高速铁路接触网线路避雷器异常动作分析及建议.pdf

J o u r n a l o f Wu h a n Po l y t e c h n i c112武汉职业技术学院学报二二三年第二十二卷第四期（总第一百二十六期）高速铁路接触网线路避雷器异常动作 分析及建议李瑞（中铁电气化局 京沪高铁维护管理公司，北京 100000）摘要：针对某高速铁路牵引供电系统中接触网线路某些区段的金属氧化物避雷器的雷电计数器显示频繁动作，但避雷器的物理和外观状态正常，电气试验符合规程要求。对管内高铁避雷器数据统计归纳得知是机车在这些接触网分相处过电时产生过电压，避雷器为抑制此异常状态，因而产生动作。其根源为牵引供电系统中的储能元件电感和电容发生了振荡，通过对这些电分相处的分析和仿真计算，找到系统振荡的原因，并给出消除振荡的建议方案。关键词：高速铁路；避雷器；电分相；操作过电压中图分类号：U225.43;TM862文献标识码：A文章编号：1671-931X（2023）04-0112-04D O I：10.19899/ki.42-1669/Z.2023.04.017收稿日期：2021-08-25作者简介：李瑞（1983），男，河北石家庄人，中铁电气化局京沪高铁维管公司高级工程师，研究方向：铁路牵引供电运营维护管理。高速铁路牵引供电系统中的牵引变电普遍采用三相两相供电方式，为了减少投资，外电源就近从国家电网的区域变电站取得电能。由于每一个区域变电站的电能来源不同，因此牵引供电系统中的相邻供电臂具有相位差，需要设置电分相装置，分为器件式电分相和锚段关节电分相1。我国的城际以及高速电气化铁路，电分相装置多采用锚段关节的过渡形式，高铁锚段关节示意如图 1 所示。图 1高铁锚段关节示意图应 用 技 术113应 用 技 术A p p l i c a t i o n T e c h n o l o g y武汉职业技术学院学报二二三年第二十二卷第四期（总第一百二十六期）由于高速铁路接触网一般以高架桥的形式设计施工，线路对地高度近似于 110kV 电压等级，但实际设计中仍按 25kV 电压等级进行防雷计算设计，因此会在接触网线路的分相处、隧道出入口处和其他关键部位处等设置有避雷器，以防止牵引供电系统遭受操作过电压、大气过电压和谐振过电压的影响2。一、高铁线路网避雷器动作故障的监测及数据采集某供电段管辖某高铁线路共 797 条公里，线路装设有大量避雷器。从 2017 年复兴号动车组上线以来，此线路的其中三个最靠近分相处的避雷器动作频繁，年动作次数在 120 次左右，日平均动作 0.33次，而其本区段的其他远离分相处的避雷器动作次数则较少，平均在 1215 次左右，经检测避雷器电气特性和物理特性符合预防性试验规程要求，某高铁线路避雷器动作统计见表 1。表 1某高铁线路避雷器动作统计表（次数）年度位置分相点 1#近/远（次）分相点 2#近/远（次）分相点 3#近/远（次）2015 年15/1316/1317/152016 年17/1314/1319/152017 年127/14123/15128/192018 年129/17134/21136/25目前避雷器常用氧化锌（ZnO）多个阀片相互压接并外套瓷式套或硅橡胶套的结构，其中 ZnO 电阻片作为 ZnO 避雷器的核心部件，ZnO 属于电压敏式电阻，具有优异的非线性伏安特性，其 25kV 的 ZnO避雷器的技术参数见表 2。表 2常规 ZnO 避雷器的技术参数技术名称参数要求测试结果额定电压27.5kV-持续运行电压34kV-直流 1mA 时电压 U65kV符合标准0.75U 对应泄漏电流式（2）由公式（2）可得知，距离故障点最近的避雷器将分担绝大部分泄能降压的任务，因此监视其动作次数的雷电计数器将有极大的概率记录此次动作，即距离分相处最近避雷器较其他位置的动作次数多。通过以上的分析可得知，在排除 ZnO 避雷器质量问题的情况下，避雷器频繁动作的原因是系统中多频次产生超过了使避雷器动作的过电压临界值，主要原因是某型机车在通过锚段关节式电分相时存在“有电无电有电”的状态变换，机车自身的感性特性和线路的容性特性暂时构成一个完整回路结构，但此过程的变换都是瞬时进行，由于回路中电感元件的电流和电容元件的电压不能突变，因此回路从原来的工作状态过渡到稳定工作状态不能同步完成，需要持续一段时间，在这个过程中回路中的电流和电压除了自有特性外，还产生一个不同于自身频率的且随时间衰减的直流分量，过渡过程期间的实际电流和电压就是这两个分量叠加的结果。尽管过渡过程是在极短暂的时间内进行，过了这段时间之后，直流分量消失，回路会趋于稳定状态，但在此过程中机车自身的感性特性和线路的容性特性在此过程中容易形成铁磁谐振，从而产生操作过电压3。根据表 1 某高铁线路避雷器动作统计数据可知，此三个异常分相位置点异常情况的发生是在2017 年即复兴号动车组上线运营后大量出现的，因此事件的发生二者具有显著的关联性。某高铁每日开行动车组 250 对以上，复兴号约为 130 对左右，异常情况发生率为日均 0.33，每辆复兴号动车组发生异常情况的概率约为 0.25%，发生概率较低。综上所述，可得出三点结论：第一，复兴号上线是此分相点避雷器大量动作的直接原因。第二，此三处分相异常点极易发生铁磁谐振，说明此分相线路的容性特性与机车本身的感性特性相匹配，易发生铁磁谐振。第三，单列复兴号在此点发生铁磁谐振的概率极低，只有 0.25%。三、针对避雷器异常动作故障的改进建议针对以上分析，为避免避雷器频繁动作故障的产生，需要对机车过锚段关节处电分相产生的操作过电压进行治理。其一，主要是在线路中装设 RC装置或 RLC 装置，以改变线路电感特性，破坏铁磁谐振发生的条件，此方式为从根源上进行治理；其二，装设氧化锌避雷器以抑制系统中的过电压，保护设备安全，此为从结果上进行疏导。具体而言，为降低氧化锌避雷器的动作次数，延长其工作寿命，从根源上消除由铁磁谐振所引起的操作过电压应是第一选择。为使线路上不发生铁磁李瑞：高速铁路接触网线路避雷器异常动作分析及建议115应 用 技 术A p p l i c a t i o n T e c h n o l o g y武汉职业技术学院学报二二三年第二十二卷第四期（总第一百二十六期）谐振，应在其线路上装设 RC 装置或 RLC 装置。通过仿真验算及实践验证发现，在锚段关节式电分相结构中采用中性段双边加RC装置的隔离抑制措施，可有效减弱分相区的电压振荡。通过控制机车过分相时接触线的电压相位，铁磁谐振过电压可以得到有效抑制。实验表明：通过在锚段关节式电分相处双边加装 RC 装置，可使过电压最大值降为 59kV，抑制效果明显4。四、结语对于之前就已经运营开通的线路，其线路参数未必完全适用于新型机车。随着代表中国标准的复兴号列车等新技术在运营线路中更大规模的使用，诸如锚段关节式电分相与复兴号机车的弓网耦合关系等等问题的研究更加迫切，还有很多技术问题需要专业人员对其进行解决和探索。参考文献：1 雍静.供配电系统M.北京：北京工业出版社,2003:275-297.2 周福林,李群堪,贺建闽,等.基于概率的机车过分相过电压仿真实测及其机理研究J.机车电传动,2008(6):13-18.3 张远,黄彦全.电力机车关节式电分相过电压分析与抑制研究J.电气化铁道,2017(2):40-44.4 刘云.锚段关节式接触网分相过电压的研究与抑制措施D.成都:西南交通大学,2017:35-43.责任编辑：詹华西Analysis and Construction of Abnormal Action of Lightning Arrester on OCS Line of High Speed RailwayLIRui(Beijing-ShanghaiHigh-speedRailwayMaintenanceManagementCompany,ChinaRailwayElectrificationBureau,Beijing100000,China)Abstract:ThelightningcounterofmetaloxidearresterinsomesectionsofCatenarylineintractionpowersupplysystemofahighspeedrailwayshowsfrequentaction,butthephysicalandexternalstateofthearresterisnormal,andtheelectricaltestmeetstherequirementsofregulations.Throughstatisticalinductionofthedataofthehigh-speedrailarresterinthetube,itisconcludedthattheabnormalarrestermainlydistributesinsomecatenarysystems.Thereasonistheoperatingovervoltageproducedbythelocomotivewhentheovercurrentisseparatedintophases.Thearresteractsinordertosuppresstheabnormalstate.Therootcauseofoperatingovervoltageistheoscillationofinductanceandcapacitanceofenergystorageelementsintractionpowersupplysystem.Throughtheanalysisandsimulationofthecoexistenceofthesecomponents,thecausesofsystemoscillationareobtained,andthesuggestionsforeliminatingtheoscillationaregiven.Key words:HighSpeedRailway;lightningarrester;electricphaseseparation;operatingovervoltage李瑞：高速铁路接触网线路避雷器异常动作分析及建议