電氣化鐵道關節式電分相過電壓抑制研究

彭道文，陳 丹

0 引言

交流牽引供電系統中，電力機車的負載為單相負載，接觸網供電方式為換相供電，應在換相處加裝電分相裝置[1]。由于以空氣斷口為核心的錨段關節式電分相可以減少接觸網的硬點，實現錨段和2個供電臂之間的平滑過渡，因此，錨段關節式電分相逐步取代了器件式電分相，在電氣化鐵道中得以廣泛應用。但錨段關節式電分相也存在著不足，目前普遍采用的電分相為七跨錨段關節式電分相[2]，機車在通過錨段關節式電分相時會發生過電壓現象，隴海線、大包線、蘭新線均出現多起短時間內連續機車斷電過關節式電分相時，過電壓擊穿車頂放電間隙，燒毀吊弦，導致變電所跳閘等事故，嚴重影響了電氣化鐵道的運營安全。因此，研究電力機車過關節式電分相過電壓的機理及其抑制措施具有非常重要的理論意義和實際價值。

1 電力機車過關節式電分相過程

七跨錨段關節式電分相結構如圖1 所示。

目前，電力機車通常采用車載斷電自動轉換過電分相裝置。在電力機車通過關節式電分相結構時，電力機車主斷路器斷開，機車主斷路器以后的電力機車主電路都不與接觸網相連接，整個電力機車只有受電弓以及機車高壓互感器與接觸網和關節式電分相結構相連[3]。當機車從接觸網供電臂駛入電分相過程中，受電弓在連接供電臂導線的同時，逐漸與中性段接近，并最終與其相連；然后受電弓逐漸離開供電臂導線，僅與電分相的中性段相連；機車離開中性段進入另一供電臂工作支的過程中，受電弓與中性段相連的同時，逐漸與另一供電臂接觸網接近，并最終與接觸網導線相連，然后逐漸離開中性段，最終僅與接觸網相連。

圖1 七跨錨段關節式電分相示意圖

2 關節式電分相過電壓產生的機理

機車過電分相的過程中，不斷地出現接觸網—電力機車—電分相系統的電氣參數改變，該系統不斷地從一個狀態變化到另一個狀態，伴隨著暫態過程的發生，而暫態過程中會不斷出現操作過電壓、暫時過電壓等情況。

由于機車受電弓進出關節式電分相斷口時，牽引供電系統中的電容、電感等儲能元件的工作狀態發生了變化，產生電磁能量振蕩的過渡過程。該過程電感元件儲存的磁能會在某一瞬間轉變為電場能儲存在電容之中，電容元件儲存的電場能也會在某一瞬間轉變為磁能儲存在電感之中，產生數倍于電源電壓的過電壓，稱為操作過電壓。該操作過電壓是因機車進出電分相斷口的操作引起的，具有瞬時峰值高、持續時間短等特點。

此外，機車運行在中性段時，機車高壓互感器存在磁飽和現象，當高壓互感器飽和到一定程度，即電感減小到某數值時，L-C 振蕩回路的頻率等于或者接近于牽引網電源頻率的倍頻或次頻，并滿足其他鐵磁諧振的“激發”條件，形成鐵磁諧振過電壓[4]。該諧振過電壓是在操作過電壓完畢后出現的穩態性質的諧振現象，也稱為暫時過電壓。該暫時過電壓具有一定的穩定性，持續時間較長。

對呼和浩特局大包線過分相過電壓進行實測，發現實測波形與理論分析一致，主要有操作過電壓和暫時過電壓2 種形式。假如大包線機車采用SS4重載機車，部分實測過電壓波形如圖2、圖3 所示。

圖2 機車過電分相完整過程實測電壓波形圖

圖3 機車過電分相實測過電壓展開波形圖

圖2 、圖3 給出了機車過電分相同時發生操作過電壓和暫時過電壓的波形。從實測波形可以看出，在關節式電分相進出等高點處都發生了過電壓，進出等高點處產生的操作過電壓峰值最大可達175 kV，中性段諧振過電壓峰值最大可達53 kV。

3 過電壓的抑制措施

根據上述分析可知，電力機車通過關節式電分相產生過電壓的原因是機車通過關節式電分相時會引起等值電路的參數發生變化，電路發生振蕩，產生過電壓[5]，因此可以通過改變電氣結構及其參數縮小或消除過電壓的影響，同時結合現場實際情況，認為對關節式電分相過電壓的治理可采用自控式阻容吸收過電壓抑制裝置，通過在關節式電分相中加裝RC 阻容電路[6]，改變電路的工作狀態將振蕩電路變成無振蕩電路，降低過電壓的幅值與陡度，并對高頻振蕩起阻尼作用，以此來抑制過電壓。防護裝置結構如圖4 所示。

圖4 過電壓抑制裝置結構圖

該過電壓抑制裝置安裝在靠近等高點的供電臂上，其主要部分是非線性電阻串聯阻容吸收器構成的單元，其中阻容吸收器為自愈式干式薄膜電容和線性電阻串聯組成的支路。正常運行情況下，自控式非線性電阻呈兆歐級的高阻態，使電分相與接觸網隔離；當機車過分相時，在過電壓的作用下，非線性電阻迅速轉變為低阻態，將抑制裝置接入接觸網，從而限制操作過電壓在一定的幅值范圍內，減緩操作過電壓對電容單元的沖擊。阻容吸收器用來改變電路的結構參數，將振蕩電路變成無振蕩電路[5]，抑制操作過電壓，吸收諧振過電壓；電容可減緩操作過電壓的峰值，電阻起阻尼振動的作用。同時，為保護電容，在阻容吸收裝置旁邊并聯一個空氣間隙，當空氣間隙兩端的壓降超過一定值時，空氣間隙被擊穿，將阻容單元短接，從而保護阻容吸收器不被破壞。此外，在抑制裝置前段安裝一個避雷器，以防止雷擊電流對裝置造成損壞。

裝設過電壓抑制裝置后，分別讀取進、出電分相等高點處的數據，部分實測過電壓波形如圖5、圖6 所示。

圖5 裝設抑制裝置后電分相電壓波形（進等高點處）圖

圖6 裝設抑制裝置后電分相電壓波形（出等高點處）圖

由實測波形可以看出，裝設抑制裝置與未加抑制裝置相比，操作過電壓衰減迅速，峰值限定在80 kV 以下，中性段感應電壓可降低到接近0 V，消除諧振過電壓，過電壓治理效果較好。此時的電壓將不會對電力機車、接觸網、關節式電分相結構及牽引變電所產生威脅。

4 結論

通過對錨段關節式電分相過電壓的分析研究，設計了自控式阻容吸收過電壓抑制裝置，該裝置可有效降低操作過電壓的振蕩頻率，抑制其瞬時峰值，同時可消除機車過關節式電分相引起的暫態過電壓，使電力機車以零電壓的方式接入中性線，實現接觸網與中性段的電壓軟過渡，從而減小過電壓對機車高壓絕緣設備的沖擊，消除電力機車的誤報警率，提高接觸網供電、電力機車運行的可靠性，提高錨段關節式電分相的應用價值。

[1] 李銀生.關節式分相過電壓機理分析[D].西南交通大學，2006.

[2] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

[3] 秦曉靈.電力機車過關節式電分相過電壓分析與防護[D].北京交通大學，2007.

[4] Jacobson, DAN.Examples of ferroresonance in a high voltage power system[J].Power Engineering Society General Meeting.IEEE.2003，（2）.

[5] 宮衍圣.電力機車過關節式電分相過電壓研究[J].鐵道學報，2008，（4）.

[6] 謝書勇.真空斷路器操作過電壓的保護裝置-阻容保護器[J].高電壓電器，1997，（6）.