不同類型機械絕緣節快速暫態過電壓產生機理

曹曉斌，唐逢光，何祥照，朱傳林

(1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.武漢地鐵運營有限公司 車輛一部，湖北 武漢 430000； 3.中國鐵路成都局集團有限公司 供電處，四川 成都 610081)

隨著牽引負荷的增加，在高速鐵路站場中機械絕緣節拉弧燒毀問題比較突出。一般站場中的扼流變壓器與機械絕緣節都是相伴相隨的，它們一般有2種配合方式，一種是機械絕緣節兩端的扼流變壓器中性點不相連，使牽引電流在回流切斷點處切斷，列車經過回流切斷點的時候會產生過電壓拉弧現象，嚴重時會燒毀絕緣節，甚至燒蝕鋼軌；另一種是絕緣節兩端的扼流變壓器中性點通過銅排相連，這樣既能保證牽引電流順利通過絕緣節，又能提供列車位置信號，盡管此類絕緣節兩端鋼軌通過扼流變壓器連通，但是在列車經過此類絕緣節時依然會產生絕緣節拉弧燒毀現象[1]。

機械絕緣節兩端電壓過高是造成其拉弧燒毀的主要原因。文獻[2]對牽引電流燒損、灼傷絕緣節和鋼軌的情況進行分類，提出“電壓擊穿”和“電流拉弧灼傷”2 種典型損傷類型。文獻[3]通過仿真研究了絕緣節兩端的工頻電壓，提出了降低絕緣節過電壓的措施。文獻[4]通過分析牽引回流的分布，研究了列車運行經過絕緣節時兩端的電位差，通過實測數據驗證了計算的正確性。文獻[5]通過建立軌道模型和等效電路模型研究了防止鐵路信號設備雷電過電壓的措施。文獻[6]提出采用綜合地線和鋼軌電位限制裝置降低鋼軌電位，以減少絕緣節損壞。由于國外高鐵站內環境不同，絕緣節燒毀情況較少，因此國外學者更多的是從機械受力角度研究絕緣節物理受損的特性[7-8]。

上述研究工作主要是針對工頻電壓升高，沒有考慮列車輪對通過回流切斷點處絕緣節瞬間的快速暫態過電壓過程。而關于牽引供電系統的暫態過電壓主要集中在接觸網與受電弓的研究上，文獻[9—11]研究了高速列車過電分相時過電壓的產生過程以及弓網分離時電弧的產生機理及影響因素。文獻[12—13]提出了一種估算牽引負荷的方法，介紹了列車電流波形諧波失真引起的交流牽引系統過電壓的計算方法，并且研究了過電壓的暫態過程，提出保護措施。不同于受電弓經過電分相產生暫態過程，列車經過機械絕緣節產生暫態過程時間更短，對于鋼軌的危害更大。

無絕緣軌道電路無需機械絕緣節，已有學者研究了無絕緣軌道電路的綜合診斷方法[14-15]，但其可靠性與安全性仍需進一步研究。目前國內大部分站場仍然采用機械絕緣節，而機械絕緣節快速暫態過電壓機理的研究不多。文獻[16]通過建立列車經過扼流變中性點相連的機械絕緣節暫態模型，發現大負荷重載列車在經過鐵路站場預告信號機處的絕緣節時也存在著過電壓現象。文獻[17] 將列車輪對過絕緣節切斷點分為3個暫態過程，基于狀態空間模型求解各暫態過程的電氣參數。均沒有揭示列車經過機械絕緣節快速暫態過電壓的機理。

本文通過建立不同類型絕緣節牽引回流模型，研究高速列車通過不同類型機械絕緣節時快速暫態過電壓產生的機理，并對其產生過程進行模擬和仿真計算，從而提出降低機械絕緣節暫態過電壓的措施。

1 列車經過機械絕緣節時過電壓產生機理

1.1 列車經過第一類絕緣節時快速暫態過電壓產生過程

高速列車經過第一類絕緣節時快速暫態過電壓產生過程如圖1所示。從圖1可以看出如下過程。

(1)過程1：列車在絕緣節左側行駛時，由于絕緣節兩端的扼流變壓器中性點不連通，因此牽引電流僅從絕緣節左邊回流。

(2)過程2：列車前輪對駛過絕緣節，但后輪對還沒有駛過，此時列車前后輪對通過軸承跨接在絕緣節兩端，牽引電流從絕緣節兩端回流。

(3)過程3：列車后輪對駛離絕緣節，向左邊回流的部分被截斷，產生沖擊電流，在絕緣節兩端產生暫態過電壓。

(4)過程4：列車前后輪對均駛離絕緣節，牽引電流從右側回流，絕緣節兩端電壓恢復正常。

圖1 列車經過第一類絕緣節時快速暫態過電壓產生過程

1.2 第一類絕緣節快速暫態過電壓幅值計算

在上述過程中，僅在過程3產生快速暫態過電壓。第一類絕緣節等效暫態模型如圖2所示。

圖2 第一類絕緣節等效暫態模型

列車駛離絕緣節的瞬間，設該時刻牽引電流的瞬時值為i。

圖2所示暫態過程為：絕緣節左側鋼軌處的電流將從i減小到零，右側鋼軌電流上升到正常工頻牽引電流i，鋼軌電流達到新的穩態。

通過上述的分析可知，此時相當于在第一類絕緣節兩端施加了1個幅值與牽引電流幅值相等、方向從絕緣節左側指向右側的沖擊電流i。

沖擊電流流向左右兩端鋼軌波阻抗，在絕緣節左側形成對地負電位，在絕緣節右側形成對地正電位，因此在絕緣節兩端產生快速暫態過電壓。每一側鋼軌對地過電壓u的計算式為

u=iZ

(1)

則得到第一類絕緣節兩端承受的快速暫態過電壓uAB1為

uAB1=uA-uB=-iZ-iZ=-2iZ

(2)

式(2)中，負號表明第一類絕緣節的快速暫態過電壓與列車駛離絕緣節時的瞬時牽引電流方向相反。

絕緣節沖擊阻抗可定義為列車經過絕緣節時，快速暫態過電壓uAB的峰值與沖擊電流i的峰值之比值。由式(2)可知，第一類絕緣節的沖擊阻抗為2Z。由于列車經過第一類絕緣節的時間較短，沖擊電流作用時間較短，因此此電壓達到峰值后就會迅速衰減，最終第一類絕緣節兩端電壓將衰減到0。

1.3 第二類絕緣節快速暫態過電壓幅值計算

列車經過第二類絕緣節時，牽引電流能夠通過扼流變壓器流通至絕緣節另一側鋼軌，但是列車駛離絕緣節時，同樣會在類似第一類絕緣節的過程3時出現暫態過程，只不過產生的沖擊電流流通路徑與第一類絕緣節不同。

扼流變壓器線圈的接線圖如圖3所示。扼流變壓器的牽引線圈與第二類絕緣節兩端的鋼軌直接相連，本文主要討論的是與扼流變壓器牽引線圈相連絕緣節的過電壓，需要考慮的是扼流變壓器信號線圈折算到牽引線圈側后的扼流變壓器阻抗。文獻[18]指出，由于扼流變壓器是帶鐵心繞組的升壓變壓器，變比約為1∶30，信號側的阻抗折算到原邊側時阻抗非常小，約0.005 Ω，所以可以忽略其漏電抗。由于沖擊電流作用時間非常短，扼流變壓器主要是電感在起作用，直流電阻所產生的壓降可以忽略，因此將其等效為1個電感。

圖3 扼流變壓器線圈接線圖

根據文獻[19]可知，扼流變壓器副邊折算到一次側阻抗約0.005 Ω，忽略直流電阻的影響，因此可計算出扼流變壓器的電感值為0.016 mH，將下面站場模型中的扼流變壓器電感值設為此值。第二類絕緣節等效暫態模型如圖4所示。

圖4 第二類絕緣節等效暫態模型

從圖4可以看出：由于AB之間的扼流變壓器阻抗比鋼軌波阻抗要小得多，因此可近似認為沖擊電流主要經過扼流變壓器中性點流通。

第二類絕緣節兩端承受的快速暫態過電壓uAB2的計算式為

uAB2=-iZ1

(3)

式中：Z1為第二類絕緣節的沖擊阻抗。

式(3)中，負號表明第二類絕緣節的快速暫態過電壓與列車駛離絕緣節時的瞬時牽引電流方向相反。當扼流變壓器沖擊阻抗遠小于鋼軌波阻抗時，可認為第二類絕緣節沖擊阻抗等于扼流變壓器的沖擊阻抗。

2 機械絕緣節快速暫態過電壓產生過程模擬及仿真計算

2.1 列車經過第一類絕緣節時

1)暫態模型過程模擬

利用ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件搭建的第一類絕緣節牽引回流等效電路如圖5所示。圖中：AB段為第一類絕緣節；LCC為鋼軌架空線模型；S1，S2和S3為控制開關；R為鋼軌對地的泄漏電阻。

圖5 第一類絕緣節牽引回流等效電路

圖5中， 如果不考慮絕緣節同側2根鋼軌的電位差，那么第一類絕緣節兩端扼流變壓器的電阻可以忽略；仿真計算時根據鋼軌鋪設的實際情況，設置LCC模型中的相關參數[3]見表1。

表1 LCC模型中的相關參數

列車通過第一類絕緣節分為4個過程，仿真計算時通過控制開關S1，S2和S3的切換時間模擬列車通過絕緣節的過程[16]。

模型中電源AC用于模擬列車的牽引回流，頻率為50 Hz，電流的峰值為100 A，初始相位為0°。由于列車經過絕緣節時間較短，僅有0.5 ms左右，因此可以近似認為列車牽引電流在經過絕緣節前后，其值不變。

2)仿真分析計算

第一類絕緣節快速暫態過電壓展開波形如圖6所示。從圖6可以看出：在列車經過第一類絕緣節的瞬間，絕緣節兩端產生了快速暫態過電壓，其幅值最大值約為46.6 kV。

列車經過第一類絕緣節時回流線電流變化如圖7所示。從圖7可以看出：第一類絕緣節的扼流變壓器中性點沒有連通，在列車經過絕緣節之前，只有左側有回流電流，通過絕緣節之后，只有右側有牽引回流，在列車通過絕緣節的瞬間有1個電流突變過程，左側電流迅速下降到0 A，而右側電流從0 A快速上升；因此，牽引電流的回流路徑發生了變化，在切換回流路徑的瞬間產生了沖擊電流。

圖6 列車經過第一類絕緣節時快速暫態過電壓展開波形

圖7 列車經過第一類絕緣節時回流線電流

以不同相位仿真為例，對式(2)進行驗證，由其得到第一類絕緣節沖擊阻抗瞬時值與由絕緣節兩端快速暫態過電壓uAB與通過B點的瞬時電流相比得到的平均值對比見表2。

從表2可以看出：采用式(2)得到的瞬時值與平均值之間的誤差小于±5%，表明可以通過式(2)對第一類絕緣節的快速暫態過電壓進行計算。

進一步仿真還發現，無關牽引電流的幅值和相位，最終決定第一類絕緣節快速暫態過電壓幅值的是列車通過B點時牽引電流的瞬時值。對比不同情況下的仿真結果表明，如果列車通過模型中B點時牽引電流的瞬時值為100 A，那么第一類絕緣節快速暫態過電壓的幅值均為46.6 kV左右，即對于第一類絕緣節，沖擊阻抗通常約為466.2 Ω。

表2 不同相位時計算所得的第一類絕緣節沖擊阻抗

由于列車經過絕緣節的切換時間非常短，絕緣節過電壓的幅值僅與牽引電流的瞬時值有關。進一步驗證了第一類絕緣節過電壓幅值為牽引電流瞬時值與沖擊阻抗的乘積。

2.2 列車經過第二類絕緣節時

1)暫態模型過程模擬

第二類絕緣節暫態模型所用的相關參數同表1。扼流變壓器通過等阻線與鋼軌相連，等阻線指的是從鋼軌連接至扼流變壓器端子的引線電纜，為了保證電流均衡，要求各條引線電纜的阻值相同，所以又稱為等阻線。

回流線與等阻線采用電纜模型[19]，R0=0.099 Ω·km-1,L0=7.691 H·km-1,C0=0.519 F·km-1。其中R0為單位距離的電阻值，L0為單位距離的分布電感值，C0為單位距離的分布電容值。其他參數同模型一。建立第二類絕緣節牽引回流等效電路如圖8所示。

圖8 第二類絕緣節牽引回流等效電路

2) 仿真分析計算

兩端等阻線上的電流仿真波形如圖9所示。從圖9可以看出：1號和2號等阻線電流對應絕緣節右側鋼軌端部電流，3號和4號等阻線電流對應左側鋼軌端部電流；列車駛離絕緣節的瞬間，3號和4號等阻線上的電流迅速減小，而1號和2號等阻線電流換向，說明絕緣節兩端產生了1個瞬間沖擊電流。

第二類絕緣節快速暫態過電壓展開波形如圖10所示。從圖10可以看出：列車通過第二類絕緣節時，仍會產生快速暫態過電壓，其幅值最大值約為2 371 V，遠低于列車經過第一類絕緣節時。

圖9 兩端等阻線電流仿真波形

圖10 列車經過第二類絕緣節時快速暫態過電壓展開波形

為計算第二類絕緣節沖擊阻抗，先計算列車以不同的牽引電流相位經過絕緣節時，其兩端快速暫態過電壓的變化情況。列車經過該類絕緣節的時間較短，可近似認為列車牽引電流從A點切換到B點時幅值不變。不同電流相位時列車經過第二類絕緣節的沖擊阻抗見表3。

從表3可以看出：扼流變壓器電感值設置為0.016 mH時，第二類絕緣節的沖擊阻抗值約為47.4 Ω。

2.3 不同類型機械絕緣節的快速暫態過電壓對比

通過上述分析可知，在列車通過這2種不同類型的機械絕緣節時，均是牽引電流的回流路徑切換而產生沖擊電流，從而在絕緣節兩端產生快速暫態過電壓，二者過電壓的產生機理相同。不同的是，列車經過第一類絕緣節時，沖擊電流是流經絕緣節兩端的鋼軌波阻抗，從而產生的絕緣節過電壓；而列車經過第二類絕緣節時，由于鋼軌波阻抗較扼流變壓器沖擊阻抗大的多，因此沖擊電流主要是經過扼流變壓器沖擊阻抗而產生絕緣節過電壓。

表3 不同電流相位時列車經過第二絕緣節的沖擊阻抗

3 結 論

(1) 當列車帶負荷通過站場絕緣節時，牽引電流在輪對通過脫離絕緣節的瞬間，牽引電流的回流路徑發生變化，相當于在絕緣節兩端各施加1個大小相等、方向相反的沖擊電流，該沖擊電流等于該時該的牽引電流瞬時值。

(2) 建立不同類型機械絕緣節的暫態電路模型，提出絕緣節兩端的快速暫態過電壓等于牽引電流被切斷時的瞬時值與絕緣節兩端沖擊阻抗的乘積，推導給出了列車經過絕緣節時沖擊過電壓的計算式，并通過仿真進行了驗證。

(3) 仿真發現第一類絕緣節的沖擊阻抗約為466.2 Ω。扼流變壓器電感值為0.016 mH時，第二類絕緣節的沖擊阻抗約為47.4 Ω，遠小于第一類絕緣節。因此，在站場正線及出站方向等列車牽引電流較大的區段不應設置第一類絕緣節，從而避免過電壓引起絕緣節拉弧燒毀的風險。