開關并聯電阻地面自動過分相方案研究

魏曉娟，王洪濤，吳羽生

0 引言

為了平衡電網三相電流，國內電氣化鐵道采取了分相分段供電的方式。為了防止相間短路，接觸網上每隔25～30 km 就必須裝設一組錨段關節式電分相裝置[1]。隨著鐵路速度的提升，在建高速和改造的線路都采用了自動過分相裝置，以保證列車能夠順利通過電分相。然而，在列車實際運營中發現，電力機車在通過關節式電分相時，仍然多次發生過電壓現象，其可靠性和穩定性都存在一定問題，一旦出現機車帶電闖過電分相的事故，將會使受電弓、分相裝置受損，嚴重時將造成接觸網燒損、中斷鐵路運輸，給鐵路安全運行帶來嚴重的后果。因此，研究穩定、可靠的自動過分相方案仍然是現在學者迫在眉睫的工作。

1 問題的提出

國內外研究過的自動過分相方案主要有3 種：（1）柱上開關自動斷電過分相方案；（2）車載自動控制斷電過分相方案；（3）地面開關自動切換過分相方案。根據國內情況，方案（1）在國內并沒有推廣，相比于車載過分相方案，地面開關自動切換過分相方案不需要分斷主斷路器，無供電死區，列車速度損失小，是最理想的一種方案[2]，然而，該方案最大的缺點是采用真空斷路器作為切換開關會產生較高合閘過電壓，影響鐵路的安全運行。若能解決真空斷路器切換帶來的過電壓問題，那么地面開關自動過分相方案將會更加滿足國內鐵路高速發展的需要。文獻[2]和文獻[3]曾研究過一種采用變壓器升壓-降壓式的地面自動過分相方案，但該方案引入了3 臺變壓器，系統復雜，投資成本大，維修不方便。因此，本文提出一種改進簡單、維修方便的地面自動過分相方案，以解決真空開關切換帶來的過電壓等暫態問題。

2 地面自動過分相方案研究

2.1 地面自動過分相方案原理

地面開關自動切換過分相裝置主要組成部分有：地面傳感器、車頭感應器、室內控制器和切換開關。其方案示意圖如圖1 所示，其中K1、K2為真空負荷開關。假設列車L 從α 相駛來到CG1處時，K1閉合，中性段由α 相供電。列車駛入中性段到達CG3處時，K1斷開，然后K2迅速閉合，此時中性段由β 相供電，機車不做任何操作通過過渡區。待機車駛離CG4處時，K2斷開，裝置恢復原始狀態，為下一列機車過分相做好準備，這樣該列車完成自動過分相過程。

圖1 地面自動過分相方案示意圖

2.2 真空開關操作過電壓

真空開關在開斷時，其動靜觸頭間將出現真空電弧，當電弧熄滅后，真空間隙成為絕緣介質后，開關開斷完成。該過程中，電弧由導體轉為絕緣體的過渡過程稱為介質強度恢復過程，如果介質強度大于恢復電壓，則電弧熄滅，開斷成功，反之，如果介質強度小于恢復電壓，則真空間隙擊穿，電弧重燃，產生二次重合閘過電壓[4]。

地面自動過分相方案產生過電壓的根本原因是由于真空負荷開關帶負荷操作產生的過電壓：（1）列車行駛到CG1時，K1閉合，此時，將中性線連接到接觸網上，相當于空載線路合閘的過程，中性線對地電容與列車高壓互感器電感參數匹配產生振蕩電壓疊加在工頻電壓上引起過電壓。（2）列車到CG3處時，K1斷開，K2閉合，產生類似于變壓器空載合閘的過電壓現象。

2.3 過分相過電壓暫態分析

列車過電分相等效電路圖見圖2（開關K1閉合）。其中US為牽引供電電壓源，RS、LS分別為牽引變壓器等效電阻和電感，R1、L1分別為接觸網的等效電阻和電感，RZ、LZ分別為中性段的等效電阻和電感，CZ為中性線對地等效電容，C1Z為中性線和接觸網之間的等效電容，Cm為受電弓對地等效電容，Lm為高壓互感器等效電感。

圖2 列車過電分相等效電路圖

根據計算，易知Lm很大，Cm遠小于CZ，因此忽略Lm和Cm，若令L = LS1+ L1+ LZ；R= RS1+R1+ RZ；C = C2，可得回路方程：

根據電路知識，常系數的二階線性非齊次微分方程式的全響應可以由零輸入響應和零狀態響應疊加得到。

（1）零輸入響應：即輸入電源為零，得方程式解特征根得

式中，U0為中性段感應電壓，牽引變壓器為Ynd11或V/v 接線方式（兩相電壓相位差120°）時，；為平衡變壓器接線方式（兩相電壓相位差90°）時，。

（2）零狀態響應：設牽引供電電壓源uS=Umsin(ωt + φ)，ω為電源角頻率，φ為電源的初相角，得方程式

求解可得零狀態響應解為

其中

（3）全響應：將式（3）與式（5）相加，可得式（1）的全響應解為

從式（6）可以看出，中性線上過電壓uC(t)與列車進入中性段時，牽引供電電源初相角φ和中性線上感應電壓U0有關。由于列車過分相時刻是隨機的，因此φ的取值也是不確定的，不同的φ值，將產生不同的過渡過程。

3 開關并聯電阻地面自動過分相方案

為了限制真空斷路器切換引起的過電壓，本文提出一種開關并聯電阻地面自動過分相方案，如圖3 所示。

圖3 開關并聯電阻地面自動過分相方案示意圖

在開關中增加一個并聯電阻R 和一對輔助觸頭，使開關的合閘分為2 個階段：若要合開關K1，則首先將觸頭K12先接通，將并聯電阻R 串入回路，經過一個短暫時間后再將主觸頭K11閉合，將并聯電阻短接，完成合閘的操作。由于電阻的阻尼作用，可以加速振蕩過程的衰減，使過電壓幅值減小，得到有效的抑制。

關于R 取值的大小，需要分析2 個方面，一方面合上K12時，將R 串入回路，R 應越大，這樣，振蕩電路的衰減就越快，過電壓越小，R = 0 時，相當于無并聯電阻合閘，最大過電壓為Um。另一方面，合上K11時，R 越大，過電壓也越大，R→∞時，相當于無并聯電阻合閘，其最大過電壓也為Um。由此得到圖4 所示的曲線圖，R 取其交點α處附近值，過電壓最低，抑制效果最好。

圖4 并聯電阻R 曲線圖

4 開關并聯電阻地面自動過分相方案仿真

列車過分相過程有2 個階段。第1 階段：列車由接觸網“帶電”狀態過渡到中性段“無電”狀態；第2 階段：列車離開中性段時刻，列車由中性段“無電”狀態過渡到接觸網“帶電”狀態。第2 階段與第1 階段的分析方法相同，僅僅是列車位置有所改變，由于篇幅原因，本文僅對列車進中性段時刻的暫態過電壓進行分析，列車出電分相時刻的研究方法由此類推。根據圖2 所示的等效電路圖，選取電分相位置兩端牽引變壓器為Ynd11 或V/v 接線方式（左右供電臂電壓相位差φ = 120°）為例，運用Matlab/Simulink 仿真軟件進行分析，得出結果：機車進入中性段時，在牽引供電電源初相角φ = 90°和φ = 270°時，中性線電壓UC幅值最大，其仿真研究如下。

（1）牽引供電電源初相角φ = 90°，列車進入中性段時，采用真空負荷開關和開關并聯電阻地面自動過分相方案，中性線電壓波形如圖5 和圖6 所示。

圖5 φ = 90°真空負荷開關過分相中性線電壓波形圖

圖6 φ = 90°開關并聯電阻過分相中性線電壓波形圖

（2）牽引供電電源初相角φ = 270°時，電力機車進入中性段時，采用真空負荷開關和開關并聯電阻地面自動過分相方案，中性線電壓波形如圖7 和圖8 所示。

圖7 φ = 270°真空負荷開關過分相中性線電壓波形圖

圖8 φ = 270°開關并聯電阻過分相中性線電壓波形圖

從圖5～圖8 的仿真波形比較中，可以看出，開關并聯電阻地面自動過分相方案，由于引入了并聯電阻R，利用電阻的阻尼作用，可以有效地限制開關合閘過電壓，保證列車安全穩定地過電分相。

5 結論

本文通過對地面自動過分相方案的分析，提出了一種開關并聯電阻地面自動過分相方案，通過Matlab/Simulink 仿真軟件分析，該方案能夠很好地抑制開關切換帶來的暫態過電壓問題，可以保證列車順利通過電分相。此外，該方案僅需要對真空負荷開關部分進行改進，其余列車控制和感應裝置等部分不需要任何改動，投資成本低，易于實現。

[1] 郭育華，連級三，張昆侖.自動過分相對電力機車的影響[J].機車電傳動，2000，（2）.

[2] 董志杰.地面自動過分相技術及方案研究[D].西南交通大學研究生學位論文，2004.

[3] 周福林，李群湛.一種新的地面自動過分相方案的研究[J].西鐵科技，2007，（1）.

[4] 尹奎龍.真空開關操作過電壓及其防護研究[D].華北電力大學碩士學位論文，2003.

[5] 紀葉生.特高壓輸電系統的過電壓分析及限制研究[D].貴州大學碩士研究生學位論文，2007，16-19.

[6] 劉孟愷.關節式電分相過電壓的分析與研究[J].西南交通大學研究生學位論文，2010，（4）：26-27.

[7] 薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/SIMLINK 的系統仿真技術與應用[M].清華大學出版社，2002.