三斷口八跨錨段關節式電分相過電壓分析

劉雨欣，張景景

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三斷口八跨錨段關節式電分相過電壓分析

劉雨欣，張景景

針對電力機車通過錨段關節式電分相時產生的過電壓可能造成車頂絕緣擊穿的現象，利用PSCAD/EMTDC軟件建立仿真模型進行研究。對比分析機車通過七跨與三斷口八跨錨段關節出現的過電壓幅值大小，表明三斷口八跨錨段關節對過電壓有一定的抑制作用。

電分相；過電壓；七跨；三斷口八跨

0 引言

我國電氣化鐵路牽引供電系統采用幅值為 25 kV的單相工頻交流電，接觸網通過設置電分相裝置實現換相供電。錨段關節式電分相因可實現供電臂之間的平滑過渡而被廣泛采用。機車通過電分相過程中電路參數不斷變化，產生的過電壓[1]有可能造成車頂絕緣擊穿，引起牽引變電所誤跳閘，對行車安全造成危害。目前，準高速電氣化鐵路上最常用的是七跨錨段關節式電分相。近年來在電氣化鐵路建設中出現一種由2個四跨絕緣錨段關節式電分相構成的三斷口八跨錨段關節式電分相[2，3]（3個斷口和2個中性區段）。機車通過七跨錨段關節式電分相產生過電壓已被廣泛研究，而對機車通過三斷口八跨電分相產生過電壓的研究甚少。本文主要研究機車通過三斷口八跨錨段關節時產生過電壓的情況。

1 錨段關節式電分相

1.1 七跨錨段關節式電分相結構

錨段關節式電分相[4]克服了器件式電分相存在的硬點問題，已大規模應用于我國高速發展的電氣化鐵路系統中。目前，在我國已建和新建的電氣化鐵路上常見的錨段關節式電分相形式主要有七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等，而時速超過160 km的準高速線路中，主要采用的是七跨錨段關節式電分相，其結構如圖1所示。

圖1 七跨錨段關節式電分相結構圖

2個相互獨立的四跨錨段關節組成七跨錨段關節式電分相。由圖1可知，七跨錨段關節式電分相中①—⑧是一個七跨長的中性線，其中有2個斷口，并且②—⑦之間的5個跨距內都是絕緣的，在中性區段上沒有任何電氣連接的部分。處于無電狀態的區域為無電區，在該區域內，機車以惰性滑行的方式通過。

1.2 三斷口八跨錨段關節式電分相結構

在客運專線鐵路上由于兩斷口電分相存在使動車組速度下降較多，過渡時間長等缺陷，提出三斷口式電分相，其結構如圖2所示。

圖2 三斷口電分相結構圖

三斷口八跨錨段關節式電分相是由2個四跨錨段關節構成，主要包括2個中性區段和3個斷口。結構上通過延長絕緣關節下錨，在非工作支柱上加裝絕緣子，從而實現工作支與非工作支在分相無電區工作范圍內的過渡，相與相之間通過空氣實現絕緣，達到分相絕緣的目的。三斷口電分相比兩斷口電分相多了1個中性區段和1個斷口，其電路參數與兩斷口電分相相比發生了變化，使互感電壓分布在2個中性區段上，改善了過分相高電壓的分布，其結構如圖3所示。

圖3 八跨雙中性段結構圖

2 過電壓仿真

基于電力機車通過錨段關節式電分相時要經歷多個暫態過程，電路參數時刻變化，且受到各種其他因素的影響，該過程中有可能產生過電壓[5，6]，對電力機車的安全運行構成威脅。本文通過PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模擬機車通過電分相過程產生過電壓的情況，為分析并抑制過電壓提供參考。

2.1 七跨錨段關節式電分相仿真

2.1.1 七跨錨段關節式電分相結構參數

七跨錨段關節式電分相主要參數：接觸線對地距離= 6 m；接觸線對中性線距離= 0.5 m；中性線總長= 190 m；過渡區長度A=B= 70.5 m；無電區長度C= 49 m，如圖4所示。

圖4 七跨錨段關節式電分相示意圖

2.1.2 七跨過電壓仿真

根據電力機車通過七跨錨段關節式電分相的相關參數建立動態仿真模型，對機車通過電分相整個過程進行仿真。根據圖4所示，機車通過電分相時主要分為以下幾個過程：（1）受電弓只與A相接觸線相連；（2）受電弓同時跨接A相接觸線與中性線；（3）受電弓只與中性線相連；（4）受電弓同時跨接中性線與B相接觸線；（5）受電弓只與B相接觸線相連。正常狀態下，中性區不帶電同時要求不接地。機車通過電分相過程中，從A相轉換至B相時可能會發生鐵磁諧振，產生過電壓。根據機車進入電分相時初相角不同得到中性線上過電壓數據如表1所示。

表1 七跨中性線過電壓數據表

本文通過PSCAD/EMTDC軟件建立仿真模型，=180°時仿真波形如圖5所示。

a 機車進入電分相

b 機車進入無電區

c 機車駛出電分相

通過表1可知，機車通過錨段關節電分相時中性線上產生過電壓幅值的大小與進入電分相時刻初相角有一定的關系。當= 180°時，機車駛出無電區進入過渡區時產生的過電壓最大，其幅值達到93.50 kV。由于在這個過程中受電弓從只與中性線接觸過渡到同時跨接中性線與B相接觸線，動態電路發生變化，出現鐵磁諧振，產生過電壓，對機車的正常運行構成威脅。

2.2 三斷口八跨錨段關節式電分相仿真

2.2.1 三斷口八跨錨段關節式電分相結構參數

三斷口八跨錨段關節式電分相主要參數：接觸線對地距離= 6 m；接觸線對中性線距離= 0.45 m；中性線長度= 286 m；過渡區長度A=B= 94 m；無電區長度C= 98 m，如圖6所示。

圖6 三斷口八跨錨段關節式電分相示意圖

2.2.2 三斷口八跨電壓仿真

三斷口八跨電分相通過在牽引網接觸線的末端加裝絕緣子，接觸線與中性線通過絕緣子相連，使無電區為雙中性線結構。機車過分相過程可能出現鐵磁諧振，殘余電壓分布在2段中性線上，有可能抑制電力機車過分相過程產生的過電壓。根據網-車-電分相的相關參數建立機車通過三斷口八跨電分相的PSCAD/EMTDC仿真模型，統計機車在不同初相角時產生過電壓的大小，仿真數據如表2所示。

= 120°時電壓仿真波形如圖7所示。

表2 八跨中性段上過電壓數據表

a 機車進入電分相

b 機車進入無電區

c 機車駛出電分相

= 120°時機車過電分相過程中雙中性區段2上的電壓波形圖與雙中性區段1上的相似，所以略過不再重復。通過表2可知，機車通過三斷口八跨電分相在初相角= 120°時產生最大過電壓，其中中性區段1上過電壓幅值為72.53 kV，中性區段2上過電壓幅值為70.76 kV。與表1對比，其最大過電壓幅值減小了20.97 kV，在一定程度上降低了機車過分相時中性線上過電壓的幅值，減少了對電力機車安全運行的威脅。

3 結語

根據相關的參數與數據，利用PSCAD/EMTDC軟件仿真模型，研究機車通過七跨錨段關節與三斷口八跨錨段關節時中性線上產生過電壓的大小。通過表1和表2對比可以得出機車通過三斷口八跨錨段關節時產生的過電壓幅值比通過七跨錨段關節時減小20.97 kV，能有效降低中性線上過電壓的幅值。

[1] 劉雨欣. 機車過分相過電壓的概率模擬與抑制研究[D]. 華東交通大學碩士論文，2014.

[2] 趙小樂，張憲，李曉雷. 淺談接觸網三斷口八跨錨段關節式電分相技術[J]. 鐵道建筑技術，2010（7）：22-29.

[3] 丁為民. 三斷口式接觸網電分相裝置原理及應用[J].電氣化鐵道，2007（4）：21-22.

[4] 隋延民. 電氣化鐵道接觸網關節式分相技術要點探討[J]. 中國鐵路，2010（11）：30-34.

[5] 屈志堅，劉雨欣，周敏. 牽引網雙中性段電分相過電壓分析與抑制[J]. 鐵道工程學報，2014（1）：75-81.

[6] 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.

With regard to the breakdown of locomotive roof insulation caused by the over voltage generated during the electric locomotive passing through the overlap section type phase break, the researches are made on the basis of the simulation model established by PSCAD/EMTDC software. The comparison and analysis of voltage amplitudes generated during the electric locomotive passing through the seven-span overlap section type phase break and eight-span overlap section type phase break with three breaks have been made, and the results indicate that eight-span overlap section type phase break with three breaks has certain functions on suppression of the overvoltage.

Phase break; over-voltage; seven-span; eight-span overlap section phase break with three breaks

U225.4

B

1007-936X(2017)03-0067-04

2016-08-17

劉雨欣.鄭州鐵路職業技術學院，助教，電話：15136470209；張景景.鄭州鐵路職業技術學院，助教。