動車組高壓系統過電壓及其抑制技術研究

郭衍龍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

動車作業環境復雜，在面臨高度污染、濃霧或冰雪的情況下，可能會出現高壓電氣設備的擊穿閃絡問題，也可能會燒毀齒輪箱溫度傳感器。據分析，導致該問題的原因有兩方面，一是內部結構以及牽引網的故障，二是外部因素也會導致故障。本文根據動車組過電壓的具體情況，利用措施對于過電壓幅值進行控制，以確保作業安全。

1 高速動車組

我國的高速鐵路技術發展起步時間較晚，相關技術依賴于國外的發展，在對于不同設備進行引入時，由于不同國家對于不同設備具有在不同的標準，因此我國所使用的設備標準并不統一，無法形成完美的絕緣配合。根據對于動車組高壓設備的標準進行分析可以發現，目前我國所使用的相關系統標準包括3 個部分，分別是鐵路技術管理規定、鐵道行業標準以及標準。本文針對不同型號的動車組高壓系統設備結構高度，電氣間隙以及爬電距離執行標準進行了簡單列示。其中，表1 依據的標準是TB/T 3077.1—2006《電力機車車頂絕緣子》；表2 依據的是《鐵路技術管理規程》（要求間隙超過300 mm），IEC 60077-1—1999《鐵路應用—機車車輛電氣設備第1 部分 一般使用條件和通用規則》（要求間隙超過230 mm）和TB/T 1333.1—2002《鐵路應用 機車車輛電氣設備 第1 部分：一般使用條件和通用規則》（超過間隙230 mm）；表3 依據的標準是IEC 60077-1—1999 和TB/T 1333.1—2002，分別要求距離超過775 mm 和超過1000 mm。根據相關數據可以得知，目前我國所使用的各種動車組高壓設備，實際上并不與國際標準以及我國的內部標準相吻合，所以其在運行過程中可能會出現高壓系統過電壓問題。

表1 高壓設備結構高度

表2 高壓設備電氣間隙

表3 高壓設備爬電距離

2 過電壓機理

根據其成因，可將其劃分為內部過電壓以及外部過電壓，其中內部過電壓又可以劃分為升降工過電壓、弓網離線過電壓、車網諧振過電壓以及分相過電壓。雷電是導致外部過電壓的主要因素，接觸網導線的傳播，會導致感應過電壓。本文主要研究如何抑制其內部過電壓。

2.1 升降弓過電壓

在升弓狀態下，接觸網和受電弓之間的距離會逐步縮小，在其距離達到一定限度時會擊穿其氣體間隙、出現電弧。這種程序類似于容性電路正常合閘，受電弓在于接觸網進行接觸之后可以進行充電，從而出現諧振，最終產生電壓。不僅如此，這一過程中弓網電弧也會出現電壓，這個數值是額定電壓的兩倍。

在降弓狀態下會斷開主斷路器，僅有電壓互感器存在于高壓回路，接觸網會與電弓出現分離的情況，但是，依舊能夠和電弧電進行連接，重燃以及熄滅的狀態和多次開關切換類似，會改變回路的狀態，充電和放電的過程會持續重復。

2.2 弓網離線過電壓

接觸網懸掛以及受電弓存在彈性，中心錨結線夾、定位線夾以及接頭線夾都具有硬點，可能致使弓網離線：如果離線時間大于100 ms，則是大離線；如果離線時間小于100 ms 且大約10 ms，則是中離線；如果離線時間小于10 ms，則為小離線。

在出現分離狀態時，會接觸動車組負荷，接觸網以及受電弓會出現多次分離以及接觸，會嚴重影響系統的參數和狀態，最終會振蕩能量，出現過電壓。在該系統內，感性設備包括電抗器，電壓互感器以及變壓器，正常情況下電容和電感不存在諧振，但出現頻繁接觸與分離時，將會多次重新組合或者是分斷回路，改變其工作狀態，最終導致振蕩回路，在一定條件下就會發生諧振，最終會致使瞬態過電壓。

2.3 分相過電壓

現在我國大多數的動車組均采用車載自動過分相，其在運行時會根據預告信號進行牽引變流器脈沖的封鎖，然后將斷開主斷路器、使其到達中性段，之后將主斷路器合上，解鎖牽引變流器脈，使其重回原速。

因為受電弓在其分相之前，只和接觸網進行接觸，而之后會和中性線以及接觸網同時接觸，達到無電區。之后，再從同時接觸演變成為只和接觸網接觸，離開分相區。這一程序會產生兩種過電壓：在到達中性段時，會先出現過電壓，中性線和受電弓的接觸，會出現高頻暫態振蕩，出現過電壓；從中性段離開之后，會產生過電壓。

3 影響過電壓的因素

影響我國電壓的因素主要和動車組高壓系統以及高速鐵路牽引供電系統有關，主要包括6 種，分別是：接地系統、高壓電纜電容以及動車組高壓側電壓互感器勵磁電感；各種系統的耦合；鋼軌的接地、電感以及電阻；中性段過分相瞬間的相位、電感、電阻以及長度；接觸網導線的對地電容、電感以及電阻；牽引變電所的電感以及電源內阻。

3.1 高壓電纜以及電壓互感器

在降弓以及升弓過程中會斷開主斷路，僅存在高壓電纜以及互感器小負載，因為車體、高壓電纜以及電壓互感器勵磁電感的分布，會導致其出現振蕩，這種振蕩的頻率會直接影響過電壓：一般情況下，過高的振蕩頻率會導致幅度較大的過電壓，其持續時間不會太長；如果振蕩頻率較小，會引起較小的過電壓，但是持續時間一般比較長。通常情況下動車組的內部結構以及電纜部件結構都可以對其產生影響，過電壓主要影響因素是高壓互感器的勵磁電感，在對其進行調節時可以采用調節線圈匝數的方式增加勵磁電感值，以降低其振蕩頻率。

3.2 接地系統

過分相以及弓網離線的過電壓泄放通道主要是保護接地系統，一般情況下主要包括電阻接地、電感接地以及直接接地，在電壓的沖擊作用時，電阻接地以及電感接地導致的車體瞬態電壓相對來說比較大，車體過電壓在直接接地的作用下比較小，因此直接接地具有更優的抑制效果。

4 過電壓抑制技術

通過對其產生的原因分析可以發現，正常作業會出現較多的隨機性過電壓，為進一步對其進行抑制、確保其正常行駛。本文在進一步研究其作用狀態的基礎上，進行了抑制技術的分析。

4.1 阻尼抑制技術理論

大多數的過電壓的產生是因為高壓系統在運行過程中出現的電磁能量振蕩，在對其進行抑制的過程中，可以采用將RC 濾波器并聯到電纜前端的方式，加大系統阻尼，之后可以對于暫態過電壓進行吸收。RC 濾波器可以：濾除諧波；通過電阻消耗能量形成阻尼振蕩，快速衰減電壓；通過加大電容來降低振蕩頻率。

4.2 接地抑制技術

動車組運行過程中接地碳刷和車體進行接觸，利用接地碳刷，能夠釋放車體過電壓，車體浪涌電壓會收到接地電阻器阻值的較大影響，所以，一般應盡可能地降低接地電阻阻值。這樣可以利用接地碳刷數量增加的方式降低電阻，從而減小整個過電壓。在對其進行處理的過程中，應首先對于以往的接地進行保護，關注之后的維修成本以及整個車體的費用，進行接地設備的增加。這種方式能夠更加均勻地保護接地，防止其在運行過程中因為某一個軌道的故障而影響其整體運行。

在對其進行處理之后，通過過電壓靜態測試，對其閉合主斷進行測試，主要測試車體對于轉向架的沖擊電壓。在對其進行測試之后可以得知，在主斷閉合之后會明顯降低沖擊電壓，從而對于過電壓進行抑制。之后測試其實際運行情況，利用正線測試對于改進后的過電壓進行測試。對布線進行測試的過程中，連接轉向架軸和接線，之后引入電壓隔離探頭。根據對于兩個分相區數據的分析，車體會對轉向架進行一次的最高沖擊電壓。經過分析，在利用接地方案對其進行改進后，其會以較低的沖擊電壓及較低的電勢沖擊轉向架軸端，動車組不會由于電磁的作用而致使設備的壞損或通信錯誤，這種方式能明顯抑制過電壓。

5 結論

動車組在作業時，會因外部環境及其自身設備原因而導致弓網離線過電壓，升降弓過電壓以及分相過電壓。過電壓具有不可避免性以及隨機性，在實際運行中為了對其進行抑制，從根本上能夠利用并聯RC 濾波器的方式以及對于接地數量進行增加的方式，來抑制過電壓的峰值。截止目前，利用并聯RC 濾波器抑制過電壓的方式仍需要進一步的實驗檢測，而利用接地數量增加來抑制過電壓的方式已經通過相應的測試，具有良好作用，但仍需要進一步分析其對于動車組電磁兼容的影響作用。