SS4改型电力机车过电压吸收电路烧损的原因及改进措施

摘 要：随着朔黄铁路神华号、和谐号交流机车陆续上线，产生了大量高次谐波，给同交路运输的SS4改型直流电力机车带来重大影响，造成过电压吸收电路中的电阻大面积烧损，分析电阻烧损的原因，并提出有效的改进措施。

关键词：SS4改电力机车；过电压吸收电路；电阻；电容；高次谐波；烧损；分析；改进

引言

朔黄铁路全长592公里，横跨山西、河北两省，穿越吕梁、太行两大山区，具有线路坡道大、曲线半径小、隧道桥梁多的特点，铁路运输处有11台SS4改型电力机车在朔黄铁路从事煤炭运输。自2013年初朔黄铁路首批8台神华号交流机车开始上线运营起，SS4改直流电力机车开始零星发生电阻接线烧断、电阻变色现象，到2013年6月底，第二批神华号、和谐号交流机车（共计52台）投入运用后，开始发生大面积发生电阻烧断、电容击穿故障，甚至引发功补柜着火，交流机车产生高次谐波的危害突显出来了。经统计，仅2013年就更换电阻78个、电压传感器12个、电流互感器4个、同步变压器16个，烧断电阻接线34次，功补柜着火1次，共造成机车临碎修184台次，大幅度增加了行修作业人员和机车乘务员的工作量，严重影响了列车运行安全，干扰了正常运输生产秩序，同时很大程度上提高了单位机车维护保养成本。

为此，朔黄铁路运输处技术教育部开始对过电压吸收电路烧损的原因进行调查、分析，并提出了相应的改造方案，以便从根本上解决交流机车产生的高次谐波对直流机车的危害。

1 过电压吸收电路烧损原因分析

1.1 过电压吸收电路工作原理

SS4改电力机车主电路为单相半控桥式整流电路，在变压器牵引绕组X1-a1、X2-a2、X3-a3、X4-a4侧分别并联一组过电压吸收回路（由73R与71C、74R与72C、83R与81C、84R与82C组成），利用电容两端电压不能突变的特性，有效的抑制操作过电压和整流换向过电压。

操作过电压是当主断路器闭合、断开时，产生的突变电流使回路电感上产生大电压，这一电压与输入工频电压叠加产生过电压，其特点是持续时间短。整流换向过电压是由于晶闸管的开闭使回路电感上产生大电压，与输入工频电压叠加产生过电压，其特点是变化幅值大并且频繁产生。由此可见，过电压吸收电路在机车牵引电路中的地位非常重要，如果该电路发生问题，将严重危及列车运行安全。

1.2 过电压吸收电路参数分析

对SS4改直流电力机车原过电压吸收电路中的电阻、电容参数按照无高次谐波（交流机车上线前）和产生高次谐波（交流机车上线后）分别进行分析，并进行对比。

1.2.1 在无交流机车时

SS4改电力机车原过电压吸收电路采用两个阻值为6.2Ω、额定功率为600W的电阻并联（相当于一个电阻3.1Ω、1200W），电容为18μF。

在接触网为标准网压25KV时，牵引变压器次边绕组上的电压U为695V，进行如下计算：

容抗Z=■=■=176.929Ω

过电压吸收电路阻值R"=■=176.956Ω

电流I=■=5.6A

电阻功率P=I2*R=97.2W

经过计算，正常情况下电阻功率为97.2W，尽管SS4改机车出厂设计有缺陷，导致过电压吸收电阻安装位置通风状态不良，电阻产生的热量不能及时散发，但电阻额定功率为1200W，远远超过97.2W，经实践验证，在交流机车投入运用以前，直流机车的过电压吸收电路是可以满足机车运行安全需要的。

1.2.2 有交流机车时

在黄骅港编组站，对直流机车高压互感器次边电网波形进行测量发现，在同一区段，若只有直流机车时，电网为标准波形；当有一台交流机车通过时，电网波形出现轻微畸变；当有两台交流机车同时通过时，电网波形畸变加剧；当前后左右均有交流机车运行时，电网波形发生严重畸变，由此可见，在同一区段内，交流机车越多，产生的谐波越复杂，高次谐波越多。

由于机车运行过程中，同一区段有多少台交流机车无法确定，造成接触网内的高次谐波极其复杂，无法真实的、详细的进行计算。可以假定某时刻在接触网中只存在一种频率高次谐波，其频率值在10次（基波为50HZ，10次为500HZ）到50次（2000HZ）之间，查阅相关技术资料，高次谐波约占谐波总量的10%-20%，取15%进行讨论。

当为10次谐波时，经计算，容抗Z=17.693Ω；过电压吸收电路阻值R’=17.963Ω，电流I=54.72A，按10次谐波占谐波总量的15%计算，I’=54.72*15%+5.6*85%=12.968A，通过单个电阻电流为I’/2=6.484A，产生的功率P=521.32W，同理就算出10次谐波到50次谐波区间内的电流、功率值，并制定如表1：

表1

通过表1可以看出，随着谐波频次的升高，回路中的电流增加，电阻消耗的功率也不断加大，远远超过了额定功率1200W（2个600W电阻并联）。原车电阻结构为电阻丝缠绕在陶瓷上，外部为铝壳结构，中间用石英砂填充，随着高次谐波的增加，电阻丝的温度可以达到1000℃以上，而铝壳的熔点为660℃，电阻丝的热量通过石英砂（熔点1700℃左右）不断传递到铝壳上，因此会引发电阻变色、烧断故障的发生。

2 改进措施

从上文分析可以看出，交流机车产生的高次谐波对直流机车的过电压吸收电路造成重大影响，会导致电阻铝壳变色、熔化，产生的铝熔渣可能将下方的功补柜内的线路、设备烧损；电阻发热产生的高温无法及时散发出去，可能将电阻接线引燃，这些都严重危及了行车安全。下面，将从原理图、电阻、隔热、电阻连接线、线路保护五个方面对过电压吸收电路进行改进。

2.1 改进原理图

图1 改进后的过电压吸收电路原理图

同原过电压吸收电路相比，将原来2个6.2Ω/600W的铝制电阻更换为3个9.3Ω/3000W的特制线绕电阻，减少了通过每个电阻的电流，提高了电阻可以消耗的功率，而且没有改变总电路中电阻阻值特性（改造前后电阻阻值均为3.1Ω）。在电路中增加一个快速熔断器（F1、F2、F3、F4），一旦发生电容击穿、回路中电流突然增大等异常情况时，可以在短时间能将电路断开，保护电阻和电路，防止故障扩大。

2.2 用新型的线绕电阻代替原铝壳电阻

新型的线绕电阻表面喷涂一种专用散热涂料，能够增加电阻表面热量25%以上辐射；加长了电阻的长度，增加了散热面积；增加了电阻的数量，分担了热量；新电阻能够承受600℃以上的高温，具有良好的耐热性能。在环境温度为17℃时，对新型线绕电阻通过电流能力检测试验情况如表2：

表2

通过高次谐波计算可以看出，当为50次谐波时，电路中总电流为36.128A，被3个9.3Ω/3000W的电阻分流后，通过每个电阻的电流为12.042A，根据新型电阻通过能力检测试验情况，此时电阻温度应为334℃左右，考虑环境温度、机车内密闭空间的影响，电阻表面温度能控制在400℃左右，而电阻最高能承受600℃以上的高温，因此新型电阻可以满足工作要求。

由于新型的线绕电阻本身的特性，即使电阻烧断，电阻表面的电阻丝会像弹簧一样自动收缩，不会对机车的其他线路、设备造成影响。

2.3 采取隔热、绝缘措施

随着运营的神华号、和谐号交流机车不断增加，直流机车的过电压吸收电路不可避免的要吸收很多过电压，吸收的过电压要在电阻上以热能的方式消耗，造成电阻发热。为了防止电阻在吸收谐波时产生的热辐射，对周边电子设备和线路产生影响，在电阻安装支架的底部、侧面安装隔热板，隔热板的主要成分为耐热、隔热、不易燃烧的石棉，通过加装隔热板将功补柜内的温度控制在允许范围内。

将电阻安装在支架的10mm环氧树脂绝缘板上，提高了电阻的电气绝缘性能，防止电阻烧断后，造成接地、短路故障的发生。

2.4 提高电阻连接线性能

将电阻连接线由原来的2.5mm2/1000V更换为4mm2/3000V的机车专用线，增大电流的通过容量；将电阻连接线的线鼻子由8mm2更换为16mm2，增大与变压器铜排X1、X2、X3、X4的接触面；重新设置电阻接线的走线通道，将走线通道设置在隔热板下方，即可以避免电阻接线受电阻高温的影响，又可以避免功补柜内接线互相影响；在接线头处安装耐高温套管，以避免电阻接线头部受电阻高温热量辐射的影响。

2.5 在过电压吸收电路中加装快速熔断器

当多台交流机车同时接近直流机车时，大量高次谐波同时进入接触网，造成过电压瞬间增大，可能将电容击穿，此时变压器次边电压695V全部作用在电阻两端，通过电阻的电流将达到300A以上，电阻的温度必将在短时间能达到极致，具有重大火灾安全隐患。

在过电压吸收电路中加装一个快速熔断器，它的动作参数为最大电流36A，最大电压1000V，当发生电容击穿短路故障时，过电压吸收电路中的电流瞬间达到300A时，熔断器可以快速熔断，将电路断开，防止电阻长时间通过大电流，发生火灾事故。

3 对改进措施的有效性进行检验

朔黄铁路的神池南站、肃宁北站、黄骅港站三大编组站内，每天均有大量神华号、和谐号交流机车到达、转线、编组、发车，产生的谐波最为复杂，运行条件最为恶劣，改造后的SS4改1175机车在该三大编组站运行情况，最能反映出改进措施的效果。

安排专人在三大编组站，对改造后的机车运行情况进行观察和测量，具体检测情况如表3：

表3

经过半个月的跟车检测发现，电阻表面最高温度为365℃，在电阻允许最高温度范围内；电阻表面温度达到300℃的概率为31.3%，发生的频率不是太高；快速熔断器红色保护按钮未跳出，说明电路中的电容未发生击穿故障；环氧树脂绝缘板、石棉隔热板未发生变色等异常情况，说明改进装置内部温度不是太高，在允许范围内；电阻接线接头、线路未发生老化、烧焦故障，说明隔热效果明显、新换电阻接线满足使用要求。因此，此次改进措施是有效的，可以在其他SS4改电力机车进行推广使用。

4 结束语

随着朔黄铁路扩能改造工程的不断推进，运量逐年进行攀升，神华号、和谐号交流机车将不断增加，必将产生更多的高次谐波，使谐波问题更加复杂。在当前交流机车高次谐波无法消除的情况下，只有对直流电力机车的过电压吸收电路进行有效改进，才能抵御高次谐波对直流机车的冲击影响。目前，朔黄铁路运输处的11台SS4改电力机车中有7台进行了改造，改造后的机车未发生过电压吸收电路故障情况，从根本上保证了铁路运输生产的安全。

参考文献

[1]王奇钟.韶山4型电力机车操纵与保养[M].中国铁道出版社，2009.

[2]杨兆坤.韶山4型电力机车乘务员[M].中国铁道出版社，2008.

[3]闫永革.机车乘务员通用知识[M].中国铁道出版社，2011.

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