電氣化鐵道關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓抑制研究

彭道文，陳 丹

0 引言

交流牽引供電系統(tǒng)中，電力機(jī)車(chē)的負(fù)載為單相負(fù)載，接觸網(wǎng)供電方式為換相供電，應(yīng)在換相處加裝電分相裝置[1]。由于以空氣斷口為核心的錨段關(guān)節(jié)式電分相可以減少接觸網(wǎng)的硬點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)錨段和2個(gè)供電臂之間的平滑過(guò)渡，因此，錨段關(guān)節(jié)式電分相逐步取代了器件式電分相，在電氣化鐵道中得以廣泛應(yīng)用。但錨段關(guān)節(jié)式電分相也存在著不足，目前普遍采用的電分相為七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相[2]，機(jī)車(chē)在通過(guò)錨段關(guān)節(jié)式電分相時(shí)會(huì)發(fā)生過(guò)電壓現(xiàn)象，隴海線(xiàn)、大包線(xiàn)、蘭新線(xiàn)均出現(xiàn)多起短時(shí)間內(nèi)連續(xù)機(jī)車(chē)斷電過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，過(guò)電壓擊穿車(chē)頂放電間隙，燒毀吊弦，導(dǎo)致變電所跳閘等事故，嚴(yán)重影響了電氣化鐵道的運(yùn)營(yíng)安全。因此，研究電力機(jī)車(chē)過(guò)關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓的機(jī)理及其抑制措施具有非常重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 電力機(jī)車(chē)過(guò)關(guān)節(jié)式電分相過(guò)程

七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

目前，電力機(jī)車(chē)通常采用車(chē)載斷電自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)電分相裝置。在電力機(jī)車(chē)通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)時(shí)，電力機(jī)車(chē)主斷路器斷開(kāi)，機(jī)車(chē)主斷路器以后的電力機(jī)車(chē)主電路都不與接觸網(wǎng)相連接，整個(gè)電力機(jī)車(chē)只有受電弓以及機(jī)車(chē)高壓互感器與接觸網(wǎng)和關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)相連[3]。當(dāng)機(jī)車(chē)從接觸網(wǎng)供電臂駛?cè)腚姺窒噙^(guò)程中，受電弓在連接供電臂導(dǎo)線(xiàn)的同時(shí)，逐漸與中性段接近，并最終與其相連；然后受電弓逐漸離開(kāi)供電臂導(dǎo)線(xiàn)，僅與電分相的中性段相連；機(jī)車(chē)離開(kāi)中性段進(jìn)入另一供電臂工作支的過(guò)程中，受電弓與中性段相連的同時(shí)，逐漸與另一供電臂接觸網(wǎng)接近，并最終與接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)相連，然后逐漸離開(kāi)中性段，最終僅與接觸網(wǎng)相連。

圖1 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖

2 關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理

機(jī)車(chē)過(guò)電分相的過(guò)程中，不斷地出現(xiàn)接觸網(wǎng)—電力機(jī)車(chē)—電分相系統(tǒng)的電氣參數(shù)改變，該系統(tǒng)不斷地從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)，伴隨著暫態(tài)過(guò)程的發(fā)生，而暫態(tài)過(guò)程中會(huì)不斷出現(xiàn)操作過(guò)電壓、暫時(shí)過(guò)電壓等情況。

由于機(jī)車(chē)受電弓進(jìn)出關(guān)節(jié)式電分相斷口時(shí)，牽引供電系統(tǒng)中的電容、電感等儲(chǔ)能元件的工作狀態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生電磁能量振蕩的過(guò)渡過(guò)程。該過(guò)程電感元件儲(chǔ)存的磁能會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能儲(chǔ)存在電容之中，電容元件儲(chǔ)存的電場(chǎng)能也會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆?chǔ)存在電感之中，產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的過(guò)電壓，稱(chēng)為操作過(guò)電壓。該操作過(guò)電壓是因機(jī)車(chē)進(jìn)出電分相斷口的操作引起的，具有瞬時(shí)峰值高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。

此外，機(jī)車(chē)運(yùn)行在中性段時(shí)，機(jī)車(chē)高壓互感器存在磁飽和現(xiàn)象，當(dāng)高壓互感器飽和到一定程度，即電感減小到某數(shù)值時(shí)，L-C 振蕩回路的頻率等于或者接近于牽引網(wǎng)電源頻率的倍頻或次頻，并滿(mǎn)足其他鐵磁諧振的“激發(fā)”條件，形成鐵磁諧振過(guò)電壓[4]。該諧振過(guò)電壓是在操作過(guò)電壓完畢后出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的諧振現(xiàn)象，也稱(chēng)為暫時(shí)過(guò)電壓。該暫時(shí)過(guò)電壓具有一定的穩(wěn)定性，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

對(duì)呼和浩特局大包線(xiàn)過(guò)分相過(guò)電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)波形與理論分析一致，主要有操作過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓2 種形式。假如大包線(xiàn)機(jī)車(chē)采用SS4重載機(jī)車(chē)，部分實(shí)測(cè)過(guò)電壓波形如圖2、圖3 所示。

圖2 機(jī)車(chē)過(guò)電分相完整過(guò)程實(shí)測(cè)電壓波形圖

圖3 機(jī)車(chē)過(guò)電分相實(shí)測(cè)過(guò)電壓展開(kāi)波形圖

圖2 、圖3 給出了機(jī)車(chē)過(guò)電分相同時(shí)發(fā)生操作過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓的波形。從實(shí)測(cè)波形可以看出，在關(guān)節(jié)式電分相進(jìn)出等高點(diǎn)處都發(fā)生了過(guò)電壓，進(jìn)出等高點(diǎn)處產(chǎn)生的操作過(guò)電壓峰值最大可達(dá)175 kV，中性段諧振過(guò)電壓峰值最大可達(dá)53 kV。

3 過(guò)電壓的抑制措施

根據(jù)上述分析可知，電力機(jī)車(chē)通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是機(jī)車(chē)通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相時(shí)會(huì)引起等值電路的參數(shù)發(fā)生變化，電路發(fā)生振蕩，產(chǎn)生過(guò)電壓[5]，因此可以通過(guò)改變電氣結(jié)構(gòu)及其參數(shù)縮小或消除過(guò)電壓的影響，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，認(rèn)為對(duì)關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓的治理可采用自控式阻容吸收過(guò)電壓抑制裝置，通過(guò)在關(guān)節(jié)式電分相中加裝RC 阻容電路[6]，改變電路的工作狀態(tài)將振蕩電路變成無(wú)振蕩電路，降低過(guò)電壓的幅值與陡度，并對(duì)高頻振蕩起阻尼作用，以此來(lái)抑制過(guò)電壓。防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 過(guò)電壓抑制裝置結(jié)構(gòu)圖

該過(guò)電壓抑制裝置安裝在靠近等高點(diǎn)的供電臂上，其主要部分是非線(xiàn)性電阻串聯(lián)阻容吸收器構(gòu)成的單元，其中阻容吸收器為自愈式干式薄膜電容和線(xiàn)性電阻串聯(lián)組成的支路。正常運(yùn)行情況下，自控式非線(xiàn)性電阻呈兆歐級(jí)的高阻態(tài)，使電分相與接觸網(wǎng)隔離；當(dāng)機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)，在過(guò)電壓的作用下，非線(xiàn)性電阻迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，將抑制裝置接入接觸網(wǎng)，從而限制操作過(guò)電壓在一定的幅值范圍內(nèi)，減緩操作過(guò)電壓對(duì)電容單元的沖擊。阻容吸收器用來(lái)改變電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將振蕩電路變成無(wú)振蕩電路[5]，抑制操作過(guò)電壓，吸收諧振過(guò)電壓；電容可減緩操作過(guò)電壓的峰值，電阻起阻尼振動(dòng)的作用。同時(shí)，為保護(hù)電容，在阻容吸收裝置旁邊并聯(lián)一個(gè)空氣間隙，當(dāng)空氣間隙兩端的壓降超過(guò)一定值時(shí)，空氣間隙被擊穿，將阻容單元短接，從而保護(hù)阻容吸收器不被破壞。此外，在抑制裝置前段安裝一個(gè)避雷器，以防止雷擊電流對(duì)裝置造成損壞。

裝設(shè)過(guò)電壓抑制裝置后，分別讀取進(jìn)、出電分相等高點(diǎn)處的數(shù)據(jù)，部分實(shí)測(cè)過(guò)電壓波形如圖5、圖6 所示。

圖5 裝設(shè)抑制裝置后電分相電壓波形（進(jìn)等高點(diǎn)處）圖

圖6 裝設(shè)抑制裝置后電分相電壓波形（出等高點(diǎn)處）圖

由實(shí)測(cè)波形可以看出，裝設(shè)抑制裝置與未加抑制裝置相比，操作過(guò)電壓衰減迅速，峰值限定在80 kV 以下，中性段感應(yīng)電壓可降低到接近0 V，消除諧振過(guò)電壓，過(guò)電壓治理效果較好。此時(shí)的電壓將不會(huì)對(duì)電力機(jī)車(chē)、接觸網(wǎng)、關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)及牽引變電所產(chǎn)生威脅。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)錨段關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓的分析研究，設(shè)計(jì)了自控式阻容吸收過(guò)電壓抑制裝置，該裝置可有效降低操作過(guò)電壓的振蕩頻率，抑制其瞬時(shí)峰值，同時(shí)可消除機(jī)車(chē)過(guò)關(guān)節(jié)式電分相引起的暫態(tài)過(guò)電壓，使電力機(jī)車(chē)以零電壓的方式接入中性線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)與中性段的電壓軟過(guò)渡，從而減小過(guò)電壓對(duì)機(jī)車(chē)高壓絕緣設(shè)備的沖擊，消除電力機(jī)車(chē)的誤報(bào)警率，提高接觸網(wǎng)供電、電力機(jī)車(chē)運(yùn)行的可靠性，提高錨段關(guān)節(jié)式電分相的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李銀生.關(guān)節(jié)式分相過(guò)電壓機(jī)理分析[D].西南交通大學(xué)，2006.

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[3] 秦曉靈.電力機(jī)車(chē)過(guò)關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓分析與防護(hù)[D].北京交通大學(xué)，2007.

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[6] 謝書(shū)勇.真空斷路器操作過(guò)電壓的保護(hù)裝置-阻容保護(hù)器[J].高電壓電器，1997，（6）.