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摘要：近期西固变电所出现电压异常升高的现象，为设备安全运行埋下隐患。本文从变电所进线电源、供电设备状态、电力机车等方面，全面分析导致电压升高的原因。其中对HXD3型电力机车原理进行简单介绍，分析过电压产生的过程，说明导致电压升高的原因。
关键词：电压偏高原因分析
Abstract: recent Xigu substation voltage abnormal increase of the phenomenon, for the safe operation of equipment hidden trouble. This paper from the substation power supply, power supply equipment, electric locomotives and other aspects, a comprehensive analysis of the cause of voltage rise. The simple introduction of HXD3 type electric locomotive principle, analyzed the process of voltage is generated, that causes the voltage rise.
Keywords: analysis the reasons of high voltage
中图分类号：TM412文献标识码：A
概况：兰新线西固牵引变电所交流自用电系统由型号为S7-50/27.5两台27.5KV自用变压器提供电源，所内无10KV系统电源。近来西固变电所频繁发生电压异常升高的现象，自用变压器二次交流电压很高，导致直流系统整流装置无法正常运行，直流负荷由两组蓄电池供电，给设备安全运行带来极大隐患。电压异常情况如下：2011年5月9日9：06整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变，自用变二次电压分别为Uab405V、Ubc415V、 Uca425V，其余数据未记录。9：10整流装置自动恢复正常工作。2011年5月14日17：10整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变。后台机显示110KV侧电压分别为Uab113.4KV、Ubc114KV、 Uca113KV，万用表测试110KV电压互感器二次侧电压分别为Uab104V、Ubc105V、 Uca104V，换算电压分别为Uab114.4KV、Ubc115.5KV、 Uca114.4KV。后台机显示27.5KV侧电压分别为Uac28.4KV、Ubc28.1KV，万用表测试27.5KV电压互感器二次侧电压分别为Uac105V、Ubc108V，换算电压分别为Uac28.9KV、Ubc29.7KV。自用变二次电压分别为Uab405V、Ubc414V、 Uca426V。5月14日17：55申请退出A、B相静态电容补偿系统，自用变二次电压无明显变化。18：20整流装置自动恢复正常工作。2011年5月20日9：022#交流屏发“进线失压”光字牌，同时自动切换至1#交流屏供电，烧损2#交流屏时间继电器和交流接触器接点。9：03整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变。后台机显示110KV侧电压分别为Uab114.4KV、Ubc114KV、 Uca114KV，万用表测试110KV电压互感器二次侧电压分别为Uab104V、Ubc103V、 Uca104V，换算电压分别为Uab114.4KV、Ubc113.3KV、 Uca114.4KV。后台机显示27.5KV侧电压分别为Uac28.5KV、Ubc28.1KV，万用表测试27.5KV电压互感器二次侧电压分别为Uac108V、Ubc106V，换算电压分别为Uac29.7KV、Ubc29.1KV。自用变二次电压分别为Uab427V、Ubc420V、 Uca425V。9：27整流装置自动恢复正常工作。5月20日11：40至13：30分别测试两台自用变线圈直流电阻和接地电阻均符合要求。5月20日14：15至14：25由1#进线供1#主变倒为1#进线供2#主变。2011年5月20日17：51整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供2#主变，自用变二次电压分别为Uab427V、Ubc406V、 Uca428V，其余数据未记录。5月20日17：54整流装置自动恢复正常工作。
一、原因分析：
很多情况可能会引起变电所母线电压升高，下面主要从供电的各个环节及运行状态进行分析，查找具体原因。
（一） 变电所进线电源。
西固变电所正常供电时测量110KV电压互感器的二次线电压在104V左右，后台机显示在114KV左右。当变电所出现电压异常时110KV的电压互感器测量二次线电压也为104V左右，换算110KV侧电源电压为114KV，和正常运行数据基本相同，而且运行主变压器音响正常。说明交流电压异常升高不是进线电压过高引起。
（二） 内部过电压。
电力系统内部过电压有三类，即操作过电压、谐振过电压和工频过电压。操作过电压和谐振过电压的幅值很大，一般最低过电压值为1.8倍的额定电压值，而且出现过电压的时间很短，不足1秒。变电所电压异常升高时牵引侧电压最高为30KV左右，不到额定电压27.5KV的1.1倍，并且持续时间较长，不符合操作过电压和谐振过电压的特征。工频过电压的持续时间较长，电压幅值也较低，和变电所电压异常升高时的数据相似。产生工频过电压只有长达300公里以上的供电线路或存在系统两相接地，而接触网供电分区最长二十多公里，也决不会在两相接地的状态下运行，不具备产生工频过电压的条件。因此变电所电压升高不是供电系统内部过电压导致。
（三） 供电设备状态。
1、变电所1#主变运行时发生电压异常升高现象，当2#主变运行时仍然出现此现象，对主变巡视检查未发现任何异常，主变保护装置运行正常，所有保护未动作。说明两台主变压器状态良好。
2、对两台27.5KV自用变进行试验检查均正常，接地电阻均符合要求。并且两台27.5KV自用变二次电压同时发生异常而且电压基本相同，说明两台27.5KV自用变状态良好。
3、当出现电压异常现象时空载的27.5KV自用变二次电压也升高，说明故障与自用变交流负载无关。
4、出现电压异常现象时，馈线负荷都较小，轨、地回流也较小。导致电压升高的原因不是引线连接不良或回流不畅等导电回路状态不良引起。
5、5月14日出现电压异常升高现象时，退出A、B相静态电容补偿系统后电压无明显变化，说明电压升高与电容补偿系统无关。
6、电压异常升高时自用变和幷补电抗器运行音响比正常时较大，说明27.5KV母线电压偏高。正常供电时测量27.5KV电压互感器的二次线电压在102V左右，而发生电压异常时的电压为108V，牵引侧母线电压升高至29.7KV左右。
以上几点说明供电设备状态良好，因此自用变二次电压异常升高的原因是接触网电压异常升高引起。
（四） 电力机车。
电力机车是牵引变电所的主要负载，其工作状态影响变电所的设备运行状态。我局管内运行的电力机车以前全是韶山系列，从2010年开始陆续有和谐电力机车上线运行。变电所电压异常偏高现象近来频繁出现，所以對和谐机车原理及运行状态进行全面分析。
1、和谐电力机车构成及原理。
HXD3型电力机车牵引电传动系统采用交-直-交传动形式。牵引供电主回路设备主要包括受电弓、隔离开关、高压断路器、主变压器、主变流器和牵引电机。主变流器由四象限整流电路、中间直流电路和逆变电路等构成。四象限整流器可以工作在四个象限，所以能在两个方向传递能量，也就说可以工作在“整流”和“逆变”两种状态，具有“整流”和“反馈”功能。HXD3型电力机车牵引电机采用交流异步电机。HXD3型电力机车其牵引主回路原理如下图所示：
电力机车主变压器TM通过受电弓AP、隔离开关QS和断路器QF得电，将额定25KV高压电变换至额定1450V向主变流器UM供电。主变流器中四象限整流器PWM把1450V交流电整流成直流电向中间电路支持电容FC充电，当直流母线电压充至2800V时逆变器VVVF投入工作，将直流电逆变成三相额定电压为2150V交流电输出，驱动牵引电机M工作。
2、 产生过电压过程及原理。
HXD3型电力机车电气制动采用再生回馈制动方式。所谓再生回馈制动又叫反馈制动，指电气制动时把牵引电机的电动机运行方式转变为发电机运行方式，将动能转化为电能反馈给接触网，可提供给相邻运行的列车使用的制动方式。
当电力机车出现空转、滑行或下坡制动等情况时使牵引电机实际转速高于指令转速，也就是说电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生电能经逆变器VVVF“整流”成直流电给支持电容FC充电，使直流母线电压上升，整流器PWM把直流电“逆变”成交流电通过主变压器反馈给接触网。如果反馈给接触网的电能不能及时消耗就会导致母线电压升高，这就是再生过电压。机车运行速度越高、制动时间越短产生的再生过电压就越大，反馈给接触网再生过电压仿真计算值最大可达到一百多千伏。
3 、过电压保护原理。
HXD3型电力机车为防止过电压对主变流器造成损害，在主变流器直流回路中设有瞬时过电压限制电路（在HXD3型电力机车牵引回路原理图中所示），它由限流电阻R1和双极性晶体管QVTK组成。当电压传感器DCPT检测到直流母线电压达到3200V时，晶体管QVTK导通，电能经限流电阻R1释放，以消除过电压。同时整流器和逆变器停止工作，输入回路中的接触器K断开，使再生电能不能反馈至接触网上。
4、电压升高原因。
通过以上對HXD3型电力机车的运行原理及产生再生过电压的情况分析可知，接触网上产生再生过电压的两个基本条件是：（1）机车牵引电机工作在“发电”状态；（2）接触网上“再生”能源不能及时被其它电力机车消耗。变电所电压异常升高时，电压偏高的该相馈线上负荷很小，满足以上两个条件。
HXD3型电力机车主变流器直流母线电压达到3200V时，过电压保护动作停止“再生”能量。主变流器直流母线电压达到3200V时，接触网电压大约为28.5-31.4KV，也就说反馈给接触网的电压不会超过31.4KV。变电所出现电压异常情况时的牵引侧电压在30KV左右，符合HXD3型电力机车反馈给接触网的电压值。
以上分析说明HXD3型电力机车运行在“发电”状态时能导致接触网电压异常升高。
（五）分析结论。
综合以上对牵引变电所供电的各环节状态的分析，可以排除变电所电压异常升高不是进线电源和供电设备状态不良引起，只有和谐型电力机车工作在“发电”状态时可能导致接触网电压异常升高。
因此和谐型电力机车工作在“发电”状态是引起变电所电压偏高的原因。
二、采取措施：
（一）西固变电所已接入10KV系统电源，在变电所电压异常时给直流系统供电。同时对变电所交直流系统进行维护，完善变电所应急处理措施，确保变电所设备正常运行。
（二）建议对和谐型电力机车进行改进，将再生电能消耗掉或储存起来，已抑制接触网上过电压的产生。
（三）建议变电所增装馈线过电压吸收系统，将“再生”过电压消除。
三、结束语：
随着电力、电子领域中控制和保护技术的不断提高，以及对电力机车再生回馈制动系统的深入研究，相信可以很好的抑制再生过电压的产生，更好的利用“再生”能量。
参考文献：
[1] 张曙光.HXD3型电力机车.北京:中国铁道出版社，2009.
[2] 许实章.电机学.华中理工大，1992.
[3] 赵智大.高电压技术. 中国电力出版社，1999.
关键词：电压偏高原因分析
Abstract: recent Xigu substation voltage abnormal increase of the phenomenon, for the safe operation of equipment hidden trouble. This paper from the substation power supply, power supply equipment, electric locomotives and other aspects, a comprehensive analysis of the cause of voltage rise. The simple introduction of HXD3 type electric locomotive principle, analyzed the process of voltage is generated, that causes the voltage rise.
Keywords: analysis the reasons of high voltage
中图分类号：TM412文献标识码：A
概况：兰新线西固牵引变电所交流自用电系统由型号为S7-50/27.5两台27.5KV自用变压器提供电源，所内无10KV系统电源。近来西固变电所频繁发生电压异常升高的现象，自用变压器二次交流电压很高，导致直流系统整流装置无法正常运行，直流负荷由两组蓄电池供电，给设备安全运行带来极大隐患。电压异常情况如下：2011年5月9日9：06整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变，自用变二次电压分别为Uab405V、Ubc415V、 Uca425V，其余数据未记录。9：10整流装置自动恢复正常工作。2011年5月14日17：10整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变。后台机显示110KV侧电压分别为Uab113.4KV、Ubc114KV、 Uca113KV，万用表测试110KV电压互感器二次侧电压分别为Uab104V、Ubc105V、 Uca104V，换算电压分别为Uab114.4KV、Ubc115.5KV、 Uca114.4KV。后台机显示27.5KV侧电压分别为Uac28.4KV、Ubc28.1KV，万用表测试27.5KV电压互感器二次侧电压分别为Uac105V、Ubc108V，换算电压分别为Uac28.9KV、Ubc29.7KV。自用变二次电压分别为Uab405V、Ubc414V、 Uca426V。5月14日17：55申请退出A、B相静态电容补偿系统，自用变二次电压无明显变化。18：20整流装置自动恢复正常工作。2011年5月20日9：022#交流屏发“进线失压”光字牌，同时自动切换至1#交流屏供电，烧损2#交流屏时间继电器和交流接触器接点。9：03整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供1#主变。后台机显示110KV侧电压分别为Uab114.4KV、Ubc114KV、 Uca114KV，万用表测试110KV电压互感器二次侧电压分别为Uab104V、Ubc103V、 Uca104V，换算电压分别为Uab114.4KV、Ubc113.3KV、 Uca114.4KV。后台机显示27.5KV侧电压分别为Uac28.5KV、Ubc28.1KV，万用表测试27.5KV电压互感器二次侧电压分别为Uac108V、Ubc106V，换算电压分别为Uac29.7KV、Ubc29.1KV。自用变二次电压分别为Uab427V、Ubc420V、 Uca425V。9：27整流装置自动恢复正常工作。5月20日11：40至13：30分别测试两台自用变线圈直流电阻和接地电阻均符合要求。5月20日14：15至14：25由1#进线供1#主变倒为1#进线供2#主变。2011年5月20日17：51整流装置停止工作。变电所运行方式为1#进线供2#主变，自用变二次电压分别为Uab427V、Ubc406V、 Uca428V，其余数据未记录。5月20日17：54整流装置自动恢复正常工作。
一、原因分析：
很多情况可能会引起变电所母线电压升高，下面主要从供电的各个环节及运行状态进行分析，查找具体原因。
（一） 变电所进线电源。
西固变电所正常供电时测量110KV电压互感器的二次线电压在104V左右，后台机显示在114KV左右。当变电所出现电压异常时110KV的电压互感器测量二次线电压也为104V左右，换算110KV侧电源电压为114KV，和正常运行数据基本相同，而且运行主变压器音响正常。说明交流电压异常升高不是进线电压过高引起。
（二） 内部过电压。
电力系统内部过电压有三类，即操作过电压、谐振过电压和工频过电压。操作过电压和谐振过电压的幅值很大，一般最低过电压值为1.8倍的额定电压值，而且出现过电压的时间很短，不足1秒。变电所电压异常升高时牵引侧电压最高为30KV左右，不到额定电压27.5KV的1.1倍，并且持续时间较长，不符合操作过电压和谐振过电压的特征。工频过电压的持续时间较长，电压幅值也较低，和变电所电压异常升高时的数据相似。产生工频过电压只有长达300公里以上的供电线路或存在系统两相接地，而接触网供电分区最长二十多公里，也决不会在两相接地的状态下运行，不具备产生工频过电压的条件。因此变电所电压升高不是供电系统内部过电压导致。
（三） 供电设备状态。
1、变电所1#主变运行时发生电压异常升高现象，当2#主变运行时仍然出现此现象，对主变巡视检查未发现任何异常，主变保护装置运行正常，所有保护未动作。说明两台主变压器状态良好。
2、对两台27.5KV自用变进行试验检查均正常，接地电阻均符合要求。并且两台27.5KV自用变二次电压同时发生异常而且电压基本相同，说明两台27.5KV自用变状态良好。
3、当出现电压异常现象时空载的27.5KV自用变二次电压也升高，说明故障与自用变交流负载无关。
4、出现电压异常现象时，馈线负荷都较小，轨、地回流也较小。导致电压升高的原因不是引线连接不良或回流不畅等导电回路状态不良引起。
5、5月14日出现电压异常升高现象时，退出A、B相静态电容补偿系统后电压无明显变化，说明电压升高与电容补偿系统无关。
6、电压异常升高时自用变和幷补电抗器运行音响比正常时较大，说明27.5KV母线电压偏高。正常供电时测量27.5KV电压互感器的二次线电压在102V左右，而发生电压异常时的电压为108V，牵引侧母线电压升高至29.7KV左右。
以上几点说明供电设备状态良好，因此自用变二次电压异常升高的原因是接触网电压异常升高引起。
（四） 电力机车。
电力机车是牵引变电所的主要负载，其工作状态影响变电所的设备运行状态。我局管内运行的电力机车以前全是韶山系列，从2010年开始陆续有和谐电力机车上线运行。变电所电压异常偏高现象近来频繁出现，所以對和谐机车原理及运行状态进行全面分析。
1、和谐电力机车构成及原理。
HXD3型电力机车牵引电传动系统采用交-直-交传动形式。牵引供电主回路设备主要包括受电弓、隔离开关、高压断路器、主变压器、主变流器和牵引电机。主变流器由四象限整流电路、中间直流电路和逆变电路等构成。四象限整流器可以工作在四个象限，所以能在两个方向传递能量，也就说可以工作在“整流”和“逆变”两种状态，具有“整流”和“反馈”功能。HXD3型电力机车牵引电机采用交流异步电机。HXD3型电力机车其牵引主回路原理如下图所示：
电力机车主变压器TM通过受电弓AP、隔离开关QS和断路器QF得电，将额定25KV高压电变换至额定1450V向主变流器UM供电。主变流器中四象限整流器PWM把1450V交流电整流成直流电向中间电路支持电容FC充电，当直流母线电压充至2800V时逆变器VVVF投入工作，将直流电逆变成三相额定电压为2150V交流电输出，驱动牵引电机M工作。
2、 产生过电压过程及原理。
HXD3型电力机车电气制动采用再生回馈制动方式。所谓再生回馈制动又叫反馈制动，指电气制动时把牵引电机的电动机运行方式转变为发电机运行方式，将动能转化为电能反馈给接触网，可提供给相邻运行的列车使用的制动方式。
当电力机车出现空转、滑行或下坡制动等情况时使牵引电机实际转速高于指令转速，也就是说电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生电能经逆变器VVVF“整流”成直流电给支持电容FC充电，使直流母线电压上升，整流器PWM把直流电“逆变”成交流电通过主变压器反馈给接触网。如果反馈给接触网的电能不能及时消耗就会导致母线电压升高，这就是再生过电压。机车运行速度越高、制动时间越短产生的再生过电压就越大，反馈给接触网再生过电压仿真计算值最大可达到一百多千伏。
3 、过电压保护原理。
HXD3型电力机车为防止过电压对主变流器造成损害，在主变流器直流回路中设有瞬时过电压限制电路（在HXD3型电力机车牵引回路原理图中所示），它由限流电阻R1和双极性晶体管QVTK组成。当电压传感器DCPT检测到直流母线电压达到3200V时，晶体管QVTK导通，电能经限流电阻R1释放，以消除过电压。同时整流器和逆变器停止工作，输入回路中的接触器K断开，使再生电能不能反馈至接触网上。
4、电压升高原因。
通过以上對HXD3型电力机车的运行原理及产生再生过电压的情况分析可知，接触网上产生再生过电压的两个基本条件是：（1）机车牵引电机工作在“发电”状态；（2）接触网上“再生”能源不能及时被其它电力机车消耗。变电所电压异常升高时，电压偏高的该相馈线上负荷很小，满足以上两个条件。
HXD3型电力机车主变流器直流母线电压达到3200V时，过电压保护动作停止“再生”能量。主变流器直流母线电压达到3200V时，接触网电压大约为28.5-31.4KV，也就说反馈给接触网的电压不会超过31.4KV。变电所出现电压异常情况时的牵引侧电压在30KV左右，符合HXD3型电力机车反馈给接触网的电压值。
以上分析说明HXD3型电力机车运行在“发电”状态时能导致接触网电压异常升高。
（五）分析结论。
综合以上对牵引变电所供电的各环节状态的分析，可以排除变电所电压异常升高不是进线电源和供电设备状态不良引起，只有和谐型电力机车工作在“发电”状态时可能导致接触网电压异常升高。
因此和谐型电力机车工作在“发电”状态是引起变电所电压偏高的原因。
二、采取措施：
（一）西固变电所已接入10KV系统电源，在变电所电压异常时给直流系统供电。同时对变电所交直流系统进行维护，完善变电所应急处理措施，确保变电所设备正常运行。
（二）建议对和谐型电力机车进行改进，将再生电能消耗掉或储存起来，已抑制接触网上过电压的产生。
（三）建议变电所增装馈线过电压吸收系统，将“再生”过电压消除。
三、结束语：
随着电力、电子领域中控制和保护技术的不断提高，以及对电力机车再生回馈制动系统的深入研究，相信可以很好的抑制再生过电压的产生，更好的利用“再生”能量。
参考文献：
[1] 张曙光.HXD3型电力机车.北京:中国铁道出版社，2009.
[2] 许实章.电机学.华中理工大，1992.
[3] 赵智大.高电压技术. 中国电力出版社，1999.