高速鐵路電分相中性段網壓抬升機理及抑制措施研究

孫鏡堤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

我國高速鐵路牽引供電系統采用分段異相供電，在牽引變電所出口處及牽引變電所間需設置電分相。電分相是牽引供電系統中的薄弱環節，影響高速、重載列車速度提升和運行安全。電分相中性段在正常運行時，由于電磁感應會產生較高的感應電壓，且列車通過電分相中性段時，由于車-網電氣拓撲結構瞬變可能會激發鐵磁諧振過電壓，引起中性段網壓進一步抬升，網壓過高容易發生中性段停車事故，嚴重時會造成電壓互感器燒損，危害列車及車內人員的安全[1-3]。國內列車過分相時多次發生車頂電壓互感器鐵磁諧振現象，對列車高壓電器以及接觸網分相設備安全運行構成嚴重威脅。

目前，學術上對電磁感應及鐵磁諧振的研究很多，但結合電分相中性段網壓抬升研究的文獻較少。有學者研究了電力系統中同塔雙回線路感應電壓和電流的計算[4]，也有研究高速鐵路對電力電纜的電磁干擾特性并提出降低感應電壓的措施[5]；有學者對電氣化鐵路過分相、弓網離線和升降弓過程中的車網匹配問題進行研究[6]；部分學術論文通過建立仿真模型，對車網鐵磁諧振原理進行分析[7-8]；也有學者使用混沌理論把鐵磁諧振中的周期振蕩、準周期振蕩和混沌現象區分開來[9]。

本文從電分相中性段網壓抬升現象出發，從電磁感應和鐵磁諧振兩方面分析網壓抬升機理，提出抑制措施并進行仿真驗證，為研究電分相中性段網壓抬升機理及工程解決措施提供理論支撐。

2 電分相中性段感應電壓分析

2.1 中性段感應電壓理論分析

2.1.1 容性耦合

當不帶電的B導體與帶電的A導體接近時，B導體上會產生感應電荷，且在遠離A導體的一端與A導體的電荷極性相同，在接近A導體的一端與A導體的電荷極性相反，這種靜電感應現象即容性耦合。接觸網電分相兩端的供電臂與中性段之間存在寄生電容，電分相兩端供電臂上的能量會通過寄生電容耦合到中性段等其他線索上，產生靜電感應電壓。接觸網與電分相中性段的容性耦合原理圖如圖1所示。

圖1 容性耦合原理示意

圖1中，導體A為接觸網供電臂，導體B為電分相中性段；C12為接觸網供電臂與中性段間的寄生電容；C22為中性段與大地間的寄生電容；當接觸線電壓為Vt時，中性段和大地之間的電壓為Vs，則中性段的容性耦合電壓Vs和接觸線電壓Vt的關系為:

設高速鐵路AT供電系統與中性段有n條平行且有重合段的導線，所有導線在電分相中性段產生的容性耦合電壓為:

2.1.2 感性耦合

感性耦合影響是高速鐵路牽引供電系統各導線通過電流時，在其導線周圍產生交變的磁場，磁場與電分相中性段的金屬導體交鏈產生的縱向感應電動勢。感性耦合影響原理示意如圖2所示。圖2中，l為電分相中性段感應電壓，1為接觸網負荷電流，Ml1為電分相供電臂與中性段之間的互感系數，l為中性段和高速鐵路牽引供電系統平行長度，d為電分相供電臂與中性段之間的距離。

圖2 感性耦合原理示意

根據牽引電流分布[10]、電磁感應原理和疊加定理，AT牽引供電系統在電分相中性段處產生的感性耦合電壓計算公式為[11]:

由式(3)可得感性耦合電壓與導線間的平行長度、距離、接觸網電流以及互感系數有關。由于供電臂末端分相處無取流，因此供電臂末端電分相中性段沒有感性耦合電壓。變電所出口處分相，列車通過時可能存在其他列車取流，存在一定的感性耦合電壓。算例:中性段與接觸網的互感系數約為0.207 μH/m[12]，設中性段長200 m且鋼軌屏蔽系數為1，根據式(3)可得感性耦合電壓約為0.013 1I，則正常運行時中性段上感性耦合電壓約為十幾伏，其對中性段感應電壓影響較小。

2.2 中性段感應電壓仿真研究

由上節理論分析，中性段與兩端供電臂間存在電磁耦合，中性段感應電壓受多種因素影響。本節以十三跨電分相為例進行仿真計算，研究兩端供電臂相位差、列車位置和牽引電流對電分相中性段感應電壓的影響規律，運用CDEGS仿真軟件建立模型，如圖3所示。

圖3 電分相CDEGS仿真模型

2.2.1 兩端供電臂相位差

為分析電分相兩端供電臂相位差對中性段感應電壓的影響，將其分為 0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七種情況進行仿真，結果如圖4所示。

圖4 電分相兩端供電臂相位差對中性段感應電壓的影響

由圖4可得，兩端接觸網相位差從0°至180°的變化范圍中，其感應電壓隨著相位差的增大逐漸減小，兩端接觸網同相時感應電壓最大。

2.2.2 列車位置

為分析列車位置對中性段感應電壓的影響，將列車距離中性段 200 m、400 m、600 m、800 m 和1 000 m五種情況進行仿真，結果如圖5所示。

圖5 列車與中性段距離對中性段感應電壓的影響

由圖5得，隨著列車與中性段距離的增大，中性段的感應電壓有微小波動但變化不大。因此，列車位置對中性段感應電壓影響較小。

2.2.3 列車電流

為分析列車電流對中性段感應電壓的影響，將列車電流分為200 A、400 A、600 A、800 A和1 000 A五種情況進行仿真，結果如圖6所示。

圖6 列車負荷電流對中性段感應電壓的影響

由圖6得，在列車負荷電流增大過程中，中性段感應電壓幾乎不變，可得列車負荷電流對中性段感應電壓幾乎無影響。

綜上可得，電分相正常運行時，其中性段感應電壓在8 kV以下范圍內波動，隨著兩端供電臂相位差的增大逐漸減小，且列車取流位置、負荷電流大小對中性段感應電壓影響不大，中性段感應電壓呈現明顯的容性耦合特征。

3 列車過電分相鐵磁諧振分析

3.1 過電分相鐵磁諧振理論分析

由于中性段感應電壓處于幾千伏到十幾千伏之間，未達到導致列車主斷路器跳閘的電壓等級。本節從車-網諧振的角度考慮，列車從一側供電臂駛入中性段的過程中，在受電弓跨接在供電臂和中性段的瞬間，供電臂向中性段傳遞能量易發生過電壓，在一定參數范圍內和高壓激勵下車頂電壓互感器鐵芯易飽和，呈非線性電感特征；當列車駛入中性段無電區時，在中性段諧波殘壓作用下，中性段電氣參數與列車電氣參數易形成震蕩電路導致電壓激增，嚴重時會造成電壓互感器燒損，導致列車主斷路器跳閘，影響行車安全。

由于主斷路器在過分相前已斷開，其后的暫態過程與列車負載無關，除接觸網外，與車頂電壓互感器、受電弓、中性線及車頂對地分布電容有關。高速鐵路車-網鐵磁諧振的諧振回路由帶鐵芯的電感組件(電壓互感器等)和電容(接觸網對地電容等)組件組成。鐵磁諧振原理如圖7所示。

圖7 鐵磁諧振原理

圖7中，Us為電源；C1為兩端供電臂與中性區間的耦合電容；C2為中性區對地等效電容；Rm和Lm分別為電壓互感器的鐵損和勵磁電感。圖7b是由圖7a經過戴維南等效而來的，則有:

則等效電路的微分方程為:

式中，iL為互感器勵磁電流(A)；ω為系統頻率(Hz)；設iL＝aψ+bψ3，ψ為磁鏈(Wb)，a取 3.42，b取0.41[13]。

磁鏈方程ψ＝LiL，則式(5)轉化為:

在式(6)中，p＝ωU為激勵因子，p值越大越容易發生鐵磁諧振；q＝1/RC為阻尼因子，q值越大越能抑制鐵磁諧振。

3.2 過電分相鐵磁諧振仿真研究

為了研究列車過分相時車-網鐵磁諧振特性，本節建立仿真模型進行分析，列車過中性段仿真模型如圖8所示。

圖8 列車過中性段仿真模型

設置列車在0.5 s時刻從一邊供電臂進入電分相中性段，其中性段電壓變化如圖9所示。

圖9 電分相中性段鐵磁諧振電壓

由圖9得，在列車進入中性段前，中性段自身感應電壓峰值處于10 kV左右；在0.5 s時刻，列車進入中性段，由于發生鐵磁諧振，中性段電壓峰值激增至45 kV左右，遠超列車主斷路器跳閘電壓。

為研究列車進入電分相中性段的時刻對中性段鐵磁諧振過電壓的影響，對電分相兩端供電臂相位差處于0°～360°之間進行仿真分析，結果如表1所示。

表1 不同供電臂相位差對中性段鐵磁諧振電壓影響

由表1可得，在電分相兩端供電臂相位差在0°～180°和180°～360°的變化過程中，其中性段電壓變化趨勢為先增大后減小，最大值處于90°和270°左右。

4 電分相中性段網壓抬升抑制措施

為解決車-網諧振引起的中性段電壓抬升，即破壞車和網之間的諧振參數，電氣參數易改變且受影響最小的獨立單元為車頂電壓互感器，可通過改變易發生諧振列車的電壓互感器參數，選用勵磁特性較好的電壓互感器而達到抑制中性段諧振電壓的目的。也可在電分相中性段并聯RLC保護裝置，通過吸收中性段上的振蕩能量，對整個諧振回路達到阻尼的作用，從而抑制鐵磁諧振電壓。并聯RLC保護裝置示意如圖10所示。

圖10 并聯RLC保護裝置

在上節仿真模型中并聯RLC保護裝置，得到仿真結果如圖11所示。

圖11 鐵磁諧振抑制波形

由圖11可得，初始中性段網壓處于10 kV以下，列車在0.5 s時刻過分相進入中性段產生較大鐵磁諧振過電壓，在0.6 s投入RLC保護裝置，中性段電壓以較快速度恢復正常值，且對中性段初始電壓有改善作用。因此，RLC保護裝置對過分相過電壓具有較好地抑制作用。

5 結論

(1)電分相正常運行時，其中性段感應電壓在幾千伏范圍內波動，隨著兩端供電臂相位差的增大逐漸減小，且列車取流位置、負荷電流大小對中性段感應電壓影響不大，呈現明顯的容性耦合特征。

(2)車-網之間發生鐵磁諧振時，當電分相兩端供電臂相位差在0°～180°和180°～360°范圍變化中，其中性段電壓變化趨勢為先增大后減小，最大值在90°和270°左右。

(3)破壞車-網之間的諧振參數為治理鐵磁諧振的關鍵點，可改變列車的電壓互感器參數，選用勵磁特性較好的電壓互感器從而抑制諧振過電壓。且在中性段并聯RLC保護裝置對中性段鐵磁諧振具有良好的抑制作用。