高電壓技術(shù)畢業(yè)論文--過電壓防護與絕緣配合

1、<p><b>　　高電壓論文</b></p><p>　　題目：過電壓防護與絕緣配合</p><p>　　學 院： 機 電 工 程 學 院</p><p>　　班 級： 10電氣工程三班</p><p>　　學 號： 1002120345</p><p>　　姓 名：

2、 張彥濤</p><p>　　二 ○ 一三 年 五 月</p><p>　　電氣化鐵路過電壓產(chǎn)生的原因及對策1</p><p><b>　　摘要:1</b></p><p>　　關(guān)鍵詞:電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓1</p><p><b>　　1概況2</b></

3、p><p><b>　　2原因分析2</b></p><p>　　2.1跳閘現(xiàn)象及設(shè)備結(jié)構(gòu)分析2</p><p>　　2.2牽引變電所2</p><p>　　2.3饋線保護饋線開關(guān)跳閘2</p><p>　　2.4牽引變電所設(shè)備3</p><p><b>　

4、　2.5接觸網(wǎng)3</b></p><p><b>　　2.6電力機車3</b></p><p><b>　　2.7供電系統(tǒng)3</b></p><p><b>　　3原因4</b></p><p><b>　　3.1原因分析4</b>&

5、lt;/p><p><b>　　3.2原因歸納4</b></p><p><b>　　3.3電路模型4</b></p><p><b>　　3.4諧振原理5</b></p><p>　　3.5電氣化鐵路負荷的特點7</p><p>　　3.6對電力機

6、車幾種運行情況的綜合分析7</p><p><b>　　4對策8</b></p><p>　　4.1供電段和機務(wù)段8</p><p><b>　　4.2電力機車8</b></p><p><b>　　4.3接觸網(wǎng)9</b></p><p>　　

7、4.4牽引變電所9</p><p>　　4.5鐵道線路線路質(zhì)量要好,減少受電弓的離線次數(shù)。9</p><p>　　4.6其他了解供電系統(tǒng)的特性,借鑒電力系統(tǒng)在這方面的研究成果。9</p><p><b>　　參考文獻：9</b></p><p>　　電氣化鐵路過電壓產(chǎn)生的原因及對策</p><

8、p><b>　　摘要: </b></p><p>　　電氣化鐵路絕緣事故頻繁已是一個不爭的事實,尤其在提速區(qū)段,將分相裝置由器件式改為七跨式后更為突出。本文試圖利用鐵磁諧振的原理,以SS7型(7C、7D、7E)機車牽引快速列車通過虢鎮(zhèn)牽引變1#饋線七跨式分相裝置時的絕緣事故為突破口,探討電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因及應(yīng)采取的對策。</p><p>　　關(guān)鍵

9、詞:電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓</p><p><b>　　1概況</b></p><p>　　2005年8月25日～2007年3月12日,自從西寶段接觸網(wǎng)分相改造后,虢鎮(zhèn)牽引變1#饋線共發(fā)生跳閘106件,其中機車過分相跳閘103件,占總跳閘的97.2%,重合失敗1次,多次擊穿電力機車支持絕緣子、放電間隙等設(shè)備,兩次燒傷接觸網(wǎng)導線、吊弦、承力索,對運輸生產(chǎn)造成了影響。&

10、lt;/p><p>　　由于短路頻繁、短路點距牽引變電所很近(虢變約400m)、短路電流大(實測6100A～6400A,理論計算最大超過8000A,達到牽引主變、饋線斷路器額定電流的6～8倍),其電動力、熱效應(yīng)等對牽引主變、饋線斷路器等設(shè)備危害很大。因此,查清事故原因,消滅運行隱患,成為一項緊急任務(wù)。</p><p><b>　　2原因分析</b></p>

11、<p>　　2.1跳閘現(xiàn)象及設(shè)備結(jié)構(gòu)分析</p><p><b>　　2.2牽引變電所</b></p><p>　　2.3饋線保護饋線開關(guān)跳閘</p><p>　　饋線保護饋線開關(guān)跳閘是由饋線保護動作引起,該保護動作是否正常成為問題的關(guān)鍵之一。經(jīng)試驗分析,保護動作正常的條件如下:</p><p>　　(1)饋線

12、保護動作時各種信號、指令正常;</p><p>　　(2)饋線保護啟動故障探測儀指示短路距離正常(從接觸網(wǎng)燒傷處、機車故障、現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機頂電弧的距離可以得到驗證);</p><p>　　(3)電流表每次保持在滿量程刻度(1200A),說明確實有短路電流存在;</p><p>　　(4)故障錄波儀每次記錄的短路電流、電壓波形均表示饋線有短路存在;</p>

13、<p>　　(5)為了進一步說明問題,在該饋線加裝了微機保護,跳閘時記錄的短路電流、諧波、波形等與上述四條吻合。因此,完全可以排除繼電保護誤動。</p><p>　　2.4牽引變電所設(shè)備</p><p>　　每次跳閘巡視時沒有異味,設(shè)備未有燒傷痕跡,值班人員未聽到短路電弧聲,可以排除因變電設(shè)備引起的原因。</p><p><b>　　2.5接觸網(wǎng)

14、</b></p><p>　　器件式電分相裝置由三節(jié)絕緣體組成,受電弓通過時電流連續(xù)減小,直到為零,不會出現(xiàn)多次失電、帶電的現(xiàn)象。而七跨式電分相裝置則通過工作支抬高過渡為非工作支、中性線降低過渡為工作支進行機車過相轉(zhuǎn)換(出時相反)。由于鐵道線路不好、機車晃動、接觸導線擺</p><p>　　動等原因造成機車受電弓頻繁離線,電壓互感器(變壓器)失電又重新得電,相當于機車先切后合,

15、這一過程可能重復多次,使電路瞬間產(chǎn)生多次過渡過程。</p><p><b>　　2.6電力機車</b></p><p>　　與SS4型機車相比,韶山7E型電力機車將電壓互感器移在主斷路器之前,其帶電與否只與受電弓的升降有關(guān),與機車斷路器的開斷無關(guān),而且電壓互感器、變壓器均是帶鐵芯的電感元件,在沖擊電流下電感量呈非線性變化,使該電路的過渡過程不同于一般的電路變化。<

16、;/p><p><b>　　2.7供電系統(tǒng)</b></p><p>　　供電系統(tǒng)存在大量的集中參數(shù)和分布參數(shù)元件,均以電阻、電感、電容的形式存在,尤其分布電容將空氣作為介質(zhì),受氣溫、濕度、天氣變化影響很大。事實上,上述跳閘與季節(jié)、天氣有一定的關(guān)聯(lián),而它往往是造成諧振的一個主要元件。</p><p><b>　　3.原因</b>

17、</p><p><b>　　3.1原因分析</b></p><p><b>　　3.2原因歸納</b></p><p>　　從上面的排查可以總結(jié)出:</p><p>　　3.2.1電力機車的電壓互感器、變壓器是具有鐵芯的鐵磁元件;</p><p>　　3.2.2當機車通過新

18、式電分相裝置時易形成多次分、合現(xiàn)象;</p><p>　　3.2.3供電系統(tǒng)的分布電容在季節(jié)、氣候等變化下,其參數(shù)可變。</p><p><b>　　3.3電路模型</b></p><p>　　由上述分析,可建立電氣化鐵路諧振時的電路模型:</p><p>　　(1)將電力機車的變壓器、電壓互感器作為負載,它們是帶鐵芯的

19、電感元件,在受到外界擾動時鐵芯易飽和,成為變頻元件,等效為X。假定其它元件在諧振前后均為線性元件。</p><p>　　(2)其它變壓器,供電線路、接觸網(wǎng)的電感等效在25kV側(cè)很小(50000kVA牽引主變基頻時每相等效電抗1.3Ω),可以忽略。</p><p>　　(3)機車牽引負荷是一個變量,與研究的壓互相比,電抗很小,可忽略,假定過分相時機車負荷已降為零,其它機車等效為與負荷成正比的

20、可變電阻R。</p><p>　　(4)將受電弓在接觸網(wǎng)分相過渡處形成多次分、合的現(xiàn)象等效為高頻開關(guān)KH。</p><p>　　(5)將供電系統(tǒng)的分布電容等效為一組可變電容C,牽引變電所的并電容等效為Cb,開關(guān)等效為KC。</p><p>　　(6)將電源電勢等效為E。利用等效電源定理,做出電氣化鐵路等效到25kV側(cè)的電路模型如圖一。</p><

21、p><b>　　3.4諧振原理</b></p><p>　　為了討論電氣化鐵路鐵磁諧振過電壓,我們首先從上述等效電路開始。由于電路中有非線性的鐵磁電感元件存在,特性曲線如圖二中的UL=f(I),發(fā)生諧振時,回路不僅有基頻,還有高頻、分頻諧波分量。我們先以基頻為例,把諧振下的電壓、電流仍看作正弦波,就可以用交流符號法進行求解。因為電感上的電壓和電容上的電壓符號相反,且電容是線性的,即和I

22、C的關(guān)系是一條直線,即UC=f(I)。由圖二可知,當ωL>1/ωC,即UL>UC時,電路中的電流呈感性;但隨著電流的增大,鐵芯飽和,電感降低,兩條伏安特性相交,達到諧振點;電流再增加,UC>UL,電路中電流變?yōu)槿菪浴Ｓ呻娐吩系膲航蹬c電源電勢的平衡關(guān)系可得:E=UL-UC以上平衡時可用電壓降總和的絕對值ΔU來表示,即E=ΔU=∣UL-UC∣可做出ΔU與I的關(guān)系曲線ΔU=f(I),如圖二。電勢E與ΔU相交,就是滿足上述

23、方程的點。由圖二可以看出,有a1、a2、a3三個平衡點。但這三點并不都是穩(wěn)定的。研究某一點是否穩(wěn)定,可先假定回路中有一微小的擾動,分析此擾動是否能使回路脫離該點。例如a1點,若回路中電流稍有增加,出現(xiàn)ΔU>E,即電壓降大于電勢,則外加電勢迫使回路電流</p><p>　　同時,從圖中可以看出,當電勢較小時,回路有兩個可能的工作點a1,a3,而當E超過一定值以后,可能只有一個工作點。當有兩個工作點時,若電源電

24、勢是逐漸上升的,則只能工作在非諧振工作點a1。為了能建立穩(wěn)定的諧振點a3,回路必須經(jīng)過強烈的擾動過程,這種經(jīng)過過渡過程建立的諧振現(xiàn)象謂之鐵磁諧振的“激發(fā)”。而且一旦“激發(fā)”起來以后,諧振狀態(tài)就可以保持很長時間,不會衰減,直至絕緣擊穿、設(shè)備損壞,破壞諧振條件為止。這里的激發(fā)因素就是等效的高頻開關(guān)KH。</p><p>　　以電壓互感器為例?；l時,按照二次負荷50%計算,S=10VA,"!所以X=2500

25、02/10=62.5MΩ,在擾動條件下,感抗將有從62.5MΩ往小變化的趨勢。虢鎮(zhèn)牽引變電所并電容采用兩串五并,基頻時每組容抗Xc=636Ω。若忽略可變電容Cb和可變電阻R,諧振前,62.5MΩ>636Ω,即符合諧振條件ωL>1/ωC,若在擾動條件下,某一時刻達到ωL=1/ωC,電路將發(fā)生諧振。</p><p>　　實際上,由于鐵磁元件的變頻作用,即使防止了基波諧振,也可能產(chǎn)生高次諧波或分次諧波諧振。

26、此類諧振機理非常復雜,目前只能根據(jù)電路方程求得近似解和判斷解的穩(wěn)定性,以便從理論上認識非線性諧振的出現(xiàn)、存在及其特征。也就是說,只能做定性分析,很難做出定量分析。根據(jù)過電壓的特點對電路進行綜合考慮后,先假定符合鐵磁諧振條件,然后再破壞諧振條件。若過電壓消失,說明假設(shè)條件正確,即先理論分析,再實踐驗證。</p><p>　　3.5電氣化鐵路負荷的特點</p><p>　　由于單相負荷的特點,

27、牽引供電系統(tǒng)正常的工作狀態(tài)即處于可能諧振的狀態(tài),如嚴重的不同期操作(兩條饋線上的機車不同時合閘或不同時有負荷),非全相運行(一相饋線停電或無機車負荷);而且擾動條件經(jīng)常存在,如受電弓離線;機車的壓互或變壓器均是鐵芯電感元件等。</p><p>　　3.6對電力機車幾種運行情況的綜合分析</p><p>　　(1)電力機車斷電過分相:當SS4型機車斷電過分相時不會產(chǎn)生過電壓,而SS7型機車要

28、產(chǎn)生過電壓,其根源是電壓互感器接在主斷路器之前。</p><p>　　(2)電力機車帶電過分相(機車負荷降為零):由于變壓器、電壓互感器相當于空載運行,在擾動條件,均有可能產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。</p><p>　　(3)電力機車帶電過分相(機車負荷未降為零):有功負荷是阻尼振蕩和限制諧振過電壓的有利因素,根據(jù)鐵磁諧振回路的損耗電阻小于臨界電阻值的諧振條件,會產(chǎn)生諧振,但次數(shù)要明顯減少。&l

29、t;/p><p>　　(4)根據(jù)跳閘情況分析,過電壓造成的機車故障遠多于接觸網(wǎng),而且沒有造成機車故障的過電壓次數(shù)更多(機車上可以看到電壓表猛然上升),這些沒有造成絕緣事故的過電壓,由于累積效應(yīng),對機車設(shè)備的絕緣同樣具有危害,如果放電間隙燒傷間隙變大時,極有可能造成機車避雷器損壞、爆炸、支持絕緣子擊穿、電壓互感器甚至變壓器燒壞。</p><p>　　綜上所述,這種跳閘是在機車受電弓與接觸網(wǎng)多次分

30、、合的擾動條件下,電力機車的鐵芯電感元件發(fā)生變化,與供電系統(tǒng)各參數(shù)在特定條件下匹配而發(fā)生鐵磁(非線性)諧振過電壓所引起的絕緣事故。</p><p>　　產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在電氣化區(qū)段普遍存在,造成過電壓是必然的。由于系統(tǒng)參數(shù)匹配的程度、鐵磁諧振過電壓的特性、過電壓使機車放電間隙、設(shè)備絕緣擊穿跳閘的概率等原因,才形成了表面上的偶發(fā)性,因此,表現(xiàn)在有些地方嚴重,有些地方相對較少。</p><p&g

31、t;<b>　　4對策</b></p><p>　　要消除諧振過電壓的根源,必須將電力機車、接觸網(wǎng)、牽引變電所、鐵道線路等作為一個大系統(tǒng)來加以研究,然后考慮其實現(xiàn)的必要性和可能性。</p><p>　　4.1供電段和機務(wù)段</p><p>　　由于過電壓造成了兩家設(shè)備的損壞,因此應(yīng)在有關(guān)領(lǐng)導主持下,兩單位有關(guān)人員互相交換信息,共同分析,達成共識

32、,采取適當?shù)拇胧?消除過電壓。</p><p><b>　　4.2電力機車</b></p><p>　　這類過電壓是由接觸網(wǎng)的特點、電力機車結(jié)構(gòu)及運行本身存在的缺陷互相疊加而引起,因此對機車改造,是目前現(xiàn)場投資小、見效快的最佳方案,本文推薦采取以下措施。</p><p>　　(1)將機車高壓電壓互感器的接線改在主斷路器后,即與SS4型機車設(shè)計接

33、線相同;</p><p>　　(2)機車司機必須嚴格執(zhí)行操作規(guī)程,或加裝自動過分相裝置,確保斷電過分相;</p><p>　　(3)在電力機車設(shè)計、制造或現(xiàn)場改造時,應(yīng)選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器,優(yōu)先選用電容式電壓互感器;</p><p>　　(4)在電壓互感器的二次側(cè)加裝消諧電阻;</p><p>　　(5)采用跟隨性好的受電弓,減

34、少離線次數(shù)。</p><p><b>　　4.3接觸網(wǎng)</b></p><p>　　(1)在接觸網(wǎng)分相的中性區(qū)加裝閥型避雷器,一方面作為過電壓的保護,另一方面利用閥型避雷器的并聯(lián)電阻作為中性區(qū)累積電荷的放電通路,使機車進入中性區(qū)的過渡過電壓初始值盡量降低;</p><p>　　(2)在分相裝置的中性區(qū)或分相附近加裝單相變壓器,二次接較小的電阻,

35、研究其在諧振時的阻尼效果;</p><p>　　(3)接觸網(wǎng)參數(shù)符合規(guī)定,減少受電弓的離線次數(shù)。</p><p><b>　　4.4牽引變電所</b></p><p>　　短時撤出并電容,用以判斷過電壓的性質(zhì);結(jié)合在機車上的試驗,在變電所進行試驗、測量,以便做出綜合判斷。</p><p>　　4.5鐵道線路線路質(zhì)量要好,

36、減少受電弓的離線次數(shù)。</p><p>　　4.6其他了解供電系統(tǒng)的特性,借鑒電力系統(tǒng)在這方面的研究成果。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　【1】《電力系統(tǒng)過電壓》,武漢水利電力學院,解廣潤主編</p><p>　　【2】《電氣化鐵道供變電工程》西南交大,賀威俊,簡克良編</p&