關節式電分相過電壓的分析與研究

劉孟愷，武文星，張永祥

0 引言

國內電氣化鐵道采用單相工頻交流牽引供電系統。為了平衡電力系統的A、B、C三相的負荷，牽引變電所對接觸網一般要實行α、β相輪流供電，為了防止相間短路，α、β相之間要進行分開，即稱之為電分相。機車在通過分相段時，要經歷一個從有電到無電，再到有電的過程，在一系列操作中不可避免地將出現一系列操作過電壓。過電壓多次導致車頂保護間隙被擊穿、車載微機系統死機、關節式電分相中性線和承力索燒損、車頂支持絕緣子和避雷器外絕緣燒毀、甚至牽引變電所跳閘，給鐵路部門造成了巨大損失，嚴重影響到電氣化鐵道的安全運營。

在現階段，自動過分相結構仍然是主要的過分相方式，錨段關節式電分相結構是近年來采取的主要形式，具有硬點小，通過平滑等優點。因此，本文重點研究錨段關節式電分相過電壓。

1 關節式電分相結構與過分相過程

采用 2個錨段關節間的空氣介質進行電氣隔離的裝置稱為絕緣錨段關節式電分相。錨段關節式電分相的結構及其行車標志如圖1所示。支柱b和支柱 c之間，接觸線和中性線平行懸掛，間隔為500 mm，該處受電弓同時跨接2條線，一段時間后將過渡到只與中性線接觸的狀態，所以稱為過渡區。同樣，支柱f和支柱g之間也稱為過渡區。支柱c和支柱f之間，由于沒有任何電氣連接，處于非帶電狀態，稱為無電區。機車在整個電分相區域完全依靠慣性滑行。

圖1 七跨絕緣錨段關節式電分相示意圖

機車在進入中性段之前，將進行禁止雙弓、斷主斷路器等一系列的準備工作，由于機車主斷路器在過分相之前已經斷開，整個過分相過程與機車主電路沒有聯系，只與受電弓及互感器有聯系。

在圖1中b處附近受電弓與中性段連接，并仍然與左供電臂的接觸網連接，在該過程中將形成一個操作過電壓；隨著接觸網的逐漸抬升，機車將離開接觸網，而只與中性段連接，該時機車失電，在該過程中，將產生一個因開斷感性負載引起的操作過電壓，并可能激發諧振。經過幾秒鐘的滑行，進入右供電臂，該過程剛好與左側相反，先在圖1中g處附近與右供電臂連接，然后隨著中性線的抬升而離開中性線。以上一系列操作過程引發的過電壓過電流問題成為危害機車安全運行和供電系統可靠運行的主要因素之一，特別是在高速鐵路中，過分相環節是整個供電系統的薄弱環節。

2 過電壓的分析及仿真

2.1 過分相過程的數學模型

電力機車斷電之后進入關節式電分相之前的簡化電路模型如圖2所示。

圖2 電力機車通過關節式電分相等效電路圖

電路中各參數意義如下：Ua和Ub為供電變壓器電壓；Rs和Ls分別為牽引變壓器按戴維南電路等值折算后的電阻和電感；R1和L1分別為線路等效電阻和電感；R2和L2分別為中性段等效電阻和電感；C為受電弓對地電容；C2為中性段對地電容；C12和C22為帶電接觸網與中性段間的部分電容；L和R分別為高壓電壓互感器的電感和電阻。

根據電路原理列電壓回路方程

（1）零輸入響應。

求解得：

其中，ω為電源角頻率；為電路的衰減系數；為電路的諧振角頻率；U0為牽引網在中性線上的感應電壓，中性段上感應電壓有效值為11.79 kV，僅相位角不同。

（2）零狀態響應。

其中，φ為電源電壓的初相角，求解得：

由疊加原理可得電壓的表達式：

對式（5）利用導數求最大值，可得中性線電壓最大值與電力機車入分相時的相角關系，如表1所示。

表1 中性線電壓最大值與相角關系表

中性線上電壓最大值與擊穿時接觸網電壓相位角關系曲線如圖3所示。

圖3 中性線電壓最大值隨相位角關系曲線圖

2.2 過分相過程的仿真

利用MATLAB/Simulink仿真軟件對電力機車過關節式電分相的暫態過程進行仿真，結果表明，接觸網電壓相位角φ= 100°和φ= 280°時，中性段上的電壓出現最大值，電壓波形如圖4和圖5所示。

圖4 φ = 100°時中性段電壓波形圖

圖5 φ = 280°時中性段電壓波形圖

由圖 4看出，仿真結果與數學模型結果相符合，中性段的電壓值與電力機車進入中性段時的接觸網電壓相位角有關，當φ= 100°和φ= 280°時，中性段的電壓最大，最大值為66.25 kV，由于牽引供電接觸網額定電壓有效值為 27.5 kV，最大值為38.891 kV，該時中性段上過電壓達到牽引供電接觸網電壓峰值的1.71倍，額定電壓的2.41倍。若考慮大于接觸網正常峰值電壓的1.5倍即60 kV的電壓為過電壓，則相位角φ在70°～120°以及250°～300°兩范圍時，中性段上發生諧振，關節式電分相結構中性段上會產生過電壓。

3 過電壓抑制方法

由以上分析可知，避免產生過高的操作過電壓的根本措施在于抑制諧振，或者釋放中性段上的能量。通過在中性段安裝阻容保護器，改變電路的結構參數，讓振蕩電路變成無振蕩電路，能夠有效地抑制電力機車通過關節式電分相時產生的過電壓。當保護裝置未接入時，這是一個欠阻尼振蕩頻率很高的電路，當加入了保護電路以后，整個電路參數發生了改變，如果保護電路的電容取值較大，則電路的振蕩頻率將會下降，同時由于加入了電阻，電路將由欠阻尼狀態變為臨界阻尼或者過阻尼狀態，電路的過電壓將會變小或者不產生過電壓。

4 結論

本文以七跨絕緣錨段關節式電分相為例，分析了電力機車過電分相產生過電壓的原因，對過電分相的暫態過程進行了計算，并使用MATLAB軟件對該過程進行了仿真。分析表明：仿真結果與理論分析計算相吻合。最后提出了限制電力機車過電分相過電壓的保護措施。

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