一种电力机车改造技术方案应用的探讨

       摘要：本文针对老式电力机车存在的主要问题，通过采用新型直流快速断路器、直流微机综合保护装置和直流电磁接触器对他进行了改造，提高了设备运行可靠性，保障了安全生产，同时节约了企业投资，是一种值得在全国行业内进行大范围推广的技术方案。

关键词：直流快速断路器、直流微机综保、直流电磁接触器、安全生产、节省投资

       一、 概述

       目前本钢运输部的德国EL1(150T)型和EL2(100T)型电力机车，使用已有30余年，采用的电气设备技术已经非常落后，设备工作可靠性差，甚至造成多起车辆起火燃烧重大事故。由于车辆事故频发，给生产带来了严重影响，同时也导致运行维护成本大幅度增加，究其根本原因主要存在下列几方面。

1） 老式的直流快速断路器保护定值离散性很大，随着运行时间推移，过电电流脱扣参数经常发生偏移，易导致误动或拒动，且该参数校正很麻烦；

2） 车辆故障经常引起上级供电所断路器跳闸，导致整条线路供电故障；

3） 车辆在远端发生短路故障时，快速断路器经常不跳闸，易导致机车烧毁等特大事故；

4） 电空接触器的橡胶皮碗容易老化，导致与气缸配合变差引起漏气，从而产生设备故障。

鉴于上述原因，我们对国内直流牵引市场的电气设备开展了广泛的市场调研。通过调研发现，随着新材料、新技术的不断发展，新产品和各种应用技术方案也在不断推陈出新，我们车辆现在使用的产品已经属于淘汰产品。在这种情况下，我们和设备厂家进行了多次技术方案沟通，在2011年我们尝试对一台事故车进行了改造，运行至今效果非常理想。

       二、 电力机车改造技术方案

在改造EL2(100T)电力机车的技术方案中，快速断路器采用的是QDS8系列新型直流快速断路，同时配套ST700系列直流微机综合保护装置，将电空接触器更换成WLCZ1系列直流电磁接触器。

       1. 新型直流快速断路

       本次改造选用的QDS8系列直流断路器,结构为单极，无极性快速断路器，额定工作电压为DC 1800V，额定工作电流为1250A。

1) 相对于老式结构复杂的快速断路器来说，QDS8系列产品为模块化结构，主要由触头系统、合闸保持装置、直接过电流瞬时脱扣器、灭弧系统和辅助触头等几部分组成，结构很简单，非常便于拆卸维修保养。而且采用侧面喷弧，飞弧安全距离可达90mm,有利于狭小空间的安装使用；

2) 由于直流电源无过零点，所以直流快速断路器切断电路时，触头系统的损伤比较厉害，老式直流快速断路器对此部分保养维修工作量很大，而QDS8型快速断路器得固有动作速度非常快（约为2～3ms），采用磁吹式结构和窄缝增压式灭弧系统设计，使其额定短路分断及关合能力达30kA，电寿命>1000次，极大地降低了切断电路时对触头的损伤，这一点在实际使用中表现非常突出。

       2. 直流微机综合保护装置

       为什么要采用直流微机综合保护装置？我们知道直流快速断路器的保护原理是当故障电流大于直流快速断路器脱口整定电流值时，依靠“直接过电流瞬时脱扣器”保护动作，从而切断故障电流。但是在下列情况下，仅依靠快速断路器的保护是无法满足实际使用要求的。

1) 当车辆在供电线路远端发生短路故障时，由于线路很长，回路电阻较大，导致短路电流无法驱动直流快速断路器的“直接过电流瞬时脱扣器”进行保护动作；

2) 车辆直流快速断路器的“直接过电流瞬时脱扣器”保护动作整定值是“单点”瞬时动作，与上级供电所馈线保护之间的选择性配合上存在很大难度，经常会导致越级跳闸，有时甚至将供电所10kV断路器“顶跳”。

本次改造选用的ST700直流微机综合保护装置，通过采样安装在主回路上的分流器的信号，经过高压隔离变送器实现供电回路电流（电压）信号的高速采样，通过装置保护控制程序的运算后，可以实现下列保护控制和测量功能。

a) 过电流速断保护  用于特大短路故障电流到达峰值电流之前，切断短路电流；

b) 过电流延时保护  用于过电流延时保护线路和设备的过载故障；

c) 上升率保护

上升率保护是利用电流上升率（di/dt）和电流增量（△I）的作为判据，在被保护系统发生短路故障初期及迅速切断短路电流，从而更加有效地保护整个供电系统和列车的安全运行，上升率保护分为近端短路电流上升率保护和远端短路电流上升率保护；

d) 低/过电压保护  实现线网供电电压跌落或过电压的保护及告警；

e) 故障录波功能

f) 事件记录功能 

g) 电参数测量和电能计量功能 

       如上所述，当车辆发生远端短路故障时，如果配置了直流微机综合保护装置，“远端短路电流上升率保护”将会起到作用，快速断路器是靠电流绝对值越过整定阀值来实现保护动作，而微机保护装置则是通过电流突变的上升率（di/dt）来进行判断的，所以他能准确地判断出远端短路故障；而上下级的选择性保护则是通过“过电流延时保护”与上级供电所的直流微机综合保护装置配合使用来实现的，这一点在供电厂的供电所进行升级改造后效果非常明显，基本杜绝了越级跳闸现象。

       另外，通过微机保护装置的事件记录功能和电能计量功能，还可以用作机车驾驶人员的操作规范性和车辆电能消耗统计考核的参考依据，最大限度地减少驾驶人员的违规操作。

       3. 直流电磁接触器

       本次改造方案中采用的是WLCZ1系列直流电磁接触器，其额定工作电压为DC1800V，额定电流为600A。

该产品的基本工作原理是，采用电磁线圈控制动触头和静触头的接通分断；根据滚动接触原理，在触头单元中动触头部件上装有弹簧，并在闭合时有滚动作用，对触头表面有清除氧化层作用，降低了接触电阻；滚动接触使触头下部导电，而触头上部起到引弧作用，提高了灭弧能力；灭弧室由若干电离栅片组成，两个吹弧线圈确保电弧快速向灭弧室内移动，通过电离栅片将电弧分割成一系列短弧，使电弧得以加速冷却，从而达到快速灭弧的目的。产品在使用过程充分体现了他的优势：

a) 产品采用电保持，控制系统简单，受环境影响小；

b) 产品体积小，分断电流大，触头维护工作量小；

c) 产品结构简单，便于维修。

       三、 结束语

       上述车辆改造方案，通过实际运行检验，效果非常明显。一方面，从生产角度来说，电力机车和上级供电所设备运行可靠性的大幅度提高，保障了安全生产，提高了生产效率；另一方面，从资产角度来说，少量的改造资金投入，让使用多年的陈旧设备又能得到犹如新设备般的使用效果，大幅度节约了设备投资资金，同时也减少了设备保养维护成本。在国内这样的老旧电力机车还很多，该技术方案的推广应用可以给企业节省大量的投资和创造可观的收益。