高速列車帶載斷電暫態特性研究

潘登麟

摘要：高速列車運行途中，可能遇到因為外部環境造成帶載斷電的工況。本文通過建立簡化電路模型，分析列額定功率分閘所產生的電磁暫態過程的機理，并通過建立精確電路模型仿真分析，進一步研究額定功率分閘時的電磁暫態特性。仿真結果表明，帶載分閘過程中，可產生相比空載合閘更為強烈的暫態過程，高壓電纜外層耦合電壓最高可達近20000V，持續約40μs時間，瞬態電纜電流可達2000A。在列車整車電氣系統的設計過程中，可采取提高系統阻尼或是吸收暫態電能的方式，來提升整車電氣系統性能。

關鍵詞：高速列車;分閘;電磁暫態

0? 引言

和各類高壓電氣系統一樣，高速列車設置有切除全列負載的高壓斷路器。根據操作要求，需要在切除主負載的情況下，再進行分閘斷電操作。但特殊情況下，受外部環境影響，也會因保護邏輯啟動帶載斷電。當前國內外，對高速列車空載分合閘時產生的操作過電壓研究較多。文獻[1]對通過對列車空載合斷的機械及電磁特性進行分析，指出了變壓器對地電容是操作過電壓的重要影響因素，并提出了采用RC裝置濾波的方式減小操作過電壓。文獻[2]通過對車載真空斷路器空載合閘電磁暫態過程的仿真分析，對合閘角和過電壓之間的關聯性進行研究。盡管對高速列車操作過電壓的研究已取得一系列成果，但對帶載斷電工況研究仍然較少。鑒于該工況有著不亞于操作過電壓的影響，本文選取國內某型號高速列車為代表，對高速列車帶載斷電的電磁暫態特性進行研究。

1? 高速列車帶載斷電機理分析

高速列車的高壓供電系統由受電弓、高壓電纜及高壓斷路器組成。當列車額定功率運行時，單是輸出的牽引功率就可達近9000kW。列車按要求切斷負載后再分閘操作時，不會造成電網波動或是浪涌沖擊。但當列車遭遇外部環境變化如電網波動導致高壓斷路器斷開時，由于列車系統的感性效應，將產生感應電流并需經過高壓部件及車體、接地電阻進行釋放。現建立高速列車額定功率分閘的簡化電路模型，分析其暫態過程產生機理。

根據我國高速鐵路典型供電方式，由牽引變電所提供25kV單相交流電，經由接觸網為高速列車提供電能。高速列車額定功率分閘可簡化為圖1所示的電路。各電氣元件均視為集中參數元件，其含義如圖中標注。

分閘即K斷開時，列微分方程求解uc（t）及i（t），得

其中K、λ、α、β由簡化電路中的各元件參數決定。上式可知，i（t）、uC（t）均為震蕩衰減，峰值與列車自身參數及供電電源相位角相關。

對于變壓器側，由于高壓斷路器的滅弧功能，可吸收大量的暫態電能，涉及的暫態過程可予以忽略。

2? 高速列車帶載斷電仿真分析

進一步建立精確電路模型并仿真。首先建立圖2所示的分閘等效電路，各元件符號及參數[3-4]如圖中標注。

使用Matlab/Simulink軟件，令時間t=0.01s，K由合變為斷進行仿真，可得各車車體耦合電壓及高壓電纜內部暫態電流波形。根據仿真結果，各車頂耦合電壓峰值由小到大依次為01≈07≈08≈0V<02<04=05=06<03≈20000V，選取最高電壓的圖3進行分析。可以看出，電壓峰值為近20000V，約40μs衰減完畢，電纜瞬態電流達2000A。整個暫態過程中，因各車車頂電勢的差異，可能形成暫態的局部環流，驗證可能對弱電系統造成影響。綜合分析，列車分閘后，由于牽引網、車體電路的感性效應，和高壓電纜對車頂的電容效應，將在牽引網、高壓電纜和高壓電纜對屏蔽層間形成震蕩，震蕩頻率取決于系統中1/的大小，衰減時間取決于振蕩電路中綜合輸入參數RLC的大小。

3? 結論

通過機理及仿真分析，可知高速列車帶載斷電時，將在高壓電纜及各車頂產生相比操作過電壓更為強烈的暫態過程。分閘后，高壓電纜瞬態電流可達2000A，通過屏蔽層耦合到車頂的最大電壓為近20000V，約40μs衰減完畢。在高壓電纜設計及運用檢修中，需考慮長期尖峰電流沖擊對高壓電纜、電纜終端的絕緣性能造成的影響。根據影響因素分析，可考慮增大系統輸入感抗來抑制浪涌，或是設計浪涌吸收電路吸收浪涌，從而提高列車弱電控制系統的可靠性。

參考文獻：

[1]歐陽樂成，吳廣寧，高國強，李天鷙.車載真空斷路器操作過電壓及其保護研究[J].電工電能新技術，2013，32（02）：87-91.

[2]陳佳.牽引供電系統操作過電壓研究[D].北京交通大學，2016.

[3]董文哲.高速鐵路牽引供電系統電氣參數與仿真研究[D].中國鐵道科學研究院，2019.

[4]聶穎，胡學永.高速動車組升弓浪涌過電壓研究[J].機車電傳動，2013（04）：9-11.