缩机来提供风源等，所有这些辅助装置除辅助压缩机用直流电动机拖动

15、外，其余都用三相鼠笼式异步电动机来驱动。为此，需要将电力机车单相交流变换成三相交流电源供辅助机械使用。目前国产电力机车辅机电源采用三种供电模式:一是采用旋转式劈相机。对于劈相机供电的辅助系统来说，其特点是三相电源电压变化范围较大，且受网压的变化影响较大，三相电流较不平衡;但其电压波形为标准正弦波，阻抗电压低，短路电流大，这种方式在电力机车上广泛使用，主要用于交直型直流传动电力机车，象553系列、554、557系列、558、SS0等。二是采用电容器分相法;三是采用半导体静止逆变器。2.4绝缘锚段关节式电分相由于电气化铁道牵引变电所向接触网供电的馈线是不同相序的，不同相供电臂在接触网的相交处设置了

16、绝缘结构，称电分相。传统的器件式电分相由三个绝缘杆件组成，无电区总长30m，每个绝缘杆件与导线连接形成2个接头，一组分相就有了6个接头，每个接头在接触网上就形成一个硬点，加速了接触导线的磨损，同时也限制了列车速度。如列车在高速通过器件式电分相时，其多个硬点不可避免有撞击机车受电弓的现象，严重时会造成机车受电弓的损坏或发生弓网事故。为了消除接触网上的硬点，改善弓网关系，提高列车运行速度，接触网电分相由器件式改造绝缘锚段关节式。绝缘锚段关节式电分相在我国最早应用于广深高速铁路，打破了我国30多年采用的传统式3组绝缘部件构成的电分相模式，在铁路电气化发展史上具有重要的意义，其技术已日趋成熟。七跨锚段

17、关节式电分相中性无电区由原来的30m延长至3个跨距 (135一15Om)，从弓网关系分析，绝缘锚段关节式电分相可以满足时速200km以上接触网系统的要求。我国电气化铁道接触网通常采用的锚段关节式电分相有七跨式、八跨式和九跨式3种。其中，七跨锚段关节式电分相用于广深线;八跨锚段关节式电分相用于京广线的衡广段;九跨锚段关节式电分相用于京广线的武衡段和哈大线。2.4.1绝缘锚段关节式电分相结构七跨式绝缘锚段关节式电分相，它是由二个4跨绝缘锚段关节交叉组合而成，从头到尾共有七个跨距，故称七跨锚段关节式电分相。其共有锚柱2根，转换柱2根，中心柱2根，锚柱加转换柱2根，通过正线两个锚段和一个中性锚段形成二

18、个4跨绝缘锚段关节，其原理是利用2个四跨绝缘锚段关节的空气绝缘间隙来达到电分相的目的。中性区正常情况下不带电(无机车通过时)，但不允许接地，其对地仍按25kV电压等级要求绝缘。一般考虑在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以疏导中性区的故障机车。当电力机车准备经过电分相时，机车主断路器打开，受电弓不降弓通过。电力机车在电分相中性无电区范围内利用中性锚段来作工作支，使受电弓平稳的由一端正线锚段运行到另一端的正线锚段，保证约有100一150m长的中性区。机车乘务人员须按照设置的“断”、“合”、电力机车禁停”标志断、合机车主断路器，“断”电标应设在行车方向第一转换柱处，“合”电标应设在行车方向第

19、四转换柱处，同时要设置反向行车标志。2.4.2绝缘锚段关节式电分相技术标准七跨绝缘锚段关节式的技术标准与四跨式绝缘锚段关节相同，对空气间隙的绝缘距离提出较高要求，间隙绝缘一处不能满足要求，整组分相绝缘器功能丧失。（1）中心柱处两支承力索的水平间距为500mm，误差为0100mm。抬高承力索比另一支承力索抬高不小于500mm。两支接触线距轨面等高，误差10mm，两支接触线的水平间距为500mm，误差050mm。（2）中心柱处两支悬挂（包括支撑装置、定位装置等）之间的空气间隙不得小于500mm。（3）中心柱处抬高支悬挂应在靠近支柱侧（顺线路方向）。（4）转换柱处两支承力索的水平间距为500mm，误

20、差为0100mm。非工作支承力索比工作支承力索抬高300mm，误差为0-100mm。两支接触线的水平间距为500mm，误差为0-50mm,非工作支接触线比工作支接触线抬高500mm，误差为50mm，非工作支分段绝缘子及其接头的最下端比工作支接触线抬高不得小于300mm。（5）同一组四跨绝缘锚段关节两转换柱分段绝缘子内侧两悬挂间的空气间隙在任何情况下不得小于500mm。（6）转换柱和中心住处，承力索应位于相对应的接触线的正上方。（7）转换柱和锚柱间加装一组电连接器，两支承力索间的电连接线螺盘35圈，圈径为线径的35倍，承力索和接触线间的电连接线不盘圈。（8）两下锚支接触悬挂相交叉时，应保持50m

21、m以上的距离。（9）多功能定位器的最大抬升高度为100mm,误差为10mm。无抬高量时，防抬高间隙一般为：腕臂柱定位器为79mm；软横跨定位器为57mm。(10)七跨式电分相内的其他设备（补偿装置、支撑装置 、定位装置、隔离开关、分段绝缘子、导线接头、承力索接头、接触线拉出值和高度及坡度、下锚拉线、吊弦等）的技术标准按TB标准执行。2.5电弧产生的原理及特性电弧是气体放电的一种形式，是一个电场、磁场、热场及流场变化的综合作用过程，情况极其复杂。另外，在不同的条件下电弧在运动过程中其形态变化较大，电弧特性也不相同。电弧可分为三个区域:阳极电位降区域、弧柱、阴极电位降区域。高压电路中产生的电弧，是

22、触头电流通过空气传导而产生的，所以又被认为是一种气体放电现象。电弧其实是一种等离子体。其主要的外部特征有:(1)是一种自持放电现象，它不用很高的电压就可以持续相当长时间的稳定燃烧而不熄灭。(2)是强功率的放电现象，在开断数十千安的短路电流时，电弧的温度可达上万摄氏度甚至更高，并且具有强辐射。(3)是等离子体，质量极轻，极容易改变形状。交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此，其伏安特性为非线性多值对应关系。一般说来故障电弧电流的波形大致为正弦波形，但是电弧电压则较为复杂,电弧电压波形为斜顶的梯形，电弧电流零区电弧电压变化率很大。电压顶部随时间增加逐步倾斜，电弧的伏安特性有明显的

23、滞环回回。一条曲线低于另一条曲线，这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致，所以交流电弧的伏安特性与电流的数值、电弧的冷却程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关，其中电极材料和电弧长度对伏安特性的影响较为显著。电弧越长，热惯性影响就越显著。在交流电弧中，因温度随电流而变化，电弧的温度也是变化的。但气体的热惯性很大的，甚至在工频电流的情况下，也将引起温度的变化稍滞后于电流。在电流过零时，电弧的温度并不是最低值，而仍然保持相当高的温度。研究表明，交流电弧的温度随电流变化、且以电流的二倍频率上下波动。第三章 电力机车通过电分相电气过程的分析3.1本章简述电力机车过电分相时分为两种

24、形式，一种是电力机车断开主断路器通过电分相另一种则为带电过电分相。断开主断路器过电分相时常出现放电间隙、避雷器的过电压导致牵引变电所跳闸，保护值不稳定，性能较差；同时也对电力机车运行时产生的截流过电压、合闸过电压、合闸涌流进行研究。电力机车带电过电分相时由于我国电气化铁道由于采用单相交流供电方式所以当牵引电流流过接触网时，在接触导线的周围会产生电场和磁场。电磁感应及电弧的产生可能烧伤电分相、中性无电区内承力索、导线，严重时甚至烧断承力索。出于安全等因素对其进行理论分析。3.2电力机车断开主路器通过电分相的分析3.2.1放电间隙、避雷器的过电压保护机理和存在的问题电力机车长期运行于接触网下，不仅

25、要经受接触网工频高压的考验，还要经受来自于大气的雷击过电压和电力机车内部的操作过电压(电气开关如主断路器的分、合操作)与晶闸管换相过电压的侵袭。早期的电力机车都仅仅安装了棒一棒放电间隙，根据电气化铁道对电网的测试表明，无论是牵引供电系统产生的操作过电压或是来自机车自身产生的操作过电压，一般在系统最高工作电压最大值(即 27.5kv x 1.414)的l，3 1.6倍。由于工频放电电压有效值为55kV，相当于系统最高工作电压最大值的1.4倍，所以放电间隙也会在操作过电压下击穿放电，相当于牵引网对地短路，从而引起牵引变电所跳闸。除此之外，放电间隙的放电电压受温度、湿度、气压等因素的影响很大，导致放

26、电电压分散性大，保护值不稳定，性能较差。为了克服放电间隙以上缺点，从SS3、SS4改、SS7等电力机车开始，在机车原边分别加装了Y10W242/105TD或TQE1242型金属氧化物避雷器。它具有优异的非线性特性，相应地具有过压保护特性好、自恢复能力强的特点。由于电气化铁道供电额定电压为27.5kV，比电力机车规定的额定电压25kV高，再加上牵引供电电压常常偏高，有时高达31.5kV，对于长期与电力机车一起并联于接触网的避雷器来说，其持续运行电压就必须高于31.5kV。如果按照铁标规定将避雷器的持续运行电压设计成30kV，那么在31.5kV以上情况下使用，避雷器的工作安全可靠性就会有所下降。为

27、了保证在31.5kV以上的情况下可靠运行，就必须减少持续运行电流，随之而来必然会增大其残压值，实际上被抑制的过电压值提高了。这两种避雷器都是参照电气化铁道用避雷器来设计的，对电力机车来说，其保护特性参数是否满足机车运行的具体要求还有待研究。虽然在电力机车的主变压器原边普遍设置了放电间隙和避雷器以期保护电力机车上的电气设备免受过电压的伤害。但是，由于放电间隙和避雷器与机车的配合不尽合理，不能十分有效地抑制各种过电压，而且机车避雷器要长期受到操作过电压的考验。3.2.2截流过电压为防止电力机车受电弓通过中性区时拖带电弧烧损绝缘件和接触网导线或造成其它供电事故，国内大多数采取的措施是司机在车上进行手

28、动切换操作经过电分相，即采用的是逐步退级过分相方法。这样保证机车在无电流情况下进出分相区的，从而保证了受电弓和接触网的寿命。因此在电力机车切断主断路器时刻，将发生类似于切除空载变压器的暂态过程。由于一般国产电力机车主断路器的分断是靠通过支持瓷瓶上来的压缩空气进入灭弧室，使动静触头分离。此时，压缩空气在触头喷口处形成一股高速气流，对动静触头分离产生的电弧进行强烈的气吹和冷却，迫使电弧在电流过零时熄灭。电弧熄灭后，弧隙迅速由新鲜的空气填充，使断口间的绝缘介质迅速恢复，避免了重击穿，从而实现电路的可靠分断。当司机通过操作主断器来切除电力机车，电流的切断过程与断路器的灭弧能力有关。所以当空气断路器在分

29、断小电感电流时，由于灭弧能力太强，极易产生截流过电压。实际上切除空载变压器产生过电压的实质是断路器的截流迫使变压器中存储的磁场能量转换为电场能量所致，所以，断路器的截流能力越高，截流瞬间电流越大，产生的过电压越高。3.2.3合闸过电压对于变压器空载合闸的过渡过程，以往人们普遍认为只会产生励磁涌流，把变压器空载合闸过电压也没有被列为常规的内部过电压，而且在系统中由于该过电压对电力系统的影响确实不太显著(并非没有影响，而是常被现场人员误认为是其它性质的内部过电压)。近年来，越来越多的人通过现场实测发现，变压器空载合闸充电过程中出现了哀减的过电压，哀减时间从零点几秒到几秒不等!但是变压器合闸过电压的

30、产生机理究竟是电磁振荡过电压或电磁谐振过电压还是快速暂态过电压，人们对此看法不一。由于电力机车过分相的断电期间，在电力机车辅助绕组和异步辅助机群构成的闭合回路中，仍有电流流通，辅助系统仍有转速。这样，有的电机为电动机，有的则为发电机，这时辅机系统可等效于一个电源，辅助绕组上的电压藕合到主变压器的一次侧，就表现为残压，使得中性段带有残压，残压的大小和相位与机车运行的级位以及投入的辅机数目有关，因而其大小和相位具有随机性。现场试验中发现，中性段通过电压互感器检测到一次约80kV的过电压，并且后来多次发生因合闸过电压击穿机车上的放电间隙而不能恢复，造成牵引网对地短路，引起变电所跳闸事故网。因此，当中

31、性段上有残压，相当于此时合闸瞬间电压的零状态响应为U与残压之和。电力机车空载合闸电压和残压叠加是造成机车过电分相合闸时主电路过电流和过电压、辅助电路过电流的主要原因。过电流使保护动作，主断路器跳闸;过电压使放电间隙击穿，引起变电所馈线保护动作。此外频繁的过电压和过电流冲击，影响牵引变压器、变流器及辅助电机系统的寿命。我国目前的电力机车除SK电力机车之外，辅助电机系统都使用了旋转劈相机供电，过电分相时必然造成残压。国外机车使用的是静止逆变器驱动辅助电机系统，过电分相时，辅助电机系统可以等合闸后再变频启动，这样辅助电机系统被逆变器隔离，不能将电压祸合到机车变压器一次侧形成残压，从而避免了过电压和过

32、电流。3.2.4空载合闸电流在电力机车经过电分相时，不仅要产生合闸过电压，同时还会产生合闸涌流。因为电力机车通过中性段时将产生瞬时失电，而失电后进入另一相时，由于变压器铁心存在饱和现象，在电力机车用电回路中产生很大的涌流容易造成电力机车过流保护启动跳闸。由于电力机车主断路器的投入时间是无法控制的，主要依靠司机主观因素来决定，因此实际上无瞬态励磁过程基本上是不可能的，即合闸时变压器励磁电流出现瞬态冲击现象在所难免。其衰减速度是与电源系统的时间常数值有关，其值愈高衰减愈慢。3.3断电过电分相造成变电所跳闸的原因第6次铁路大提速后，器件式电分相改为锚段关节式电分相。但锚段关节式电分相投运后，部分区段

33、供电臂频繁发生跳闸故障，造成接触线和承力索烧伤。故障现场检验和分析排除了机车带电过电分相引起跳闸的可能。3.3.1跳闸事例现场特征分析以陇海线提速改造后的虢镇下行东电分相为例，该处电分相从2006年8月25日投运至2006年12月21日共跳闸39次，其跳闸特征如下：(1)每次跳闸故标指示短路故测值均为0401 km(七跨锚段关节电分相的“断”电标志处)。(2)馈线为变电所首端短路，短路电流指示为49005888A。(3)275 kV的A相母线电压表指示残压值为79 kV。(4)每次跳闸时均有SS7。系列机车巾新改电分相处通过，其中快速列车跳闸26次，普通列车跳闸13次，快速列车跳闸占总数的66

34、.7%。通过故障统计分析发现有以下几个特点：(1)跳闸主要发生在SS7E型机车，其主断路器为真空断路器，SS7D型机车在2006年始大修，逐步更换为真空断路器。(2)机车基本上为微机控制机车，主断路器前为放电间隙，主断路器后有氧化锌避雷器和压敏电阻，车内设备没有损坏，变电所跳闸为单馈线跳闸。(3)跳闸时造成机车车顶放电间隙击穿，说明有至少超过90 kV的过电压产生，牵引变电所主要为阻抗I段动作跳闸。(4)跳闸主要发生在电分相“断”电标离变电所较近，断电地点到变电所回路阻抗较小区段(例如，虢镇变电所距“断”电标不足200m，承力索由 GJ70更换为JTM95)。(5)进入电分相前，司乘人员操作手

35、柄回零后，机车带辅助机组切断主断路器。由于空气断路器和真空断路器产生电弧的机理不同，空气电弧产生的主要原因为气体游离，而真空电弧产生的主要原因为触发金属蒸汽的导电作用。截流产生的原因为：在小电流真空电弧中，当电流从峰值下降到一定值时，电弧呈不稳定现象；电流再继续下降时，便提前直接达到零而使电弧熄灭，出现截流现象。这是因为，真空弧柱呈圆锥形，随着触头开距的增大，弧柱的压力、质点密度和温度等匀相应地下降，使阳极表面的温度比阴极斑点低很多，从而在电流过零后极性更替时，由于新阴极温度较低，不易发射电子与金属蒸汽，电弧不易重燃，所以会出现截流现象。但是，当电流超过几千安时，一般不会出现截流现象，因为大电

36、流电弧的能量大，形成收缩形的单个弧柱，使阳极严重发热而产生阳极斑点。由于截流现象的出现，使弧电流在极短的时间内从某一数值突然降到零，从而使单位时间内电流的变化量，即电流变化率的数值非常高，在电感线圈中将产生非常高的自感电动势，该自感电动势直接导致了真空开关分断电感电流时产生的截流过电压。资料显示在10 kV等级实测过电压最大值为6.47倍，35 kV等级没有相关资料。截流过电压产生的同时会伴随大量的高次谐波，因此也有可能导致牵引变电所保护误动，但该误动不会造成机车放电间隙击穿的现象，由此可以判断谐波不是导致变电所跳闸的主要原因。车顶放电间隙的动作值为90 kV，即当过电压达到275 kV的32

37、7倍时就会击穿，因此截流过电压可能就是导致牵引变电所跳闸的主要原因。3.4电力机车带电过电分相在现场运营过程中，即使电分相本身安装条件、技术标准已按标准执行并充分满足要求，但当电力机车在通过锚段关节式电分相，如果出现机车司机执标不认真，断电不及时、忘记断电等原因时，在现场能够看到巨大的火球，从而烧伤电分相、中性无电区内承力索、导线，严重时甚至烧断承力索。3.4.1电磁感应我国电气化铁道由于采用单相交流供电方式，它是以接触网一钢轨一大地为回路的单相不对称供电系统。当牵引电流流过接触网时，在接触导线的周围会产生电场和磁场。由于接触网、中性线、大地之间存在祸合电容，当接触网靠近不带电的中性线时，会对

38、其产生电磁影响，其原理分析如下。(1)静电感应当不带电的中性线接近带电的接触网时，接近接触网的部分带负电荷，离接触网远的部分带正电荷，这种现象称为静电感应。中性线上的静电感应电压与接触网上电压的大小、距离等因素有关。接触网上电压越高，中性线上静电感应电压越大;中性线越靠近接触网，其静电感应电压越大;接触网接近的中性线不论长短，都将产生同样的静电感应电压。（2）磁感应接触网和中性线的关系可看作是一次线圈和二次线圈，以变电所为电源的一次线圈，可看作是由接触网一电力机车一钢轨(或大地)构成的闭合回路。二次线圈可看作是由中性线一大地为回路构成。由于流过接触网的电流I产生的磁通作用于中性线，在其上会产生

39、感应电压。3.4.2电力机车带电过分相的电气过程电弧的产生机理:气体物质的原子是由原子核和若干电子构成的，对于中性的气体，气体原子内的电子受到原子核的正电荷的吸引，只能在围绕原子核的一定能级的轨道上运动，没有外界能量的作用，它不能从原子内部跑出去，中性气体中不存在自由电子，因此在正常状态下，空气具有良好的电气绝缘性能。但当电力机车带电经过电分相时，随着受电弓位置的移动，当受电弓与接触网和中性段同时接触之前和脱离接触线后的瞬间分别在受电弓与中性段之间和受电弓与接触网之间极易发生电弧，即电力机车带电进入中性段这个过程会两次产生电弧。这是因为随着受电弓的移动，在受电弓与接触网和中性段同时接触之前，当

40、受电弓离中性线垂直距离达到空气击穿电压时，空气放电。这时，为了便于分析，我们可以把空气间隙等效成一个电容，其电弧放电过程可以认为是空气电容的充电过程。则此时牵引电流分i1、i2、i3流通，如图3一1所示。图3一1 受电弓脱离接触线前放电通道示意图即接触网一受电弓一电力机车一钢轨通路、接触网一C12一中性线一C22一钢轨通路和因为绝缘子泄漏引起的接触网一C12一对地通路。其中i2和i3通路都会形成弧光放电。图中C12为空气间隙充电电容，C22为中性线对地电容。但是通常情况下绝缘子泄漏电流和中性线对地电容电流极小，故此时的电弧电流很小，几乎对导线没有影响。当受电弓脱离接触网之后，受电弓与接触网之间

41、的空气间隙从无到有，这个过程会产生电弧。同样此时牵引电流同样分i1、12、13流通，如图3一2所示。图3一2 受电弓脱离接触线后放电通道示意图即接触网一C12一电力机车一钢轨通路、接触网一C12一中性线一C22一钢轨通路和因为绝缘子泄漏引起的接触网一C12一对地通路。此时所有通路都会形成弧光放电。一般情况下i2、i3很小，但此时由于i1为提供给电力机车回路，故此通路电弧电流很大，其对导线造成很大的烧毁。放电现象发生时，空气间隙中的正负离子被电场加速，如果加到气体原子上的能量足够大，使大量的电子从围绕原子核运动的轨道上脱离出来并成为自由电子。这种从气体中性粒子(原子或分子)分离出自由电子的现象称

42、为电离。气体电离后，由于存在自由电子，气体成为导电状态。空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电。电弧温度比较高，测量电弧温度是很困难的，并且在交流电弧的情况下，弧柱温度不仅随着电流有效值的增大而增大，并且随着电流相位角的变化而变化。目前一般采用光学等间接方法对电弧温度进行测量，由于试验条件和测量方法的不同，获得的数据差别很大，因此在有些文献中关于电弧温度的数据彼此有很大差别。但是经试验分析，其放电通道温度通常高达6000K以上，电离的主要方式是热电离。这么高的温度足以烧损接触线，此时燃烧的电弧在热气流和电动力的作用下向上方飘移，严重时烧损承力索。由上分析，现场导线烧毁

43、的情况多是由于受电弓脱离接触线后形成的电弧烧毁。另外，电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。通常，放电现象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。随着受电弓的移动，电弧电阻的逐渐增加，电弧电流逐渐减弱，直至减弱到电弧电流所提供的能量不能维持电弧的继续燃烧，此时，电弧便会自行熄灭。由于受电弓通过电弧和接触网接触，相当于串接电弧电阻，其电流不会增大。维持电弧一般不需要很高的电压。在大多情况下，电弧在回路中作为一个相对较好的导体，因回路中交流阻抗远大于电弧电阻，电弧电压比回路电压小，电流几乎全由回路本身决定。然而，在电流过零点附近，电弧电阻要比交流电阻大

44、得多。同时，电流自然过零点时，电弧熄灭。但是由于机车是电感性负载，当电流为零时，电压不为零，这个电压极有可能使电弧重燃。3.5带电过电分相造成短路跳闸的原因接触网电分相作为接触网不同相位和不同变电所供电臂连接的重要装置，其结构有器件式和锚段关节式2种。电力机车司乘人员违反操作规程，带电(不断开机车主断路器)闯过电分相引起短路跳闸，甚至造成接触线、承力索烧断的事故自电气化铁道诞生以来屡见不鲜，事故原因众说纷纭。机车带电闯过器件式电分相时，多数认为是电弧延续“接力”造成异相短路跳闸，即“电弧说”。 机车带电过电分相在器件式电分相元件上引起电弧，机车受电弓带弧继续运行，引起元件绝缘体表面闪络，最后导

45、致相短路。但随着提速锚段关节式电分相及机车微机保护装置的普遍应用，“电弧说”的说服力就显得越来越弱。3.5.1电弧说观点存在的问题机车带电过电分相时电压差约20 kV，电流数百安。电弧一旦产生，会在几微秒内产生40005000的高温。若是电弧“接力”造成短路，则接触网分相绝缘器、承力索或接触线势必烧断，而实际上一般为烧伤。此外，电弧引起相间短路跳闸在继电保护上表现为两相跳闸，但微机型保护装置很少出现两相跳闸。因此，“电弧说”观点难以成立。3.5.2实际原因分析理论分析和实际情况表明，机车带电过电分相造成牵引变电所跳闸的主要原因是过电压和合闸涌流的暂态过程。3.5.3 过电压电力机车带电进入电分

46、相中性区时，通过器件式电分相绝缘体表面或锚段关节式电分相空气间隙的电弧可取得电流，从有电到无电，机车感性负荷中产生电流突变，从而产生感应电势。感应电势与电源电压叠加，造成过电压。该过电压有时会表现为机车顶部的支持绝缘予闪络、放电间隙击穿引起机车主断路器跳闸。3.5.4合闸涌流非微机保护装置的电力机车没有欠压保护(失压持续时间约2 S时保护装置动作，断开机车主断路器)，只有零压保护，当机车带电通过电分相后进入另一相时，若绝缘间隙小于50mm，而机车主断路器还在合闸状态，相当于将机车牵引变压器直接投入运行，就必然产生涌流。涌流的大小与机车牵引变压器投入接触网时的投入角度有关，当涌流大于牵引变电所的保护整定值时引起跳闸。现场实际情况为：(1)两相跳闸有时间差，与保护动作记录相符；(2)仅在电力机车进、出电分相时有少量电弧产生，表现在接触网设备上有烧损痕迹；(3)配备微机保护装置的电力机车具有欠压保护(当微机检测到网压低于175 kV时，100 ms跳开机车丰断路器)，冈此，在电力机车进入另一相时不会造成变压器投入而产生涌