關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓的分析與研究

劉孟愷，武文星，張永祥

0 引言

國(guó)內(nèi)電氣化鐵道采用單相工頻交流牽引供電系統(tǒng)。為了平衡電力系統(tǒng)的A、B、C三相的負(fù)荷，牽引變電所對(duì)接觸網(wǎng)一般要實(shí)行α、β相輪流供電，為了防止相間短路，α、β相之間要進(jìn)行分開(kāi)，即稱之為電分相。機(jī)車在通過(guò)分相段時(shí)，要經(jīng)歷一個(gè)從有電到無(wú)電，再到有電的過(guò)程，在一系列操作中不可避免地將出現(xiàn)一系列操作過(guò)電壓。過(guò)電壓多次導(dǎo)致車頂保護(hù)間隙被擊穿、車載微機(jī)系統(tǒng)死機(jī)、關(guān)節(jié)式電分相中性線和承力索燒損、車頂支持絕緣子和避雷器外絕緣燒毀、甚至牽引變電所跳閘，給鐵路部門(mén)造成了巨大損失，嚴(yán)重影響到電氣化鐵道的安全運(yùn)營(yíng)。

在現(xiàn)階段，自動(dòng)過(guò)分相結(jié)構(gòu)仍然是主要的過(guò)分相方式，錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)是近年來(lái)采取的主要形式，具有硬點(diǎn)小，通過(guò)平滑等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文重點(diǎn)研究錨段關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓。

1 關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)與過(guò)分相過(guò)程

采用 2個(gè)錨段關(guān)節(jié)間的空氣介質(zhì)進(jìn)行電氣隔離的裝置稱為絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相。錨段關(guān)節(jié)式電分相的結(jié)構(gòu)及其行車標(biāo)志如圖1所示。支柱b和支柱 c之間，接觸線和中性線平行懸掛，間隔為500 mm，該處受電弓同時(shí)跨接2條線，一段時(shí)間后將過(guò)渡到只與中性線接觸的狀態(tài)，所以稱為過(guò)渡區(qū)。同樣，支柱f和支柱g之間也稱為過(guò)渡區(qū)。支柱c和支柱f之間，由于沒(méi)有任何電氣連接，處于非帶電狀態(tài)，稱為無(wú)電區(qū)。機(jī)車在整個(gè)電分相區(qū)域完全依靠慣性滑行。

圖1 七跨絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖

機(jī)車在進(jìn)入中性段之前，將進(jìn)行禁止雙弓、斷主斷路器等一系列的準(zhǔn)備工作，由于機(jī)車主斷路器在過(guò)分相之前已經(jīng)斷開(kāi)，整個(gè)過(guò)分相過(guò)程與機(jī)車主電路沒(méi)有聯(lián)系，只與受電弓及互感器有聯(lián)系。

在圖1中b處附近受電弓與中性段連接，并仍然與左供電臂的接觸網(wǎng)連接，在該過(guò)程中將形成一個(gè)操作過(guò)電壓；隨著接觸網(wǎng)的逐漸抬升，機(jī)車將離開(kāi)接觸網(wǎng)，而只與中性段連接，該時(shí)機(jī)車失電，在該過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)因開(kāi)斷感性負(fù)載引起的操作過(guò)電壓，并可能激發(fā)諧振。經(jīng)過(guò)幾秒鐘的滑行，進(jìn)入右供電臂，該過(guò)程剛好與左側(cè)相反，先在圖1中g(shù)處附近與右供電臂連接，然后隨著中性線的抬升而離開(kāi)中性線。以上一系列操作過(guò)程引發(fā)的過(guò)電壓過(guò)電流問(wèn)題成為危害機(jī)車安全運(yùn)行和供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的主要因素之一，特別是在高速鐵路中，過(guò)分相環(huán)節(jié)是整個(gè)供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

2 過(guò)電壓的分析及仿真

2.1 過(guò)分相過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

電力機(jī)車斷電之后進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相之前的簡(jiǎn)化電路模型如圖2所示。

圖2 電力機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相等效電路圖

電路中各參數(shù)意義如下：Ua和Ub為供電變壓器電壓；Rs和Ls分別為牽引變壓器按戴維南電路等值折算后的電阻和電感；R1和L1分別為線路等效電阻和電感；R2和L2分別為中性段等效電阻和電感；C為受電弓對(duì)地電容；C2為中性段對(duì)地電容；C12和C22為帶電接觸網(wǎng)與中性段間的部分電容；L和R分別為高壓電壓互感器的電感和電阻。

根據(jù)電路原理列電壓回路方程

（1）零輸入響應(yīng)。

求解得：

其中，ω為電源角頻率；為電路的衰減系數(shù)；為電路的諧振角頻率；U0為牽引網(wǎng)在中性線上的感應(yīng)電壓，中性段上感應(yīng)電壓有效值為11.79 kV，僅相位角不同。

（2）零狀態(tài)響應(yīng)。

其中，φ為電源電壓的初相角，求解得：

由疊加原理可得電壓的表達(dá)式：

對(duì)式（5）利用導(dǎo)數(shù)求最大值，可得中性線電壓最大值與電力機(jī)車入分相時(shí)的相角關(guān)系，如表1所示。

表1 中性線電壓最大值與相角關(guān)系表

中性線上電壓最大值與擊穿時(shí)接觸網(wǎng)電壓相位角關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 中性線電壓最大值隨相位角關(guān)系曲線圖

2.2 過(guò)分相過(guò)程的仿真

利用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)電力機(jī)車過(guò)關(guān)節(jié)式電分相的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，接觸網(wǎng)電壓相位角φ= 100°和φ= 280°時(shí)，中性段上的電壓出現(xiàn)最大值，電壓波形如圖4和圖5所示。

圖4 φ = 100°時(shí)中性段電壓波形圖

圖5 φ = 280°時(shí)中性段電壓波形圖

由圖 4看出，仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)果相符合，中性段的電壓值與電力機(jī)車進(jìn)入中性段時(shí)的接觸網(wǎng)電壓相位角有關(guān)，當(dāng)φ= 100°和φ= 280°時(shí)，中性段的電壓最大，最大值為66.25 kV，由于牽引供電接觸網(wǎng)額定電壓有效值為 27.5 kV，最大值為38.891 kV，該時(shí)中性段上過(guò)電壓達(dá)到牽引供電接觸網(wǎng)電壓峰值的1.71倍，額定電壓的2.41倍。若考慮大于接觸網(wǎng)正常峰值電壓的1.5倍即60 kV的電壓為過(guò)電壓，則相位角φ在70°～120°以及250°～300°兩范圍時(shí)，中性段上發(fā)生諧振，關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)中性段上會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。

3 過(guò)電壓抑制方法

由以上分析可知，避免產(chǎn)生過(guò)高的操作過(guò)電壓的根本措施在于抑制諧振，或者釋放中性段上的能量。通過(guò)在中性段安裝阻容保護(hù)器，改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，讓振蕩電路變成無(wú)振蕩電路，能夠有效地抑制電力機(jī)車通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。當(dāng)保護(hù)裝置未接入時(shí)，這是一個(gè)欠阻尼振蕩頻率很高的電路，當(dāng)加入了保護(hù)電路以后，整個(gè)電路參數(shù)發(fā)生了改變，如果保護(hù)電路的電容取值較大，則電路的振蕩頻率將會(huì)下降，同時(shí)由于加入了電阻，電路將由欠阻尼狀態(tài)變?yōu)榕R界阻尼或者過(guò)阻尼狀態(tài)，電路的過(guò)電壓將會(huì)變小或者不產(chǎn)生過(guò)電壓。

4 結(jié)論

本文以七跨絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相為例，分析了電力機(jī)車過(guò)電分相產(chǎn)生過(guò)電壓的原因，對(duì)過(guò)電分相的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，并使用MATLAB軟件對(duì)該過(guò)程進(jìn)行了仿真。分析表明：仿真結(jié)果與理論分析計(jì)算相吻合。最后提出了限制電力機(jī)車過(guò)電分相過(guò)電壓的保護(hù)措施。

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