列車過分相引起過電壓的分析及治理

董廷超

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列車過分相引起過電壓的分析及治理

董廷超

時(shí)速200 km以上電氣化鐵路接觸網(wǎng)采用關(guān)節(jié)式電分相，列車通過電分相時(shí)引起的過電壓會(huì)造成機(jī)車放電間隙擊穿或受電弓燒蝕等事故，危及電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。本文在介紹3種列車自動(dòng)過電分相方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)過分相時(shí)受電弓位置的變化建立列車通過關(guān)節(jié)式電分相的模型，對(duì)過分相不同階段的過電壓進(jìn)行分析，并采用阻容保護(hù)措施對(duì)過分相過電壓進(jìn)行抑制，效果良好。

關(guān)節(jié)式電分相；過電壓；諧振

0 引言

長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力機(jī)車或動(dòng)車組（以下簡(jiǎn)稱列車）過分相時(shí)引起過電壓是造成變電所跳閘的主要原因之一。當(dāng)列車雙弓或多弓運(yùn)行，且受電弓間距不符合要求時(shí)，會(huì)發(fā)生異相短路，使常規(guī)保護(hù)識(shí)別更加困難[1，2]。列車過分相引起的過電壓不僅會(huì)造成受電弓及線索燒損，甚至造成接觸網(wǎng)斷線，中斷供電和運(yùn)輸，頻繁的近端短路，數(shù)千安的大電流沖擊，還直接威脅牽引變電所主變壓器等設(shè)備的安全和電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

1 自動(dòng)過電分相技術(shù)

1.1 關(guān)節(jié)式電分相

鐵路牽引供電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的特殊用戶，為了保證三相負(fù)荷平衡，需要在牽引變電所間進(jìn)行三相輪換[3，4]。牽引變電所的2個(gè)供電臂為異相供電，為了避免相間短路，要求在變電所處對(duì)其2個(gè)供電臂進(jìn)行電氣隔離，實(shí)現(xiàn)該功能的裝置即為電分相。電分相分為器件式電分相和錨段關(guān)節(jié)式電分相。時(shí)速200 km以上電氣化鐵路接觸網(wǎng)的電分相均采用帶中性段的絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相。圖1為帶中性段的七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖。

圖1 帶中性段的七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相

1.2 機(jī)車自動(dòng)過電分相方式

1.2.1 柱上開關(guān)自動(dòng)斷電過分相

柱上開關(guān)自動(dòng)斷電過分相如圖2所示。當(dāng)列車行駛到a—b段時(shí)，A的線圈1帶電，A閉合，c區(qū)段帶電；行駛到c—d段時(shí)，A的線圈1失電，A斷開；行駛到f區(qū)段時(shí)，B的線圈2帶電，B閉合；駛過g區(qū)段時(shí)，B的線圈2失電，B斷開。

圖2 柱上開關(guān)自動(dòng)斷電過分相

1.2.2 地面開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過分相

地面開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過分相如圖3所示。列車到達(dá)CG1點(diǎn)，傳感器發(fā)出信號(hào)，將QF1閉合，中性段由A相供電，列車帶電通過第1個(gè)空氣間隙；列車到達(dá)CG3，斷開QF1后閉合QF2，中性段與B相連接，列車可以順利通過第2個(gè)空氣間隙。斷電時(shí)長(zhǎng)為QF1和QF2切換時(shí)間間隔，約為0.1～0.15 s。

圖3 地面開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過分相

1.2.3 車載自動(dòng)控制斷電過分相

車載自動(dòng)控制斷電過分相如圖4所示。列車駛近電分相，地面?zhèn)鞲衅鳎ù盆F感應(yīng)或檢測(cè)輪對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)）給列車發(fā)送預(yù)告信號(hào)，列車收到預(yù)告信號(hào)并延時(shí)確認(rèn)后，自動(dòng)完成列車退級(jí)、關(guān)輔助機(jī)組、斷主斷路器的操作；列車通過電分相后，安裝在主斷路器前的檢測(cè)裝置可以判斷列車是否通過電分相，繼而進(jìn)行自動(dòng)合閘動(dòng)作。

圖4 車載自動(dòng)控制斷電過分相

1.2.4 3種自動(dòng)過電分相方式比較

地面開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換過分相方式自動(dòng)化程度高，對(duì)列車速度影響最小，綜合性能最好，且與機(jī)車類型無關(guān)，但對(duì)控制器件精度和耐壓水平要求較高，在達(dá)到其技術(shù)水平或建設(shè)更高速度等級(jí)高速鐵路時(shí)可以采用該方式。

柱上開關(guān)自動(dòng)斷電過分相方式是對(duì)器件式過分相方式的改良，能夠在一定程度上減少弓網(wǎng)電弧，但不能完全消除硬點(diǎn)。該方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由于線路中電感的存在，在通過分相時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振過電壓，不符合高速鐵路發(fā)展的要求。

車載自動(dòng)斷電過分相方式與地面開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換和柱上開關(guān)自動(dòng)控制斷電方式比較，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，可靠性高，便于維護(hù)檢修，為目前較符合我國(guó)高速鐵路發(fā)展要求的自動(dòng)過分相方式。

2 列車過分相過電壓分析

2.1 列車受電弓位置變化關(guān)系

列車過分相過程可以分解為列車進(jìn)入中性段（包括受電弓與中性段接觸時(shí)，受電弓離開供電臂時(shí)），列車在中性段上運(yùn)行和列車離開中性段（包括受電弓與供電臂接觸時(shí)、受電弓與中性線分離時(shí)）3個(gè)部分。列車過分相時(shí)受電弓位置變化如圖5所示。

圖5 列車過分相時(shí)受電弓位置變化

2.2 變電所出口處關(guān)節(jié)式電分相分析模型

關(guān)節(jié)式電分相模型如圖6所示。

圖6 關(guān)節(jié)式電分相模型

通過開關(guān)S1、S2、S3的切換分析列車過分相時(shí)的轉(zhuǎn)換過程：（1）將開關(guān)S1閉合，列車在過分相前受電弓與接觸線接觸；（2）將開關(guān)S2閉合，受電弓第1次跨接接觸線和中性線；（3）斷開開關(guān)S1，S2仍然保持閉合狀態(tài)，受電弓與接觸線分離，僅與中性線接觸；（4）將開關(guān)S2和S3同時(shí)閉合，受電弓第2次同時(shí)接觸接觸線和中性線；（5）將開關(guān)S3閉合，開關(guān)S2斷開，受電弓僅與另外一相接觸線接觸，完成過分相過程。

2.3 仿真結(jié)果及分析

（1）受電弓第1次跨接中性線與接觸線瞬間。

按照合閘空載線路過電壓的計(jì)算方法，最大中性線瞬時(shí)對(duì)地電壓為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得其最大幅值為

受電弓跨接接觸線和中性線發(fā)生在線路電流過零之前，產(chǎn)生的電弧可以保持兩線相連通。因?yàn)殡娀‰娮栎^小，此時(shí)接觸線和中性線之間的電壓近似相等，不會(huì)產(chǎn)生新的合閘過電壓。但如果受電弓跨接接觸線和中性線時(shí)，線路電流剛好過零，此時(shí)電弧熄滅后尚未重燃，等值電路阻抗為容性，電壓和電流相差90°，電壓的幅值為最大值，相當(dāng)于二次合閘，過電壓后果嚴(yán)重。

（2）受電弓第1次離開中性線與接觸線同時(shí)接觸的瞬間。

受電弓第1次離開接觸線與中性線同時(shí)接觸的暫態(tài)過程與受電弓進(jìn)入電分相的過程相似，此時(shí)中性線對(duì)地電容上的瞬時(shí)電壓表達(dá)式為

如果受電弓與接觸線斷開時(shí)電源電壓為峰值，此時(shí)電流為容性，相位超前于電源電壓，由于此時(shí)電流為零，不會(huì)產(chǎn)生電弧。斷開之后，列車和接觸線之間端口的電壓差越來越大，如果電源電壓經(jīng)過半個(gè)周期恢復(fù)到峰值，就會(huì)將空氣間隙擊穿，在牽引回路中產(chǎn)生振蕩電壓。理論上二次電弧合閘過電壓幅值的最大值為

C= -?-2m-m?

= -?-2×1.414×27.5-1.414×27.5?= -116.7kV

（3）受電弓第2次跨接中性線與接觸線。

在此期間，車頂互感器產(chǎn)生的電壓突變?nèi)菀自斐苫ジ衅饔苛鞯某霈F(xiàn)，該涌流使鐵磁線圈趨于飽和，電路中等效電感減小，將與回路中等效電容值接近，滿足鐵磁諧振條件，出現(xiàn)諧振過電壓。

3 過分相過電壓阻容保護(hù)及效果分析

列車過分相時(shí)電氣參數(shù)發(fā)生改變，當(dāng)滿足電路諧振條件時(shí)，電路中出現(xiàn)過渡過程，從而引發(fā)嚴(yán)重的過電壓。對(duì)于該過電壓的治理，可以通過加裝阻容保護(hù)裝置，改變電路中的自然諧振頻率，抑制高頻過渡過程，從而減小過分相過電壓。對(duì)于關(guān)節(jié)式電分相，可以在第3根支柱的田野側(cè)安裝阻容保護(hù)裝置，如圖7所示。該裝置的高壓出線連接到中性線上，過電壓釋放輸出線連接到回流線上，形成分相過電壓的釋放閉合回路。

分相阻容保護(hù)裝置投入前后的網(wǎng)壓波形如圖8所示。可以看出，安裝分相阻容保護(hù)裝置后，列車正線正常行駛時(shí)的網(wǎng)壓穩(wěn)定在接觸網(wǎng)額定電壓 25 kV左右；當(dāng)列車進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，電壓值迅速降低并逐漸減小，并使感應(yīng)電壓維持在3 kV左右；當(dāng)列車駛離電分相時(shí)，接觸網(wǎng)電壓又恢復(fù)到正常網(wǎng)壓25 kV左右。

圖7 阻容保護(hù)裝置安裝示意

圖8 阻容保護(hù)投入前后網(wǎng)壓波形比較

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，列車過分相的4個(gè)階段均會(huì)產(chǎn)生過電壓及電弧。在受電弓與接觸線、中性線跨接時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值較大的過電壓，而在受電弓與接觸線、中性線分離時(shí)過電壓的幅值不會(huì)很大，但電弧的重燃會(huì)使弓網(wǎng)跨接或分離的振蕩過電壓的幅值增大很多，可能將放電間隙擊穿，引起變電所跳閘。

針對(duì)列車過分相時(shí)產(chǎn)生過電壓引起變電所跳閘及放電間隙擊穿問題，建議做好以下幾方面工作：（1）在接觸網(wǎng)電分相處設(shè)置過電壓保護(hù)裝置，并保證其狀態(tài)良好；（2）全面啟用過分相自動(dòng)斷電裝置，改人控為機(jī)控，并增設(shè)機(jī)車電器和受電弓過分相時(shí)過渡過程的數(shù)據(jù)（電壓、電流、電弧）監(jiān)控裝置，通過科技手段確保安全；（3）將列車過分相斷、合電信號(hào)納入運(yùn)營(yíng)計(jì)劃管理，便于故障分析和改進(jìn)；（4）組織機(jī)車專業(yè)技術(shù)人員對(duì)機(jī)車電路進(jìn)行系統(tǒng)分析，掌握過電壓機(jī)理，制訂相應(yīng)防范措施；（5）組織電磁方面的專家對(duì)過渡過程的電磁變化進(jìn)行分析并提出解決方案。

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Phase break with overlap is adopted for electrified railway under speed over 120 km, the overvoltage caused by the train passing through the phase break induces the accidents of puncture of locomotive discharging gap or burning of pantograph, endangers the safe operation of electrified railways. By illustration of three modes of train’s passing through the phase break, by establishing of model for passing through phase break with overlap depending on variation of pantograph positions during phase breaking, the paper analyzes the overvoltage occurred at different phases. It shows that the resistance-capacitance protection measures taken for suppression of overvoltage caused by the passing through the phase break are effective.

Phase break with overlap; overvoltage; resonance

U225.4

B

1007-936X(2018)02-0039-03

2017-05-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.009

董廷超.中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司北京分公司，工程師。