機車通過關節式電分相過電壓研究

梁朝陽

0 引言

因關節式電分相能滿足高速列車運行要求，在國內電氣化鐵路區段得到廣泛應用。但在實際運行中發現韶山7 型電力機車通過關節式電分相時常常產生過電壓引起跳閘。頻繁的跳閘不但中斷供電、干擾運輸，而且短路電流易對牽引供電設備造成危害[1]。電力機車特別是韶山7 型電力機車通過關節式電分相產生過電壓已嚴重威脅電氣化鐵路的安全運行。

1 過關節式電分相過電壓分析

1.1 過電分相的機械過程

鐵路技術規程規定，電力機車通過電分相時必須斷電通過。相對應的機車受電弓運行過程描述是：（1）受電弓逐步靠近并最終接通中性線，同時逐步脫離后方接觸線。（2）受電弓逐步靠近并最終接通前方接觸線，同時逐步脫離中性線。現場觀測發現，在電力機車進出關節式電分相的整個過程中，受電弓與接觸線和中性線間均產生電弧。

1.2 過電分相過電壓原因分析

韶山7 型電力機車車頂主斷路器前采用了放電間隙，當電力機車斷電通過電分相時，與接觸網有電氣連接的只有受電弓、車頂高壓互感器和放電間隙。因此，從電路角度看，電力機車通過關節式電分相的過程，實際上相當于將電分相中性線瞬間接入電路，然后又從電路中斷開的過程。在該暫態過程中，電分相中性線上的原有電壓與電力機車通過時的電源電壓疊加就有可能產生過電壓。當該過電壓大于車頂放電間隙所能承受的最大電壓時，放電間隙擊穿，引起牽引變電所開關跳閘[2]。

2 過關節式電分相過電壓暫態仿真

2.1 等效簡化仿真電路模型

根據電力機車斷電后通過關節式電分相的物理過程，可以建立電力機車通過關節式電分相時的簡化等效電路Matlab7.0/Sim Power Systems 仿真模型如圖1 所示[3～5]。圖1 a 和圖1 b 分別為電力機車進入、駛出電分相時仿真模型。簡化電路仿真模型由4 部分組成，即電源部分、接觸網部分、關節式電分相部分和電力機車高壓側車頂部分組成。

圖1 電力機車通過關節式電分相簡化等效Matlab 仿真電路圖

本文仿真電路參數的具體數值以隴海線西安—寶雞區段牽引供電設備為樣本計算得到。

電源部分采用理想電壓源串聯變壓器等值阻抗的方式來代替，經計算Rs1= Rs2= 0.098 Ω，Ls1=Ls2= 0.005 1 H。

接觸網部分采用電阻串聯電感的簡化等值電路代替。圖1 中的RL1、LL1和RL2、LL2分別表示電分相左右兩側接觸網的等效電阻和電感。經計算，LL1= LL2= 0.011 6 H，RL1= RL2= 2.685 Ω。

中性線采用T 形等值電路。圖1 中C2表示中性線等效對地電容，RL3、LL3和RL4、LL4分別表示中性線等效電阻和電感。C3和C4分別表示中性線與左右兩側接觸線間的等效耦合電容。經計算，C2= 1.735×10-9F，RL3= RL4= 0.022 4 Ω， LL3=LL4= 7.06×10-5H，C3= C4= 1.992×10-9F。

電力機車車頂部分主要考慮受電弓對地電容以及電壓互感器的等效電感，圖1 中C1表示受電弓對地等效電容，L1表示電壓互感器的等效電感。經計算，C1= 2.36×10-10F，L1= 99 471.61 H。

2.2 過關節式電分相時暫態仿真分析

2.2.1 受電弓接通中性線時的暫態仿真

電力機車進入電分相時受電弓逐步靠近中性線并在某一瞬間受電弓與中性線之間空氣間隙擊穿，中性線通過電弧接入電路。該暫態過程的仿真相當于圖1 a 中在K1閉合情況下K2瞬時閉合。

仿真表明，受電弓接通中性線的瞬間將產生過電壓。其大小與電源電壓相位角有關，當電壓相位角φ為100°時，中性線上將產生70.58 kV的過電壓。

2.2.2 受電弓脫離后方接觸線時的暫態仿真

電力機車受電弓在脫離后方接觸線時將產生電弧，電弧一般在電流過零時熄滅。此時受電弓繼續向前滑行，若某一時刻受電弓與后方接觸線之間的空氣絕緣強度小于其擊穿電壓時將重新發生一次擊穿，即電弧重燃。電弧重燃情況下中性線將產生較大的過電壓。僅考慮最嚴重的情況，假設受電弓與后方接觸線在中性線上電壓（電容C2兩端電壓）為正的峰值時脫離，由于容性電流超前電壓90°，這時線路上工頻電流過零，不產生電弧，然后考慮在不同電壓相位角下受電弓與后方接觸線間發生一次電弧重燃時中性線上產生的過電壓。該暫態過程的仿真相當于圖1 a 中K1、K2在閉合情況下K1在電容C2兩端電壓為正的峰值時打開，然后K1延時閉合，以此來模擬電弧重燃情況下中性線上最大過電壓。

仿真結果表明，發生一次電弧重燃時，中性線上將產生較大的過電壓。當電壓相位角φ = 280°時，中性線上產生的最大過電壓為102.39 kV。韶山7型電力機車車頂放電間隙為110 mm，其擊穿電壓約為90 kV，如此大的過電壓將直接擊穿車頂放電間隙引起跳閘。電壓相位角φ = 280°時的過電壓暫態仿真波形如圖2 所示。

圖2 φ = 280°時中性線過電壓波形圖

2.2.3 受電弓接通前方接觸線時的暫態仿真

電力機車駛出電分相時，受電弓與前方接觸線之間的空氣間隙逐步縮小并在某一瞬間擊穿，中性線通過電弧接入電路。該過程的暫態仿真相當于圖1 b 中K3閉合情況下K4突然閉合。

仿真表明，受電弓接通前方接觸線時產生過電壓的大小也與電壓相位角有關。在電壓相位角φ 為280°時，中性線上將產生71.19 kV 的過電壓。

2.2.4 受電弓脫離中性線時的暫態仿真

受電弓脫離中性線時同樣考慮電力機車駛出電分相時受電弓與中性線之間在最嚴重的情況下發生一次電弧重燃。暫態仿真相當于圖1 b 中在K3、K4閉合情況下，K3在中性線上電壓為正的峰值時突然打開，然后K3延時閉合，模擬不同電壓相位角下中性線上產生的最大過電壓。

仿真結果表明，在電壓相位角φ 為280°時，中性線上將產生高達103.79 kV 的過電壓。該過電壓也將直接擊穿韶山7 型電力機車車頂放電間隙引起跳閘。

3 關節式電分相過電壓抑制研究

3.1 阻容保護裝置抑制過電壓

電力機車過關節式電分相產生過電壓的原因是電路參數的突然變化引起電路振蕩產生過電壓，而電弧的重燃加大了過電壓的數值。可以考慮在中性線上加裝阻容保護裝置，抑制電力機車通過時產生的過電壓。本文參考文獻[6]的方法選取電阻R =152 Ω，電容C = 3.86 μF。加裝阻容保護裝置后暫態仿真波形如圖3，過電壓最大值降為48.19 kV，已在電力機車車頂設備和關節式電分相裝置絕緣允許范圍之內。

圖3 加裝阻容保護裝置后過電壓暫態仿真波形圖

3.2 金屬氧化鋅避雷器抑制過電壓

金屬氧化鋅具有良好的非線性伏安特性。可以考慮將車頂放電間隙改造為氧化鋅避雷器，用來抑制過電壓。本文選用電氣化鐵道常用的Y5WT-42/114 型避雷器對抑制電壓效果進行仿真。仿真表明，采用氧化鋅避雷器后的最大過電壓降為69.12 kV，比未采用時的最大過電壓102.39 kV 下降了32.49%。其暫態仿真圖形如圖4。

圖4 加裝氧化鋅避雷器后過電壓暫態仿真波形圖

4 結論

（1）電力機車通過關節式電分相時中性線上過電壓的大小與發生暫態過程時電源電壓相位角有關，因此關節式電分相過電壓具有隨機性。

（2）韶山7 型電力機車更容易引起跳閘的原因在于其車頂主斷路器前采用了放電間隙。建議將放電間隙改造為氧化鋅避雷器。

（3）阻容保護裝置、氧化鋅避雷器保護均可以降低過電壓。氧化鋅避雷器對其他類型的過電壓也能起到保護作用。與阻容保護裝置相比，氧化鋅避雷器保護僅能減小過電壓幅值，不能降低振蕩電路的頻率。

[1] 張寶齊，賈明漢.錨段關節式電分相引起接觸網跳閘原因的探討[J].鐵道電力機車車輛，2008，28（2）：73-75.

[2] 劉明光，路延安，魏宏偉，等.關節式電分相過電壓試驗研究[J].電氣化鐵道，2007（4）：15-17.

[3] Gilbert S, Hoang LH.Digital Simulation of Power Systems and Power Electronics using the MATLAB/Simulink Power System Blockset[R].IEEE Power Engineering Society-Winter Meeting 2000:31-35.

[4] Hoang LH.Modeling and Simulation of Electrical Drives using MATLAB/Simulink and Power System Blockset[J].IEEE , 2001:41-48.

[5] Ismail I, Nadarajah S.Simulation of Power System &Machines of an Industrial Plant using the MATLAB/Simulink Power System Blockset(PSB) [J].IEEE , 2002:58-64.

[6] 謝書勇.真空斷路器操作過電壓的保護裝置—阻容保護器[J].高壓電器，1997，33（6）：38-43.