雙制式列車斷路器合閘浪涌過電壓研究

李雪飛 孫文斌 李明澤 馬慶安 代 駿

雙制式列車斷路器合閘浪涌過電壓研究

李雪飛1孫文斌1李明澤2馬慶安3代 駿3

（1. 中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2. 四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川 宜賓 644000；3. 西南交通大學電氣工程學院，成都 611730）

雙制式列車在通過電分相或交直流轉(zhuǎn)換段時，列車進行斷路器操作產(chǎn)生操作過電壓進而通過高壓電纜的分布電容耦合至車體產(chǎn)生車體浪涌過電壓，可能嚴重威脅車載弱電設備的安全運行。本文分析雙制式列車合閘浪涌過電壓的產(chǎn)生機理，為避免高階微分方程的求解，將其分為兩個振蕩模式的乘積；搭建Simulink仿真模型，對雙制式列車的合閘暫態(tài)過程進行仿真分析，并對列車浪涌過電壓進行現(xiàn)場實測和頻譜分析，理論分析與現(xiàn)場實測結(jié)果一致。研究表明，列車在經(jīng)過電分相或交直流轉(zhuǎn)換段時，最高可產(chǎn)生2 000V的車體浪涌過電壓，該過電壓在5ms內(nèi)逐漸衰減至零，計算模型、仿真模型與實測數(shù)據(jù)誤差率分別為17%和0.15%，因此，本文模型具有較高的可行性，可推進解決雙制式列車浪涌沖擊問題。

雙制式列車；浪涌過電壓；高壓電纜；電容耦合

0 引言

目前，城軌鐵路主要采用直流供電制式；干線鐵路主要采用交流供電制式。雙制式鐵路同時存在交流和直流供電區(qū)段，需設立交直流轉(zhuǎn)換段和交交分相區(qū)，因此雙制式列車車載斷路器動作次數(shù)遠高于單一制式列車，進而頻繁引起車體浪涌過電壓、弓網(wǎng)匹配等問題。雙制式列車和其他列車的不同主要在于雙制式列車使用了電子式電壓互感器以適用于交流、直流電壓的檢測。重慶江跳線的運行表明，車體浪涌過電壓嚴重干擾了電子式電壓互感器的正常運行，有必要展開研究。

目前，國內(nèi)外學者已對干線鐵路的車體升降弓浪涌過電壓和操作過電壓進行了廣泛研究。CRH2型動車組升弓浪涌過電壓幅值可達6.73kV并且在12ms內(nèi)衰減[1]，該幅值與接觸網(wǎng)等效參數(shù)密切相 關[2]。文獻[3]從車體浪涌產(chǎn)生機理出發(fā)，分析升降弓車體浪涌過電壓的傳播規(guī)律及影響因素。文獻[4]研究不同阻值的接地電阻器對車體浪涌的影響。文獻[5]通過研究動車組車體浪涌對車載設備的影響，提出了幾種抑制措施。文獻[6]對錨段關節(jié)式電分相建立等效電路，并通過仿真分析得到了電源電壓相位與中性線過電壓的關系。文獻[7]對接觸網(wǎng)常見過電壓進行分析。文獻[8]針對列車升降弓車體浪涌過電壓提出了兩種抑制方法。

針對交直流雙制式列車，文獻[9]對雙流制列車的車體環(huán)流及車體-軸端電位問題進行研究，并提出一種聯(lián)合牽引供電計算方法。文獻[10]使用CDEGS軟件建立交直流雙制式列車供電系統(tǒng)仿真模型，并提出一種適用于交直流雙制式牽引供電系統(tǒng)的鋼軌復合電位限值。文獻[11]針對錨段關節(jié)式過分相，研究了列車過中性段的多種暫態(tài)過程。

目前，針對車體浪涌過電壓，國內(nèi)研究主要集中于列車升降弓操作引起的過電壓，對于車載斷路器合閘引起的車體浪涌研究較少，并且對于雙流制列車通過中性段、分相區(qū)時產(chǎn)生的車體浪涌過電壓研究甚少。本文結(jié)合兩種過電壓的數(shù)學計算模型，搭建雙制式列車合閘浪涌仿真模型，并進行車體浪涌過電壓實測驗證，以實現(xiàn)對雙制式列車合閘浪涌過電壓的研究和分析。

1 雙制式列車牽引供電系統(tǒng)分析

1.1 牽引供電結(jié)構(gòu)分析

雙制式列車在運行中存在單相工頻27.5kV交流供電系統(tǒng)和1 500V直流供電系統(tǒng)的切換，雙流制供電結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，交、直流牽引網(wǎng)之間存在交直流轉(zhuǎn)換段。

國內(nèi)首條雙制式線路“江跳線”的交直流轉(zhuǎn)換段采用如圖2所示的器件式分段絕緣方案。轉(zhuǎn)換段使用4臺分段式絕緣器將交直流轉(zhuǎn)換段隔離為a、b、c三段。其中，b段永久接地。

圖1 雙流制供電結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 器件式分段絕緣方案示意圖

1.2 列車牽引主回路

江跳線雙制式列車采用2動4拖編組方式。受電弓安裝于2、5車車頂。1車～3車、4車～6車各為一個供電單元，兩供電單元結(jié)構(gòu)對稱且電氣部分相互獨立。2車、3車之間用高壓電纜相連。牽引主電路如圖3所示。

圖3 牽引主電路

在交流運行模式下，供電單元由受電弓取電，經(jīng)車載真空斷路器（vacuum circuit breaker, VCB）、變壓器和相應的交直交變流器給電動機供電。在直流運行模式下，供電單元由受電弓取電并直接饋送到交直交變流器的直流環(huán)節(jié)，逆變后給牽引電機供電。

當列車經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換段切換至直流運行模式時，由于VCB操作過電壓較小，對車載設備無影響，因此本文不做討論。本文僅研究切換至交流運行模式時的浪涌過電壓。

2 車體合閘浪涌仿真分析

2.1 合閘浪涌過電壓產(chǎn)生機理及計算分析

雙制式列車經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換段進入交流區(qū)段后閉合VCB，將產(chǎn)生操作過電壓[12]，而操作過電壓為高頻信號，將通過高壓電纜的線芯耦合至屏蔽層，并由電纜屏蔽層接地點傳至車體，造成車體浪涌過電壓。

列車合閘時的車-網(wǎng)等效電路如圖4所示。其中，S、S、S分別為牽引變電所的空載電壓、內(nèi)阻和電感；L、L、L分別為接觸網(wǎng)等效電阻、電感和對地分布電容；開關K表示真空斷路器（VCB）；m、m分別為車載變壓器等效電感和對地電容；C、C和C分別為高壓電纜分布電阻、電感和分布電容；T和T分別為列車的電感、電阻。

圖4 列車合閘時的車-網(wǎng)等效電路

圖4所示電路儲能元件非常多，直接分析涉及高次微分方程的求解，非常復雜。為簡化分析，這里把浪涌過電壓簡化為兩個過程：由于牽引網(wǎng)對地電容L較小，可將其忽略，則m和系統(tǒng)電源并聯(lián)。由于Sm且兩者并聯(lián)，故可忽略等效電感m。由于C+TS+L，Cm，則，故S+L和m組成一個低頻振蕩模式，C和C+T組成一個高頻振蕩模式，且前者是后者的調(diào)幅波。

1）振蕩模式1

由S+L和m組成的低頻振蕩模式可由如圖5所示VCB合閘等效電路說明。圖5中，1=S+L，1=S+L。

圖5 VCB合閘等效電路

牽引變電所電源電壓S=msin(+)。其中，為牽引所交流電源初始相位，m為牽引所電源電壓幅值。

設VCB閉合瞬間，該回路電流和m的電壓um存在的關系為

由基爾霍夫電壓定律可得VCB閉合后的回路方程為

該方程對應的拉普拉斯方程為

2）振蕩模式2

由C+T和C組成的高頻振蕩模式可由如圖6所示車體浪涌等效電路予以說明。由KVL可得該回路的微分方程為

式中：2=C+T；2=C+T。

對式（5）進行拉普拉斯變換可得

由式（7）可知，列車合閘浪涌過電壓與合閘時的電源電壓相位、高壓電纜分布電感C及列車等效電感T有關。合閘時電源電壓處于最值時產(chǎn)生的車體浪涌過電壓最大；列車等效電感T越大，車體浪涌越大。

圖4所示電路的車體浪涌仿真參數(shù)見表1。其中，v、v為單節(jié)車輛首、末端的電阻和電感；T、T為6輛車的總并聯(lián)電阻、電感；h、h為單節(jié)車輛車體頂、底部的電阻和電感；g、g為列車等效接地電阻、電感。列車單個動力單元的高壓電纜為20m，其單位長度分布電阻為0.2mW/m，單位長度分布電感為0.3mH/m，單位長度分布電容為0.5nF/m。

將表1數(shù)據(jù)代入式（7）可仿真得到車體浪涌過電壓如圖7所示，VCB合閘產(chǎn)生的浪涌過電壓幅值為2 330V，并且在10ms內(nèi)衰減至0V。

2.2 車體合閘浪涌仿真研究

為驗證理論分析的正確性，本文建立車體合閘浪涌的仿真模型。

根據(jù)合閘浪涌過電壓的產(chǎn)生機理及車-網(wǎng)等效電路，建立如圖8所示的車體浪涌仿真模型，高壓電纜使用RLC模型進行等效，不同供電單元高壓電纜使用相互獨立的斷路器K1、K2進行表示，每節(jié)車廂設置兩個并聯(lián)的接地點及接地阻抗。

使用表1所示電氣參數(shù)，分別設置VCB在0.505s、0.508s動作，可得到不同合閘相位對應的VCB合閘浪涌過電壓波形如圖9、圖10所示。

圖9中，VCB在0.505s閉合，接觸網(wǎng)電壓相位為90°，接觸網(wǎng)電壓幅值最大，產(chǎn)生了2 003.4V的車體浪涌過電壓，并且在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V。圖10中，VCB在0.508s閉合，接觸網(wǎng)電壓相位為144°，產(chǎn)生了幅值為1 195.1V的車體浪涌過電壓，在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V。可見，列車浪涌過電壓與VCB合閘時刻有關。

圖8 浪涌仿真模型

圖9 合閘相位為90°時的VCB合閘浪涌過電壓波形

圖10 合閘相位為144°時的VCB合閘浪涌過電壓波形

3 試驗驗證與分析

為驗證以上分析的準確性，本文對列車浪涌過電壓進行現(xiàn)場監(jiān)測。車體浪涌測試原理如圖11所示，F(xiàn)RC—50分壓器分別接于車頂接地點A和車底接地點B，使用UNI—T（UPO3240CS）示波器進行數(shù)據(jù)采集。示波器使用觸發(fā)模式進行數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)電壓為500mV（對應車體電壓800V），采樣頻率為7MHz。

圖11 車體浪涌測試原理

按照測試原理連接試驗設備與網(wǎng)壓互感器，在列車車廂內(nèi)進行跟車試驗，現(xiàn)場測試如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場測試

列車經(jīng)電分相、交直轉(zhuǎn)換段進入交流區(qū)段時，采集到的浪涌過電壓如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場采集的浪涌過電壓

計算模型仿真與Simulink模型仿真所得浪涌過電壓幅值分別為2 330V和2 003.4V并在5ms左右衰減為0V，對比實測結(jié)果2 000V且在2.5ms內(nèi)衰減為0V，本文模型誤差率分別為17%和0.15%，由此可見，浪涌過電壓幅值存在差別的原因為VCB合閘時的電源電壓相位、列車位置不同。

為進一步驗證本文模型的合理性及可行性，將仿真及實測信號進行短時剖分，通過Matlab的spectrogram函數(shù)對車體浪涌仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行短時傅里葉變換（short-time Fourier transform, STFT），對比合閘相位90°時的浪涌主要波段頻譜圖。浪涌頻譜分析如圖14所示。

圖14 浪涌頻譜分析

仿真數(shù)據(jù)主要波段的頻率和幅值分別為5MHz/2 000V、2.5MHz/1 500V、1.25MHz/500V和1MHz/300V，實測數(shù)據(jù)主要波段的頻率和幅值分別為6MHz/2 003V、3MHz/1 400V、1.5MHz/800V和1.25MHz/500V。由此可見，車體浪涌仿真波形與實測波形、衰減時間基本契合，驗證了本文分析的正確性和本文模型的可行性。

4 結(jié)論

本文研究了雙制式列車斷路器合閘產(chǎn)生浪涌過電壓的機理，并對浪涌過電壓進行了仿真分析和現(xiàn)場實測。研究結(jié)果表明，雙制式列車在通過電分相和交直流轉(zhuǎn)換段后閉合VCB時產(chǎn)生車體浪涌過電壓。浪涌過電壓幅值主要與列車合閘相位（即合閘時刻的網(wǎng)壓值）、牽引所等效參數(shù)及高壓電纜等效參數(shù)有關，其幅值最大可達到2 000V，并且在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V。

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Research on circuit-breaker closing surge overvoltage of dual-system train

LI Xuefei1SUN Wenbin1LI Mingze2MA Qing’an3DAI Jun3

(1. CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd, Changchun 130062;2. School of Automation and Information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Yibin, Sichuan 644000;3. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611730)

When a dual-system train passes through the neutral-section, the catenary voltage is coupled to the vehicle body through the high voltage cable distribution capacitance, resulting in a surge overvoltage in the vehicle body, which may seriously threaten the safe operation of the on-board electronic equipment. In this paper, the generation mechanism of the circuit-breaker closing overvoltage of the dual-system train is analyzed. In order to avoid the solution of higher-order differential equations, the overvoltage is decomposed into two oscillation modes. A Simulink model is built to analyze the closing transient process of the dual-system train. On-site measurement of surge overvoltage is also conducted. The theoretical and on-site measurement results are consistent. Studies show that a surge overvoltage of up to 2 000V on the vehicle body maybe be generated and it will decays to zero within about 5 microseconds. The error rates of the calculation model, simulation model, and measured data are 17% and 0.15%, respectively. Therefore, the model proposed in this paper has high feasibility.

dual-system train; surge overvoltage; high voltage cable; capacitive coupling

2023-05-15

2023-06-13

李雪飛（1978—），女，正高級工程師，從事車輛總體設計工作。