電力機車關節式電分相過電壓分析與抑制研究

張 遠，黃彥全，張 培，唐詩光，蘆思為

?

電力機車關節式電分相過電壓分析與抑制研究

張 遠，黃彥全，張 培，唐詩光，蘆思為

電力機車通過關節式電分相時，經常發生過電壓現象，導致牽引變電所跳閘，對接觸網和牽引變電所的安全運行構成嚴重影響。電力機車通過關節式電分相時，入分相的受電弓與中性線接觸、受電弓與接觸網分離、出分相的受電弓與牽引網接觸、受電弓離開中性線4個過程中容易產生過電壓。本文使用Matlab/Sim Power Systems對上述過程進行建模仿真，分析中性段產生過電壓的原因，提出抑制過電壓措施。仿真結果表明，阻容保護器可有效抑制電力機車通過關節式電分相時在中性段產生的過電壓。

電力機車；關節式電分相；過電壓

0 引言

為確保電力機車高速、安全的運行，國內鐵路牽引供電系統中廣泛采用錨段關節式電分相。但是電力機車在通過關節式電分相時，往往會產生過電壓，嚴重時會危及牽引變電所中的設備安全，影響接觸網和牽引變電所的安全運行。因此，研究機車過關節式電分相過電壓的抑制方法對電氣化鐵路安全運營有著非常重要的意義，它既能夠保障牽引供電系統安全，又能夠讓電力機車更安全的運行。

1 關節式電分相過電壓問題研究

1.1 過電壓問題的提出

蘭州鐵路局蘭州供電段武—嘉區段在電力機車通過關節式電分相時多次發生過電壓現象[1]。機車過電分相產生的過電壓主要有3個特征：（1）出現過電壓的頻率高。現場試驗測試統計：上行過程電壓幅值超過60 kV，共發生了11次，出現1.5倍以上過電壓的頻率為30.3%；下行過程電壓幅值超過60 kV，共發生了10次，全程出現1.5倍以上過電壓的頻率為33.3%。（2）機車過電分相時產生的電壓幅值比較高，出現過電壓現象的隨機性比較大。對上行線進行現場試驗，測得的電壓最大幅值是70.1 kV，是牽引網標稱電壓峰值的1.8倍；對下行線現場試驗，測得的電壓最大幅值是86.3 kV，是牽引網標稱電壓峰值的2.5倍。（3）電力機車過電分相時產生的過電壓時間比較長，形成振蕩的電壓波形。

1.2 過電壓機理分析

電力機車通過關節式電分相是一個過渡過程，在它的等效電路中，牽引網和中性線的接觸和分開是突然進行的，等效電路中電容和電感是儲能元件，電容電壓和電感電流不能瞬間改變，從而導致等效電路需要一定的時間達到新的穩定狀態，達到新穩定狀態的過程就叫做過渡過程。在這個過程中等效電路中的電壓和電流既有固有電源頻率的強制振蕩，又產生一個隨時間而衰減的暫態分量，過渡過程電壓和電流的實際值就是這2個分量疊加而產生的值。但是在電力機車通過電分相的時候，接觸網電壓所處的相位是隨機的，2個分量疊加的值可能會比正常電壓值高出許多倍，從而出現過電壓[2]。

2 機車過分相系統建模和過電壓抑制措施

2.1 機車過電分相的系統建模

電力機車過關節式電分相主要有4個過渡過程，即：入分相時的受電弓與中性線接觸、受電弓與接觸網分離、出分相時的受電弓與牽引網接觸、受電弓離開中性線。在這4個過渡過程中等效電路的參數會發生變化，圖1是電力機車通過電分相時的原理圖。

圖1 機車通過錨段關節式電分相原理圖

機車從A變電所向B變電所行駛過程中，段機車受電弓只連接了牽引網，到了點機車的受電弓把牽引網和中性線連通，而段機車受電弓始終保持牽引網和中性線連接，機車依然取流于牽引網。機車在段只連接了中性線，段和段相似，段受電弓又只與接觸網接觸。由于機車通過錨段關節式電分相時常常會發生過電壓問題，一些鐵路局組織進行了相關的現場試驗。在試驗中得出，電力機車通過圖1中的、、、點時均多次發生過電壓現象[3]。

可以把機車通過錨段關節式電分相的過程簡化成一個等效電路，而等效電路的元件就是電阻、電感和電容。圖2是機車進入關節式電分相時的等效電路圖。

AC1、AC2為供電變壓器；K1和K2為延時開關；RS1、RS2和LS1、LS2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、R3和L1、L3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；C1為受電弓對地電容；C2為中性段對地電容；C3、C4為帶電接觸網與中性段間的部分電容；L0和R0分別為高壓電壓互感器TV1的電感和電阻。

電壓源AC1和AC2的電壓有效值為27.5 kV。根據工程計算得到：電阻RS1、RS2的值為 0.197 6W；電阻R1、R3的值為2.79W；電感LS1、LS2的值為0.008 08 H；電感L1、L3的值為 0.012 9 H；電容C1的值為2.41×10-10F；電容C2的值為4.34×10-9F；電容C3、C4的值為5.6× 10-9F；電阻R2的值為0.024W；電感L2的值為7.06×10-5H；電阻R0的值為5.37W，電感L0的值為99 471.61 H。

圖2 機車進入錨段關節式電分相等效電路圖

圖1中電力機車通過點的狀態即為圖2中在K1長期閉合的情況下，K2突然閉合，受電弓把接觸網和中性段接通。點狀態為圖2中的K1、K2在閉合的情況下，K1突然斷開，然后再延時閉合。此時受電弓與接觸網分離只與中性段接觸。圖3是機車離開錨段關節式電分相時的等效電路圖。

圖3 機車離開錨段關節式電分相等效電路圖

圖1中電力機車通過點的狀態即為圖3中的K3在閉合情況下K4突然閉合，受電弓再一次把接觸網和中性段接通。點狀態為圖3中K3、K4在閉合的情況下，K3突然斷開，然后再延時閉合。

2.2 保護措施

電力機車在過分相時產生過電壓是由于等效電路中參數變化引起的，所以在電路中加入RC裝置來改變電路的電氣結構。RC裝置通過改變等效電路的工作狀態來降低電壓幅值從而把過電壓幅值降低到電力機車控制系統絕緣強度允許范圍以內。圖4為加入保護裝置后的等效電路圖。

圖4 加入保護裝置后機車過分相等效電路圖

3 機車過分相過電壓暫態仿真與治理結果

3.1 入分相受電弓剛與中性線接觸過渡過程仿真

電力機車過關節式電分相的第1個過渡過程，即電力機車處在圖1中的點位置時，在點之前受電弓只與接觸網接觸，到了點受電弓把接觸網與中性線連接，等效電路圖中的電氣參數發生變化，相當于圖2中的K1在長期閉合的情況下K2突然閉合，此時利用Matlab/Sim Power Systems軟件[4]搭建出等效電路圖的仿真模型，進行暫態仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為54.13、66.19、72.19、60.42、46.78、41.04 kV。

對點仿真數據進行統計和比較得出：牽引網電壓在相位角為100°時，中性線段電壓出現最大值。其波形如圖5所示。

在圖5上可以看出，中性線段上電壓的最大值為74.16 kV，是牽引網電壓額定值的2.7倍，是牽引網電壓峰值的1.91倍。電壓幅值達到了機車車頂保護間隙允許范圍臨界點。

在中性線段加入RC保護裝置以后，根據參考文獻[5]的方法選取電阻= 152 Ω，電容= 3.86 F。再利用Matlab/Sim Power Systems軟件搭建出等效電路的仿真模型，進行暫態仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為39.03、39.24、40.07、39.04、39.02、39.03 kV。

圖5 機車通過C點(j= 100°)時中性線段上的電壓波形圖

加入RC保護電路后，牽引網電壓在相位角為100°時，點中性線段出現電壓最大值，其波形如圖6所示。可以看出，電壓降到了39.78 kV，電壓幅值已經降低到了機車車頂保護間隙允許范圍內。

圖6 加入RC裝置后機車通過C點(j= 100°)時中性線段上的電壓波形圖

3.2 入分相受電弓剛與接觸網分離過渡過程仿真

這個過程電力機車處在圖1中的點，在點之前受電弓同時與接觸網和中性線接觸，到了點受電弓與接觸網分離，此時只與中性線連接，等效電路圖中的電氣參數發生變化，相當于圖2中的K1、K2在長期閉合的情況下K1突然斷開，然后再延時閉合。此時利用仿真軟件搭建出等效電路圖的仿真模型，進行暫態仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為75.35、90.3、102.5、76.15、49.84、60.27 kV。

對點測出的仿真數據進行統計和比較得出：牽引網電壓在相位角為90°時，中性線段電壓出現最大值。其波形如圖7所示。

在圖7上可以看出，中性線段上電壓的最大值為103.4 kV，是牽引網電壓額定值的3.76倍，是牽引網電壓峰值的2.66倍。電壓已經超出了機車車頂保護間隙允許范圍。

圖7 機車通過D點(j= 90°)時中性線段上的電壓波形圖

在中性線段加入RC保護裝置后，進行暫態仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為40.36、41.26、42.07、39.04、39.02、39.03 kV。

在得出的數據中，牽引網電壓在相位角為90°時中性線電壓出現最大值，其波形如圖8所示。可以看出，中性線電壓最大值為42.07 kV，電壓幅值降低到了機車車頂保護間隙允許范圍內。

圖8 加入RC裝置后機車通過D點(j= 90°)時中性線段上的電壓波形圖

3.3 出分相受電弓剛與接觸網接觸過渡過程仿真

相比于機車入分相，出分相時模型中機車位置已經發生改變，此時機車處在圖1中的點，在點受電弓重新把中性線與接觸網接通，等效電路中的參數再次發生變化，相當于圖3中K3閉合的情況下K4突然閉合，通過仿真得出點牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為53.95、66.30、72.13、60.42、42.16、41.04 kV。

對點仿真數據進行統計和比較得出：牽引網電壓在相位角為80°時，中性線段電壓出現最大值。其對應波形如圖9所示。

在圖9上可以看出，中性線段上電壓的最大值為75.65 kV，是牽引網電壓額定值的2.75倍，是牽引網電壓峰值的1.95倍。電壓已經達到了機車車頂保護間隙允許范圍的臨界點。

圖9 機車通過E點(j= 80°)時中性線段上的電壓波形圖

在中性線段加入RC保護裝置后，進行暫態仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為39.23、40.01、40.76、39.04、38.85、38.91 kV。

在得出的數據中，牽引網電壓在相位角為80°時，其對應的波形如圖10所示。可以看出，中性線電壓最大值為41.93 kV，電壓幅值降低到了機車車頂保護間隙允許范圍內。

圖10 加入RC裝置后機車通過E點(j= 80°)時中性線段上的電壓波形圖

3.4 出分相時受電弓與中性線分離過渡過程仿真

這個過程機車在圖1中的點，受電弓剛剛離開中性線，只與牽引網接觸。這個階段相當于圖3中K3、K4在閉合的情況下，K3突然斷開，然后再延時閉合。對該過程暫態進行仿真，得出牽引網電壓在相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為75.65、90.04、96.08、41.07、47.99、60.08 kV。

對點仿真數據進行統計和比較得出：牽引網電壓在相位角為90°時，中性線段電壓出現最大值，其對應波形如圖11所示。

圖11 機車通過F點(j= 90°)時中性線段上的電壓波形圖

在圖11上可以看出，中性線電壓的最大值為96.08 kV，是牽引網電壓額定值的3.49倍，是牽引網電壓峰值的2.47倍。電壓已經超出了機車車頂保護間隙允許范圍。

在中性線段加入RC保護裝置后，進行暫態仿真，得出牽引網電壓相位角為30°、60°、90°、120°、150°、180°時，中性線段電壓的最大值分別為39.04、39.45、40.80、38.88、39.01、39.21 kV。

加入RC保護電路后，牽引網電壓在相位角為90°時，其對應的波形為圖12所示。可以看出，中性線電壓最大值為40.80 kV，電壓幅值降低到了機車車頂保護間隙允許范圍內。

圖12 加入RC裝置后機車通過F點(j= 90°)時中性線段上的電壓波形圖

4 結論

綜上所述，可以得出如下結論：

（1）根據仿真結果，電力機車在、、、處均有可能出現過電壓，這與實際情況相吻合。

（2）當機車在過關節式電分相的時侯，過渡過程中等效電路元件狀態會改變，從而使電路電壓幅值增大，而且牽引網電壓相位角對電壓幅值有著很大影響。

（3）RC保護裝置的原理是通過改變電路的電氣結構和參數來改變電路的工作狀態。它主要的作用有3點：a.擴增等效電路的電容，抑制電路振蕩頻率；b.利用電阻吸收能量，阻尼整個電路的振蕩，減小電壓幅值；c.使錨段關節式電分相中性線上的感應電壓降至允許范圍內。

[1] 劉明光，路延安，魏宏偉，等.關節式電分相過電壓試驗研究[J].電氣化鐵道，2007（4）：15-17.

[2] 梁朝陽.機車通過關節式電分相過電壓研究[J].電氣化鐵道，2012. 34-37.

[2] 宮衍圣.電力機車過關節式電分相過電壓研究[J].鐵道學報，2008：23-26.

[4] Gilbert S, Hoang LH. Digital Simulation of Power Systems and Power Electronics using the MATLAB/Simulink Power System Blockset[R]. IEEE Power Engineering Society-Winter Meeting 2000:31-35.

[5] 謝書勇.真空斷路器操作過電壓的保護裝置—阻容保護器[J].高壓電器，1997，33（6）：38-43.

The overvoltage occurs frequently as the electric locomotive is passing over the articulated phase break that will lead to tripping of traction substation and cause severe impact to safety operation of overhead contact system and traction substation. As the electric locomotive is passing through the articulated phase break, the overvoltage is liable to occur under the following 4 processes: contact between pantograph and neutral line, separation between pantograph and overhead contact system when pantograph is running into the neutral section, and contact between pantograph and traction network, separation between pantograph and neutral line when the pantograph is leaving off the neutral section. The Matlab/Sim Power Systems is used for simulation of above-mentioned processes on the basis of establishment of a model, and over-voltage suppression measures have been put forward on the basis of analyzing the causes of overvoltage at neutral section. The simulation results show that resistance-capacitance protector is able to suppress over-voltage generation effectively at neutral section as the electric locomotive passing through the articulated phase break.

Electric locomotive; articulated phase break; over-voltage

U225.4

B

1007-936X(2017)02-0040-05

張 遠.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：15928491889；黃彥全.西南交通大學電氣工程學院，教授；張 培，唐詩光，蘆思為.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生。

2016-05-19