電氣化鐵路不停電過(guò)分相電磁暫態(tài)及抑制措施研究

王小君 畢成杰 金 程 姚 超

電氣化鐵路不停電過(guò)分相電磁暫態(tài)及抑制措施研究

王小君1畢成杰2金 程1姚 超1

（1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2. 國(guó)網(wǎng)北京豐臺(tái)供電公司 北京 100073）

列車(chē)不停電過(guò)分相時(shí)，存在過(guò)電壓和過(guò)電流現(xiàn)象，給電氣化鐵路帶來(lái)不利影響。該文結(jié)合仿真數(shù)據(jù)研究了不同暫態(tài)過(guò)程中的過(guò)電壓水平特性，分析了開(kāi)關(guān)操作相角對(duì)過(guò)電壓幅值的影響，研究了合閘角度、分相位置、剩磁大小等因素對(duì)過(guò)分相時(shí)的勵(lì)磁涌流的影響程度。最后，針對(duì)不停電過(guò)分相過(guò)程，提出了三種過(guò)分相的優(yōu)化策略及抑制措施，從控制難度、投資成本、抑制效果方面進(jìn)行比較后確定了晶閘管與阻容吸收裝置搭配是最適合不停電過(guò)分相的優(yōu)化策略。

過(guò)分相 過(guò)電壓 勵(lì)磁涌流 抑制措施

0 引言

現(xiàn)行電氣化鐵路中，為使單相的牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中盡可能均勻分配，牽引網(wǎng)采用了輪換相序、分相分區(qū)供電的方案[1-2]。為避免在換相時(shí)列車(chē)發(fā)生相間短路，分相分區(qū)處用絕緣器件或絕緣錨段關(guān)節(jié)分割相鄰供電區(qū)，形成電分相，稱(chēng)作中性段（即為電分相）。過(guò)分相即為列車(chē)行駛過(guò)中性段的過(guò)程，目前最常見(jiàn)的過(guò)分相方式是車(chē)載式自動(dòng)過(guò)分相，該方式需要多次列車(chē)主斷路器動(dòng)作，并存在過(guò)中性段時(shí)列車(chē)無(wú)牽引電流導(dǎo)致列車(chē)降速和無(wú)法達(dá)到運(yùn)載量期望值的問(wèn)題。機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)保持持續(xù)供電的地面式不停電過(guò)分相技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[3]。以三菱公司為代表的基于高壓晶閘管閥組的帶電過(guò)分相系統(tǒng)和以日本“明電舍”為代表的使用機(jī)械開(kāi)關(guān)帶電過(guò)分相系統(tǒng)[4]是目前比較常見(jiàn)的不停電過(guò)分相裝置，但是它們?nèi)源嬖诙虝r(shí)失電，實(shí)際運(yùn)行效果并不理想[5]。2017年，由中國(guó)中車(chē)承擔(dān)的“先進(jìn)軌道交通”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)“虛擬同相柔性供電技術(shù)”開(kāi)展了技術(shù)研究與示范，提出了一種柔性不斷電過(guò)分相裝置，具有較好的先進(jìn)性，但是尚未規(guī)模化應(yīng)用。

在帶電過(guò)分相的整個(gè)過(guò)程中，列車(chē)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，電氣量不斷變化，錨段關(guān)節(jié)處往往伴隨過(guò)電壓、過(guò)電流的暫態(tài)過(guò)程，可能引發(fā)燒毀車(chē)頂設(shè)備等安全問(wèn)題[6-8]。所以列車(chē)過(guò)分相的暫態(tài)過(guò)程分析及其抑制措施研究十分重要。

地面式自動(dòng)過(guò)分相采用錨段關(guān)節(jié)式的電分相結(jié)構(gòu)，在圖1中，Q1、Q2是在絕緣錨段關(guān)節(jié)側(cè)起連接作用的真空開(kāi)關(guān)，用于接通與斷開(kāi)中性段和其兩側(cè)的接觸網(wǎng)，CG1~CG4是在地上安裝的傳感器，用于監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)的位置信息然后向開(kāi)關(guān)發(fā)送控制信號(hào)，JY1、JY2代表分相區(qū)。通常Q1和Q2都保持?jǐn)嚅_(kāi)，中性段處于不帶電狀態(tài)。機(jī)車(chē)從左向右行駛，當(dāng)接近傳感器CG1時(shí)，傳感器向開(kāi)關(guān)Q1發(fā)送控制信號(hào)使其連通，這時(shí)A相供電臂向中性段提供牽引電流，當(dāng)傳感器CG2周?chē)O(jiān)測(cè)到機(jī)車(chē)接近時(shí)，傳感器立即向開(kāi)關(guān)Q1發(fā)送控制信號(hào)使其斷開(kāi)，并在較短時(shí)間后向開(kāi)關(guān)Q2發(fā)送控制信號(hào)使其閉合，這時(shí)B相供電臂給中性段提供牽引電流。機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)保持持續(xù)受流，并且沒(méi)有增加對(duì)于機(jī)車(chē)的控制[9-10]，所以這也被叫作機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相。

圖1 地面式自動(dòng)過(guò)分相

不停電過(guò)分相方式無(wú)需對(duì)機(jī)車(chē)操作，列車(chē)失電時(shí)間短，速度損失小，適用于我國(guó)多車(chē)型的復(fù)雜鐵路系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程比較依賴(lài)開(kāi)關(guān)的帶負(fù)荷切換，對(duì)開(kāi)關(guān)的機(jī)械和電氣壽命要求較高，所以要考慮開(kāi)關(guān)的在線(xiàn)備份和檢修，投資較大；另外開(kāi)關(guān)切換時(shí)可能出現(xiàn)較高過(guò)電壓和過(guò)電流，對(duì)車(chē)網(wǎng)的運(yùn)行形成嚴(yán)重威脅。

不間斷過(guò)分相方式通過(guò)控制開(kāi)關(guān)切換時(shí)間，可減少電弧產(chǎn)生，減少對(duì)弓網(wǎng)的沖擊[11]。文獻(xiàn)[12]對(duì)于機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)錨段節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了詳盡的分析。文獻(xiàn)[13]搭建了受電弓、牽引網(wǎng)和機(jī)車(chē)高壓互感器等效模型；文獻(xiàn)[14]仿真分析了過(guò)分相的分合閘過(guò)程，并對(duì)各個(gè)過(guò)程中的過(guò)電壓大小進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[15]主要分析了分閘時(shí)電流突變引起的截?cái)噙^(guò)電壓和合閘產(chǎn)生的合閘過(guò)電壓的產(chǎn)生原理。文獻(xiàn)[16]提出一種新型柔性不斷電過(guò)分相方案，使中性段電壓可在兩個(gè)供電臂之間柔性過(guò)渡，消除機(jī)車(chē)的供電死區(qū)。文獻(xiàn)[17]通過(guò)改變HXD3型機(jī)車(chē)系統(tǒng)的電路參數(shù)，改善系統(tǒng)阻尼比，抑制過(guò)電壓的出現(xiàn)。整體上，上述研究缺少勵(lì)磁涌流對(duì)過(guò)分相系統(tǒng)影響的分析，對(duì)不同抑制裝置的橫向分析比較也顯得不足。

本文基于地面式不停電過(guò)分相方式，研究了過(guò)分相的暫態(tài)過(guò)程，分析過(guò)電壓的相關(guān)影響因素與產(chǎn)生機(jī)理，并且優(yōu)化列車(chē)過(guò)分相過(guò)程，使列車(chē)能夠可靠、安全、穩(wěn)定地通過(guò)分相區(qū)。

1 列車(chē)不停電過(guò)分相過(guò)程的理論分析

在開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，列車(chē)不停電過(guò)分相系統(tǒng)可能產(chǎn)生高幅值、大能量、短時(shí)持續(xù)的過(guò)電壓及過(guò)電流，并且可能伴隨幅值振蕩現(xiàn)象[18]。根據(jù)實(shí)際中機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相的開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況和原理[19]，構(gòu)建列車(chē)不停電過(guò)分相的結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖2所示。

圖2 列車(chē)不停電過(guò)分相的等效電路

圖2中，S1、S2、S3是為了改變列車(chē)位置而設(shè)置的開(kāi)關(guān)，Q1、Q2為連接中性段和供電臂的開(kāi)關(guān)。a、b為兩側(cè)供電臂的牽引電源，la、lb、la、lb分別為兩側(cè)供電臂的等效電阻和電感，sa、sb、sa、sb分別為兩側(cè)牽引變壓器的等效電阻與電感，an、bn為中性段和供電臂之間的線(xiàn)間電容，la、lb為供電臂的等效電容，n、n、n分別為中性段的等效電阻、電感和對(duì)地電容，中性段使用“T”形電路等效。

對(duì)列車(chē)過(guò)分相的暫態(tài)過(guò)程作如下劃分。暫態(tài)過(guò)程一：閉合開(kāi)關(guān)Q1，供電臂a和中性段相連，列車(chē)在供電臂a上運(yùn)行；暫態(tài)過(guò)程二：斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Q1，供電臂a和中性段分離，列車(chē)在中性段上運(yùn)行；暫態(tài)過(guò)程三：閉合開(kāi)關(guān)Q2，供電臂b和中性段連接，列車(chē)在中性段上運(yùn)行；暫態(tài)過(guò)程四：斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Q2，供電臂b和中性段分離，列車(chē)在供電臂b上運(yùn)行。

在帶載分閘暫態(tài)過(guò)程中，截流過(guò)電壓與開(kāi)關(guān)分閘時(shí)的電流相位及設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)變壓器的勵(lì)磁電流在相位90°時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，過(guò)電壓達(dá)到最大值；當(dāng)在相位0°時(shí)斷開(kāi)，并無(wú)過(guò)電壓。

帶載合閘暫態(tài)過(guò)程中，根據(jù)二階常系數(shù)微分方程解法，將零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)疊加可得中性段電壓的全響應(yīng)表達(dá)式為

對(duì)于兩端供電臂電壓相位差不同的四種典型情況，文獻(xiàn)[20]分別給出合理的合閘時(shí)間和最佳合閘時(shí)刻。在合理合閘時(shí)間，因?yàn)殍F心磁通密度設(shè)計(jì)存在冗余，所以雖然合閘磁通和剩磁通不相同卻沒(méi)有勵(lì)磁涌流現(xiàn)象；在最佳合閘時(shí)刻，因?yàn)楹祥l后的磁通和分閘時(shí)剩磁通一樣，所以也沒(méi)有發(fā)生勵(lì)磁涌流的現(xiàn)象[21]。

表1 最佳和合理合閘時(shí)間

Tab.1 Best and reasonable switching time

2 列車(chē)不停電過(guò)分相一體化動(dòng)態(tài)模型

機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相整體模型由牽引網(wǎng)模型、電力機(jī)車(chē)模型以及分相區(qū)模型構(gòu)成。

2.1 牽引供電系統(tǒng)建模

用π型等效電路建立子網(wǎng)模型，每個(gè)模塊代表1km，模塊如圖3所示，將模塊級(jí)聯(lián)組成所需長(zhǎng)度的牽引網(wǎng)，本文將牽引網(wǎng)設(shè)為15km，線(xiàn)路參數(shù)見(jiàn)附表1。牽引變電所主要對(duì)牽引變壓器建模，仿真采用VX聯(lián)結(jié)方式。在仿真中用兩臺(tái)單相Vv變壓器構(gòu)成VX聯(lián)結(jié)方式，變壓器的參數(shù)見(jiàn)附表2。

圖3 牽引網(wǎng)的鏈?zhǔn)降刃Ｐ?/p>

2.2 電力機(jī)車(chē)建模

以CRH3型交-直-交型機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)為例對(duì)列車(chē)建模[22-23]，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

CRH3 型機(jī)車(chē)由兩個(gè)相同且并聯(lián)運(yùn)行的動(dòng)力單元構(gòu)成，機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)附表3，其中直流環(huán)節(jié)后的牽引逆變器和牽引電機(jī)使用電阻負(fù)載模擬。

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要工作器件是機(jī)車(chē)的四象限變流器，變流器主要由PWM斬波控制調(diào)控從網(wǎng)側(cè)輸入的電流相位。PWM整流器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制的直接電流控制方法[24]，電壓外環(huán)將采樣得到的直流電壓實(shí)際值與直流電壓給定參考值對(duì)比后，通過(guò)PI控制器處理差值，最后輸出直流電流信號(hào)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，直流電壓與負(fù)載電流在處理后相加作為電流的參考值，然后和電流內(nèi)環(huán)交流電流輸出相比較，最終確定整流橋的控制狀態(tài)。其控制策略框圖如圖5所示。

圖5 PWM控制策略圖

由圖5可得數(shù)學(xué)模型為

2.3 不停電過(guò)分相系統(tǒng)模型

以七跨關(guān)節(jié)式電分相的分相區(qū)為例，每跨取50m，總共長(zhǎng)度為350m，包含兩段100m的過(guò)渡區(qū)，以及中間150m長(zhǎng)度的無(wú)電區(qū)。因?yàn)橹行远螢殄^段關(guān)節(jié)之間兩個(gè)轉(zhuǎn)換柱中的獨(dú)立網(wǎng)路，所以可將中性段作T型等效。電分相區(qū)具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)附表3。

為建立機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相一體化動(dòng)態(tài)模型，對(duì)Q1、Q2、S1、S2、S3五個(gè)開(kāi)關(guān)選擇開(kāi)合時(shí)間。以機(jī)車(chē)從左至右經(jīng)過(guò)分相區(qū)為例，控制邏輯如下：1時(shí)刻：地面?zhèn)鞲衅鰿G1感知機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)，閉合開(kāi)關(guān)Q1，接通中性段和a供電臂；2時(shí)刻：機(jī)車(chē)進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，閉合開(kāi)關(guān)S2，機(jī)車(chē)通過(guò)中性段與a供電臂取電；3時(shí)刻：機(jī)車(chē)離開(kāi)過(guò)渡區(qū)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，受電弓只連接中性段；4時(shí)刻：地面?zhèn)鞲衅鰿G2感知機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Q1，a供電臂不再對(duì)中性段供電；5時(shí)刻：短暫延時(shí)后閉合開(kāi)關(guān)Q2，中性段和b供電臂處于等電位；6時(shí)刻：機(jī)車(chē)進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，閉合開(kāi)關(guān)S3，受電弓連接中性段與b供電臂；7時(shí)刻：機(jī)車(chē)離開(kāi)過(guò)渡區(qū)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，受電弓只連接b供電臂；8時(shí)刻：機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)分相區(qū)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Q2，過(guò)分相結(jié)束。

3 不停電過(guò)分相電磁暫態(tài)的仿真研究

3.1 暫態(tài)過(guò)程仿真分析

以牽引變壓器為VX接線(xiàn)在牽引變電所出口處過(guò)分相，利用搭建的機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相仿真模型對(duì)列車(chē)過(guò)分相的四個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行仿真分析，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)開(kāi)閉時(shí)間控制電壓相位。

開(kāi)關(guān)Q1、Q2以及機(jī)車(chē)受流處電壓電流全過(guò)程波形如圖6所示，以下對(duì)各階段過(guò)程的不同情況分別進(jìn)行仿真分析。

圖6 開(kāi)關(guān)Q1、Q2及機(jī)車(chē)受流處電壓電流全過(guò)程波形

3.1.1 中性段與供電臂接通過(guò)程仿真分析

分別讓開(kāi)關(guān)Q1在0°、45°、90°、270°角度閉合，仿真不同電壓合閘相位下的中性段和受電弓交接處的電壓狀況，電壓波形如圖7所示。

圖7 開(kāi)關(guān)Q1在不同合閘相位的中性段電壓波形

由圖7可知，過(guò)電壓最大值出現(xiàn)在電壓峰值合閘時(shí)，幅值為49.41kV，是額定電壓的1.27倍。一般車(chē)頂?shù)姆烹婇g隙工頻耐壓為60kV，所以在接通中性段和供電臂時(shí)造成的過(guò)電壓不會(huì)對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。

3.1.2 帶載分閘過(guò)程仿真分析

由理論推導(dǎo)可知，開(kāi)關(guān)Q1帶載分閘中性段上的電壓最大值表達(dá)式為

式中，為機(jī)車(chē)分閘時(shí)的電流；為分閘時(shí)中性段感應(yīng)電壓。因?yàn)殡娮娱_(kāi)關(guān)會(huì)過(guò)零關(guān)斷，所以不存在該暫態(tài)過(guò)程，因此使用機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)分閘時(shí)的過(guò)程進(jìn)行仿真分析。分別在電流過(guò)零時(shí)和峰值時(shí)分閘，波形如圖8所示。

為得到具體的分閘過(guò)電壓情況，以9°為間隔進(jìn)行開(kāi)關(guān)Q1分閘仿真，用所得數(shù)據(jù)繪制出電壓-相位散點(diǎn)圖，擬合成平滑的曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖9 開(kāi)關(guān)Q1不同分閘時(shí)間電壓相位曲線(xiàn)

從圖9曲線(xiàn)可知，在90°和270°時(shí)出現(xiàn)電壓最值，分別為-156.12kV和160.17kV，仿真結(jié)果與理論公式一致，均遠(yuǎn)超車(chē)網(wǎng)安全運(yùn)行電壓。因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)分閘時(shí)刻不可控，所以利用擬合曲線(xiàn)預(yù)測(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓的概率，隨機(jī)角度下分閘過(guò)電壓超過(guò)耐壓值60kV的概率達(dá)到73.46%，所以需要對(duì)此加強(qiáng)防護(hù)。

3.1.3 帶載合閘過(guò)程仿真分析

為得到具體的合閘過(guò)電壓情況，以9°為間隔進(jìn)行開(kāi)關(guān)Q2合閘仿真，得到電壓和相位的關(guān)系，繪出電壓-相位散點(diǎn)圖，并進(jìn)行擬合，如圖10所示。

圖10 開(kāi)關(guān)Q2不同合閘時(shí)間電壓相位曲線(xiàn)

根據(jù)圖10的曲線(xiàn)可知，合閘時(shí)最大電壓也發(fā)生在90°和270°，分別為64.73kV和-63.11kV。Q2合閘時(shí)的過(guò)電壓值明顯低于Q1分閘時(shí)。但當(dāng)合閘角度選擇不合理時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生超過(guò)安全限制的過(guò)電壓，所以也需要進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

3.1.4 中性段與供電臂分離過(guò)程仿真分析

當(dāng)開(kāi)關(guān)Q2分閘時(shí)，因?yàn)榱熊?chē)已經(jīng)通過(guò) b 相供電臂供電，并且供電臂遠(yuǎn)長(zhǎng)于中性段，所以沒(méi)有出現(xiàn)明顯過(guò)電壓。當(dāng) b 相電壓相位為0°和 90°時(shí)開(kāi)關(guān)Q2分閘，得到此時(shí)中性段電壓波形如圖11所示。由圖11可見(jiàn)，兩個(gè)角度都不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。

圖11 Q2分閘時(shí)的中性段電壓波形

3.2 合閘勵(lì)磁涌流影響因素仿真分析

因?yàn)樽儔浩黠柡鸵约拌F心的非線(xiàn)性等特征，機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)，開(kāi)關(guān)Q2合閘后可能造成較大的勵(lì)磁涌流。根據(jù)參考文獻(xiàn)[25]，合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的磁鏈表達(dá)式為

3.2.1 合閘相位

將變壓器在不同相角合閘的勵(lì)磁涌流情況繪制擬合曲線(xiàn)，如圖12所示，勵(lì)磁涌流現(xiàn)象最嚴(yán)重為0°和180°相位處，而在相位為90°時(shí)勵(lì)磁涌流為0。

圖12 開(kāi)關(guān)Q2合閘時(shí)不同相角的勵(lì)磁涌流曲線(xiàn)

3.2.2 電分相位置

仿真按最嚴(yán)重情況進(jìn)行設(shè)置，開(kāi)關(guān)在0°時(shí)合閘。當(dāng)為分區(qū)所過(guò)分相時(shí)，因?yàn)闋恳W(wǎng)存在阻抗，勵(lì)磁涌流降低至313.09A；當(dāng)在牽引變電所出口過(guò)分相，可以將牽引變電所和分相區(qū)之間等效為零阻抗，勵(lì)磁涌流大小為401.21A。

3.2.3 剩磁大小

剩磁分別設(shè)為0(pu)、0.2(pu)、0.5(pu)和0.9(pu)，仿真設(shè)開(kāi)關(guān)在0°時(shí)合閘，并在牽引變電所出口處過(guò)分相。

仿真得到剩磁通為0(pu)、0.2(pu)、0.5(pu)、0.9(pu)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流幅值分別為401.21A、514.53A 、612.53A 、 742.91 A。可見(jiàn)剩磁通對(duì)于合閘勵(lì)磁涌流影響較大，剩磁通越大電流幅值越大。

3.2.4 列車(chē)主變壓器參數(shù)影響

機(jī)車(chē)的不同會(huì)導(dǎo)致車(chē)載變壓器參數(shù)也不同，而變壓器的主要參數(shù)為變壓器容量。仿真時(shí)將相角設(shè)為0°時(shí)合閘，不考慮剩磁通，并依據(jù)實(shí)際機(jī)車(chē)變壓器值選擇主變?nèi)萘繀?shù)，分別為2 100kV·A、3 060kV·A、11 622kV·A等值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同容量的變壓器勵(lì)磁涌流大小

Tab.2 Inrush current of different transformer capacity

由表2可知，變壓器容量與勵(lì)磁涌流大致為正比關(guān)系，所以在合閘時(shí)大容量的變壓器較易造成較大的勵(lì)磁涌流。

3.2.5 供電臂的電壓大小

依據(jù)鐵路規(guī)范準(zhǔn)則，供電臂的電壓波動(dòng)范圍在17.5~31.5kV。仿真設(shè)在電壓過(guò)零時(shí)合閘，無(wú)剩磁通，網(wǎng)壓設(shè)置為17.5kV和31kV，不同供電臂電壓的勵(lì)磁涌流波形如圖13所示。

從圖13波形可見(jiàn)，勵(lì)磁涌流分別為143.96A和442.58A，變壓器勵(lì)磁涌流和網(wǎng)壓大小為正比關(guān)系。

4 不停電過(guò)分相系統(tǒng)的保護(hù)策略

本文給出抑制裝置和控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間結(jié)合的控制策略，即在列車(chē)或中性段上設(shè)置附加裝置抑制過(guò)電壓，并且控制開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間以防止勵(lì)磁涌流出現(xiàn)，提高列車(chē)過(guò)分相的穩(wěn)定性和安全性。

4.1 對(duì)分閘過(guò)程過(guò)電壓的抑制方案研究與驗(yàn)證

因?yàn)楦行载?fù)載電感上的電流無(wú)法突變所以造成較高的過(guò)電壓，即為截流過(guò)電壓，而開(kāi)關(guān)Q1分閘時(shí)刻是影響截流過(guò)電壓產(chǎn)生的關(guān)鍵，如果控制在電流過(guò)零時(shí)分閘，將不會(huì)出現(xiàn)截流過(guò)電壓。

用雙向反并聯(lián)晶閘管替換真空開(kāi)關(guān)，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)將晶閘管觸發(fā)輸入置零，晶閘管會(huì)在下一零電流時(shí)刻阻斷。晶閘管邏輯仿真模型如圖14所示。

圖14 晶閘管仿真模型

在仿真模型中置入晶閘管，在電流峰值時(shí)分閘，得到仿真波形如圖15所示。

圖15 置入晶閘管后的分閘過(guò)程電壓波形

由圖15可知，即使在電流峰值時(shí)將晶閘管觸發(fā)輸入置零，晶閘管在四分之一周期后零電流時(shí)刻會(huì)立即關(guān)斷，中性段無(wú)過(guò)電壓。通過(guò)仿真分析證明了以晶閘管代替開(kāi)關(guān)對(duì)截流過(guò)電壓的抑制效果。

4.2 對(duì)合閘過(guò)程過(guò)電壓的抑制方案研究與驗(yàn)證

由之前仿真分析可知，合閘角決定是否出現(xiàn)過(guò)電壓，在0°時(shí)合閘，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，在90°時(shí)合閘，會(huì)產(chǎn)生較高過(guò)電壓。所以前述電力電子開(kāi)關(guān)控制分閘相位的方案也能夠防止合閘過(guò)電壓，但如果在過(guò)0°時(shí)合閘，機(jī)車(chē)變壓器上必會(huì)出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流，所以考慮加裝裝置應(yīng)對(duì)過(guò)電壓的發(fā)生。

現(xiàn)主要有加裝合閘電阻在開(kāi)關(guān)上、加裝金屬氧化鋅避雷器（Metal ZnO Arrester, MOA）在車(chē)載主斷路器前、加裝阻容吸收裝置在中性段等應(yīng)對(duì)合閘過(guò)電壓的抑制方法。

4.2.1 阻容吸收裝置

1）作用原理

阻容吸收裝置安裝在變電所里，主要是將電容和電阻串聯(lián)后與電分相區(qū)的中性段并聯(lián)達(dá)到為中性段上分壓的效果[26]，等效電路如圖16所示。其作用包括：提高回路上的電容值，降低電路上的諧振頻率，易于吸收出現(xiàn)的過(guò)電壓；通過(guò)電阻減少回路上的能量，使回路從臨界阻尼變?yōu)檫^(guò)阻尼情況；并且減小中性段上的感應(yīng)電壓[27]。

圖16 阻容吸收裝置等效電路

2）參數(shù)設(shè)置及仿真

阻容吸收裝置選擇足夠大的電容才能降低振蕩頻率到零，但太大的電容又會(huì)提升非必要的成本；選擇太小的電阻將不能達(dá)到預(yù)期的抑制效果，太大也可能造成保護(hù)效果降低。

依據(jù)圖16分析，閉合開(kāi)關(guān)后，因?yàn)閚d，此時(shí)可以將電容n對(duì)中性段的影響忽略不計(jì)，中性段將形成RLC串聯(lián)振蕩回路。假設(shè)串聯(lián)諧振角頻率為0，電路的振蕩角頻率為，可以得到

其中

從式（5）得

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選阻值為50~1 000W，電容為0.1~5μF。以合閘時(shí)最嚴(yán)重過(guò)電壓的狀況對(duì)阻容吸收裝置進(jìn)行仿真分析。仿真設(shè)置在電壓90°時(shí)合閘，電容值為0.5μF的情況下，不同阻值的仿真結(jié)果見(jiàn)表3。設(shè)置阻值為300W的情況下，不同電容值的仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 不同電阻情況下的過(guò)電壓值

Tab.3 Overvoltage results at different resistance values

表4 不同容值情況下的過(guò)電壓值

Tab.4 Overvoltage results at different capacitance values

由表3可知，當(dāng)阻值增加時(shí)中性段過(guò)電壓隨之降低，但阻值超過(guò)300W左右后，抑制過(guò)電壓的效果減弱。由表4可知，當(dāng)電容增加時(shí)中性段上過(guò)電壓隨之降低，電容為5μF時(shí)能完全抑制過(guò)電壓。因?yàn)樽枞菅b置的電流不能太大，所以最終容值取3μF。綜上，阻容裝置電阻設(shè)為300W，電容設(shè)為3μF，加裝阻容吸收裝置Q2合閘時(shí)段的對(duì)比波形如圖17所示。

圖17 開(kāi)關(guān)Q2合閘的效果對(duì)比

未加裝阻容吸收裝置的中性段合閘時(shí)過(guò)電壓為62.26kV，裝設(shè)裝置后沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電壓，并且平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)降低了缺電時(shí)間內(nèi)中性段上的諧波。仿真結(jié)果證明了裝設(shè)阻容吸收裝置的過(guò)電壓抑制效果。

4.2.2 金屬氧化物避雷器

1）作用原理

MOA是一個(gè)具有良好性能的無(wú)間隙結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性電阻器件，通常并聯(lián)在保護(hù)設(shè)備端。一旦避雷器兩端的電壓超過(guò)其放電電壓，避雷器會(huì)發(fā)生放電限制過(guò)電壓大小以保護(hù)接觸網(wǎng)。MOA是由多組柱金屬氧化物絕緣閥片并聯(lián)構(gòu)成，其中每柱的非線(xiàn)性伏安特性為

式中，ref和ref分別為參考電流和參考電壓；T和k均為第段特性曲線(xiàn)系數(shù)，=1,2,3，分別代表飽和區(qū)、非線(xiàn)性區(qū)和小電流區(qū)。

2）參數(shù)設(shè)置及仿真驗(yàn)證

在主斷路器與受電弓間裝設(shè)MOA模型，并設(shè)參數(shù)為：閥片柱數(shù)為2，單段參考電流ref=500A；引起保護(hù)的啟動(dòng)電壓ref=60kV；避雷器非線(xiàn)性伏安特性的第1、2、3段系數(shù)分別為1=0.99，2=1.0，3=0.96，1=16.5，2=25，3=50。以合閘最嚴(yán)重過(guò)電壓狀況對(duì)MOA避雷器的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，裝設(shè)前后對(duì)照如圖18所示。

圖18 開(kāi)關(guān)Q2合閘的裝設(shè)MOA避雷器效果對(duì)比

在未加裝MOA避雷器的情況下，機(jī)車(chē)受電弓處最大過(guò)電壓為62.26kV；在加裝了金屬氧化鋅避雷器的情況下，機(jī)車(chē)受電弓處最大過(guò)電壓為50.55kV。所以MOA能夠降低過(guò)電壓值，但是沒(méi)有完全抑制過(guò)電壓。

4.2.3 合閘電阻

1）作用原理

抑制合閘過(guò)電壓最常見(jiàn)的做法是設(shè)置并聯(lián)合閘電阻，并聯(lián)合閘電阻的阻尼特性可以防止過(guò)電壓損壞中性段接觸網(wǎng)之間的設(shè)備與牽引網(wǎng)[28-31]。長(zhǎng)時(shí)間將電阻串聯(lián)在錨段關(guān)節(jié)，可能造成中性段和供電臂之間出現(xiàn)較大環(huán)流，會(huì)造成多余的功耗，并且也會(huì)引起設(shè)備發(fā)熱，甚至?xí)惯^(guò)電流保護(hù)跳閘。增設(shè)開(kāi)關(guān)在合閘電阻處，控制電阻投入使用的時(shí)段，可以避免長(zhǎng)時(shí)間投入電阻產(chǎn)生的功耗及發(fā)熱。合閘電阻裝設(shè)接線(xiàn)原理如圖19所示，加裝電阻1、2和開(kāi)關(guān)S1、S2，控制邏輯為在動(dòng)作S1及S2短暫時(shí)刻后動(dòng)作分相開(kāi)關(guān)Q1和Q2。當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)鞲衅鰿G1感應(yīng)機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，閉合S1；斷開(kāi)Q1時(shí)閉合Q2。

圖19 合閘電阻裝設(shè)原理圖

2）參數(shù)設(shè)置及仿真

以最嚴(yán)重過(guò)電壓的狀況進(jìn)行仿真分析，選擇10~1 000W的阻值進(jìn)行仿真，得到不同電阻值的中性段電壓值如圖20所示。

圖20 不同電阻值的中性段電壓值

未加裝合閘電阻的中性段上的過(guò)電壓為62.26kV，初期設(shè)置合閘電阻越大，電壓越小，在300Ω附近抑制效果最佳，過(guò)電壓降為47.50kV，但當(dāng)阻值繼續(xù)增加，過(guò)電壓抑制效果變差。所以選擇裝設(shè)300Ω的合閘電阻，裝設(shè)前后對(duì)比波形如圖21所示。

圖21 開(kāi)關(guān)Q2合閘的裝設(shè)合閘電阻效果對(duì)比

由圖21b可見(jiàn)，設(shè)置了合閘電阻后，過(guò)電壓明顯降低，但是因?yàn)榍腥腚娮瓒略隽藭簯B(tài)過(guò)程，所以該動(dòng)作的出現(xiàn)可能引發(fā)其他電氣問(wèn)題。

4.3 合閘過(guò)程過(guò)電壓抑制三種方法的對(duì)比

針對(duì)各個(gè)方面對(duì)比上述三種鐵路過(guò)分相過(guò)電壓抑制的裝置，得到最佳不停電過(guò)分相過(guò)電壓抑制方法。

（1）控制難度。阻容吸收裝置和金屬氧化鋅避雷器不需要附加控制措施，而合閘電阻需要增加額外設(shè)備控制其開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)分合時(shí)間會(huì)影響對(duì)過(guò)電壓的抑制效果。所以裝設(shè)合閘電阻的方案控制難于另外兩種，并且會(huì)引起額外的暫態(tài)過(guò)程。

（2）投資成本。對(duì)于阻容吸收裝置，僅需裝設(shè)一組裝置在中性段，因?yàn)殡娮韬碗娙輿Q定其抑制效果，所以要求電阻電容具有較高的性能和質(zhì)量。另外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能產(chǎn)生額外的損耗，對(duì)裝置壽命有所減少，使得后期所需的維護(hù)費(fèi)用升高；對(duì)于MOA，不需要安裝在每個(gè)分相區(qū)，只要裝設(shè)在車(chē)上，另外該裝置具有無(wú)工頻續(xù)流、通流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并能夠多次放電釋壓，前期成本較少。但本體的封裝、裝置上電阻片都可能產(chǎn)生故障，后期的MOA預(yù)防性試驗(yàn)也會(huì)提高成本；對(duì)于合閘電阻，需裝設(shè)控制開(kāi)關(guān)，提高了成本，另外頻繁地動(dòng)作開(kāi)關(guān)也增加了對(duì)于開(kāi)關(guān)的后期檢修和維護(hù)成本。

（3）抑制效果。對(duì)于阻容吸收裝置，設(shè)定電阻為300W、電容為3μF，中性段上過(guò)電壓降低了37.35%，合閘過(guò)程電壓過(guò)渡平穩(wěn)，并且很大程度地減少了中性段上的諧波含量和感應(yīng)電壓。但不足之處在于參數(shù)影響抑制效果較大，所以實(shí)際中需要通過(guò)多組試驗(yàn)取得最合適的參數(shù)。

對(duì)于金屬氧化鋅避雷器裝置，設(shè)定起始電壓后，中性段上過(guò)電壓降低了18.81%，并且該裝置也能夠防護(hù)雷電過(guò)電壓。但因?yàn)槠渚哂蟹蔷€(xiàn)性伏安特性，不能夠?qū)⑵鹗紕?dòng)作電壓設(shè)定得過(guò)低，所以無(wú)法抑制低值過(guò)電壓。

對(duì)于合閘電阻裝置，設(shè)定電阻為300Ω，合閘后中性段上過(guò)電壓降低了23.71%。

綜上所述，對(duì)比抑制效果，阻容吸收裝置最好，而MOA避雷器只能夠應(yīng)對(duì)高值過(guò)電壓。

5 結(jié)論

本文對(duì)于列車(chē)不停電過(guò)分相進(jìn)行了分析研究，總結(jié)如下：

1）開(kāi)關(guān)帶載合閘時(shí)可能造成較大勵(lì)磁涌流，通過(guò)仿真分析了合閘勵(lì)磁涌流與電壓相位、剩磁通大小等多種因素之間的關(guān)系。

2）通過(guò)列車(chē)模型的仿真分析，探究了列車(chē)過(guò)分相四個(gè)不同的暫態(tài)過(guò)程中過(guò)電壓幅值與操作相角之間的關(guān)系。對(duì)進(jìn)一步研究過(guò)分相抑制提供有益指導(dǎo)。

3）針對(duì)不停電過(guò)分相中的分合閘暫態(tài)過(guò)程，提出了改善的方案，對(duì)方案優(yōu)化效果進(jìn)行比較，得出阻容吸收裝置對(duì)不停電過(guò)分相具有最好優(yōu)化效果的結(jié)論。

附 錄

附表1 線(xiàn)路參數(shù)

App.Fig.1 Line parameters

牽引網(wǎng)自阻抗/ (Ω/km)中性段等值電感/mH中性段等值電阻/Ω中性段對(duì)地電容/nF中性段與接觸線(xiàn)間電容/nF 0.31+j0.760.20.063 4.02 10.11

附表2 變電所變壓器參數(shù)[32]

App.Fig.2 Parameters of transformer in substation[32]

聯(lián)結(jié)形式額定容量/ (MV?A)電壓值/kV阻抗電壓值(%)空載電流值(%)空載損耗量/kW負(fù)載損耗量/kW Scott5022010.51.055216 VX31.5+20 22010.52 0.2442.55 201.41

附表3 傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

App.Fig.3 Basic technical parameters of transmission system

項(xiàng)目CRH3 主變壓器電路結(jié)構(gòu)兩電平 頻率/Hz50 容量/(kV·A)6 144 四象限脈沖整流器電壓比27.5 kV∶1.5 kV 輸入AC 1 550V,910 A 輸出/VDC 3 000 電壓/V2 700/2 800-3 600 中間直流環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率/Hz350 L2 /mH C2 /mF4.420.60 支撐電容/mF3.0

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Research on Electromagnetic Transient and Suppression Measures for Passing Neutral Section without Power Interruption of Electrified Railway

Wang Xiaojun1Bi Chengjie2Jin Cheng1Yao Chao1

（1.School of Electrical Engineering Beijing Jiao Tong Univercity Beijing 100044 China 2. State Grid Beijing Fengtai Power Supply Company Beijing 100073 China）

There will be overvoltage and overcurrent when the train passes through the neutral section with the uninterrupted phase-separation passing system, which will have a negative impact on the electrical railway power supply system and the train. In this paper, based on the simulation data, the property of the over-voltage phenomena during different transient periods are studied and the impact of phase angle for the switching operation on the amplitude of the over-voltage is analyzed. This work also researched the impacts of the angle of the closing operation, the position of the phase separation, and the volume of the residual magnetic on the inrush current of the neutral section passing. Lastly, three optimization strategies and restraining measures for neutral section passing are proposed. After comparison, the suitable strategy is selected.

Passing neutral section without interruption, overvoltage, magnetizing inrush current, suppression measures

TM712

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191640

先進(jìn)軌道交通國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017YFB1200802）。

2020-01-19

2020-06-03

王小君 男，1978年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、主動(dòng)配電網(wǎng)等。E-mail：xjwang1@bjtu.edu.cn（通信作者）

畢成杰 女，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎饣F路車(chē)網(wǎng)過(guò)分相電磁暫態(tài)等。E-mail：17125972@bjtu.edu.cn

（編輯 郭麗軍）