電氣化鐵道供電系統(tǒng)幾種典型過電壓的分析與比較

陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術學院，南京 210031）

電氣化鐵道供電系統(tǒng)幾種典型過電壓的分析與比較

陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術學院，南京 210031）

牽引供電系統(tǒng)的過電壓問題是系統(tǒng)安全運行的一個十分重要的問題，供電系統(tǒng)的結構與運行方式有其特殊性，過電壓問題尤為突出。本文對牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型的過電壓進行了比較與分析，提出相應的安全保障措施和建議，對提高系統(tǒng)的安全性與可靠性具有較強的現(xiàn)實意義。

供電系統(tǒng)；安全；過電壓；分析

隨著高速電氣化鐵道技術的快速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)過電壓問題逐步突出。大氣過電壓曾一度使供電系統(tǒng)發(fā)生事故，中斷供電。此外，供電系統(tǒng)運行中也會產(chǎn)生過電壓，這種來源于系統(tǒng)內部的操作過電壓往往會導致設備故障，嚴重影響供電系統(tǒng)安全。不僅如此，受電弓在與接觸網(wǎng)耦合取流過程中也會產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，會引起支柱絕緣子或母線絕緣子閃絡等故障，引起變電所斷路器動作跳閘。本文對電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型過電壓出現(xiàn)的條件與物理過程進行了分析，并對京滬線某段的過電壓進行了統(tǒng)計，提出相應的防護措施與建議，對理解和掌握供電系統(tǒng)過電壓規(guī)律，保障供電系統(tǒng)安全運行有非常重要的意義。

1 幾種典型的過電壓

1.1 大氣過電壓

大氣過電壓有稱為系統(tǒng)外部過電壓，是由雷電作用于供電設備引起。接觸網(wǎng)設備一般露天布置在野外，容易遭受到雷擊而發(fā)生事故。架空地線和避雷器的使用在一定程度上減少雷擊概率是有幫助的，但雷害事故時有發(fā)生[1]。牽引變電所的露天設備雖然在避雷針的保護范圍內，但現(xiàn)實的情況是避雷器在雷季動作次數(shù)明顯偏多，高壓側一次設備遭受雷擊的事故也不鮮見[2]。大氣過電壓作為電氣化鐵道供電系統(tǒng)的一種典型的過電壓已經(jīng)越來越引起人們的重視。

雷電作用于供電設備有兩種形式，一種是雷直擊供電設備造成故障。另一種是雷擊設備附近（一般在65m以內）使雷電通道鄰近設備遭受到感應過電壓。當有大氣過電壓出現(xiàn)時，通常容易出現(xiàn)的是絕緣閃絡故障，引起斷路器跳閘。大氣過電壓持續(xù)的時間相當短，一般都在100以內。如果設備絕緣介質電氣強度得以恢復，工頻電弧在自動重合閘動啟動前熄滅，則重合閘重合成功的概率將大為提高。

1.2 接觸網(wǎng)空載分閘過電壓

對于接觸網(wǎng)“天窗”檢修作業(yè)來說，空載線路分閘幾乎在每次倒閘作業(yè)時都要發(fā)生。牽引變電所饋線斷路器一般都采用的是真空斷路器，如果斷路器在分斷空載接觸網(wǎng)容性電流時發(fā)生了重擊穿，則過電壓產(chǎn)生不可避免。對于一般普通三相電力線路來說，真空斷路器發(fā)生重擊穿的概率在5%以內[3]，對于空載切除接觸網(wǎng)重擊穿的概率目前還缺乏研究。但過電壓一旦發(fā)生在設備條件最不利的情況下，則可能釀成供電事故。接觸網(wǎng)空載分閘產(chǎn)生過電壓過程可以用如下圖1中電路進行描述。在圖1中，接觸網(wǎng)線路的對地分布電容Cj與等效分布電感Lj，系統(tǒng)的電阻為R，電源電勢E，QF為真空斷路器。

圖1 接觸網(wǎng)空載分閘的等值電路

在斷路器分閘的 t0時刻，在最不利的情況下電流 ijc位于零點，即而此刻的弧隙電壓為27.5kV母線（E為電源電勢）電壓峰值。如果此刻真空斷路器發(fā)生了重擊穿，電弧過零后重新燃燒的電弧將激發(fā)頻率較高的震蕩，震蕩頻率ω由線路的分布參數(shù)決定，通常Cj與Lj都很小且受接觸網(wǎng)布置方式與供電方式等因素影響較大。因此震蕩頻率ω數(shù)值很高，可達到數(shù)千赫茲。仿真與計算表明，在大多數(shù)的情況下，高頻電弧電流過零后并不熄滅，而工頻電弧在下一個周期過零時刻熄滅。如圖2所示為某一次典型的接觸網(wǎng)空載分閘過電壓波形。在圖2中，t0時刻饋線真空斷路器分閘，工頻電弧電流ijc過零后重新燃燒，此刻產(chǎn)生了高頻震蕩過電壓。

圖2 接觸網(wǎng)空載分閘過電壓的波形

1.3 接觸網(wǎng)重合閘過電壓

對于接觸網(wǎng)空載合閘的情況，多發(fā)生在“天窗”作業(yè)結束消令送電時刻。但此時接觸網(wǎng)對地分布電容儲存電荷已在掛接地線時充分釋放，故空載合閘的充電過程一般不會產(chǎn)生過電壓。但如果自動重合閘啟動，則情況就會有很大的不同。無論是送合閘電，還是發(fā)生瞬時故障，當饋線自動重合閘動作時可能會產(chǎn)生過電壓。這也成為電氣化鐵路供電系統(tǒng)的一種典型的過電壓。這個過電壓一般不會危及供電系統(tǒng)的安全運行，但當系統(tǒng)的絕緣有缺陷或存在薄弱點時，則可能造成重合閘失敗，中斷供電。

由于接觸網(wǎng)線路上電容電荷的存在，接觸網(wǎng)上將有一個電壓U0，U0也可認為是重合閘動作前電源對線路的充電電壓。如果U0的方向和電源充電電壓方向此刻相同，則不會產(chǎn)生過電壓。但在最一般的情況下，U0與電源的充電電壓相位不同，此刻在合閘瞬間線路上會產(chǎn)生高頻震蕩的過電壓。

這個過電壓也是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的一種典型過電壓。在最嚴重的情況下，U0的方向與重合閘動作時刻電源電壓的方向相反（相位角差π）且在線路空載時，這個過電壓的幅值將達到最大值。如果考慮到并聯(lián)無功補償裝置補償電容Cs和串聯(lián)電抗器 Ls的影響[4]，則過電壓產(chǎn)生的震蕩頻率會減小，同時過電壓產(chǎn)生的幅值要增大。

1.4 弓網(wǎng)離線瞬態(tài)過電壓

對于電氣化鐵路來說，弓網(wǎng)之間的耦合關系是這個系統(tǒng)最重要的關系之一。在受電弓（取流器）與接觸導線機械摩擦取流的過程中，會由于各種原因（如受電弓通過分段絕緣器、接觸網(wǎng)彈性的突變點、設備施工與安裝中的硬點等）會出現(xiàn)間歇性的離線。在機車帶負荷運行過程中發(fā)生離線，這在運行過程中幾乎不可避免。發(fā)生離線產(chǎn)生的高頻電弧電流，往往會引起機車與供電系統(tǒng)的過電壓[5]。這個過電壓不僅給供電系統(tǒng)造成直接威脅，還會使機車受電弓絕緣子閃絡，甚至造成機車內部元件的損壞，因此這也是電氣化鐵路的一種典型的過電壓。這種過電壓形成的物理過程可以用圖3等效電路模型來說明。

圖3中LM為電力機車等值電感，K表示機車受電弓與導線的接觸點，Ls與cs為無功補償裝置的電感與電容。當K點有離線電弧產(chǎn)生時，負荷電流以高頻電弧電流的形式向機車等值電感LM供電。此刻電路的狀態(tài)可由下列狀態(tài)方程描述：

設 t=0時刻發(fā)生了離線，式（1）的解式（2）的波形為如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)離線過電壓的波形

2 過電壓的分布

通過以上分析可知，電氣化鐵道供電系統(tǒng)在日常運行中會經(jīng)常會有過電壓的情況發(fā)生。外部大氣過電壓（雷閃過電壓）發(fā)生主要與當?shù)氐睦纂娏鞲怕史植枷嚓P，也和接觸網(wǎng)與變電所的布置方式有關。按照有關規(guī)程規(guī)范要求，在設計與施工安裝過程中應充分考慮此類過電壓以減小雷電造成設備故障的概率。

以京滬線上海鐵路局 2011年全年統(tǒng)計的大氣過電壓71次，其中53次引起變電所跳閘，其分布情況如圖5所示。

圖5 大氣過電壓分布

由圖5可見，大氣過電壓的分布與當?shù)乩纂娀顒酉嚓P，在華東地區(qū)的春夏季節(jié)，發(fā)生雷擊供電系統(tǒng)設備的情況尤為突出。圖5的統(tǒng)計分布與當?shù)貧庀蟛块T的記錄的相差較大，但季節(jié)相關特征是相似的。從目前的技術水平來看，主要根據(jù)避雷器動作情況和雷擊設備故障情況統(tǒng)計供電系統(tǒng)的雷擊次數(shù)。對于每一次雷擊過程雷電流的幅值是無法得知的，只能由當?shù)氐睦纂娏鞣植嫉母怕屎瘮?shù)來分析，這對于確定供電系統(tǒng)設備的耐雷水平非常重要。

對于其它類型的內部過電壓，則需根據(jù)具體的設備條件與運行方式結合運行經(jīng)驗加以統(tǒng)計分析。以京滬線某段電氣化鐵路為例，對 2006年 2月至2009年 10月左右的典型過電壓進行統(tǒng)計，情況如圖6所示。

根據(jù)圖6的統(tǒng)計分布情況可得出，在供電系統(tǒng)運行過程中各種典型的過電壓都會出現(xiàn)，其幅值的標幺值分布區(qū)間為1.1p.u至2.2p.u的較大范圍內。另一方面，大多數(shù)的內部典型過電壓分布在 1.3p.u中心附近。對于接觸網(wǎng)空載分閘與重合閘過電壓，在多數(shù)情況下不會大于 1.3p.u，而弓網(wǎng)離線過電壓則分布較分散，最大值可達 2.2p.u，可引起機車與變電所設備故障，應予以重視。

3 結論

電氣化鐵道供電系統(tǒng)是結構特殊的大電流接地系統(tǒng)，過電壓的產(chǎn)生也有其固有的特點，在運行中各種典型的過電壓都會出現(xiàn)，幅值的大小和出現(xiàn)的概率分布都與整個供電系統(tǒng)內外部的條件密切相關。通過本文對各種典型過電壓的比較與分析，應該承認過電壓是系統(tǒng)運行中普遍存在的，但過電壓的發(fā)生并不一定導致供電系統(tǒng)故障。建議設計部門要根據(jù)系統(tǒng)的結構與運行特點充分考慮過電壓的相容性，在條件許可的情況下宜提高供電系統(tǒng)的絕緣水平和耐雷水平，這對于防止過電壓對系統(tǒng)造成危害十分重要。對于運營部門，則要保證供電設備處于良好的運行狀態(tài)下，避免設備出現(xiàn)“不利條件組合”而發(fā)生過電壓事故。同時宜在變電所恰當位置安裝過電壓在線監(jiān)測與記錄裝置，提高過電壓的安全管理技術水平。

[1] 張雪原. 接觸網(wǎng)安裝避雷器的防雷效果研究[J]. 鐵道工程學報, 2010(9): 69-71.

[2] 陳靜. 客運專線牽引變電所雷電過電壓保護方案研究[J]. 電磁避雷器, 2012(3): 86-89.

[3] 李志強. 高壓真空斷路器弧后延時重擊穿現(xiàn)象分析[J]. 煤炭技術, 2009(24): 40-42.

[4] 鄭宇明，孟江紅. 牽引變電所電容補償容量及補償方式對電壓的影響[J]. 山西電力, 2011(2): 14-16.

[5] 彭道文，陳丹. 電氣化鐵道關節(jié)式電分相過電壓研究[J]. 電氣化鐵道, 2011(3): 26-28.

Comparison and Analysis of Several Typical Over-voltage for Electrified Railway Power Supply Systems

Chen Mingzhong
(Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031)

The overvoltage problem of traction power supply system is a very important problem to the safe operation of the system. Overvoltage problem highlight its feature because of the power supply system’s particularity of structure and operation mode. Several appeared in traction power supply system of the typical over-voltage are compared and analyzed, the security measures and suggestions, to improve the safety and reliability of the system has strong practical significance.

power supply system; safety; overvoltage; analysis

江蘇省“青藍工程”資助項目（RL13002）

陳明忠（1974-），男，江蘇揚州人，目前在南京鐵道職業(yè)技術學院從事強電方面的科研與教學工作。