列車過分相引起過電壓的分析及治理

董廷超

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列車過分相引起過電壓的分析及治理

董廷超

時速200 km以上電氣化鐵路接觸網采用關節式電分相，列車通過電分相時引起的過電壓會造成機車放電間隙擊穿或受電弓燒蝕等事故，危及電氣化鐵路的運營安全。本文在介紹3種列車自動過電分相方式的基礎上，根據過分相時受電弓位置的變化建立列車通過關節式電分相的模型，對過分相不同階段的過電壓進行分析，并采用阻容保護措施對過分相過電壓進行抑制，效果良好。

關節式電分相；過電壓；諧振

0 引言

長期的運行經驗表明，電力機車或動車組（以下簡稱列車）過分相時引起過電壓是造成變電所跳閘的主要原因之一。當列車雙弓或多弓運行，且受電弓間距不符合要求時，會發生異相短路，使常規保護識別更加困難[1，2]。列車過分相引起的過電壓不僅會造成受電弓及線索燒損，甚至造成接觸網斷線，中斷供電和運輸，頻繁的近端短路，數千安的大電流沖擊，還直接威脅牽引變電所主變壓器等設備的安全和電氣化鐵路的運營安全。

1 自動過電分相技術

1.1 關節式電分相

鐵路牽引供電系統作為電力系統的特殊用戶，為了保證三相負荷平衡，需要在牽引變電所間進行三相輪換[3，4]。牽引變電所的2個供電臂為異相供電，為了避免相間短路，要求在變電所處對其2個供電臂進行電氣隔離，實現該功能的裝置即為電分相。電分相分為器件式電分相和錨段關節式電分相。時速200 km以上電氣化鐵路接觸網的電分相均采用帶中性段的絕緣錨段關節式電分相。圖1為帶中性段的七跨錨段關節式電分相示意圖。

圖1 帶中性段的七跨錨段關節式電分相

1.2 機車自動過電分相方式

1.2.1 柱上開關自動斷電過分相

柱上開關自動斷電過分相如圖2所示。當列車行駛到a—b段時，A的線圈1帶電，A閉合，c區段帶電；行駛到c—d段時，A的線圈1失電，A斷開；行駛到f區段時，B的線圈2帶電，B閉合；駛過g區段時，B的線圈2失電，B斷開。

圖2 柱上開關自動斷電過分相

1.2.2 地面開關自動轉換方式過分相

地面開關自動轉換方式過分相如圖3所示。列車到達CG1點，傳感器發出信號，將QF1閉合，中性段由A相供電，列車帶電通過第1個空氣間隙；列車到達CG3，斷開QF1后閉合QF2，中性段與B相連接，列車可以順利通過第2個空氣間隙。斷電時長為QF1和QF2切換時間間隔，約為0.1～0.15 s。

圖3 地面開關自動轉換方式過分相

1.2.3 車載自動控制斷電過分相

車載自動控制斷電過分相如圖4所示。列車駛近電分相，地面傳感器（磁鐵感應或檢測輪對數計數）給列車發送預告信號，列車收到預告信號并延時確認后，自動完成列車退級、關輔助機組、斷主斷路器的操作；列車通過電分相后，安裝在主斷路器前的檢測裝置可以判斷列車是否通過電分相，繼而進行自動合閘動作。

圖4 車載自動控制斷電過分相

1.2.4 3種自動過電分相方式比較

地面開關自動轉換過分相方式自動化程度高，對列車速度影響最小，綜合性能最好，且與機車類型無關，但對控制器件精度和耐壓水平要求較高，在達到其技術水平或建設更高速度等級高速鐵路時可以采用該方式。

柱上開關自動斷電過分相方式是對器件式過分相方式的改良，能夠在一定程度上減少弓網電弧，但不能完全消除硬點。該方式的結構復雜，且由于線路中電感的存在，在通過分相時會產生諧振過電壓，不符合高速鐵路發展的要求。

車載自動斷電過分相方式與地面開關自動轉換和柱上開關自動控制斷電方式比較，結構簡單，投資少，可靠性高，便于維護檢修，為目前較符合我國高速鐵路發展要求的自動過分相方式。

2 列車過分相過電壓分析

2.1 列車受電弓位置變化關系

列車過分相過程可以分解為列車進入中性段（包括受電弓與中性段接觸時，受電弓離開供電臂時），列車在中性段上運行和列車離開中性段（包括受電弓與供電臂接觸時、受電弓與中性線分離時）3個部分。列車過分相時受電弓位置變化如圖5所示。

圖5 列車過分相時受電弓位置變化

2.2 變電所出口處關節式電分相分析模型

關節式電分相模型如圖6所示。

圖6 關節式電分相模型

通過開關S1、S2、S3的切換分析列車過分相時的轉換過程：（1）將開關S1閉合，列車在過分相前受電弓與接觸線接觸；（2）將開關S2閉合，受電弓第1次跨接接觸線和中性線；（3）斷開開關S1，S2仍然保持閉合狀態，受電弓與接觸線分離，僅與中性線接觸；（4）將開關S2和S3同時閉合，受電弓第2次同時接觸接觸線和中性線；（5）將開關S3閉合，開關S2斷開，受電弓僅與另外一相接觸線接觸，完成過分相過程。

2.3 仿真結果及分析

（1）受電弓第1次跨接中性線與接觸線瞬間。

按照合閘空載線路過電壓的計算方法，最大中性線瞬時對地電壓為

代入相關數據可得其最大幅值為

受電弓跨接接觸線和中性線發生在線路電流過零之前，產生的電弧可以保持兩線相連通。因為電弧電阻較小，此時接觸線和中性線之間的電壓近似相等，不會產生新的合閘過電壓。但如果受電弓跨接接觸線和中性線時，線路電流剛好過零，此時電弧熄滅后尚未重燃，等值電路阻抗為容性，電壓和電流相差90°，電壓的幅值為最大值，相當于二次合閘，過電壓后果嚴重。

（2）受電弓第1次離開中性線與接觸線同時接觸的瞬間。

受電弓第1次離開接觸線與中性線同時接觸的暫態過程與受電弓進入電分相的過程相似，此時中性線對地電容上的瞬時電壓表達式為

如果受電弓與接觸線斷開時電源電壓為峰值，此時電流為容性，相位超前于電源電壓，由于此時電流為零，不會產生電弧。斷開之后，列車和接觸線之間端口的電壓差越來越大，如果電源電壓經過半個周期恢復到峰值，就會將空氣間隙擊穿，在牽引回路中產生振蕩電壓。理論上二次電弧合閘過電壓幅值的最大值為

C= -?-2m-m?

= -?-2×1.414×27.5-1.414×27.5?= -116.7kV

（3）受電弓第2次跨接中性線與接觸線。

在此期間，車頂互感器產生的電壓突變容易造成互感器涌流的出現，該涌流使鐵磁線圈趨于飽和，電路中等效電感減小，將與回路中等效電容值接近，滿足鐵磁諧振條件，出現諧振過電壓。

3 過分相過電壓阻容保護及效果分析

列車過分相時電氣參數發生改變，當滿足電路諧振條件時，電路中出現過渡過程，從而引發嚴重的過電壓。對于該過電壓的治理，可以通過加裝阻容保護裝置，改變電路中的自然諧振頻率，抑制高頻過渡過程，從而減小過分相過電壓。對于關節式電分相，可以在第3根支柱的田野側安裝阻容保護裝置，如圖7所示。該裝置的高壓出線連接到中性線上，過電壓釋放輸出線連接到回流線上，形成分相過電壓的釋放閉合回路。

分相阻容保護裝置投入前后的網壓波形如圖8所示。可以看出，安裝分相阻容保護裝置后，列車正線正常行駛時的網壓穩定在接觸網額定電壓 25 kV左右；當列車進入關節式電分相時，電壓值迅速降低并逐漸減小，并使感應電壓維持在3 kV左右；當列車駛離電分相時，接觸網電壓又恢復到正常網壓25 kV左右。

圖7 阻容保護裝置安裝示意

圖8 阻容保護投入前后網壓波形比較

4 結語

綜上所述，列車過分相的4個階段均會產生過電壓及電弧。在受電弓與接觸線、中性線跨接時會產生幅值較大的過電壓，而在受電弓與接觸線、中性線分離時過電壓的幅值不會很大，但電弧的重燃會使弓網跨接或分離的振蕩過電壓的幅值增大很多，可能將放電間隙擊穿，引起變電所跳閘。

針對列車過分相時產生過電壓引起變電所跳閘及放電間隙擊穿問題，建議做好以下幾方面工作：（1）在接觸網電分相處設置過電壓保護裝置，并保證其狀態良好；（2）全面啟用過分相自動斷電裝置，改人控為機控，并增設機車電器和受電弓過分相時過渡過程的數據（電壓、電流、電弧）監控裝置，通過科技手段確保安全；（3）將列車過分相斷、合電信號納入運營計劃管理，便于故障分析和改進；（4）組織機車專業技術人員對機車電路進行系統分析，掌握過電壓機理，制訂相應防范措施；（5）組織電磁方面的專家對過渡過程的電磁變化進行分析并提出解決方案。

[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] 周福林，李群湛，賀建閩，等. 基于概率的機車過分相過電壓仿真實測及其機理研究[J]. 機車電傳動，2012（6）：85-88.

[3] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統分析[M]. 成都：西南交通大學出版社，2015.

[4] 張寶奇，賈明漢. 錨段關節式電分相引起接觸網跳閘原因的探討[J]. 鐵道機車車輛，2008，28（2）：73-75.

Phase break with overlap is adopted for electrified railway under speed over 120 km, the overvoltage caused by the train passing through the phase break induces the accidents of puncture of locomotive discharging gap or burning of pantograph, endangers the safe operation of electrified railways. By illustration of three modes of train’s passing through the phase break, by establishing of model for passing through phase break with overlap depending on variation of pantograph positions during phase breaking, the paper analyzes the overvoltage occurred at different phases. It shows that the resistance-capacitance protection measures taken for suppression of overvoltage caused by the passing through the phase break are effective.

Phase break with overlap; overvoltage; resonance

U225.4

B

1007-936X(2018)02-0039-03

2017-05-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.009

董廷超.中鐵武漢電氣化局集團有限公司北京分公司，工程師。